生物化學(xué)II：Chapter12 檸檬酸循環(huán)

1、Chapter12 檸檬酸循環(huán)檸檬酸循環(huán) (Citric acid cycle) 一、丙酮酸進(jìn)入檸檬酸循環(huán)的準(zhǔn)備階段一、丙酮酸進(jìn)入檸檬酸循環(huán)的準(zhǔn)備階段 形成乙酰形成乙酰CoACoA 二、檸檬酸循環(huán)概貌二、檸檬酸循環(huán)概貌 三、檸檬酸循環(huán)的反應(yīng)機(jī)制三、檸檬酸循環(huán)的反應(yīng)機(jī)制 四、檸檬酸循環(huán)的化學(xué)總結(jié)算四、檸檬酸循環(huán)的化學(xué)總結(jié)算 五、檸檬酸循環(huán)的調(diào)控五、檸檬酸循環(huán)的調(diào)控 六、檸檬酸循環(huán)的雙重作用六、檸檬酸循環(huán)的雙重作用 丙酮酸的有氧氧化及丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解葡萄糖的有氧分解 （EPM） 葡萄糖葡萄糖 COOH C=O CH3 丙酮酸丙酮酸 CH3-C-SCoA O 乙酰乙酰CoACoA

2、三羧酸三羧酸 循環(huán)循環(huán) NAD+ NADH+H+ CO2 CoASH 葡萄糖的有氧分解葡萄糖的有氧分解 丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系 概念概念 有氧氧化是指體內(nèi)組織在有氧條件下，葡萄糖徹底氧化分有氧氧化是指體內(nèi)組織在有氧條件下，葡萄糖徹底氧化分 解生成解生成COCO2 2和和H H2 2O O的過程。的過程。 有氧氧化是糖氧化的主要方式，絕大多數(shù)細(xì)胞都通過它獲有氧氧化是糖氧化的主要方式，絕大多數(shù)細(xì)胞都通過它獲 得能量。肌肉等進(jìn)行糖酵解生成的乳酸，最終仍需在有氧得能量。肌肉等進(jìn)行糖酵解生成的乳酸，最終仍需在有氧 時(shí)徹底氧化成水和二氧化碳。從能量產(chǎn)生看，糖有氧代謝時(shí)徹底氧化成水和二氧化碳。從能量產(chǎn)

3、生看，糖有氧代謝 合成的合成的ATPATP是糖酵解的是糖酵解的18-1918-19倍，它無疑是長時(shí)間大強(qiáng)度運(yùn)倍，它無疑是長時(shí)間大強(qiáng)度運(yùn) 動(dòng)的重要能量來源。動(dòng)的重要能量來源。 C C6 6H H12 12O O6 6 + 6O O2 2 6 CO CO2 2 + 6 H H2 2O O + 30/32 ATP The cellular respiration can be divided into three stages Stage I All the fuel molecules are oxidized to generate a common two-carbon unit, acety

4、l-CoA. Stage II The acetyl-CoA is completely oxidized into CO2, with electrons collected by NAD and FAD via a cyclic pathway (named as the citric acid cycle, Krebs cycle, or tricarboxylic acid cycle). Stage III Electrons of NADH and FADH2 are transferred to O2 via a series carriers, producing H2O an

5、d a H+ gradient, which will promote ATP formation. 葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA COCO2 2+H+H2 2O+ATPO+ATP 三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán) 糖的有氧氧化糖的有氧氧化 乳酸乳酸 糖酵解糖酵解 線粒體內(nèi)線粒體內(nèi) Mitochondria 胞漿胞漿 Cytosol 糖有氧氧化概況糖有氧氧化概況 ( (線粒體膜線粒體膜) ) 1.1.丙酮酸氧化脫羧生成乙酰丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoACoA（線粒體）（線粒體） 包包括：丙酮酸的轉(zhuǎn)運(yùn)括：丙酮酸的轉(zhuǎn)運(yùn)（從胞漿到線粒體）（從胞漿到線粒體） 2.2.乙酰乙酰CoACoA

6、進(jìn)入三羧酸循進(jìn)入三羧酸循 環(huán)徹底氧化環(huán)徹底氧化（線粒體）（線粒體） 一、丙酮酸進(jìn)入檸檬酸循環(huán)的準(zhǔn)備階段一、丙酮酸進(jìn)入檸檬酸循環(huán)的準(zhǔn)備階段 形成乙酰形成乙酰CoACoA 1. 1. 丙酮酸氧化脫羧丙酮酸氧化脫羧乙酰乙酰CoACoA的生成的生成 糖酵解生成的丙酮酸可穿過線粒體膜進(jìn)入線粒體內(nèi)室。糖酵解生成的丙酮酸可穿過線粒體膜進(jìn)入線粒體內(nèi)室。 在在丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系的催化下氧化脫羧，生成乙酰輔酶的催化下氧化脫羧，生成乙酰輔酶A A。 Pyruvate is first transported into mitochondria via a specific transporter on t

7、he inner membrane. Pyruvate is converted to acetyl-CoA and CO2 by oxidative decarboxylation. 丙酮酸脫丙酮酸脫 氫酶系氫酶系 三種酶三種酶 五種輔助因子五種輔助因子 E1-E1-丙酮酸脫羧酶（也叫丙酮酸脫氫酶）丙酮酸脫羧酶（也叫丙酮酸脫氫酶） E2-E2-二氫硫辛酸乙?；D(zhuǎn)移酶二氫硫辛酸乙酰基轉(zhuǎn)移酶 E3-E3-二氫硫辛酰胺脫氫酶。二氫硫辛酰胺脫氫酶。 焦磷酸硫胺素（焦磷酸硫胺素（TPP)TPP)、硫辛酸、硫辛酸、 COASHCOASH、FADFAD、NADNAD+ + 丙酮酸脫氫酶系催化酶：丙酮酸脫氫

