生物化学：第三节 丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环
有氧呼吸及三羧酸循环
糖的有氧氧化
Aerobic Oxidation of Glucose
• 葡萄糖在有氧条件下，彻底氧化成水和 CO2的反应过程称为有氧氧化。这是糖 氧化的主要方式。
一、有氧氧化的反应过程
分为三个阶段：
胞液
第一阶段
G
丙酮酸
（同酵解）
线粒体
第二阶段
丙酮酸
乙酰CoA
三羧酸循环 第三阶段 氧化磷酸化
以乙酸为主要食物的细菌
（物质循环中的重要一环）
乙酰CoA合成酶
乙酸 + ATP +CoASH → 乙酰CoA + H2O +AMP +PPi
3.磷酸戊糖途径（磷酸己糖支路）
• 磷酸戊糖——磷酸戊糖为代表性中间产物。 • 支路——糖酵解在磷酸己糖处分生出的新途径。
2
磷酸戊糖 途径
细胞质中
A.过程 氧化阶段(脱碳产能)
lipoic acid
COOH
+2H -2H
H2 C
H2C
CH (CH2)4 COOH
SH
SH
dihydrolipoic acid
辅酶A结构
OH CH3
OH OH
HS CH2CH2NH C CH2CH2NH C C C CH2 O P O P O
O
O H CH3
OO
3'AMP
巯基乙胺 β -丙氨酸
•酪氨酸
琥珀酰CoA → 血红素
•亮 赖氨 氨既酸 酸 是“焚苹果烧酸 炉又是百宝琥库珀酰”CoA苯丙氨酸
色氨酸
三羧酸循环
延胡索酸
酪氨酸
（2）乙醛酸循环——三羧酸循环支路
CoASH
简述三羧酸循环中的脱氢及脱羧反应
简述三羧酸循环中的脱氢及脱羧反应三羧酸循环中的脱氢及脱羧反应——所谓脱氢及脱羧反应，指的是把中间产物酮酸转化成醛、酮或羧酸。
这种将中间体碳骨架上的H原子转移到新的碳骨架上，而生成不饱和醛、酮或羧酸的反应，称为加成反应。
该反应包括两步：第一步是把A-、 2C-和5S-脱去氢原子而得到糖类，此时酮酸可以看做是醛酮或羧酸。
第二步是脱下一分子的氢后，形成新的碳骨架，从而重新生成酮酸，其中O2是给予氢的基团。
当碳骨架上连有一个氢原子时，就成为一个糖基。
该反应又称做氧化反应。
其中的某些类型可用来制备许多天然化合物。
在合成过程中也可作为合成方法。
在生物体内，许多类似的反应也能发生。
比如丙酮酸在脱氢酶的催化下可转变为草酰乙酸，进一步转变为苹果酸，再经一系列的反应，最终生成苹果酸-6-磷酸。
脱氢反应主要在肝脏、骨骼肌和红细胞中进行。
2.H2S+O2→2H2CO2+H2O，在酸性条件下进行3.NAC+H2O→NAC-Cl2+CO2↑+H2O，在碱性条件下进行4.NAC+H2O→NAC-Cl2+H2O，在弱碱性条件下进行5.AMPA+O2→AGaseA+NAC+H2O，在强碱性条件下进行6.AMPA+H2O→AGaseA+NAC+H2O，在弱酸性条件下进行脱羧反应在脑、肝和肾中进行，特别是在脑中最为活跃。
4.NAC+H2O→NAC-Cl2+H2O，在弱碱性条件下进行NAC脱下一分子的氢后，与一分子水反应，生成2NAC-和H2O。
反应中， NAC中的一个碳骨架连接到一个碳骨架上，使它的键长加长了。
同时也发生了一个氧化反应。
反应结束后， NAC就成了醛酮。
在丙酮酸脱氢酶的作用下，可以生成丙酮酸-5-磷酸。
2NAC+ H2O→NAC-Cl2+H2O在弱碱性条件下进行脱羧反应是通过NAC的羰基与一分子水反应而完成的。
三羧酸循环
1.1 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的内容
2. 催化丙酮酸转变为乙酰－CoA的反应步骤
2.1丙酮酸脫羧反应（丙酮酸变成乙酰基）
丙酮酸
辅酶A 还原型乙酰 硫辛酰胺
乙酰辅酶A
还原型 硫辛酰胺
羟乙基-TPP
氧化型硫辛酰胺
这是第一步反应,由丙酮酸脱氢酶E1(以TPP為辅基)催化,可划分为两个步骤。
(1) 羟乙基-TPP的形成
起电子“陷井”作用
丙酮酸-TPP加成物‧E1
较稳定的负碳离子
羟乙基-TPP-E1 (暂时稳定的共振形式)
（2). 羟乙基氧化形成乙酰基
羟乙基氧化转变为乙酰基并转移至二氢硫辛酰转乙酰基酶E2的辅 基硫辛酰胺上，这是为下一步反应作准备。丙酮酸脱氢酶组分(TPP-E1 )完成了乙酰基的转移后即恢复原状，又可接受另一丙酮酸分子。
(1). Krebs H A发现:
●肌肉、肾脏、肝脏等组织的匀浆悬浮液或切片的材料中，发现柠檬 酸、琥珀酸、延胡索酸及乙酸等化合物在各不同组织中的氧化速率 均最快。
●向肌肉悬浮液中加入草酰乙酸，能迅速生成柠檬酸,又发现柠檬酸 是草酰乙酰和一种来自丙酮酸或乙酸的化合物合成的。
(2). Albert Szent-Gyorgyi发现:
TCA循环是糖、脂肪、蛋白质和氨基酸等氧化所共同经历的途径。 同时，TCA循环生成的中间物也是许多生物合成的前体。因此TCA循 环是两用代谢途径。
多糖
脂肪
葡萄糖 甘油 脂肪酸
蛋白质 氨基酸
第二阶段 (释能1/3)
柠檬酸循环
一.柠檬酸循环的发现历史
