三羧酸循環

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三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)是需氧生物體內普遍存在代謝途徑,因為在這個循環中幾個主要的中間代謝物是含有三個羧基檸檬酸,所以叫做三羧酸循環,又稱為檸檬酸循環;或者以發現者Hans Adolf Krebs(英1953年獲得諾貝爾生理學醫學獎)命名為Krebs循環。三羧酸循環是三大營養素(糖類脂類氨基酸)的最終代謝通路,又是糖類、脂類、氨基酸代謝聯繫的樞紐。

基本介紹

Kerbs Cycle

  檸檬酸循環(tricarboxylicacidcycle):也稱為三羧酸循環(tricarboxylicacidcycle,TCA),Krebs循環。是用於將乙酰—CoA中的乙酰基氧化成CO2的酶促反應循環系統,該循環的第一步是由乙酰CoA與草酰乙酸縮合形成檸檬酸。在三羧酸循環中,反應物葡萄糖或者脂肪酸會變成乙酰輔酶A(cetyl-CoA)。這種"活化醋酸"(一分子輔酶和一個乙酰相連),會在循環中分解生成最終產物二氧化碳並脫氫,質子將傳遞給輔酶--煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) 和黃素腺嘌呤(FAD),使之成為NADH + H+和FADH2。 NADH + H+ 和 FADH2 會繼續在呼吸鏈中被氧化成NAD+ 和FAD,並生成水。這種受調節的"燃燒"會生成ATP,提供能量。   真核生物線粒體原核生物細胞質是三羧酸循環的場所。它是呼吸作用過程中的一步,但在需氧型生物中,它先於呼吸鏈發生。厭氧型生物則首先遵循同樣的途徑分解高能有機化合物,例如糖酵解,但之後並不進行三羧酸循環,而是進行不需要氧氣參與的發酵過程。

發現過程

三羧酸循環

  如果國泰民安,克雷布斯博士也許一輩子就是一位普通的醫生。但是第二次世界大戰爆發了,他受到納粹的迫害,不得不逃往英國。在德國,他是位非常優秀的醫生,但是在英國,由於沒有行醫許可證,得不到社會的承認。他只好打消當一名每天給患者看病的醫生的念頭,轉而從事基礎醫學的研究。   剛開始選擇課題時,僅僅出於對食物在體內究竟是如何變成水和二氧化碳的現象充滿了興趣,他毫不猶豫地選擇了這個課題,並且著手調查前人研究這一課題的各種材料。有的學者報告說:「A物質經過氧化變成了B物質。」有的學者說:「C物質經過氧化變成了D物質,然後又進一步變成E物質。」還有的學者認為:「C物質是從B物質中得到的。或者可以說,是F物質變成了G物質。」另外一些學者則認為,是「G物質經過氧化變成A物質」等等。看著來自四面八方的研究報告,克雷布斯想,如果把這些零散的數據整理出來,說不定可以發現食物代謝的結構。就像玩解謎遊戲那樣,克雷布斯將這些數據仔細整理了一番,結果發現食物在體內是按F、G、A、B、C、D、E這樣一個順序變化的。再仔細了解從A到F這些化學物質,發現E和F之間斷了鏈。如果E和F之間存在一種X物質,那麼,這條食物循環反應鏈就完整了。馬上集中精力,全力尋找X物質。4年後終於查明,X物質就是如今放在飲料中作為酸味添加劑的檸檬酸。他完成了食物的循環鏈,並且將它命名為檸檬酸循環。克雷布斯的循環理論解釋了食物在體內XX檸檬酸循環后,按照A、B、C、D、E、X、F、G的順序循環反應,最終氧化成二氧化碳和水。他的偉大不僅僅是發現了幾個化學物質的變化,而且在於將每一個活的變化整理出來,找出了可以解釋動態生命現象的結構。由於這一業績,他在1953年獲諾貝爾生理學醫學獎。檸檬酸循環也叫三羧酸循環或TCA循環。XX體內的營養成分在糖酵解→檸檬酸循環→電傳遞系統等一系列呼吸作用下得到分解,產生能量。

定義

  三羧酸循環(tricarboxylicacidcycle acid cycle ,TCA cycle,TCA循環)是一個由一系列酶促反應構成的循環反應系統,在該反應過程中,首先由乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合生成含有3個羧基的檸檬酸,經過4次脫氫,2次脫羧,生成四分子還原當量和2分子CO2,從新生成草酰乙酸的這一循環反應過程成為三羧酸循環。

