第三节丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环

第三节丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环 Chapter 3The pyruvateoxidization and Citric Acid Cycle

一、丙酮酸氧化脱羧 丙酮酸的氧化脱羧的部位：线粒体在有氧条件下，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。 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

一、丙酮酸氧化脱羧 催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由3种酶有机地组合在一起： 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。

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

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环三羧酸循环(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、三羧酸循环 a.乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 a.乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸这步反应由 C4 → C6 。 Citrate synthase. Citrate is shown in green and CoA pink

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 a.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、三羧酸循环 2. 柠檬酸异构化成异柠檬酸 Iron-sulfur (red), cysteines (yellow) and isocitreate (white)

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 3. 异柠檬酸氧化脱羧

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 3. 异柠檬酸氧化脱羧这阶段放出了1分子CO2，由 C6 → C5 ；产生1分子NADH NADP+(gold); Ca2+(red))

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 4.a-酮戊二酸氧化脱羧 a-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。

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 4.a-酮戊二酸氧化脱羧这阶段又放出了1分子CO2，由 C5 → C4 ；又产生1分子NADH；形成1个高能硫酯键。

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 GDP + Pi GTP 5. 由琥珀酰CoA生成高能磷酸键这阶段合成了1分子高能磷酸化合物GTP

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 5. 由琥珀酰CoA生成高能磷酸键这阶段合成了1分子高能磷酸化合物GTP

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生这阶段需要经历三步反应 —— 脱氢、加水、脱氢这一阶段的反应为C4的变化；产生1分子FADH2、1分子NADH。

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生这阶段需要经历三步反应 —— 脱氢、加水、脱氢

1. 化学反应过程 二、三羧酸循环 6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生 The active site of malate dehydrogenase. Malate is shown in red; NAD+ blue.

2. TCA循环的总反应 二、三羧酸循环

2. TCA循环的总反应 二、三羧酸循环每经历一次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、三羧酸循环产物NADH和FADH2的去路: 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。 ∴ 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。

3.能量的化学计量 二、三羧酸循环乙酰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。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、三羧酸循环

3.能量的化学计量 二、三羧酸循环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、三羧酸循环对于原核生物：对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞）: 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 36ATP。

4. 注意点 二、三羧酸循环 1. 定位：线粒体 2. 不可逆反应与调节： 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。

5. TCA循环的生物学意义 二、三羧酸循环 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、a-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。

三、TCA的回补反应 1.回补反应含义：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。

2. 回补反应的途径： 三、TCA的回补反应 1. 丙酮酸羧化这是动物中最重要的回补反应，在线粒体中进行。丙酮酸羧化酶需要生物素作为其辅酶。

2. 回补反应的途径： 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） The phosphoenolpyruvate carboxykinase reaction

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