8、酶系催化酶： 這一多酶復(fù)合體位于線粒體內(nèi)膜上，原核細(xì)胞則在胞這一多酶復(fù)合體位于線粒體內(nèi)膜上，原核細(xì)胞則在胞 液中。由丙酮酸脫氫酶，二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶和二氫硫液中。由丙酮酸脫氫酶，二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶和二氫硫 辛酰胺脫氫酸三種酶按一定比例組合成多酶復(fù)合體。辛酰胺脫氫酸三種酶按一定比例組合成多酶復(fù)合體。 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的組成丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的組成 組分組分縮寫縮寫肽鏈數(shù)肽鏈數(shù)輔基輔基催化的反應(yīng)催化的反應(yīng) 丙酮酸脫氫丙酮酸脫氫 酶組分酶組分 E124TPP丙酮酸氧化脫羧丙酮酸氧化脫羧 二氫硫辛酰二氫硫辛酰 轉(zhuǎn)乙?；皋D(zhuǎn)乙酰基酶 E224硫辛酰胺硫辛酰胺將乙?；D(zhuǎn)移到將乙酰基轉(zhuǎn)移到CoA 二氫

9、硫辛酸二氫硫辛酸 脫氫酶脫氫酶 E312FAD 將還原型硫辛酰胺將還原型硫辛酰胺 轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸娃D(zhuǎn)變?yōu)檠趸?羥乙基羥乙基TPPTPP 丙酮酸氧化脫羧生成乙酰丙酮酸氧化脫羧生成乙酰CoACoA的過程的過程 丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴１徂D(zhuǎn)變?yōu)橐阴oACoA的反應(yīng)步驟（一）的反應(yīng)步驟（一） E1 丙酮酸丙酮酸 TPP TPP 丙酮酸丙酮酸TPPTPP加成化合物加成化合物 丙酮酸丙酮酸TPPTPP加成化合物加成化合物 羥乙基羥乙基-TPP-TPP共振形式共振形式 TPPTPP噻唑環(huán)上的噻唑環(huán)上的N N與與S S之間活潑的碳原子可釋放出之間活潑的碳原子可釋放出H H ，而成為碳離子， ，而成為碳離子， 與丙

10、酮酸的羰基作用，產(chǎn)生與丙酮酸的羰基作用，產(chǎn)生COCO2 2，同時(shí)形成羥乙基，同時(shí)形成羥乙基-TPP-TPP E E2 2的硫辛酰胺輔基的硫辛酰胺輔基 羥乙基羥乙基- -TPPTPP 乙酰二氫硫辛酰胺乙酰二氫硫辛酰胺 TPP-ETPP-E1 1 E2 乙?；D(zhuǎn)移到乙酰基轉(zhuǎn)移到CoA分子上形成乙酰分子上形成乙酰CoA（二）（二） 由二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶催化使羥乙基由二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶催化使羥乙基-TPP-TPP上的羥乙基被上的羥乙基被 氧化成乙?；瑫r(shí)轉(zhuǎn)移給硫辛酰胺，形成乙酰硫辛酰胺。氧化成乙?；瑫r(shí)轉(zhuǎn)移給硫辛酰胺，形成乙酰硫辛酰胺。 乙酰二氫硫辛酰胺乙酰二氫硫辛酰胺 乙酰乙酰CoA CoA

11、 二氫硫辛酰胺二氫硫辛酰胺 二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶還催化乙酰硫辛酰胺上的乙?；D(zhuǎn)二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶還催化乙酰硫辛酰胺上的乙?；D(zhuǎn) 移給輔酶移給輔酶A A生成乙酰輔酶生成乙酰輔酶A A后，離開酶復(fù)合體，同時(shí)氧化過后，離開酶復(fù)合體，同時(shí)氧化過 程中的程中的2 2個(gè)電子使硫辛酰胺上的二硫鍵還原為個(gè)電子使硫辛酰胺上的二硫鍵還原為2 2個(gè)巰基。個(gè)巰基。 硫辛酸硫辛酸 砷化物對硫辛酰胺的抑制作用砷化物對硫辛酰胺的抑制作用 甘油醛甘油醛-3-3-磷酸氧化成磷酸氧化成1, 3-1, 3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸 脫氫酶脫氫酶 砷酸鹽是磷酸的類似物，可以代替磷酸結(jié)合到甘油砷酸鹽是

12、磷酸的類似物，可以代替磷酸結(jié)合到甘油 酸的酸的1 1位，并很快水解，使得不能形成位，并很快水解，使得不能形成1,3-1,3-二磷酸甘油酸，二磷酸甘油酸， 不能產(chǎn)生不能產(chǎn)生ATPATP，導(dǎo)致解偶聯(lián)。，導(dǎo)致解偶聯(lián)。 甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸 1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 糖酵解中唯一的糖酵解中唯一的 脫氫反應(yīng)脫氫反應(yīng) 還原型還原型E2E2被氧化反應(yīng)（三）被氧化反應(yīng)（三） 氧化型氧化型E E3 3 還原型還原型E E2 2 還原型 還原型E E3 3 氧化型氧化型E E2 2 還原型還原型E E3 3 氧化型 氧化型E3 E3 氧化型氧化型E E3 3 E3 其作用機(jī)制是：其作用機(jī)

