第三节 丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环

Chapter 3The pyruvate oxidization and

citric acid cycle

在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA，后者可进入三羧酸循环彻底氧化。

一、丙酮酸氧化脱羧

丙酮酸的氧化脱羧的部位：线粒体

The oxidative decarboxylation of pyruvate in mitochondria: the overall chemical transformation, involving five cofactors and three enzymes.

一、丙酮酸氧化脱羧

E1 —— 丙 酮 酸 脱 氢 酶 (pyruvate dehydrogenase PDH) 。催化丙酮酸的脱羧及脱氢，形成二碳单位乙酰基。具有辅基 TPP。

E2 —— 二氢硫辛酸转乙酰基酶 (dihydrolipoyl transacetylase TA) 。催化二碳单位乙酰基的转移。具有辅基硫辛酸。

E3 —— 二 氢 硫 辛 酸 脱 氢 酶 (dihydrolipoyl dehydrogenase DLD) 。催化还原型硫辛酸→氧化型。具有辅基 FAD。

催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由 33 种酶有种酶有机地组合在一起：机地组合在一起：

一、丙酮酸氧化脱羧

整个过程涉及到的 6个辅因子： TPP(焦磷酸硫胺素) 、 SSL(硫辛酸 ) 、 FAD、 NAD+ 、 CoA、 Mg2+ 等

。丙酮酸脱氢酶复合体呈圆球形，每个复合体含有：6 个 PDH 、 24 个 TA 、 6 个 DLD

其中 TA为复合物的核心，它的一条硫辛酸臂可以旋转。

一、丙酮酸氧化脱羧

一、丙酮酸氧化脱羧

Pyruvate dehydrogenasecomplexes from E. coli:the electron micrograph

a huge multimeric assemblyof three kinds of enzymes, having 60 subunits in bacteria and more in mammals.

A model of the E. coli pyruvate dehydrognase pyruvate dehydrognase complexcomplex showing the three kinds of enzymes and the flexible lipoamide arms covalently attached to E2

E2 (dihydrolipoyl transacetylase): consisting the core, 24 subunits;

E1 (pyruvate dehydrogenase): bound to the E2 core, 24 subunits;

E3 (dihydrolipoyl dehydrogenase): bound to the E2 core, 12 subunits.

Pyruvate

E2

E3

Hydroxyethyl-TPP

CO2 Acetyl-CoA

Coenzyme A (CoA-SH): discovered in 1945 by Lipmann, delivers activated acyl groups (with 2-24carbons) for degradation or biosynthesis.

三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle) ，又叫做 TCA 循环，是由于该循环的第一个产物是柠檬酸，它含有三个羧基，故此得名。

该循环的提出的主要贡献者是英国生化学家Krebs ，所以又称 Krebs 循环。

该循环还叫做柠檬酸循环。

1. 化学反应过程 二、 TCA 循环

Step 1. 乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸

1. 化学反应过程 二、 TCA 循环

An aldol condensation

The methyl carbon of acety-CoA joins the carbonyl carbon of oxaloacetate; citroyl-CoA is a transient intermediate; hydrolysis of the thioester bond releases a large amount of free energy.

Step 1. 乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸

这步反应由 C4 → C6 。

1. 化学反应过程

Citrate synthase. Citrate is shown in green and CoA pink

二、 TCA 循环

Step 1. 乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸

反应的能量由乙酰 CoA 的高能硫酯键提供，所以使反应不可逆。此为醇醛缩合反应，先缩合成柠檬酰 CoA ，然后水解。

这步反应由 C4 → C6 。

1. 化学反应过程 二、 TCA 循环

Step 2. 柠檬酸异构化成异柠檬酸

1. 化学反应过程

Iron-sulfur (red), cysteines (yellow) and isocitrate (white)Iron-sulfur (red), cysteines (yellow) and isocitrate (white)

二、 TCA 循环

Step 3. 异柠檬酸氧化脱羧

1. 化学反应过程 二、 TCA 循环

这阶段放出了 1分子 CO2 ，由 C6 → C5 ；产生 1分子NADH

Step 3. 异柠檬酸氧化脱羧1. 化学反应过程

NADP+(gold); Ca2+(red))

二、 TCA 循环

- 酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体非常相似，也包含三种酶、五六种辅因子。

Step 4. - 酮戊二酸氧化脱羧

1. 化学反应过程 二、 TCA 循环

TPP lipoate FAD

(E1, E2, E3)

Decarboxylated first, then oxidized; the carbon released as CO2 is not from the acetyl group joined;The-ketoglutarate dehydrogenase complex closely resembles the pyruvate dehyrogenase complex in structure and function (the two E1s and twoE2s are similar, the two E3s are identical).

Reaction 4

Step 4. - 酮戊二酸氧化脱羧

1. 化学反应过程

这阶段又放出了 1分子 CO2 ，由 C5 → C4

；又产生 1 分子 NADH ；形成 1个高能硫酯键。

二、 TCA 循环

这阶段合成了 1 分子高能磷酸化合物 GTP

Step 5. 由琥珀酰 CoA生成高能磷酸键

1. 化学反应过程

Malonate ( 丙二酸 ) is a strong competitive inhibitor

二、 TCA 循环

Step 6. 琥珀酸氧化成延胡索酸

这一阶段的反应为 C4 的变化；产生 1 分子 FADH2 、 1 分子 NADH 。

1. 化学反应过程 二、 TCA 循环

这阶段需要经历三步反应 —— 脱氢、加水、脱氢

Step 7. 延胡索酸至苹果酸

这一阶段的反应为 C4 的变化；产生 1 分子 FADH2 、 1 分子 NADH 。

1. 化学反应过程 二、 TCA 循环

Step 8. 苹果酸至草酰乙酸（再生）

1. 化学反应过程

Oxaloacetate is regenerated!

