三羧酸循環(huán)

檸檬酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle）：也稱為三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle，TCA），Krebs循環(huán)。是用于將乙酰CoA中的乙?；趸啥趸己瓦€原當(dāng)量的酶促反應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)，該循環(huán)的第一步是由乙酰CoA與草酰乙酸縮合形成檸檬酸。反應(yīng)物乙酰輔酶A(cetyl-CoA)(一分子輔酶A和一個乙酰相連)是糖類、脂類、氨基酸代謝的共同的中間產(chǎn)物，進(jìn)入循環(huán)后會被分解最終生成產(chǎn)物二氧化碳并產(chǎn)生H，H將傳遞給輔酶--尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) 和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），使之成為NADH + H+和FADH2。 NADH + H+ 和 FADH2 攜帶H進(jìn)入呼吸鏈，呼吸鏈將電子傳遞給O2產(chǎn)生水，同時偶聯(lián)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，提供能量。

真核生物的線粒體和原核生物的細(xì)胞質(zhì)是三羧酸循環(huán)的場所。它是呼吸作用過程中的一步，但在需氧型生物中，它先于呼吸鏈發(fā)生。厭氧型生物則首先遵循同樣的途徑分解高能有機(jī)化合物，例如糖酵解，但之后并不進(jìn)行三羧酸循環(huán)，而是進(jìn)行不需要氧氣參與的發(fā)酵過程。

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(yī)生。但是第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)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(yōu)秀的醫(yī)生，但是在英國，由于沒有行醫(yī)許可證，得不到社會的承認(rèn)。他只好打消當(dāng)一名每天給患者看病的醫(yī)生的念頭，轉(zhuǎn)而從事基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究。

剛開始選擇課題時，僅僅出于對食物在體內(nèi)究竟是如何變成水和二氧化碳的現(xiàn)象充滿了興趣，他毫不猶豫地選擇了這個課題，并且著手調(diào)查前人研究這一課題的各種材料。有的學(xué)者報(bào)告說：“A物質(zhì)經(jīng)過氧化變成了B物質(zhì)?！庇械膶W(xué)者說：“C物質(zhì)經(jīng)過氧化變成了D物質(zhì)，然后又進(jìn)一步變成E物質(zhì)?！边€有的學(xué)者認(rèn)為：“C物質(zhì)是從B物質(zhì)中得到的?；蛘呖梢哉f，是F物質(zhì)變成了G物質(zhì)。”另外一些學(xué)者則認(rèn)為，是“G物質(zhì)經(jīng)過氧化變成A物質(zhì)”等等。看著來自四面八方的研究報(bào)告，克雷布斯想，如果把這些零散的數(shù)據(jù)整理出來，說不定可以發(fā)現(xiàn)食物代謝的結(jié)構(gòu)。就像玩解謎游戲那樣，克雷布斯將這些數(shù)據(jù)仔細(xì)整理了一番，結(jié)果發(fā)現(xiàn)食物在體內(nèi)是按F、G、A、B、C、D、E這樣一個順序變化的。再仔細(xì)了解從A到F這些化學(xué)物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)E和F之間斷了鏈。如果E和F之間存在一種X物質(zhì)，那么，這條食物循環(huán)反應(yīng)鏈就完整了。馬上集中精力，全力尋找X物質(zhì)。4年后終于查明，X物質(zhì)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(huán)鏈，并且將它命名為檸檬酸循環(huán)?？死撞妓沟难h(huán)理論解釋了食物在體內(nèi)進(jìn)入檸檬酸循環(huán)后，按照A、B、C、D、E、X、F、G的順序循環(huán)反應(yīng)，最終氧化成二氧化碳和水。他的偉大不僅僅是發(fā)現(xiàn)了幾個化學(xué)物質(zhì)的變化，而且在于將每一個活的變化整理出來，找出了可以解釋動態(tài)生命現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)。由于這一業(yè)績，他在1953年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。檸檬酸循環(huán)也叫三羧酸循環(huán)或TCA循環(huán)。進(jìn)入體內(nèi)的營養(yǎng)成分在糖酵解→檸檬酸循環(huán)→電子傳遞系統(tǒng)等一系列呼吸作用下得到分解，產(chǎn)生能量。

