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1、第 九 章三羧酸循环,Tricarboxylic Acid Cycle,第二篇 物质代谢与能量代谢,乙酰CoA,TCA循环,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,* 营养物在生物体内氧化的一般过程,在真核生物，TCA循环在线粒体中进行，与呼吸链在功能和结构上相偶联。,第 一 节 三羧酸循环的概念及其发现史,Concept and Scientific History of Tricarboxylic Acid Cycle,一、TCA循环是以形成柠檬酸为起始物的循环反应系统,TCA循环是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，在该反应过程中，首先由乙酰CoA（主要来自于三大营养物质
2、的分解代谢）与草酰乙酸缩合生成含3个羧基的柠檬酸（citric acid），再经过4次脱氢、2次脱羧，生成4分子还原当量（reducing equivalent）和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的这一循环反应过程称为三羧酸循环。,还原当量（reducing equivalent ）一般是指以氢原子或氢离子形式存在的一个电子或一个电子当量。,三羧酸循环也称为柠檬酸循环（citric acid cycle），这是因为循环反应中的第一个中间产物是一个含三个羧基的柠檬酸。由于Krebs正式提出了三羧酸循环的学说，故此循环又称为Krebs循环。,二、Hans Krebs创立了“TCA循环”学说,1937
3、年，Hans Krebs利用鸽子胸肌（这块肌肉在飞行中有相当高的呼吸频率，因此特别适合于氧化过程的研究）的组织悬液，测定了在不同的有机酸作用下，丙酮酸氧化过程中的耗氧率，首次提出在动物组织中丙酮酸氧化途径的假说。,Albert Szent-Gyorgyi等已经发现动物肌肉组织中某些4碳二羧酸（琥珀酸、延胡索酸、苹果酸和草酰乙酸）能刺激氧的消耗。Krebs证实了这项发现，并且发现它们也可刺激丙酮酸的氧化过程。而且他还发现肌肉中丙酮酸的氧化还可被6碳三羧酸，如柠檬酸、顺乌头酸和异柠檬酸及5碳的-酮戊二酸激活。上述有机酸的激活效应是显著的，任何一种这些有机酸的增加，甚至是很少量的增加都能大大激活丙酮
4、酸的氧化过程。,Krebs的第二项重大发现是观察到丙二酸对丙酮酸有氧氧化的抑制作用。丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，在肌肉悬浮液中，无论加入上述哪一种有机酸，只要丙二酸存在，丙酮酸的有氧氧化过程就会被抑制。这表明在涉及丙酮酸氧化的酶促反应中，琥珀酸和琥珀酸脱氢酶必定是很关键的成分。Krebs进一步发现，当用丙二酸去抑制肌肉组织悬液中的丙酮酸的有氧氧化时，在这个悬液介质中就会有柠檬酸、-酮戊二酸和琥珀酸的积累，这表明柠檬酸和-酮戊二酸通常为琥珀酸的前体。,根据上述实验观察和一些其它的证据，Krebs得出一个结论：上述有机三羧酸和二羧酸可以以一个符合化学逻辑的序列排列。因为用
5、丙酮酸和草酰乙酸与肌组织共同孵育，即可导致溶液介质中柠檬酸的堆积，所以Krebs推理这一系列反应是以循环的方式而不是以线性的方式存在，即它的开始和结尾是连在一起的。,从这些简单的实验和逻辑推理中，Krebs假定他所称的柠檬酸循环是肌肉中碳水化合物氧化的主要途径。柠檬酸循环也称TCA循环，因为在Krebs提出这个循环假说的若干年以后，还不确定柠檬酸或者一些其它的三羧酸，例如异柠檬酸是否是由丙酮酸和草酰乙酸反应所形成的第一个产物。自Krebs提出TCA循环的假设后，研究发现该循环不仅在肌肉组织中起作用，而且在需氧动物和植物的所有组织中，以及许多需氧微生物中均发挥着功能。,TCA循环最初只是建立在实
6、验基础上的假说。随后，在体外对参与循环中酶的研究证实并阐明了该循环的细节。但是这些酶是否在完整的活细胞的循环中真正发挥功能？细胞内该循环的效率是否足以解释动物组织中葡萄糖氧化的效率？这些问题已经通过用同位素标记的代谢物研究（如丙酮酸或乙酸酯分子中特定碳原子的13C或14C标记等同位素示踪实验），证实TCA循环确实以很高的效率在活细胞中存在。现在TCA循环已被公认为是营养物分解代谢的必经途径。,第 二 节三羧酸循环的反应过程及其调控 Reactions and Regulation of Tricarboxylic Acid Cycle,一、三羧酸循环由8步代谢反应组成,1. 乙酰CoA与草酰乙
7、酸缩合成柠檬酸的合成,乙酰辅酶A（acetyl CoA）与草酰乙酸（oxaloacetate）缩合成柠檬酸（citrate）； 反应由柠檬酸合酶（citrate synthase）催化。,2. 柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸,此反应是由顺乌头酸酶催化的异构化反应；由两步反应构成，(1)：脱水反应；(2)：水合反应。,3. 异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸羧,异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase）作用下，氧化脱羧而转变成 -酮戊二酸（ - Ketoglutarate）。,4. -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA,在-酮戊二酸脱氢酶复合体催化下-酮戊二酸氧化