13、制是：二氫硫辛酰胺脫氫酶使還原的二氫硫辛酰胺脫氫重新生成二氫硫辛酰胺脫氫酶使還原的二氫硫辛酰胺脫氫重新生成 硫辛酰胺，以進(jìn)行下一輪反應(yīng)。同時(shí)將氫傳遞給硫辛酰胺，以進(jìn)行下一輪反應(yīng)。同時(shí)將氫傳遞給FADFAD，生成，生成FADH2FADH2。在二氫。在二氫 硫辛酰胺脫氫酶催化下，將硫辛酰胺脫氫酶催化下，將FADH2FADH2上的上的H H轉(zhuǎn)移給轉(zhuǎn)移給NADNAD ，形成 ，形成NADHNADH和和H H 。 。 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體結(jié)構(gòu)丙酮酸脫氫酶復(fù)合體結(jié)構(gòu) 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體由丙酮酸脫氫酶復(fù)合體由6060條肽鏈組成，總分子量為條肽鏈組成，總分子量為 50,00kD50,00kD，直徑約，直徑約30

14、nm30nm，在電子顯微鏡下可以看到。，在電子顯微鏡下可以看到。E2E2是是 復(fù)合體的核心，復(fù)合體的核心，E1E1及及E3E3結(jié)合在結(jié)合在E2E2的外面。的外面。E2E2有一個(gè)由賴有一個(gè)由賴 氨酸殘基與硫辛酰胺相連的長鏈，這個(gè)長臂伸長后可達(dá)氨酸殘基與硫辛酰胺相連的長鏈，這個(gè)長臂伸長后可達(dá) 1.4nm1.4nm，它具有極大的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性，可將底物從一個(gè)酶轉(zhuǎn)，它具有極大的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性，可將底物從一個(gè)酶轉(zhuǎn) 送到另一個(gè)酶。送到另一個(gè)酶。 硫辛酰賴氨酰臂硫辛酰賴氨酰臂 Pyruvate is converted to acetyl-CoA 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的調(diào)控丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的調(diào)控 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體

15、催化的這個(gè)反應(yīng)是哺乳動(dòng)物體內(nèi)使丙酮酸脫氫酶復(fù)合體催化的這個(gè)反應(yīng)是哺乳動(dòng)物體內(nèi)使 丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴１徂D(zhuǎn)變?yōu)橐阴oACoA的唯一途徑。的唯一途徑。乙酰乙酰CoACoA既是檸檬酸循環(huán)的既是檸檬酸循環(huán)的 入口，又是脂類生物合成的起始物質(zhì)。入口，又是脂類生物合成的起始物質(zhì)。 1 1產(chǎn)物控制產(chǎn)物控制 產(chǎn)物產(chǎn)物NADHNADH抑制抑制E E3 3，乙酰，乙酰CoACoA抑制抑制E E2 2。如果。如果NADHNADH和乙酰和乙酰CoACoA處處 于高濃度，則于高濃度，則E2E2處于與乙酰基結(jié)合的形式，不再接受羥乙基基處于與乙酰基結(jié)合的形式，不再接受羥乙基基 團(tuán)，團(tuán)，E1E1上的上的TPPTPP停留在結(jié)

16、合狀態(tài)，抑制丙酮酸脫羧。停留在結(jié)合狀態(tài)，抑制丙酮酸脫羧。 2 2磷酸化和去磷酸化的調(diào)控磷酸化和去磷酸化的調(diào)控 E E2 2分子上結(jié)合著兩種特殊的酶，一種稱為激酶，另一種稱分子上結(jié)合著兩種特殊的酶，一種稱為激酶，另一種稱 為磷酸酶，它們分別使為磷酸酶，它們分別使E E1 1磷酸化和去磷酸化，去磷酸化形式是磷酸化和去磷酸化，去磷酸化形式是 E E1 1的活性形式。的活性形式。CaCa2+ 2+通過激活磷酸酶的作用，也能使 通過激活磷酸酶的作用，也能使E E1 1活化?；罨?檸檬酸循環(huán)檸檬酸循環(huán) 檸檬酸循環(huán)也叫三羧酸循環(huán)檸檬酸循環(huán)也叫三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle)，

17、 又叫做又叫做TCA循環(huán)循環(huán)，是由于該循環(huán)的第一個(gè)產(chǎn)物是檸檬酸，是由于該循環(huán)的第一個(gè)產(chǎn)物是檸檬酸， 它含有三個(gè)羧基，故此得名。因?yàn)榈聡茖W(xué)家它含有三個(gè)羧基，故此得名。因?yàn)榈聡茖W(xué)家Hans Krebs在闡明檸檬酸循環(huán)中作出了突出貢獻(xiàn)，又將此途徑在闡明檸檬酸循環(huán)中作出了突出貢獻(xiàn)，又將此途徑 稱為稱為Krebs循環(huán)。循環(huán)。 乙酰輔酶乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合成六碳三羧酸即檸檬酸，經(jīng)與草酰乙酸縮合成六碳三羧酸即檸檬酸，經(jīng) 過一系列代謝反應(yīng)，乙?；粡氐籽趸蒗Ｒ宜岬靡赃^一系列代謝反應(yīng)，乙酰基被徹底氧化，草酰乙酸得以 再生的過程稱為再生的過程稱為三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)。 O CH3-C-SCoA CoA

