第四节第四节三羧酸循环（三羧酸循环（TCA）三羧酸循环的概念：三羧酸循环的概念： 1937年德国生物学家Krebs （克雷布斯，1953年因此获诺贝尔奖）阐明：乙酰CoA的继续分解是一个环式反应体系，起点是乙酰CoA与草酰乙酸结合为具有三个羧基的柠檬酸，故称为三羧酸循环（tricarboxylic acid），又叫TCA循环，Krebs循环，由于该循环的第一个产物是柠檬酸，又叫柠檬酸循环。 它不仅是糖代谢的主要途径，也是蛋白质、脂肪分解代谢的最终途径。 三羧酸循环的三羧酸循环的细胞定位细胞定位：线粒体内 一、丙酮酸的氧化脱羧一、丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸脱氢酶系是一个多酶复合体，组成如下： 调调控控酶酶：丙酮酸脱氢酶PDH、二氢硫辛酸转乙酰基酶DLT、二氢硫辛酸脱氢酶DLDH 辅助因子辅助因子：硫胺素焦磷酸酯TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD、Mg2、FAD。 丙酮酸氧化脱羧的丙酮酸氧化脱羧的调控调控： 1、当细胞内ATP、乙酰CoA、NADH含量同时增加时，PDH磷酸化作用加强，阻碍丙酮酸氧化脱羧。反之则反。 2、乙酰CoA和NADH可分别抑制DLT和DLDH的活性，阻止氧化脱羧。 丙酮酸的氧化脱羧是连接丙酮酸的氧化脱羧是连接EMP和和TCA的纽带，其反应本身并未进入的纽带，其反应本身并未进入TCA，但是是但是是所有糖进入所有糖进入TCA的必由之路。的必由之路。 二、三羧酸循环概要二、三羧酸循环概要 TCA循环一轮分10步完成。来自丙酮酸脱氢脱羧后的乙酰基（C2单位）由CoA带着进入TCA，第一步是C2与一个C4化合物（草酰乙酸）结合成C6化合物（柠檬酸），然后经过2次脱羧（生成2个CO2）和4次脱氢（生成3NADH1FADH2），还产生1个GTP（高能化合物），最终回到C4化合物（草酰乙酸），结束一轮循环。 1个个C2单位被分解为单位被分解为2CO2。 三三羧羧酸酸循循环环TCA 三、生化历程三、生化历程1、乙酰、乙酰CoA与草酰乙酸及与草酰乙酸及H2O缩合生缩合生成柠檬酸，放出成柠檬酸，放出HSCoA。 H2O 不可逆 2、柠檬酸脱水生成顺乌头酸、柠檬酸脱水生成顺乌头酸+H2O 可逆 3、顺乌头酸与、顺乌头酸与H2O加成，生成异柠檬酸加成，生成异柠檬酸 异构化反应 H2O可逆 通过23步，将柠檬酸异构化为异柠檬酸。实质是将前者的OH从C2变到了后者的C3，成为仲醇（由叔醇变为仲醇），更易氧化。 4 45 5、异柠檬酸氧化脱羧生成、异柠檬酸氧化脱羧生成酮戊二酸酮戊二酸 第一次脱氢脱羧 可逆 消耗消耗1NAD，生成生成1NADHH，1CO2 该酶是别构酶，激活剂是ADP，抑制剂是NADH、ATP。 有两种同工酶： 以NAD为电子受体，存在于线粒体中，需Mg2。 以NADP为电子受体，存在于胞液中，需Mn2。 6 6、酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoACoA 第二次脱氢脱羧 不可逆 消耗消耗1 1NADNAD，生成生成1 1NADHNADHH H，1CO1CO2 2 生生成成一一个个高高能能键键“ ”，此此步步类似于丙酮酸的氧化脱羧。类似于丙酮酸的氧化脱羧。 酮戊二酸脱氢酶系包括：酮戊二酸脱氢酶系包括： 酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶 二氢硫辛酸转琥珀酰基酶二氢硫辛酸转琥珀酰基酶 二氢硫辛酸脱氢酶二氢硫辛酸脱氢酶 7 7、琥珀酸的生成、琥珀酸的生成 底物磷酸化 生成1ATP 可逆 是是TCATCA中中唯唯一一直直接接产产生生ATPATP的的反反应应，属属于底物磷酸化。于底物磷酸化。 