化學反應

  乙酰輔酶A在循環中出現:檸檬酸(I)是循環中第一個產物,它是通

化學反應

過草酰乙酸(X)和乙酰輔酶A(XI)的乙酰基間的縮合反應生成的。如上所述,乙酰輔酶A是早先進行的糖酵解,蛋白質代謝或脂肪酸代謝的一個產物。   化學反應

生理意義

  1.三大營養素的最終代謝通路   糖、脂肪和蛋白質分解代謝過程都先生成乙酰輔酶A,乙酰輔酶A與草酰乙酸結合XX三羧酸循環而徹底氧化。所以三羧酸循環是糖、脂肪和蛋白質分解的共同通路。 2.糖、脂肪和氨基酸代謝的聯繫通路   三羧酸循環另一重要功能是為其他合成代謝提供小分子前

谷氨酸

體。α-酮戊二酸和草酰乙酸分別是合成谷氨酸和天冬氨酸的前體;草酰乙酸先轉變成丙酮酸再合成丙氨酸;許多氨基酸通過草酰乙酸可異生成糖。所以三羧酸循環是糖、脂肪酸(不能異生成糖)和某些氨基酸相互轉變的代謝樞紐。

循環過程

  乙酰-CoAXX由一連串反應構成的循環體系,被氧化生成H₂O和CO₂。由於這個循環反應開始於乙酰CoA與草酰乙酸(oxaloaceticacid)縮合生成的含有三個羧基的檸檬酸,因此稱之為三羧酸循環或檸檬酸循環(citratecycle)。在三羧酸循環中,檸檬酸合成酶催化的反應是關鍵步驟,草酰乙酸的供應有利於循環順利進行。其詳細過程如下:   1、乙酰-CoAXX三羧酸循環   乙酰CoA具有硫酯鍵,乙酰基有足夠能量與草酰乙酸的羧基進行醛醇型縮合。首先檸檬酸合酶組氨酸殘基作為鹼基與乙酰-CoA作用,使乙酰-CoA的甲基上失去一個H+,生成的碳離子對草酰乙酸的羰基碳進行親核攻擊,生成檸檬酰-CoA中間體,然後高能硫酯鍵水解放出遊離的檸檬酸,使反應不可逆地向右進行。該反應由檸檬酸合酶(citratesynthase)催化,是很強的放能反應。由草酰乙酸和乙酰-CoA合成檸檬酸是三羧酸循環的重要調節點,檸檬酸合酶是一個變構酶,ATP是檸檬酸合酶的變構抑製劑,此外,α-酮戊二酸、NADH能變構抑制其活性,長鏈脂酰-CoA也可抑制它的活性,AMP可對抗ATP的抑制而起激活作用。   2、異檸檬酸形成   檸檬酸的叔醇基不易氧化,轉變成異檸檬酸而使叔醇變成仲醇,就易於氧化,此反應由順烏頭酸酶催化,為一

可逆反應。   3、第一次氧化脫羧   在異檸檬酸脫氫酶作用下,異檸檬酸的仲醇氧化成羰基,生成草酰琥珀酸(oxalosuccinicacid)的中間產物,後者在同一酶表面,快速脫羧生成α-酮戊二酸(α-ketoglutarate)、NADH和CO2,此反應為β-氧化脫羧,此酶需要鎂離子作為激活劑。此反應是不可逆的,是三羧酸循環中的限速步驟,ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑,而ATP,NADH是此酶的抑製劑。   4、第二次氧化脫羧   在α-酮戊二酸脫氫酶系作用下,α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰-CoA、NADH·H+和CO₂,反應過程完全類似於丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧,屬於α?氧化脫羧,氧化產生的能量中一部分儲存于琥珀酰coa的高能硫酯鍵中。α-酮戊二酸脫氫酶系也由三個酶(α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀酰基轉移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個輔酶(tpp、硫辛酸、hscoa、NAD+、FAD)組成。此反應也是不可逆的。α-酮戊二酸脫氫酶複合體受ATP、GTP、NADH和琥珀酰-CoA抑制,但其不受磷酸化/去磷酸化的調控。   5、底物磷酸化生成ATP   在琥珀酸激酶(succinatethiokinase)的作用下,琥珀酰-CoA的硫酯鍵水解,釋放的自由能用於合成gtp,在細菌