三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle acid cycle ，TCA cycle,TCA循環(huán)）是一個由一系列酶促反應(yīng)構(gòu)成的循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，在該反應(yīng)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(jīng)過4次脫氫，2次脫羧，生成四分子還原當(dāng)量和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的這一循環(huán)反應(yīng)過程成為三羧酸循環(huán)。

乙酰輔酶A在循環(huán)中出現(xiàn)：檸檬酸(I)是循環(huán)中第一個產(chǎn)物，它是通過草酰乙酸(X)和乙酰輔酶A(XI)的乙酰基間的縮合反應(yīng)生成的。如上所述，乙酰輔酶A是早先進(jìn)行的糖酵解，蛋白質(zhì)代謝或脂肪酸代謝的一個產(chǎn)物。

化學(xué)反應(yīng)

1．三大營養(yǎng)素的最終代謝通路

糖、脂肪和蛋白質(zhì)在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(jié)合進(jìn)入三羧酸循環(huán)而徹底氧化。所以三羧酸循環(huán)是糖、脂肪和蛋白質(zhì)分解的共同通路。

2．糖、脂肪和氨基酸代謝的聯(lián)系通路

三羧酸循環(huán)另一重要功能是為其他合成代謝提供小分子前體。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(zhuǎn)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(huán)是糖、脂肪酸(不能異生成糖)和某些氨基酸相互轉(zhuǎn)變的代謝樞紐。

乙酰-CoA進(jìn)入由一連串反應(yīng)構(gòu)成的循環(huán)體系，被氧化生成H?O和CO?。由于這個循環(huán)反應(yīng)開始于乙酰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(huán)或檸檬酸循環(huán)(citratecycle)。在三羧酸循環(huán)中，檸檬酸合成酶催化的反應(yīng)是關(guān)鍵步驟，草酰乙酸的供應(yīng)有利于循環(huán)順利進(jìn)行。其詳細(xì)過程如下：

乙酰CoA具有硫酯鍵，乙?；凶銐?a target="_blank" style="text-decoration: none; color: rgb(19, 110, 194); ">能量與草酰乙酸的羧基進(jìn)行醛醇型縮合。首先檸檬酸合酶的組氨酸殘基作為堿基與乙酰-CoA作用，使乙酰-CoA的甲基上失去一個H+，生成的碳陰離子對草酰乙酸的羰基碳進(jìn)行親核攻擊，生成檸檬酰-CoA中間體，然后高能硫酯鍵水解放出游離的檸檬酸，使反應(yīng)不可逆地向右進(jìn)行。該反應(yīng)由檸檬酸合酶(citratesynthase)催化，是很強(qiáng)的放能反應(yīng)。由草酰乙酸和乙酰-CoA合成檸檬酸是三羧酸循環(huán)的重要調(diào)節(jié)點(diǎn)，檸檬酸合酶是一個變構(gòu)酶，ATP是檸檬酸合酶的變構(gòu)抑制劑，此外，α-酮戊二酸、NADH能變構(gòu)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。

檸檬酸的叔醇基不易氧化，轉(zhuǎn)變成異檸檬酸而使叔醇變成仲醇，就易于氧化，此反應(yīng)由順烏頭酸酶催化，為一可逆反應(yīng)。

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(chǎn)物，后者在同一酶表面，快速脫羧生成α-酮戊二酸(α-ketoglutarate)、NADH和CO2，此反應(yīng)為β-氧化脫羧，此酶需要鎂離子作為激活劑。此反應(yīng)是不可逆的，是三羧酸循環(huán)中的限速步驟，ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，而ATP，NADH是此酶的抑制劑。

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CO?，反應(yīng)過程完全類似于丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧，屬于α?氧化脫羧，氧化產(chǎn)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?；D(zhuǎn)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(yīng)也是不可逆的。α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)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(diào)控。

在琥珀酸硫激酶(succinatethiokinase)的作用下，琥珀酰-CoA的硫酯鍵水解，釋放的自由能用于合成gtp，在細(xì)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。

琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。該酶結(jié)合在線粒體內(nèi)膜上，而其他三羧酸循環(huán)的酶則都是存在線粒體基質(zhì)中的，這酶含有鐵硫中心和共價結(jié)合的fad，來自琥珀酸的電子通過fad和鐵硫中心，然后進(jìn)入電子傳遞鏈到O?，丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶強(qiáng)有力的競爭性抑制物，所以可以阻斷三羧酸循環(huán)。

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。

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(huán)中，最初草酰乙酸因參加反應(yīng)而消耗，但經(jīng)過循環(huán)又重新生成。所以每循環(huán)一次，凈結(jié)果為1個乙?；?/a>通過兩次脫羧而被消耗。循環(huán)中有機(jī)酸脫羧產(chǎn)生的二氧化碳，是機(jī)體中二氧化碳的主要來源。在三羧酸循環(huán)中，共有4次脫氫反應(yīng)，脫下的氫原子以NADH+H+和FADH2的形式進(jìn)入呼吸鏈，最后傳遞給氧生成水，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(chǎn)生，都進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化。并且，凡是能轉(zhuǎn)變成三羧酸循環(huán)中任何一種中間代謝物的物質(zhì)都能通過三羧酸循環(huán)而被氧化。所以三羧酸循環(huán)實(shí)際是糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在生物體內(nèi)末端氧化的共同途徑。三羧酸循環(huán)既是分解代謝途徑，但又為一些物質(zhì)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(zhuǎn)化成糖。

乙酰-CoA+3NAD++FAD+ADP+Pi—→2CO2+3NADH+FADH2+ATP+2H++CoA-SH

1、CO?的生成，循環(huán)中有兩次脫羧基反應(yīng)(反應(yīng)3和反應(yīng)4)兩次都同時有脫氫作用，但作用的機(jī)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，然后在Mn2+或Mg2+的協(xié)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(yīng)和前述丙酮酸脫氫酶系所催經(jīng)的反應(yīng)基本相同。應(yīng)當(dāng)指出，通過脫羧作用生成CO?，是機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生CO?的普遍規(guī)律，由此可見，機(jī)體CO?的生成與體外燃燒生成Co2的過程截然不同。

2、三羧酸循環(huán)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NADH+H+和FADH2。它們又經(jīng)線粒體內(nèi)遞氫體系傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，在此過程中釋放出來的能量使adp和pi結(jié)合生成ATP，凡NADH+H+參與的遞氫體系，每2H氧化成一分子H?O，生成分子2.5ATP，而FADH2參與的遞氫體系則生成1.5分子ATP，再加上三羧酸循環(huán)中一次底物磷酸化產(chǎn)生一分子ATP，那么，一分子檸檬酸參與三羧酸循環(huán)，直至循環(huán)終末共生成10分子ATP。

3、乙酰-CoA中乙?；奶荚?，乙酰-CoA進(jìn)入循環(huán)，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(huán)中有二次脫羧生成2分子CO?，與進(jìn)入循環(huán)的二碳乙酰基的碳原子數(shù)相等，但是，以Co2方式失去的碳并非來自乙?；膬蓚€碳原子，而是來自草酰乙酸。

4、三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，從理論上講，可以循環(huán)不消耗，但是由于循環(huán)中的某些組成成分還可參與合成其他物質(zhì)，而其他物質(zhì)也可不斷通過多種途徑而生成中間產(chǎn)物，所以說三羧酸循環(huán)組成成分處于不斷更新之中。

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(yīng)最為重要。因?yàn)椴蒗Ｒ宜岬暮慷嗌?，直接影響循環(huán)的速度，因此不斷補(bǔ)充草酰乙酸是使三羧酸循環(huán)得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵。三羧酸循環(huán)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(zhì)或進(jìn)一步氧化。

1、三羧酸循環(huán)是生物機(jī)體獲取能量的主要方式。1個分子葡萄糖經(jīng)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(xué)書籍上數(shù)字不同，近年來大多數(shù)傾向于32個ATP），其中三羧酸循環(huán)生成24個ATP，在一般生理條件下，許多組織細(xì)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，并逐步儲存于ATP分子中，因此能的利用率也很高。