二、 TCA 循环

The active site of malate dehydrogenase. Malate is shown in red; NAD+ blue.

1. 化学反应过程

Step 8. 苹果酸至草酰乙酸（再生）

二、 TCA 循环

2. TCA 循环的总反应 二、 TCA 循环

每经历一次 TCA 循环 有 2个碳原子通过乙酰 CoA 进入循环，以后有 2个碳原子通过脱羧反应离开循环。 有 4对氢原子通过脱氢反应离开循环，其中 3对由 NADH 携带， 1对由 FADH2 携带。

产生 1分子高能磷酸化合物 GTP ，通过它可生成 1分子 ATP 。

消耗 2分子水，分别用于合成柠檬酸（水解柠檬酰 CoA ）和延胡索酸的加水。

2. TCA 循环的总反应 二、 TCA 循环

由 TCA 循环产生的 NADH 和 FADH2 必须

经呼吸链将电子交给 O2 ，才能回复成氧化态，再去接受 TCA 循环脱下的氢。

产物 NADH 和 FADH2 的去路 :

所以， TCA 循环需要在有氧的条件下进行。否则 NADH 和 FADH2 携带的 H 无法交给氧，即呼吸链氧化磷酸化无法进行， NAD+ 及 FAD 不能被再生，使 TCA 循环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进行。

2. TCA 循环的总反应 二、 TCA 循环

乙酰 CoA 通过 TCA 循环脱下的氢由 NADH

及 FADH2 经呼吸链传递给 O2 ，由此而形成大量ATP

碳 源 乙酰 CoA →  2CO2

能 量1GTP → 1ATP

共12ATP

3NADH → 3ATP×3 = 9ATP1FADH2 → 2ATP×1 = 2ATP

由乙酰 CoA 氧化产生的 ATP 中，只有 1/12来自底物水平的磷酸化，其余都是由氧化磷酸化间接产生

3. 能量的化学计量

二、 TCA 循环

碳 源丙酮酸 → 乙酰 CoA + CO2 →

 3CO2

能 量丙酮酸氧化脱羧： 1NADH →

3ATP 共15ATP

TCA循环： 12ATP

3. 能量的化学计量

二、 TCA 循环

碳 源 葡萄糖 → 2 丙酮酸 → 6CO2

能 量葡萄糖有氧酵解： 2ATP + 2NADH

→ 8 ATP 共38ATP

丙酮酸有氧氧化： 15×2 = 30 ATP

葡萄糖彻底氧化经由的途径：EMP途径、丙酮酸氧化脱羧、 TCA循环、呼吸链氧化磷酸化。

对于原核生物：

3. 能量的化学计量

二、 TCA 循环

对于原核生物：

由于在 EMP途径中生成的 NADH在线粒体外，其磷氧比为 2，所以 1分子葡萄糖彻底氧化只能合成 36 ATP。

对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞） :

3. 能量的化学计量

二、 TCA 循环

The complete oxidation of one glucose may yield as many as 32 ATP

• All the NADH and FADH2 will eventually

pass their electrons to O2 after being

transferred through a series of electron carriers.

• The complete oxidation of each NADH molecule leads to the generation of about

2.5 ATP, and FADH2 of about 1.5 ATP.free

energy changes in cells.

1. 定位：线粒体线粒体

A 柠檬酸合酶 :该酶有负变构剂 ATP，它使酶与底物的亲和力下降，从而 Km 值增大。

B 异柠檬脱氢酶 :该酶有正变构剂 ADP，它使酶与底物的亲和力增加。此外， NAD+、底物异柠檬酸使酶活升高； NADH、 ATP使酶活下降。C - 酮二酸脱氢酶 : ATP、 NADH及产物琥珀酰CoA抑制酶的活性。

2. 不可逆反应与调节：

4. 注意点 二、 TCA 循环

Inhibited by productsand high energy charge; Activated by a low energy charge or a signal for energy requirement (Ca2+).

Rate of the citric acid cycle is controlled at three exergonic irreversible steps catalyzed by:

Citrate synthase,

isocitrate

dehydrogenase and -

ketoglutarate

dehydrogenase

1. 为生物体提供能量，是体内主要产生 ATP的途径 ；

2. 循环中的中间物为生物合成提供原料； 如草酰乙酸、 - 酮戊二酸可转变为氨基酸，琥珀酰 CoA可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉。

3. 糖类、蛋白质、脂类、核酸等代谢的枢纽。

5. TCA 循环的生物学意义 二、 TCA 循环

三、 TCA 的回补反应

三羧酸循环的一个重要作用是它的中间物可以为生物合成提供原料，但这些中间物必须得到补充，以保证 TCA 循环运转。尤其是起始物草酰乙酸，缺乏它乙酰 CoA就不能进入循环。

生物体中存在着及时补充草酰乙酸的反应，称为回补反应。

1. 回补反应含义：

1. 丙酮酸羧化

2. 回补反应的途径：

丙酮酸羧化酶需要生物素作为其辅酶。

这是动物中最重要的回补反应，在线粒体中进行。

三、 TCA 的回补反应

2. PEP 羧化酶（细胞质）

2. 回补反应的途径： 三、 TCA 的回补反应

3. 苹果酸酶（细胞质）

2. 回补反应的途径： 三、 TCA 的回补反应

4. PEP羧激酶（液泡）

2. 回补反应的途径： 三、 TCA 的回补反应

The phosphoenolpyruvate carboxykinase reactionThe phosphoenolpyruvate carboxykinase reaction