和高等生物可直接生成ATP,在哺乳動物中,先生成GTP,再生成ATP,此時,琥珀酰-CoA生成琥珀酸和輔酶A。   6、琥珀酸脫氫   琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。該酶結合在線粒體內膜上,而其他三羧酸循環的酶則都是存在線粒體基質中的,這酶含有鐵硫中心和共價結合的fad,來自琥珀酸的電子通過fad和鐵硫中心,然後XX電子傳遞鏈到O₂,丙二酸是琥珀酸的類似物,是琥珀酸脫氫酶強有力的競爭性抑制物,所以可以阻斷三羧酸循環。   7、延胡索酸的水化   延胡索酸酶僅對延胡索酸的反式雙鍵起作用,而對順丁烯二酸(馬來酸)則無催化作用,因而是高度立體特異性的。   8、草酰乙酸再生   在蘋果酸脫氫酶(malicdehydrogenase)作用下,蘋果酸仲醇基脫氫氧化成羰基,生成草酰乙酸(oxalocetate),NAD+是脫氫酶的輔酶,接受氫成為NADH·H+(圖4-5)。   在此循環中,最初草酰乙酸因參加反應而消耗,但經過循環又重新生成。所以每循環一次,凈結果為1個乙酰基通過兩次脫羧而被消耗。循環中有機酸脫羧產生的二氧化碳,是機體中二氧化碳的主要來源。在三羧酸循環中,共有4次脫氫反應,脫下的氫原子以NADH+H+和FADH2的形

三羧酸循環

式XX呼吸鏈,最後傳遞給氧生成水,在此過程中釋放的能量可以合成ATP。乙酰輔酶A不僅來自糖的分解,也可由脂肪酸和氨基酸的分解代謝中產生,都XX三羧酸循環徹底氧化。並且,凡是能轉變成三羧酸循環中任何一種中間代謝物的物質都能通過三羧酸循環而被氧化。所以三羧酸循環實際是糖、脂、蛋白質等有機物在生物體內末端氧化的共同途徑。三羧酸循環既是分解代謝途徑,但又為一些物質的生物合成提供了前體分子。如草酰乙酸是合成天冬氨酸的前體,α-酮戊二酸是合成谷氨酸的前體。一些氨基酸還可通過此途徑轉化成糖。

循環總結

  乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi—→2Co2+3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA-SH   1、CO₂的生成,循環中有兩次脫羧基反應(反應3和反應4)兩次都同時有脫氫作用,但作用的機理不同,由異檸檬酸脫氫酶所催化的β氧化脫羧,輔酶是nad+,它們先使底物脫氫生成草酰琥珀酸,然後在Mn2+或Mg2+的協同下,脫去羧基,生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸脫氫酶系所催化的α氧化脫羧反應和前述丙酮酸脫氫酶系所催經的反應基本相同。應當指出,通過脫羧作用生成CO₂,是機體內產生CO₂的普遍規律,由此可見,機體CO₂的生成與體外燃燒生成Co2的過程截然不同。   2、三羧酸循環的四次脫氫,其中三對氫原子以NAD+為受氫體,一對以FAD為受氫體,分別還原生成NA

DH+H+和FADH2。它們又經線粒體內遞氫體系傳遞,最終與氧結合生成水,在此過程中釋放出來的能量使adp和pi結合生成ATP,凡NADH+H+參與的遞氫體系,每2H氧化成一分子H₂O,生成3分子ATP,而FADH2參與的遞氫體系則生成2分子ATP,再加上三羧酸循環中有一次底物磷酸化產生一分子ATP,那麼,一分子檸檬酸參與三羧酸循環,直至循環終末共生成12分子ATP。   3、乙酰-CoA中乙酰基的碳原子,乙酰-CoAXX循環,與四碳受體分子草酰乙酸縮合,生成六碳的檸檬酸,在三羧酸循環中有二次脫羧生成2分子CO₂,與XX循環的二碳乙酰基的碳原子數相等,但是,以Co2方式失去的碳並非來自乙酰基的兩個碳原子,而是來自草酰乙酸。   4、三羧酸循環的中間產物,從理論上講,可以循環不消耗,但是由於循環中的某些組成成分還可參與合成其他物質,而其他物質也可不斷通過多種途徑而生成中間產物,所以說三羧酸循環組成成分處於不斷更新之中。   例如草酰乙酸——→天門冬氨酸   α-酮戊二酸——→谷氨酸   草酰乙酸——→丙酮酸——→丙氨酸   其中丙酮酸羧化酶催化的生成草酰乙酸的反應最為重要。因為草酰乙酸的含量多少,直接影響循環的速度,因此不斷補充草酰乙酸是使三羧酸循環得以順利進行的關鍵。三羧酸循環中生成的蘋果酸和草酰乙酸也可以脫羧生成丙酮酸,再參與合成許多其他物質或進一步氧化。