18、SH NADH +CO2 FADH2 H2O NADH +CO2NADH GTP 三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán) （TCA） 草酰乙酸草酰乙酸 再生階段再生階段 檸檬酸的檸檬酸的 生成階段生成階段 氧化脫氧化脫 羧階段羧階段 檸檬酸檸檬酸 異檸檬酸異檸檬酸 順烏頭酸順烏頭酸 酮戊二酸酮戊二酸 琥珀酸琥珀酸 琥珀酰琥珀酰CoACoA 延胡索酸延胡索酸 蘋果酸蘋果酸 草酰乙酸草酰乙酸 NAD+ NAD+ FAD NAD+ TCA第一階段：檸檬酸生成第一階段：檸檬酸生成 H2O 草酰乙酸草酰乙酸 O CH3-C-SCoA CoASH H2O 檸檬酸合成酶檸檬酸合成酶 順烏頭酸酶順烏頭酸酶 草酰乙酸與乙酰草酰乙

19、酸與乙酰CoACoA縮合形成檸檬酸縮合形成檸檬酸 草酰乙酸草酰乙酸 乙酰乙酰CoACoA 檸檬酰檸檬酰CoACoA 檸檬酸檸檬酸 CoA 檸檬酸合酶檸檬酸合酶 1 11 1 2 2 1 12 Step 1. 乙酰乙酰CoACoA與草酰乙酸縮合成檸檬酸與草酰乙酸縮合成檸檬酸 檸檬酸的形成：檸檬酸的形成：乙酰輔酶與草酰乙酸縮合成檸檬酸。乙酰輔酶與草酰乙酸縮合成檸檬酸。反應(yīng)由反應(yīng)由 檸檬酸合酶催化，此酶是一個(gè)調(diào)控酶。檸檬酸合酶催化，此酶是一個(gè)調(diào)控酶。草酰乙酸先與酶結(jié)合，草酰乙酸先與酶結(jié)合， 導(dǎo)致酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，暴露出與乙酰輔酶的結(jié)合部位，導(dǎo)致酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，暴露出與乙酰輔酶的結(jié)合部位， 屬于屬于

20、“誘導(dǎo)契合誘導(dǎo)契合”模型。模型。 反應(yīng)的能量由乙酰反應(yīng)的能量由乙酰CoACoA的高能硫酯鍵提供，所以使反應(yīng)不可的高能硫酯鍵提供，所以使反應(yīng)不可 逆。此為醇醛縮合反應(yīng)，先縮合成檸檬酰逆。此為醇醛縮合反應(yīng)，先縮合成檸檬酰CoACoA，然后水解。，然后水解。 這步反應(yīng)由這步反應(yīng)由 C4 C6 1. 化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程 Step 1 Citrate (6C) is formed from the irreversible condensation of acetyl CoA (2C) and oxaloacetate (4C) catalyzed by citrate synthase. Ste

21、p 檸檬酸異構(gòu)化形成異檸檬酸檸檬酸異構(gòu)化形成異檸檬酸 檸檬酸檸檬酸 順順- -烏頭酸烏頭酸 異檸檬酸異檸檬酸 烏頭酸酶烏頭酸酶烏頭酸酶烏頭酸酶 2 22 2 2 2 1 1 1 11 1 異檸檬酸的形成：異檸檬酸的形成：檸檬酸由順烏頭酸酶催化，脫水，然后檸檬酸由順烏頭酸酶催化，脫水，然后 加水，從而改變分子內(nèi)加水，從而改變分子內(nèi)OH 和 和H 的位置，使原來在 的位置，使原來在C3上的上的 羥基轉(zhuǎn)到羥基轉(zhuǎn)到C2上，生成異檸檬酸。催化這兩步反應(yīng)是同一酶，上，生成異檸檬酸。催化這兩步反應(yīng)是同一酶， 其中間產(chǎn)物為順烏頭酸與酶結(jié)合在一起以復(fù)合物形式存在。其中間產(chǎn)物為順烏頭酸與酶結(jié)合在一起以復(fù)合物形式存

22、在。 Step 2 Citrate is isomerized into isocitrate via a dehydration step followed by a hydration step; cis- aconitate ( (順烏頭酸順烏頭酸) ) is an intermediate during this transformation, thus the catalytic enzyme is named as aconitase （烏頭酸酶）（烏頭酸酶）. TCA第二階段：氧化脫羧（第二階段：氧化脫羧（C6C4） CO2 GDPPi GTP NAD+ NADH+H+ NAD+

23、 NADH+H+ CoASH 異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶 CO2 酮戊二酸酮戊二酸 脫氫酶脫氫酶 琥珀酸琥珀酸 硫激酶硫激酶 異檸檬酸氧化形成異檸檬酸氧化形成 酮戊二酸酮戊二酸 異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶 異檸檬酸異檸檬酸 草酰琥珀酸草酰琥珀酸 酮戊二酸酮戊二酸 1 1 2 2 1 1 2 2 Step 3 這階段放出了這階段放出了1 1分子分子CO2，由，由 C6 C5 ；產(chǎn)生；產(chǎn)生1 1分子分子NADH Step 3. 異檸檬酸氧化脫羧異檸檬酸氧化脫羧 異檸檬酸氧化脫羧生成異檸檬酸氧化脫羧生成-酮戊二酸酮戊二酸：異檸檬酸在異檸檬：異檸檬酸在異檸檬 酸脫氫酶作用下反應(yīng)中間物是草酰琥珀酸，

24、它是一個(gè)不穩(wěn)酸脫氫酶作用下反應(yīng)中間物是草酰琥珀酸，它是一個(gè)不穩(wěn) 定的定的-酮酸酮酸，當(dāng)與酶結(jié)合則脫羧形成，當(dāng)與酶結(jié)合則脫羧形成-酮戊二酸，脫下酮戊二酸，脫下 的氫由的氫由NADNAD 接受，生成 接受，生成NADHNADH 和 和H H 。異檸檬酸脫氫酶是三 。異檸檬酸脫氫酶是三 羧酶循環(huán)中羧酶循環(huán)中第二個(gè)調(diào)節(jié)酶。第二個(gè)調(diào)節(jié)酶。 Step 3 Isocitrate is first oxidized and then decarboxylated to form a-ketoglutarate ( ( - -酮戊二酸酮戊二酸);); two electrons are collected by