区别：区别：EMP：高能磷酸基团直接转移给高能磷酸基团直接转移给ADPADP放能放能TCA：琥珀酰琥珀酰CoA中的高能键中的高能键 硫酯硫酯键水解放能键水解放能 8 8、琥珀酸氧化生成延胡索酸、琥珀酸氧化生成延胡索酸 第三次脱氢（FAD脱氢） 可逆 生成生成1 1FADHFADH2 2 该该酶酶结结合合在在线线粒粒体体内内膜膜上上，丙丙二二酸酸是竞争性抑制剂是竞争性抑制剂 9 9、延胡索酸水化生成苹果酸、延胡索酸水化生成苹果酸 水化作用 可逆 消耗消耗1 1H H2 2O O 1010、苹果酸脱氢氧化生成草酰乙酸、苹果酸脱氢氧化生成草酰乙酸 第四次脱氢 可逆 消耗消耗1NAD，生成生成1NADHH 总反应式：总反应式：乙酰乙酰CoA3NADFADGDPPi2H2O2CO23NADH3HFADH2GTPHSCoA 四、化学量计算四、化学量计算（一）物质量计算 1mol乙酰CoA 2 molCO2+1molCoA（二）能量计算1、计算1mol乙酰CoA彻底氧化分解产生的ATP的数目 1+33+12=12molATP2、计算1molG彻底氧化分解产生的ATP的数目（原核生物） G 丙酮酸 乙酰CoA CO2+ H2O EMP TCA 第一阶段：G 2mol丙酮酸 EMP阶段 净生成2molATP，2mol（NADHH） 第二阶段：2mol丙酮酸 2mol乙酰CoA 净生成2mol（NADHH），2 molCO2 第三阶段：2mol乙酰CoA经TCA彻底氧化分解 净 生 成 21ATP， 23mol（ NADH H） ， 21 molFADH2，22 molCO2 由于氧化磷酸化，1mol（NADHH）可生成3molATP, 1 molFADH2可生成2molATP。因此：第一阶段：净生成8molATP 第二阶段：净生成6molATP，2 molCO2 第三阶段：净生成24molATP，4 molCO2 共净生成共净生成3838molATPmolATP，6molCO6molCO2 2 真核生物中，共净生成真核生物中，共净生成36molATP，6molCO2 TCA的运转必须通过O2条件下才能运转，实际上O2并不直接参加TCA，那么O2在何处参加反应呢？ TCA除了产生1个GTP外，另外的能量均潜在3NADH和1FADH2中，为了TCA的运转，NAD和FAD必须再生。NAD和FAD的再生则是通过DADH和FADH2进入电子传递链，将H交给O2，释放潜能生成ATP而实现。所以，TCA的运转必须有O2。 五、生物学意义五、生物学意义 1、TCA循环是生物体获能的主要途径，远比无氧分解产生的能量多。 2、TCA是生物体各有机物质代谢的枢纽。糖、脂肪、氨基酸的彻底分解都需通过TCA途径，而TCA中的许多中间产物如草酰乙酸、酮戊二酸、琥珀酰CoA等又是合成糖、氨基酸等的原料。 3、TCA是发酵产物重新氧化进入有氧分解的途径。 4、TCA的某些中间产物还是体内积累成分，如柠檬酸、苹果酸是柑桔、苹果等果实的重要成分，在储藏期，酸作为呼吸基质被消耗。果实的糖/酸比是衡量果实品质的一项指标。 六、三羧酸循环的调控六、三羧酸循环的调控 三个调控位点：柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、酮戊二酸脱氢酶所催化的三个反应。 1、NAD/NADH的比值 高：TCA循环生成的产物不能满足细胞自身的需要，三种酶被激活，酶发挥催化功能，速度加快。 低：大量的NADH抑制酶的活性，使TCA循环减速。 2、ATP，琥珀酰CoA抑制柠檬酸合成酶、酮戊二酸脱氢酶的活性，使TCA循环减速。 异柠檬脱氢酶受ATP抑制，被ADP激活。 3、丙酮酸脱氢酶系的调节见前 细胞中细胞中ATPATP浓度越高时，浓度越高时，TCATCA速度下降；速度下降；NAD/NADH的比值越高时，的比值越高时，TCA速速度越快。度越快。 七、三羧酸循环的回补效应七、三羧酸循环的回补效应 产生草酰乙酸的途径主要有： 1、丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸、丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸 位于动物肝脏和肾脏的线粒体中动物肝脏和肾脏的线粒体中O CCOOHCH3COCOOH+CO2+ATP+H2OCH2COOH+ADP+PiMg2+,生物素生物素2、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化PEP生成草酰乙酸生成草酰乙酸 植物、细菌等，植物、细菌等，PEP羧化酶催化羧化酶催化CH2 C COOH+H2O+CO2O=CCOOH+Pi| OPCH2COOH3、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化PEP生成草酰乙酸生成草酰乙酸心脏、骨骼肌中，心脏、骨骼肌中，PEP羧激酶催化羧激酶催化PEP+CO2+GDPO=CCOOH +GTPCH2COOH4、由苹果酸酶、苹果酸脱氢酶催化使、由苹果酸酶、苹果酸脱氢酶催化使丙酮酸生成草酰乙酸丙酮酸生成草酰乙酸 