8、脱羧生成琥珀酰CoA(succinyl-CoA)；该脱氢酶复合体的组成及催化机理与丙酮酸脱氢酶复合体类似。,5. 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应,在琥珀酰CoA合成酶催化下，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解与GDP磷酸化偶联，生成琥珀酸、GTP和辅酶A。这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。,6. 琥珀酸脱氢生成延胡索酸,此步反应由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是FAD，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶。,7. 延胡索酸加水生成苹果酸,苹果酸酶催化此步反应。,8. 苹果酸脱氢生成草酰乙酸,苹果酸脱氢酶催化此步反应，辅酶是NAD+。,NADH+H+,NAD+,NAD+,NADH+H+,G
9、TP,GDP+Pi,FAD,FADH2,NADH+H+,NAD+,柠檬酸合酶,顺乌头酸酶,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,琥珀酰CoA合成酶,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,目 录,二、1次TCA循环生成2分子CO2,在TCA循环反应过程中，从2个碳原子的乙酰CoA与4个碳原子的草酰乙酸缩合成6个碳原子的柠檬酸开始， 反复地脱氢氧化。TCA循环中通过脱羧方式生成CO2。1个二碳单位进入TCA后，有2次脱羧反应，生成2分子CO2，这是体内CO2的主要来源。TCA循环过程中，共有4次脱氢，其中3次脱氢由NAD+接受，1次由FAD接受。,TCA循环过程中，共有4次脱氢，其中3次脱氢由
10、NAD+接受，1次由FAD接受。TCA循环本身每循环一次只能以底物水平磷酸化生成1个ATP。,TCA循环总反应式：,CH3COSCoA + 3NAD+ +FAD + GDP + Pi + 2H2O2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + HSCoA + GTP,三、TCA循环的中间产物本身并无量的变化,TCA循环的中间产物包括草酰乙酸在内起着催化剂的作用，本身并无量的变化。不可能通过TCA直接从乙酰CoA合成草酰乙酸或其他中间产物；同样，这些中间产物也不可能直接在TCA循环中被氧化生成CO2和H2O。TCA循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧化，也可通过苹果酸脱氢产生。无论何
11、种来源，其最终来源是葡萄糖。,四、TCA循环受底物、产物和关键酶活性调节,TCA循环的速度和流量主要受种因素的调控：,底物的供应量催化循环最初几步反应的酶的反馈别构抑制产物堆积的抑制作用,（一）TCA循环中有个关键酶,TCA循环中催化个不可逆反应的酶：,柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶,异柠檬酸 脱氢酶,柠檬酸合酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,柠檬酸,Ca2+, ATP、ADP的影响, 产物堆积引起抑制,循环中后续反应中间产物别位反馈抑制前面反应中的酶,其他，如Ca2+可激活许多酶,三羧酸循环的调节,（二）TCA循环与上游和下游反应协调,在正常情况下，（糖）酵解途径和TCA循环的速度相协调
12、；氧化磷酸化的速率对TCA循环的运转也起着非常重要的作用。,五、TCA循环中的多种酶以复合体形式存在于线粒体,TCA循环中的酶在线粒体中是以多种酶组成的复合体形式存在，这种酶复合体被称为代谢区室（metabolons），它在细胞内能够有效地将代谢中间产物从一种酶传递给另一种酶。这些复合体具有高效介导中间产物流通的功能，因此也可影响代谢的速率。,第三节三羧酸循环的生理意义 Physiologic Significance of Tricarboxylic Acid Cycle,一、TCA循环是一条“两用代谢途径”,TCA循环在大多数生物中是分解代谢途径;多种生物合成途径也利用TCA循环的中间产物
13、作为合成反应的起始物。,（一）TCA循环参与合成和分解途径的组成,TCA中间产物,（二）TCA循环中间产物是合成糖、脂肪酸和氨基酸的前体,1. TCA循环中间产物可以异生为糖,草酰乙酸,异生为葡萄糖,氨基酸,乙酰CoA,2. TCA循环中间产物可为脂酸合成提供原料,合成脂酸,柠檬酸-丙酮酸循环,-酮戊二酸 + NH4+,3. TCA循环中间产物可为非必需氨基酸合成提供碳架,谷氨酸,谷氨酸脱氢酶,NADH + H+,NAD+,（三）添补反应补充TCA循环中间产物,参与其他代谢途径而消耗的TCA循环中间产物必须及时补充，才能保持TCA循环顺利进行。这类反应被称为添补反应（anaplerotic reaction）。最重要的添补反应是由丙酮酸羧化酶催化的，从丙酮酸生成草酰乙酸的反应。,乙酰CoA是丙酮酸羧化酶的激活剂；TCA循环中的酶促反应可以将草酰乙酸转变为其他中间产物；此外，可由别的途径生成一些中间产物，如：,二、TCA循环在3大营养物质代谢中具有重要生理意义,（一）TCA循环是三大营养物质的最终代谢通路,（二）TCA循环是糖、脂肪和氨基酸代谢联系的枢纽,