25、 NAD+; The reaction is catalyzed by isocitrate dehydrogenase. The first oxidation step Isocitrate is converted to a-ketoglutarate via an oxidative decarboxylation step, generating NADH and CO2. Step 44酮戊二酸氧化脫羧形成琥珀酰酮戊二酸氧化脫羧形成琥珀酰CoACoA 酮戊二酸酮戊二酸 琥珀酰琥珀酰CoACoA -酮戊二酸酮戊二酸 脫氫酶復(fù)合體脫氫酶復(fù)合體 1 1 1 1 2 2 2 2 這階段又放

26、出了這階段又放出了1分子分子CO2，由，由 C5 C4 ；又產(chǎn)生；又產(chǎn)生1分子分子 NADH；形成；形成1個(gè)高能硫酯鍵。個(gè)高能硫酯鍵。 -酮戊二酸氧化脫羧成為琥珀酰輔A：這是三羧酸循環(huán)中第第 二個(gè)氧化脫羧反應(yīng)二個(gè)氧化脫羧反應(yīng)，是由-酮戊二酸脫氫酶系所催化的。 此脫氫酶系與丙酮酸脫氫酶系相似，由三個(gè)酶即-酮戊二 酸脫氫酶，琥珀酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酰脫氫酶組成。也需 要TPP，硫辛酸，輔酶A，F(xiàn)AD和NAD5種輔助因子。 Step 4 a-ketoglutarate undergoes another round of oxidative decarboxylation; decarboxylate

27、d first, then oxidized to form succinyl-CoA (琥珀酰輔酶A); The reaction is catalyzed by a- ketoglutarate dehydrogenase complex; reactions and enzymes closely resemble pyruvate dehydrogenase complex (with similar E1 and E2, identical E3). -酮戊二酸氧化脫羧酶反應(yīng)機(jī)制與丙酮酮戊二酸氧化脫羧酶反應(yīng)機(jī)制與丙酮 酸氧化脫羧相同，組成類似：酸氧化脫羧相同，組成類似： 含三個(gè)酶及五

28、個(gè)輔助因子含三個(gè)酶及五個(gè)輔助因子 -酮戊二酸酮戊二酸脫羧酶、脫羧酶、 二氫硫辛酸轉(zhuǎn)琥珀?；浮⒍淞蛐了徂D(zhuǎn)琥珀?；浮?二氫硫辛酸還原酶二氫硫辛酸還原酶 TPP TPP 、硫辛酸、硫辛酸、FADFAD NADNAD+ +、輔酶、輔酶A A 三個(gè)酶三個(gè)酶: : 五個(gè)輔助因子：五個(gè)輔助因子： TPP lipoate FAD (E1, E2, E3) The second oxidation step Step 5 琥珀酰琥珀酰CoACoA轉(zhuǎn)化成琥珀酸轉(zhuǎn)化成琥珀酸 烯醇化酶烯醇化酶 琥珀酰琥珀酰CoA CoA 琥珀酸琥珀酸 琥珀酰琥珀酰CoA 合成酶合成酶 1 1 1 1 2 2 2 2 琥珀酰琥珀

29、酰CoA轉(zhuǎn)化成琥珀酸，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)化成琥珀酸，并產(chǎn)生GTP：這是三羧酸循環(huán)中唯一這是三羧酸循環(huán)中唯一 底物水平磷酸化底物水平磷酸化直接產(chǎn)生高能磷酸鍵的步驟。琥珀酰直接產(chǎn)生高能磷酸鍵的步驟。琥珀酰CoA與磷與磷 酸生成磷酸化琥珀?；衔铮阽牾Ｋ嵘闪姿峄牾；衔铮阽牾oA合成酶的作用下生合成酶的作用下生 成琥珀酸，同時(shí)使二磷酸鳥苷磷酸化成三磷酸鳥苷。成琥珀酸，同時(shí)使二磷酸鳥苷磷酸化成三磷酸鳥苷。 Step 5 Succinyl-CoA is hydrolyzed to succinate (琥珀酸); the free energy is harvested by a GDP or a

30、n ADP to form a GTP or an ATP by substrate-level phosphorylation. TCA第三階段：草酰乙酸再生第三階段：草酰乙酸再生 這階段需要經(jīng)歷三步反應(yīng)這階段需要經(jīng)歷三步反應(yīng) 脫氫、加水、脫氫脫氫、加水、脫氫. . 這一階段的反應(yīng)為這一階段的反應(yīng)為C4C4的變化；產(chǎn)生的變化；產(chǎn)生1 1分子分子FADH2FADH2、1 1分子分子NADHNADH。 FAD FADH2 H2O NAD + NADH+H+ 草酰乙酸草酰乙酸 琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶延胡索酸酶延胡索酸酶 蘋果酸蘋果酸 脫氫酶脫氫酶 Step 6 琥珀酸脫氫形成延胡索酸琥珀酸脫氫形