原核、真核中广泛存在的苹果酸酶催化原核、真核中广泛存在的苹果酸酶催化CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+HOCHCOOH +NADP+CH2COOH再由苹果酸脱氢酶催化：再由苹果酸脱氢酶催化：HOCHCOOH +NAD+O=CCOOHCH2COOH +NADH+H+CH2COOH5、酮戊二酸和酮戊二酸和Asp经转氨作用经转氨作用 生成生成Glu和草酰乙酸和草酰乙酸 第五节第五节磷酸戊糖途径（磷酸戊糖途径（HMPPPP） 磷磷酸酸戊戊糖糖途途径径的的概概念念：是G分解的另一条途径: 在6PG上直接氧化，再分解产生5P核糖。 磷酸戊糖途径PPP：Pentose Phosphate Pathway 己糖磷酸途径HMP：Hexose Monophosphate Pathway 磷酸己糖支路HMS：Hexose Monophosphate Shunt G直接氧化途径DOPG：Direct Oxidation Pathway of Glucose HMP的阐明起始于1931年Warburg对6PG脱氢酶的研究，后人在此基础上加以完善。实验证明：（ 1） 在 组 织 中 加 入 EMP抑 制 剂 碘 乙 酸 或 碘 乙 酰 胺（ICH2COOH或ICH2CONH2）后，它抑制3PG脱氢酶的活性（3PG 1，3DPG），但有些微生物仍能将G CO2H2O，说明另有途径。（2）用同位素14C标记C1和C6 ，如果是EMP、TCA，那么生成的14C1O2和14C6O2 分子数应相等，但实验表明14C1 更容易氧化为CO2，说明另有途径。 说明G分解的主要途径是EMP和TCA，但并非唯一途径，HMP也是G分解的途径，只是在6PG上直接氧化。 细胞定位细胞定位：胞液 一、磷酸戊糖途径概要一、磷酸戊糖途径概要 以6PG为起始物，经过两个阶段共8步反应，最后重新生成6PG的过程。 HMP概要 特点：G直接脱氢或脱羧，不经过三碳糖阶段。 HMPHMP属于有氧分解还是无氧分解？属于有氧分解还是无氧分解？ O2不参加HMP，但认为HMP是需氧的代谢途径，因为可以肯定的是：HMP是需氧生物的某些组织、器官中较旺盛的代谢途径，而且与EMP、TCA相联系。 二、生化历程二、生化历程（一）不可逆的氧化阶段（一）不可逆的氧化阶段（1-31-3）1、6PG6P葡萄糖酸内酯葡萄糖酸内酯 可逆 2、6P葡萄糖酸内酯水解生成葡萄糖酸内酯水解生成6P葡萄糖酸葡萄糖酸 不可逆 3、6P葡萄糖酸脱氢脱羧葡萄糖酸脱氢脱羧 生成生成5P核酮糖（核酮糖（5PRu） 不可逆 13步（二）可逆的非氧化阶段（二）可逆的非氧化阶段 （4 48 8） 戊糖互变戊糖互变4、5P核酮糖（核酮糖（5PRu）异构化为异构化为 5P核糖（核糖（5PR） 官能团异构官能团异构 5、5P核酮糖（核酮糖（5PRu）异构化为异构化为 5P木酮糖（木酮糖（5PXu） 差向异构差向异构 45步 6-8 6-8步，基团移位反应步，基团移位反应 通过转酮酶和转醛酶的催化作用，将一酮糖分子的酮醇基转移给另一醛糖分子上，形成新的醛糖和酮糖。 转酮酶专门催化乙酮醇基转移 转醛酶专门催化二羟丙酮基转移 通过通过C5、C4、C7、C3、C6只见的基团转移反只见的基团转移反应，实现了糖分子之间的转变，最终生成应，实现了糖分子之间的转变，最终生成6PF三羧酸循环三羧酸循环TCA转酮酶或转转酮酶或转羟乙醛基酶羟乙醛基酶转醛酶或转二转醛酶或转二羟丙酮基酶羟丙酮基酶 6 6、5 5P PR R5 5P PXu Xu 3 3P PG G（3 3P P甘油醛）甘油醛）7 7P PS S（7 7P P景天庚酮糖）景天庚酮糖）将将5 5P PXuXu的乙酮醇基转移给的乙酮醇基转移给5 5P PR R。 7 7、3 3P PG G7 7P PS S 4 4P PE E（4 4P P赤藓糖）赤藓糖）6 6P PF F 将7PS-的二羟丙酮基转移给3PG。 三羧酸循环三羧酸循环TCA+24-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖+25-磷酸核糖磷酸核糖23-磷酸甘油醛磷酸甘油醛转酮酶转酮酶转醛酶转醛酶26-磷酸果糖磷酸果糖+7-磷酸景天庚酮糖磷酸景天庚酮糖2H25-磷酸木酮糖磷酸木酮糖67步 8 8、5 5P PXuXu4 4P PE 3E 3P PG G 6 6P PF F 将5PXu的乙酮醇基转移给4PE。 