2、三羧酸循環(huán)是糖，脂肪和蛋白質(zhì)三種主要有機(jī)物在體內(nèi)徹底氧化的共同代謝途徑，三羧酸循環(huán)的起始物乙酰-CoA，不但是糖氧化分解產(chǎn)物，它也可來自脂肪的甘油、脂肪酸和來自蛋白質(zhì)的某些氨基酸代謝，因此三羧酸循環(huán)實(shí)際上是三種主要有機(jī)物在體內(nèi)氧化供能的共同通路，估計(jì)人體內(nèi)2/3的有機(jī)物是通過三羧酸循環(huán)而被分解的。

3、三羧酸循環(huán)是體內(nèi)三種主要有機(jī)物互變的聯(lián)絡(luò)機(jī)構(gòu)，因糖和甘油在體內(nèi)代謝可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物可以轉(zhuǎn)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(jīng)糖異生的途徑生成糖或轉(zhuǎn)變成甘油，因此三羧酸循環(huán)不僅是三種主要的有機(jī)物分解代謝的最終共同途徑，而且也是它們互變的聯(lián)絡(luò)機(jī)構(gòu)。

糖有氧氧化分為兩個階段，第一階段糖酵解途徑的調(diào)節(jié)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并進(jìn)入三羧酸循環(huán)的一系列反應(yīng)的調(diào)節(jié)。丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體是這一過程的限速酶。

丙酮酸脫氫酶復(fù)合體受別構(gòu)調(diào)控也受化學(xué)修飾調(diào)控，該酶復(fù)合體受它的催化產(chǎn)物ATP、乙酰-CoA和NADH有力的抑制，這種別構(gòu)抑制可被長鏈脂肪酸所增強(qiáng)，當(dāng)進(jìn)入三羧酸循環(huán)的乙酰-CoA減少，而AMP、CoA和NAD+堆積，酶復(fù)合體就被別構(gòu)激活，除上述別位調(diào)節(jié)，在脊椎動物還有第二層次的調(diào)節(jié)，即酶蛋白的化學(xué)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(jīng)磷酸化后，酶活性就受抑制，脫磷酸化活性就恢復(fù)，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(shí)際上也是丙酮酸酶復(fù)合體的組成，即前已述及的調(diào)節(jié)蛋白，激酶受ATP別構(gòu)激活，當(dāng)ATP高時，PDH就磷酸化而被激活，當(dāng)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(huán)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(diào)節(jié)，主要通過產(chǎn)物的反饋抑制來實(shí)現(xiàn)的，而三羧酸循環(huán)是機(jī)體產(chǎn)能的主要方式。因此ATP/ADP與NADH/NAD+兩者的比值是其主要調(diào)節(jié)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(chǎn)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(chǎn)物決定循環(huán)反應(yīng)的速度，以便調(diào)節(jié)機(jī)體ATP和NADH濃度，保證機(jī)體能量供給。

1.三羧酸循環(huán)是機(jī)體將糖或其他物質(zhì)氧化而獲得能量的最有效方式。在糖代謝中，糖經(jīng)此途徑氧化產(chǎn)生的能量最多。毎分子葡萄糖經(jīng)有氧氧化生成H2O和CO2時，可凈產(chǎn)生32分子ATP（原核好氣性生物）或30分子ATP（真核生物）。

2.三羧酸循環(huán)是糖、脂和蛋白質(zhì)三大類物質(zhì)代謝與轉(zhuǎn)化的樞紐。一方面，此循環(huán)的中間產(chǎn)物（如草酰乙酸、α-酮戊二酸、丙酮酸、乙酰CoA等）是合成糖、氨基酸、脂肪等的原料。另一方面，該循環(huán)是糖、蛋白質(zhì)和、和脂肪徹底氧化分解的共同途徑：蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物（如谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸等脫氨后或轉(zhuǎn)氨后的碳架）要通過三羧酸循環(huán)才能被徹底氧化；脂肪酸分解后的產(chǎn)物脂肪酸經(jīng)β氧化后生成乙酰COA以及甘油，也要經(jīng)過三羧酸循環(huán)而被徹底氧化。

因此，三羧酸循環(huán)是聯(lián)系三大物質(zhì)代謝的的樞紐。在植物體內(nèi)，三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物（如檸檬酸、蘋果酸等）既是生物氧化機(jī)質(zhì)，也是一定生長發(fā)育時期特定器官中的積累物質(zhì)，如檸檬、蘋果分別含有檸檬酸和蘋果酸。