31、成延胡索酸 琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸脫氫生成延胡索酸：這是三羧酸循環(huán)中第三步氧化這是三羧酸循環(huán)中第三步氧化 還原反應(yīng)，還原反應(yīng)，由琥珀酸脫氫酶催化，氫的受體是酶的輔基FAD， 生成延胡索酸和FADH2。該酶是三羧酸循環(huán)中唯一摻入線粒該酶是三羧酸循環(huán)中唯一摻入線粒 體內(nèi)膜的酶，體內(nèi)膜的酶，并且直接與呼吸鏈聯(lián)系。 線粒體結(jié)構(gòu)示意圖線粒體結(jié)構(gòu)示意圖 琥珀酸脫氫酶嵌合在線粒體的內(nèi)膜上，是線粒體內(nèi)膜琥珀酸脫氫酶嵌合在線粒體的內(nèi)膜上，是線粒體內(nèi)膜 的重要組成成分，其他的酶大多存在于線粒體的基質(zhì)中。的重要組成成分，其他的酶大多存在于線粒體的基質(zhì)中。 Step 6 Su

32、ccinate is oxidized to fumarate (延胡索酸或反丁烯 二酸); catalyzed by a flavoprotein succinate dehydrogenase (with a covalently bound FAD); malonate (丙二酸) is a strong competitive inhibitor of the enzyme, that will block the whole cycle. The third oxidation step 丙二酸丙二酸琥珀酸琥珀酸 Step 7 延胡索酸水合形成延胡索酸水合形成L-L-蘋果酸蘋果酸 延

33、胡索酸酶延胡索酸酶 延胡索酸延胡索酸 L-L-蘋果酸蘋果酸 延胡索酸加水生成蘋果酸：延胡索酸在延胡索酸延胡索酸加水生成蘋果酸：延胡索酸在延胡索酸 酶的催化下加水生成蘋果酸。酶的催化下加水生成蘋果酸。 Step 7 Fumarate is hydrated to L-malate by the action of fumarase; the enzyme is highly stereospecific, only act on the trans and L isomers, not on the cis and D isomers . Step8 L-L-蘋果酸脫氫形成草酰乙酸蘋果酸脫氫形成

34、草酰乙酸 蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶 L-L-蘋果酸蘋果酸 草酰乙酸草酰乙酸 蘋果酸脫氫生成草酰乙酸：三羧酸循環(huán)中蘋果酸脫氫生成草酰乙酸：三羧酸循環(huán)中第第4 4次氧化還原反應(yīng)次氧化還原反應(yīng)， 也是最后一步。由蘋果酸脫氫酶催化。蘋果酸脫氫生成草酰也是最后一步。由蘋果酸脫氫酶催化。蘋果酸脫氫生成草酰 乙酸；脫下的氫由乙酸；脫下的氫由NADNAD 接受。在細(xì)胞內(nèi)草酰乙酸不斷地被用 接受。在細(xì)胞內(nèi)草酰乙酸不斷地被用 于檸檬酸合成，故反應(yīng)向生成草酰乙酸的方向進(jìn)行。于檸檬酸合成，故反應(yīng)向生成草酰乙酸的方向進(jìn)行。 Step 8 is regenerated by the oxidation of L- mal

35、ate; this reaction is catalyzed by malate dehydrogenase with two electrons collected by NAD+. (The fourth oxidation Step in the cycle) 檸檸 檬檬 酸酸 循循 環(huán)環(huán) 總總 圖圖 1. 由檸檬酸合酶催化的從由檸檬酸合酶催化的從C4和和C2縮合成縮合成C6的反應(yīng)，是的反應(yīng)，是TCA的第一的第一 個(gè)調(diào)節(jié)酶，屬于個(gè)調(diào)節(jié)酶，屬于“誘導(dǎo)契合誘導(dǎo)契合”反應(yīng)。反應(yīng)。 2. 順烏頭酸酶催化，脫水，然后加水，從而改變分子內(nèi)順烏頭酸酶催化，脫水，然后加水，從而改變分子內(nèi)OH 和 和H

36、 的位置，使原來在 的位置，使原來在C3上的羥基轉(zhuǎn)到上的羥基轉(zhuǎn)到C2上，生成異檸檬酸。順上，生成異檸檬酸。順 烏頭酸是反應(yīng)的中間物。烏頭酸是反應(yīng)的中間物。 3. 檸檬酸脫氫酶催化的第一個(gè)氧化還原反應(yīng)，生成了一個(gè)檸檬酸脫氫酶催化的第一個(gè)氧化還原反應(yīng)，生成了一個(gè) -酮酮 酸，這階段放出了酸，這階段放出了1分子分子CO2，由，由 C6 C5，產(chǎn)生，產(chǎn)生1分子分子NADH， 該酶是體系的第二個(gè)調(diào)節(jié)酶。該酶是體系的第二個(gè)調(diào)節(jié)酶。 4. 由由-酮戊二酸脫氫酶系所催化的第二個(gè)氧化脫羧反應(yīng)，此脫酮戊二酸脫氫酶系所催化的第二個(gè)氧化脫羧反應(yīng)，此脫 氫酶系與丙酮酸脫氫酶系相似，由三個(gè)酶即氫酶系與丙酮酸脫氫酶系相似，

37、由三個(gè)酶即-酮戊二酸脫氫酮戊二酸脫氫 酶，琥珀酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酰脫氫酶組成。也需要酶，琥珀酰轉(zhuǎn)移酶和二氫硫辛酰脫氫酶組成。也需要TPP，硫，硫 辛酸，輔酶辛酸，輔酶A，F(xiàn)AD和和NAD 5種輔助因子。這階段又放出了 種輔助因子。這階段又放出了1分分 子子CO2，由，由 C5 C4 ；又產(chǎn)生；又產(chǎn)生1分子分子NADH；形成；形成1個(gè)高能硫酯個(gè)高能硫酯 鍵。鍵。該酶是體系的第該酶是體系的第三三個(gè)調(diào)節(jié)酶個(gè)調(diào)節(jié)酶。 5. 琥珀酰琥珀酰CoA合成酶催化的三羧酸循環(huán)中唯一底物水平磷酸化，合成酶催化的三羧酸循環(huán)中唯一底物水平磷酸化， 生成一分子生成一分子GTP。 6. 琥珀酸脫氫酶催化的三羧酸循環(huán)中第三步