从1932年至1936年，Krebs H A 和其它几位科学家 共同 研究，最后由Krebs 提出完整的柠檬酸循环途径。于 1953年获 得诺贝尔奖。
丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环
2. TCA循环的总反应
二、TCA循环 循环
2. TCA循环的总反应
二、TCA循环 循环
每经历一次TCA循环 循环 每经历一次 个碳原子通过乙酰 进入循环， 有2个碳原子通过乙酰 个碳原子通过乙酰CoA进入循环，以后有 个 进入循环 以后有2个 碳原子通过脱羧反应离开循环。 碳原子通过脱羧反应离开循环。 对氢原子通过脱氢反应离开循环 有4对氢原子通过脱氢反应离开循环，其中 对 对氢原子通过脱氢反应离开循环，其中3对 NADH携带 1对由 携带， 对由FADH 携带。 由NADH携带，1对由FADH2携带。 分子高能磷酸化合物GTP，通过它可生成 产生1分子高能磷酸化合物 ，通过它可生成1 产生 分子高能磷酸化合物 分子ATP。 。 分子 消耗2分子水， 分别用于合成柠檬酸（ 消耗 分子水，分别用于合成柠檬酸 （ 水解柠檬 分子水 酰CoA）和延胡索酸的加水。 ）和延胡索酸的加水。
所以， 循环需要在有氧的条件下进行。 所以 ， TCA循环需要在有氧的条件下进行。 否 循环需要在有氧的条件下进行
携带的H无法交给氧 无法交给氧， 则NADH和FADH2携带的 无法交给氧，即呼吸链 和 不能被再生， 氧化磷酸化无法进行， 不能被再生 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 循环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进 行。
1. 化学反应过程
二、TCA循环 循环
Step 3. 异柠檬酸氧化脱羧
这阶段放出了1分子 产生1分子NADH 这阶段放出了1分子CO2，由 C6 → C5 ；产生1分子
NADP+(gold); Ca2+(red))
1. 化学反应过程
二、TCA循环 循环
生物化学_三羧酸循环
三羧酸循环一、丙酮酸脱氢酶复合体（一)反应过程：4步，第一步前半部分不可逆。
1.脱羧，生成羟乙基TPP，由E1（丙酮酸脱氢酶组分）催化。
羟乙基被氧化成乙酰基，转移给硫辛酰胺。
由E2（二氢硫辛酰转乙酰基酶）催化。
2.形成乙酰辅酶A。
由E2催化。
3.还原型E2被氧化形成氧化型E2，由E3（二氢硫辛酰胺脱氢酶）催化，NAD+为氧化剂。
4.氧化硫辛酸，FAD变成FADH2。
氢原子转移给NAD+变成NADH & H+。
丙酮酸脱氢复合体有60条肽链组成，直径30nm，E1和E2各24个，E3有12个。
其中硫辛酰胺构成转动长臂，在电荷的推动下携带中间产物移动。
（二）砷化物对硫辛酰胺有毒害作用，与巯基共价结合使E2辅基改变失去催化作用。
（三)活性调控：此反应处于代谢途径的分支点，收到严密调控：1.产物抑制：乙酰辅酶A抑制E2，NADH抑制E3。
可被辅酶A和NAD+逆转。
2.核苷酸反馈调节：E1受GTP抑制，被AMP活化。
3.共价调节：E1上的特殊丝氨酸被磷酸化时无活性，水解后恢复活性。
丙酮酸抑制磷酸化作用，钙和胰岛素增加去磷酸化作用，ATP、乙酰辅酶A、NADH增加磷酸化作用。
二、三羧酸循环的途径8步。
曾经怀疑第一个组分是其他三羧酸，故名三羧酸循环。
也叫Krebs循环。
由柠檬酸缩合酶催化，高能硫酯键水解推动反应进行。
受ATP、NADH、琥珀酰辅酶A和长链脂肪酰辅酶A抑制。
ATP可增加对乙酰辅酶A的Km。
氟乙酰辅酶A可形成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，称为致死合成，可用于杀虫剂。
由顺乌头酸酶催化，先脱水，再加水。
是含铁的非铁卟啉蛋白。
需铁及巯基化合物（谷胱甘肽或Cys等）维持其活性。
第一次氧化，由异柠檬酸脱氢酶催化，生成NADH或NADPH。
中间物是草酰琥珀酸。
是第二个调节酶，能量高时抑制。
生理条件下不可逆，是限速步骤。
细胞质中有另一种异柠檬酸脱氢酶，需NADPH，不是别构酶。
其反应可逆，与NADPH还原当量有关。
三羧酸循环
丙酮酸脱氢（羧）酶
E1
24
TPP(焦磷酸硫 丙酮酸氧化脱羧 胺素)
硫辛酸 将乙酰基转移到CoA
二氢硫辛酰胺转乙酰酶
E2
24
二氢硫辛酰胺脱氢酶
E3
12
FAD
将还原型硫辛酰胺
转变为氧化型
反应步骤 （P118）
丙酮酸氧化脱羧的调控
由丙酮酸到乙酰CoA是一个重要步骤，处于代谢途径 的分支点，所以此体系受到严密的调节控制： 1、产物抑制：乙酰CoA抑制乙酰转移酶E2组分，NADH 抑制二氢硫辛酸脱氢酶E3组分。抑制效应被CoA和 NAD+逆转。 2、核苷酸反馈调节：丙酮酸脱氢酶E1受GTP抑制，被 AMP活化。 3、砷化物与E2中的辅基硫辛酰胺形成无催化能力的砷 化物。 4、可逆磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶E1的磷酸化 状态无活性，反之有活性。 5、Ca2+激活
TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物的步骤
GTP+ADP GDP+ATP
6 、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸
嵌入线粒体内膜
COOH 琥珀酸脱氢酶 CH2 +FAD CH2 COOH
COOH CH +FADH2 HC COOH
TCA中第三次氧化的步骤 丙二酸为该酶的竞争性抑制剂 开始四碳酸之间的转变
TCA化，二次脱羧， 通过一个循环，可以认为乙酰COA 2CO2
乙酰辅酶A 草酰乙酸 苹果酸 柠檬酸
异柠檬酸
延胡索酸 a-酮戊二酸 琥珀酸 琥珀酰 辅酶A
三、三羧酸循环的化学计量
乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+FADH2+GTP+CoA+3H+ 循环有以下特点：
简述三羧酸循环
简述三羧酸循环三羧酸循环，也被称为柠檬酸循环或Krebs循环，是生物体内的一种重要代谢途径。
它是维持细胞能量供应和有机物合成的关键过程。
本文将通过人类视角，以简洁的语言描述三羧酸循环的过程和功能。
三羧酸循环是一系列化学反应的集合，发生在细胞线粒体的内膜系统中。
它的主要功能是将有机物质（如葡萄糖、脂肪酸等）分解为二氧化碳和能量，同时合成一些重要的有机分子。
三羧酸循环是细胞呼吸的重要组成部分，通过产生能量分子ATP来满足细胞的能量需求。
三羧酸循环的过程可以分为四个主要步骤：酸化、脱羧、还原和再生。
首先，葡萄糖或其他有机物质在细胞质内被分解为丙酮酸和辅酶A，然后通过转运蛋白进入线粒体内膜系统。
在线粒体内，丙酮酸被氧化为柠檬酸，再经过一系列的反应逐步转化为其他有机酸。
在这个过程中，每一个有机酸都会脱羧，生成二氧化碳和高能电子。
这些高能电子通过蛋白质复合物呼吸链传递，最终与氧气结合生成水，并释放大量的能量。
在三羧酸循环中，还有一些重要的中间产物，如柠檬酸、草酰乙酸和丙酮酸。
这些中间产物不仅可以用于生成能量，还可以通过其他途径合成脂肪酸、胆固醇等生物大分子。
此外，三羧酸循环还参与调节细胞内的代谢平衡，维持细胞内的酸碱平衡，调节体温等重要生理过程。
三羧酸循环对人体的生物代谢有着重要的影响。
它是有氧呼吸的关键步骤，能够产生大量的ATP，为细胞提供所需的能量。
此外，三羧酸循环还参与葡萄糖代谢、脂肪酸代谢等重要生理过程，对维持身体的正常功能至关重要。
总结起来，三羧酸循环是一种重要的代谢途径，通过将有机物质分解为二氧化碳和能量，并合成其他重要有机分子，满足细胞的能量需求和生物合成的需要。
它不仅对维持细胞正常功能至关重要，还对整个生物体的正常生理过程起着重要调节作用。
通过深入了解三羧酸循环的机制和功能，我们可以更好地理解生物体的代谢过程，并为相关疾病的治疗提供新的思路和方法。
三羧酸循环
三羧酸循环一、三羧酸循环的概念三羧基循环（tricarboxylic acid cycle），简称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，首先在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。
乙酰CoA（主要来自于三大营养物质的分解代谢）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因为在循环的一系列反应中,关键的化合物是柠檬酸,所以称为柠檬酸循环（tricarboxylic acid cycle）。
由于它是由H.A.Krebs（德国）正式提出的，所以又称Krebs 循环。
二、三羧酸循环的过程三羧酸循环的过程主要分三个阶段：第一阶段：丙酮酸的生成（胞浆）第二阶段：丙酮酸氧化脱羧生成乙酰 CoA（线粒体）第三阶段：乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化（线粒体）（一）、丙酮酸的生成（胞浆）葡萄糖 + 2NAD+ + 2ADP +2Pi ——> 2（丙酮酸+ ATP + NADH+ H+ ）（二）、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A多酶复合体：是催化功能上有联系的几种酶通过非共价键连接彼此嵌合形成的复合体。
其中每一个酶都有其特定的催化功能，都有其催化活性必需的辅酶。
（三）、乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化（线粒体）（1)乙酰-CoA进入三羧酸循环乙酰CoA具有硫酯键，乙酰基有足够能量与草酰乙酸的羧基进行醛醇型缩合。