三羧酸循环三羧酸循环TCA+24-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖+23-磷酸甘油醛磷酸甘油醛26-磷酸果糖磷酸果糖转酮酶转酮酶25-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 然后：然后： 3 3P PG DHAPG DHAP 3 3P PG+DHAP 1G+DHAP 1，6 6FDPFDP 2 2磷酸果糖酯酶磷酸果糖酯酶 磷酸己糖异构酶磷酸己糖异构酶1 1，6 6FDP 6FDP 6P PF F H H2 2O PiO Pi 6 6P PG GH2OPi1,6-二二磷酸果糖磷酸果糖23-磷酸甘油醛磷酸甘油醛6-磷酸果糖磷酸果糖醛缩酶醛缩酶二磷酸果糖酯酶二磷酸果糖酯酶三羧酸循环三羧酸循环TCA异异构构酶酶总反应式为：总反应式为：A A式式：6 6 6 6P PG G12NADP12NADP6H6H2 2O O 4 4 6 6P PF F2 2 3 3P PG G 6CO6CO2 21212（NADPHNADPHH H） 然后：然后：2 32 3P PG 1G 1，6 6DPGDPGH H2 2O 6O 6P PF FPiPi 6 6P PF 6F 6P PG G因此得到因此得到B式式：6PG12NADP7H2O6CO212（NADPHH）Pi 所以，所以，HMP要循环一轮，必须有要循环一轮，必须有6个个6PG同时进入循环，但最终只有同时进入循环，但最终只有1个个6PG被彻底分被彻底分解为解为6CO212（NADPHH）Pi。 三羧酸循环三羧酸循环TCAH2OPi65-磷酸核酮糖磷酸核酮糖25-磷酸核糖磷酸核糖25-磷酸木酮糖磷酸木酮糖23-磷酸甘油醛磷酸甘油醛27-磷酸景天庚酮糖磷酸景天庚酮糖24-磷酸赤藓丁糖磷酸赤藓丁糖26-磷酸果糖磷酸果糖25-磷酸木酮糖磷酸木酮糖23-磷酸甘油醛磷酸甘油醛26-磷酸果糖磷酸果糖1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖16-磷酸果糖磷酸果糖转醛酶转醛酶异构酶异构酶转酮酶转酮酶转酮酶转酮酶醛缩酶醛缩酶阶阶段段之之一一阶阶段段之之二二阶阶段段之之三三 三、化学量计算三、化学量计算 1 1、链式反应：、链式反应：3 63 6P PG G6NADP6NADP3H3H2 2O O 2 6 2 6P PF F 3 3P PG G 3CO3CO2 26 6（NADPHNADPHH H） 2 2、循环途径为：循环途径为：6 66 6P PG G12NADP12NADP6H6H2 2O O 4 6 4 6P PF F2 32 3P PG G 6CO212（NADPHH） 四、生物学意义四、生物学意义 1、HMP产生大量的NADPH，为细胞的各种物质合成反应提供主要的还原力（主要目的不是供能）。NADPH作为供氢体，为细胞中脂肪酸、固醇、四氢叶酸FH4等的合成，硝酸盐、亚硝酸盐的还原，NH3的同化等所必需。 2、HMP的中间产物是许多化合物的合成原料（碳源）。 3、HMP与光合作用密切相关，把分解与合成代谢联系在一起。 4、HMP与糖的有氧分解、无氧分解密切相关。 五、五、HMPHMP的调控的调控 HMP与细胞合成代谢相关。NADPH和5PR以及ATP的需要量是决定6PG去向（是HMP还是EMP）的主要因素，从而调节HMP的速率，当然也同时调节了EMP速率。 就HMP而言，关键的调控位是： 6PG脱氢酶催化的不可逆反应。 NADP浓度高，6PG脱氢酶活性强，速率快。 6PG的去向取决于四个方面： 1 1、需要、需要5 5P PRNADPHRNADPH： 6PG EMP 6PF和3PG 逆HMP84步 5PR 2 2、需要需要5 5P PR RNADPHNADPH： 6PG HMP14步 5PRNADPH 3 3、需要、需要NADPH NADPH 5 5P PR R，不放能，仅需还原力：不放能，仅需还原力： 6 6PG HMP全过程 5 6PG6CO212（NADPHH） 4 4、需要需要NADPH NADPH 5 5P PR R，提取还原力和能量：提取还原力和能量： 6PG HMP链式18步 6PF3PG EMP 丙酮酸 不仅提供NADPH，而且放能。 5 5、需要、需要ATPATPNADPHNADPH： 6PG EMP TCA，不进行HMP。 生物工程教研室 赵玉宏Thanks!