38、氧化還原反應(yīng)，琥珀酸脫氫酶催化的三羧酸循環(huán)中第三步氧化還原反應(yīng)， 該酶嵌合在線粒體內(nèi)膜上，是線粒體內(nèi)膜的重要組成成分，該酶嵌合在線粒體內(nèi)膜上，是線粒體內(nèi)膜的重要組成成分， 其他的酶大多存在于線粒體的基質(zhì)中。這步反應(yīng)生成一分其他的酶大多存在于線粒體的基質(zhì)中。這步反應(yīng)生成一分 子子FADH2。丙二酸是該酶的抑制劑。丙二酸是該酶的抑制劑。 7. 延胡索酸酶催化的加水反應(yīng)，具有立體專一性，只能催化延胡索酸酶催化的加水反應(yīng)，具有立體專一性，只能催化 反式和反式和L-異構(gòu)體。異構(gòu)體。 8. 蘋果酸脫氫酶催化的三羧酸循環(huán)中第蘋果酸脫氫酶催化的三羧酸循環(huán)中第4次氧化還原反應(yīng)，又次氧化還原反應(yīng)，又 產(chǎn)生產(chǎn)生1分

39、子分子NADH。 四、檸檬酸循環(huán)的化學(xué)總結(jié)算四、檸檬酸循環(huán)的化學(xué)總結(jié)算 TCA 由葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞肿颖崮芰哭D(zhuǎn)變的估算由葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞肿颖崮芰哭D(zhuǎn)變的估算 葡萄糖葡萄糖 + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2Pi + 2ADP + 2NAD+ + 2 2丙酮酸丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+ 2ATP + 2NADH + 2H+ + 丙酮酸到乙酰丙酮酸到乙酰CoACoA的總反應(yīng)式的總反應(yīng)式 CH3COCOOCH3COCOO + HS+ HSCoA + NAD+ CoA + NAD+ CH3CO CH3COSCoA + CO2 + NADHSCoA + CO2 + N

40、ADH 檸檬酸循環(huán)的總反應(yīng)式檸檬酸循環(huán)的總反應(yīng)式 乙酰乙酰CoA + 3NADCoA + 3NAD+ + + FAD + GDP + Pi +2H + FAD + GDP + Pi +2H2 2O O 2CO 2CO2 2 + 3NADH + FADH + 3NADH + FADH2 2 + GTP + 3H + GTP + 3H+ + + CoA + CoA TCATCA的總反應(yīng)式的總反應(yīng)式 C6H12O6 + 6H2O + 10NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4Pi 6CO2 + 10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 4ATP 由由TCA循環(huán)產(chǎn)生的循環(huán)產(chǎn)生的NADH和

41、和FADH2必須經(jīng)呼吸鏈必須經(jīng)呼吸鏈 將電子交給將電子交給O2，才能回復(fù)成氧化態(tài)，再去接受，才能回復(fù)成氧化態(tài)，再去接受TCA 循環(huán)脫下的氫。所以，循環(huán)脫下的氫。所以，TCA循環(huán)需要在有氧的條件循環(huán)需要在有氧的條件 下進(jìn)行。否則下進(jìn)行。否則NADH和和FADH2攜帶的攜帶的H無法交給氧無法交給氧 ，即呼吸鏈氧化磷酸化無法進(jìn)行，即呼吸鏈氧化磷酸化無法進(jìn)行，NAD+及及FAD不不 能被再生，使能被再生，使TCA循環(huán)中的脫氫反應(yīng)因缺乏氫的受循環(huán)中的脫氫反應(yīng)因缺乏氫的受 體而無法進(jìn)行。體而無法進(jìn)行。 產(chǎn)物產(chǎn)物NADH和和FADH2的去路的去路: 每個(gè)葡萄糖分子在糖酵解中可以產(chǎn)生每個(gè)葡萄糖分子在糖酵解中可

42、以產(chǎn)生2個(gè)個(gè)ATP和和2個(gè)個(gè)NADH，共，共 產(chǎn)生產(chǎn)生 2 + 22.5 = 7個(gè)個(gè)ATP 從丙酮酸開始，檸檬酸循環(huán)中循環(huán)一圈，共產(chǎn)生從丙酮酸開始，檸檬酸循環(huán)中循環(huán)一圈，共產(chǎn)生4個(gè)個(gè)NADH， 1個(gè)個(gè)FADH2，1個(gè)個(gè)GTP（ATP），按每個(gè)），按每個(gè)NADH可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生2.5個(gè)個(gè)ATP、 每個(gè)每個(gè)FADH2可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生1.5個(gè)個(gè)ATP計(jì)算，共產(chǎn)生計(jì)算，共產(chǎn)生 2.54 + 11.5 + 1 = 12.5 個(gè)個(gè)ATP 每個(gè)葡萄糖分子（每個(gè)葡萄糖分子（2個(gè)丙酮酸）在進(jìn)入檸檬酸循環(huán)后可以產(chǎn)個(gè)丙酮酸）在進(jìn)入檸檬酸循環(huán)后可以產(chǎn) 生生25個(gè)個(gè)ATP。 每個(gè)葡萄糖分子徹底氧化后共產(chǎn)生每個(gè)葡萄糖分子

