代谢生物化学【4】

第六章    三羧酸循环

第一节  三羧酸循环的发现

第二节  三羧酸循环的全部反应

一、反应历程

1.柠檬酸的合成（不可逆反应）

由柠檬酸合酶进行催化

草酰乙酸先和柠檬酸合酶结合，诱导酶的活性中心结合乙酰辅酶A；乙酰辅酶A结合草酰乙酸后，形成柠檬酰辅酶A，使酶的活性中心再次变化，切开硫脂键，产生辅酶A和柠檬酸

乙酸类似物如氟代乙酸是三羧酸循环的抑制剂，在细胞中进行一系列反应生成的4-羟基反乌头酸是柠檬酸合酶的不可逆性抑制剂

2.异柠檬酸的形成

是一步将柠檬酸变成异柠檬酸的异构化反应，反应经过顺乌头酸中间物（先脱水，再水解），由顺乌头酸酶进行催化。改变了柠檬酸上的氢原子的位置，有利于后续反应

顺乌头酸酶含有铁硫蛋白，直接参与反应；在细胞中，顺乌头酸酶的作用有两个：在线粒体基质中参与三羧酸循环和作为细胞中铁离子的感受器，参与铁蛋白和转铁蛋白在翻译水平上的表达和调控

3.异柠檬酸的氧化脱羧（不可逆）

由异柠檬酸脱氢酶（IDH）进行催化，先是脱氢生成草酰乙酸，然后是β碳进行脱羧

真核细胞中有三种异柠檬酸脱氢酶（IDH1、IDH2、IDH3），参与三羧酸循环的主要是IDH3，IDH1和IDH2主要参与缺氧和呼吸链变化时还原型谷氨酸的代谢，将谷氨酰胺衍生出的α-酮戊二酸还原成异柠檬酸

4.α-酮戊二酸的氧化脱羧（不可逆）

由α-酮戊二酸脱氢酶、二氢硫辛酸转琥珀酰酶和二氢硫辛酸脱氢酶三个酶组成的α-酮戊二酸脱氢酶系进行催化。（具体反应类似于糖酵解的丙酮酸的氧化脱羧）

5.底物水平的磷酸化

由琥珀酰辅酶A合成酶（琥珀酸硫激酶）进行催化，此反应将会生成GTP或ATP和琥珀酸

6.琥珀酸的脱氢（将会把电子给到FADH2）

由琥珀酸脱氢酶进行催化，产物是反丁烯二酸（延胡索酸）。琥珀酸的类似物丙二酸是此酶的竞争性抑制剂

7.苹果酸的合成

这是一步水合反应，由延胡索酸酶进行催化，形成L-苹果酸

8.草酰乙酸的再生

由苹果酸脱氢酶催化

二、三羧酸循环的总结

（1）有一步底物水平磷酸化反应

（2）有两步氧化脱羧反应

（3）有三步不可逆反应，先后由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶进行催化，也是重要的限速步骤

（4）有四步氧化还原反应，将会有四对电子离开循环进入呼吸链

（5）有两个水分子被消耗，分别用来作为柠檬酸合酶和延胡索酸酶的底物

（6）氧气通过影响呼吸链从而对三羧酸循环进行影响（影响NAD+和FAD）

第三节  三羧酸循环的生理功能

（1）作为需氧生物所有的代谢燃料最终氧化分解的共同代谢途径

（2）比呼吸链可以产生更多的ATP，一分子的葡萄糖经过三羧酸循环最终彻底氧化为20分子的ATP

（3）提供生物大分子的合成的前体，参与代谢合成

（4）三羧酸循环中有一些中间产物可作为别构效应物去调节其他的代谢途径

eg.柠檬酸从线粒体进入细胞质之后，还有三个功能：1.作为磷酸果糖激酶（PFK-1）的负别构效应物，抑制糖酵解的活性；2.作为1，6-二磷酸果糖磷酸激酶的正别构效应物，激活糖异生；3.还可以作为乙酰辅酶A羧化酶的正别构效应物，刺激脂肪酸的生物合成

（5）产生二氧化碳

（6）有一些厌氧的古菌和细菌利用还原型的三羧酸循环进行二氧化碳的同化，即三羧酸循环的完全逆反应：不是将乙酰辅酶A氧化分解为二氧化碳，而是将二氧化碳同化为有机分子（消耗ATP和高能电子【NADH、FADH2和铁还原蛋白Fd】

注意：有一些酶和三羧酸循环中不同：柠檬酸裂解酶---ATP柠檬酸裂合酶、α-酮戊二酸脱氢酶---α-酮戊二酸合酶、延胡索酸酶---延胡索酸还原酶

第四节  乙醛酸循环

乙酸无法直接进入乙醛酸循环，在细胞中首先需要被乙酰辅酶A合成酶的催化下，被活化为乙酰辅酶A

乙醛酸循环和三羧酸循环的差别有：在每一轮循环之中，乙醛酸循环有两分子的乙酰辅酶A进入，三羧酸循环只有一分子乙酰辅酶A进入；乙醛酸循环只产生NADH，不产生FADH2；乙醛酸循环无底物水平磷酸化反应，因此无法通过此过程合成ATP；乙醛酸循环不产生二氧化碳，三羧酸循环每一轮都有两分子的二氧化碳释放

注意乙醛酸所特有的酶：异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶

细胞的状态可以影响到异柠檬酸裂合酶的活性以及一种蛋白激酶的活性，这种蛋白激酶的活性可以通过磷酸化或去磷酸化修饰来调控酶的活性。当细胞的能量状态较低时，异柠檬酸裂合酶的活性被抑制，三羧酸循环正常进行；当细胞的能量状态较高时，异柠檬酸裂合酶的活性被激活，三羧酸循环被抑制，乙醛酸循环被激活

乙醛酸循环的生理意义在于净生成糖异生的前体—琥珀酸。琥珀酸可以离开乙醛酸循环体，通过三羧酸循环形成草酰乙酸，并作为糖异生的原料

乙醛酸循环体的存在使脂肪在植物体内转变成葡萄糖

第五节  三羧酸循环的回补反应（及时补充在三羧酸循环中消耗的中间物，提高细胞对二碳单位的氧化速率）

（1）草酰乙酸的回补反应：相关酶有磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸激酶

（2）α-酮戊二酸的回补反应：谷丙转氨酶（转氨基反应）或谷氨脱氢酶（氧化脱氨基）催化谷氨酸转化为α-酮戊二酸

（3）琥珀酰辅酶A的回补反应：异亮氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸和酪氨酸都可以在细胞内被氧化变成琥珀酰辅酶A

（4）苹果酸的回补反应：由苹果酸酶进行催化

第六节  三羧酸循环的调控（别构效应物基本上都是反应细胞能量的变化的物质）

一、柠檬酸合酶的调控

别构调节，别构抑制剂：ATP、NADH、琥珀酰辅酶A    高浓度的柠檬酸可以通过竞争性抑制反馈抑制柠檬酸合酶

别构激活剂：ADP

二、异柠檬酸脱氢酶的调控

共价修饰（只存在于植物之中，见前文）

别构调节：负别构效应物：ATP     正别构效应物：ADP和Ca+

三、α-酮戊二酸脱氢酶系的调控

只有别构效应物和产物的竞争性抑制

四、丙酮酸脱氢酶系的调控

竞争性反馈抑制：乙酰辅酶A和NADH

别构调节的效应物：细胞能量状态的指示剂

共价修饰：丙酮酸脱氢酶激酶和磷蛋白磷酸酶，催化丙酮酸脱氢酶系特定位点的丝氨酸残基的磷酸化和去磷酸化