生理意義

  1、三羧酸循環是生物機體獲取能量的主要方式。1個分子葡萄糖經無氧酵解凈生成2個分子ATP,而有氧氧化可凈生成38個ATP(不同生物化學書籍上數字不同,近年來大多數傾向於32個ATP),其中三羧酸循環生成24個ATP,在一般生理條件下,許多組織細胞皆從糖的有氧氧化獲得能量。糖的有氧氧化不但釋能效率高,而且逐步釋能,並逐步儲存于ATP分子中,因此能的利用率也很高。?   2、三羧酸循環是糖,脂肪和蛋白質三種主要有機物在體內徹底氧化的共同代謝途徑,三羧酸循環的起始物乙酰-CoA,不但是糖氧化分解產物,它也可來自脂肪的甘油、脂肪酸和來自蛋白質的某些氨基酸代謝,因此三羧酸循環實際上是三種主要有機物在體內氧化供能的共同通路,估計人體內2/3的有機物是通過三羧酸循環而被分解的。   3、三羧酸循環是體內三種主要有機物互變的聯絡機構,因糖和甘油在體內代謝可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循環的中間產物,這些中間產物可以轉變成為某些氨基酸;而有些氨基酸又可通過不同途徑變成α-酮戊二酸和草酰乙酸,再經糖異生的途徑生成糖或轉變成甘油,因此三羧酸循環不僅是三種主要的有機物分解代謝的最終共同途徑,而且也是它們互變的聯絡機構。

調節功能

三羧酸循環(17張)  糖有氧氧化分為兩個階段,第一階段糖酵解途徑的調節在糖酵解部分已探討過,下面主要討論第二階段丙酸酸氧化脫羧生成乙酰-CoA並XX三羧酸循環的一系列反應的調節。丙酮酸脫氫酶複合體、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶複合體是這一過程的限速酶。?   丙酮酸脫氫酶複合體受別構調控也受化學修飾調控,該酶複合體受它的催化產物ATP、乙酰-CoA和NADH有力的抑制,這種別構抑制可被長鏈脂肪酸所增強,當XX三羧酸循環的乙酰-CoA減少,而AMP、CoA和NAD+堆積,酶複合體就被別構激活,除上述別位調節,在脊椎動物還有第二層次的調節,即酶蛋白的化學修飾,PDH含有兩個亞基,其中一個亞基上特定的一個絲氨酸殘基經磷酸化后,酶活性就受抑制,脫磷酸化活性就恢復,磷酸化-脫磷酸化作用是由特異的磷酸激酶和磷酸蛋白磷酸酶分別催化的,它們實際上也是丙酮酸酶複合體的組成,即前已述及的調節蛋白,激酶受ATP別構激活,當ATP高時,PDH就磷酸化而被激活,當ATP濃度下降,激酶活性也降低,而磷酸酶除去PDH上磷酸,PDH又被激活了。?   對三羧酸循環中檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶的調節,主要通過產物的反饋抑制來實現的,而三羧酸循環是機體產能的主要方式。因此ATP/ADP與NADH/NAD+兩者的比值是其主要調節物。ATP/ADP比值升高,抑制檸檬酸合成酶和異檸檬酶脫氫酶活性,反之ATP/ADP比值下降可激活上述兩個酶。NADH/NAD+比值升高抑制檸檬酸合成酶和α-酮戊二酸脫氫酶活性,除上述ATP/ADP與NADH/NAD+之外其它一些代謝產物對酶的活性也有影響,如檸檬酸抑制檸檬酸合成酶活性,而琥珀酰-CoA抑制α-酮戊二酸脫氫酶活性。總之,組織中代謝產物決定循環反應的速度,以便調節機體ATP和NADH濃度,保證機體能量供給。?