43、徹底氧化后共產(chǎn)生32個(gè)個(gè)ATP。 ATPATP的產(chǎn)量的產(chǎn)量 葡萄糖徹底氧化經(jīng)由的途徑：葡萄糖徹底氧化經(jīng)由的途徑： EMPEMP途徑、丙酮酸氧化脫羧、途徑、丙酮酸氧化脫羧、TCATCA循環(huán)、呼吸鏈氧化磷酸化循環(huán)、呼吸鏈氧化磷酸化。 乙酰乙酰CoACoA通過通過TCATCA循環(huán)脫下的氫由循環(huán)脫下的氫由NADHNADH及及FADHFADH2 2 經(jīng)呼吸鏈傳遞給經(jīng)呼吸鏈傳遞給O O2 2，由此而，由此而形成大量形成大量ATP.ATP. 碳碳 源源乙酰乙酰CoA CoA 2CO2CO2 2 能能 量量 1GTP1GTP 1ATP1ATP 共共 10ATP10ATP 3NADH 2.5ATP3NADH 2

44、.5ATP3 = 7.5ATP3 = 7.5ATP 1FADH1FADH2 2 1.5ATP 1.5ATP1 = 1.5ATP1 = 1.5ATP 由乙酰由乙酰CoACoA氧化產(chǎn)生的氧化產(chǎn)生的ATPATP中，只有中，只有1/101/10來自底物水平來自底物水平 的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化間接產(chǎn)生。的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化間接產(chǎn)生。 五、檸檬酸循環(huán)的調(diào)控五、檸檬酸循環(huán)的調(diào)控 在檸檬酸循環(huán)中，雖然有在檸檬酸循環(huán)中，雖然有8 8種酶參加反應(yīng)，但在調(diào)節(jié)循種酶參加反應(yīng)，但在調(diào)節(jié)循 環(huán)速度中起關(guān)鍵作用的有環(huán)速度中起關(guān)鍵作用的有3 3種酶：種酶：檸檬酸合酶、異檸檬酸脫檸檬酸合酶、異檸檬酸脫 氫酶和

45、氫酶和酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體。酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體。 其調(diào)控可以分為兩個(gè)方面：其調(diào)控可以分為兩個(gè)方面： 檸檬酸循環(huán)本身各種物質(zhì)檸檬酸循環(huán)本身各種物質(zhì)對酶活性的調(diào)控；對酶活性的調(diào)控； ADPADP、ATPATP和和CaCa2 2+ +的調(diào)控。的調(diào)控。 草酰乙酸與乙酰草酰乙酸與乙酰CoACoA縮合形成檸檬酸縮合形成檸檬酸 草酰乙酸草酰乙酸 乙酰乙酰CoACoA 檸檬酰檸檬酰CoACoA 檸檬酸檸檬酸 CoA 檸檬酸合酶檸檬酸合酶 1 11 1 2 2 1 12 異檸檬酸氧化形成異檸檬酸氧化形成 酮戊二酸 酮戊二酸 異檸檬酸脫氫酶異檸檬酸脫氫酶 異檸檬酸異檸檬酸 草酰琥珀酸草酰琥珀酸 酮戊二酸酮戊二酸

46、 1 1 2 2 1 1 2 2 Step 3 Step 44酮戊二酸氧化脫羧形成琥珀酰酮戊二酸氧化脫羧形成琥珀酰CoACoA 酮戊二酸酮戊二酸 琥珀酰琥珀酰CoACoA -酮戊二酸酮戊二酸 脫氫酶復(fù)合體脫氫酶復(fù)合體 1 11 1 2 2 2 2 三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)酶及其調(diào)節(jié)三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)酶及其調(diào)節(jié): : 酶 的 名 稱 檸檬酸合酶 異檸檬酸脫氫酶 -酮戊二酸脫氫酶系 變構(gòu)激活劑 ADP CaCa2+ 2+ ADP、 變構(gòu)抑制劑 ATPATP、NADHNADH、檸檬酸、檸檬酸 NADH NADH ATP ATP、NADHNADH、 琥珀酰琥珀酰CoACoA CaCa2+ 2+ ADP ADP、

47、 檸檬酸循環(huán)本身制約系統(tǒng)的調(diào)節(jié)檸檬酸循環(huán)本身制約系統(tǒng)的調(diào)節(jié) 1 1乙酰乙酰CoACoA和草酰乙酸的供應(yīng)情況和草酰乙酸的供應(yīng)情況。乙酰CoA來源于丙酮 酸，受到丙酮酸脫氫酶復(fù)合體活性的控制；草酰乙酸的供 應(yīng)取決于循環(huán)是否運(yùn)行暢通，以及中間產(chǎn)物離開循環(huán)的速 率和補(bǔ)充的速率。 2. NADH/NAD+2. NADH/NAD+的比值。的比值。檸檬酸合酶和異檸檬酸脫氫檸檬酸合酶和異檸檬酸脫氫 酶酶都受到NADH的抑制，但異檸檬酸脫氫酶對NADH更為敏感。 酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體也受NADH的抑制。 3 3產(chǎn)物的反饋抑制。產(chǎn)物的反饋抑制。檸檬酸合酶受高濃度檸檬酸的抑制； 酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體受琥珀酰CoA的抑制。 ATPATP、ADPADP和和CaCa2+ 2+對檸檬酸循環(huán)的調(diào)節(jié) 對檸檬酸循環(huán)的調(diào)節(jié) 1 1ATP/ADPATP/ADP的比值。的