首先柠檬酸合酶的组氨酸残基作为碱基与乙酰-CoA作用，使乙酰-CoA的甲基上失去一个h+，生成的碳阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰-CoA中间体，然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。
该反应由柠檬酸合成酶(citrate synthase)催化，是很强的放能反应。
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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
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
a. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
二、三羧酸循环
1. 化学反应过程
a. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
二、三羧酸循环
这步反应由 C4 → C6 。
Citrate synthase. Citrate is shown in green and CoA pink
1. 化学反应过程
a. 乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
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
。
碳源
乙酰CoA → 2CO2
二、三羧酸循环
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
2. 柠檬酸异构化成异柠檬酸
二、三羧酸循环
Iron-sulfur (red), cysteines (yellow) and isocitreate (white)
二、三羧酸循环
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
6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生
二、三羧酸循环
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。
5. 由琥珀酰CoA生成高能磷酸键
二、三羧酸循环
这阶段合成了1分子高能磷酸化合物GTP
1. 化学反应过程
6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生
二、三羧酸循环
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
6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生
1. 化学反应过程
3. 异柠檬酸氧化脱羧
二、三羧酸循环
1. 化学反应过程
3. 异柠檬酸氧化脱羧
二、三羧酸循环
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
4. a-酮戊二酸氧化脱羧
二、三羧酸循环
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
4. a-酮戊二酸氧化脱羧
二、三羧酸循环
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
5. 由琥珀酰CoA生成高能磷酸键
GDP + Pi GTP
二、三羧酸循环
这阶段合成了1分子高能磷酸化合物GTP
1. 化学反应过程
1. 化学反应过程
6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生
二、三羧酸循环
这阶段需要经历三步反应 —— 脱氢、加水、脱氢
1. 化学反应过程
6. 琥珀酸氧化使草酰乙酸再生
二、三羧酸循环
The active site of malate dehydrogenase. Malate is shown in red; NAD+ blue.
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。化学反应过程
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
第三节 丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环
Chapter 3
The pyruvate oxidization and Citric Acid Cycle
一、丙酮酸氧化脱羧
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。
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
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。