三羧酸循環(huán)

{{百科小圖片|bk8z8.jpg|解釋更清晰、明確}}由[[乙酰]]CoA和[[草酰乙酸]]縮合成有三個羧基的[[檸檬酸]], 檸檬酸經(jīng)一系列反應(yīng), 一再氧化脫羧, 經(jīng)α[[酮戊二酸]]、 [[琥珀酸]], 再降解成草酰乙酸。而參與這一循環(huán)的[[丙酮]]酸的三個碳原子, 每循環(huán)一次, 僅用去一分子[[乙?；鵠]中的二碳單位, 最后生成兩分子的CO2 , 并釋放出大量的能量。

[[檸檬酸循環(huán)]]（Citric acid cycle）：也稱為三羧酸循環(huán)（TriCarboxylic Acid cycle，<b>TCA</b>），Krebs循環(huán)。是用于乙酰CoA中的乙?；趸蒀O2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。

<b>一、三羧酸循環(huán)的過程
</b>

乙酰CoA進入由一連串反應(yīng)構(gòu)成的循環(huán)體系，被氧化生成H2O和CO2。由于這個[[循環(huán)反應(yīng)]]開始于乙酰CoA與草酰乙酸(oxaloacetic acid)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)(citrate cycle)。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)順利進行。 其詳細過程如下： 

<b>(1)乙酰-CoA進入三羧酸循環(huán)</b>

乙酰CoA具有[[硫酯鍵]]，乙?；凶銐蚰芰颗c草酰乙酸的羧基進行[[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)不可逆地向右進行。該反應(yīng)由檸檬酸合成酶(citrate synthase)催化，是很強的[[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，檸檬酸合成酶是一個[[變構(gòu)酶]]，ATP是檸檬酸合成酶的變構(gòu)[[抑制劑]]，此外，α-酮戊二酸(α-ketoglutarate)、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。

<b>(2)異檸檬酸形成</b>

檸檬酸的叔醇基不易氧化，轉(zhuǎn)變成異檸檬酸(isocitrate)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)。

<b>(3)第一次氧化脫羧</b>

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]](oxalosuccinic acid)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Mg2+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。

<b>(4)第二次氧化脫羧</b>

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(succincyl CoA)、NADH.H+和CO2，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]]琥珀酰[[基轉(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。

<b>(5)[[底物]]磷酸[[化生]]成ATP</b>

在琥珀酸[[硫激酶]](succinate thiokinase)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([[三磷酸鳥苷]] guanosine triphosphate)，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]]。

<b>(6)琥珀酸脫氫</b>

[[琥珀酸脫氫酶]](succinate dehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為[[延胡索酸]](fumarate)。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，然后進入[[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(huán)。

<b>(7)延胡索酸的水化</b>

[[延胡索酸酶]]僅對延胡索酸的反式(反丁烯二酸) 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。

<b>(8)生成[[蘋果]]酸(malate)</b>

<b>(9)草酰乙酸再生</b>

在蘋果酸脫氫酶(malic dehydrogenase)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)。　　
==三羰酸循環(huán)總結(jié)==
乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi—→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H+ +CoA-SH

①CO2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)當指出，通過脫羧作用生成CO2，是機體內(nèi)產(chǎn)生CO2的普遍規(guī)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(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]]H2O，每分子NADH最終產(chǎn)生2.5分子ATP，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)中有一次底物磷酸化產(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樱阴oA進入循環(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CO2，與進入循環(huán)的二碳乙?；奶荚訑?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。

因為草酰乙酸的含量多少，直接影響循環(huán)的速度，因此不斷補充草酰乙酸是使三羧酸循環(huán)得以順利進行的關(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)或進一步氧化?！　?==三羧酸循環(huán)的[[化學]]歷程==
（1）檸檬酸生成階段 乙酰CoA不能直接被氧化分解，必須改變其分子結(jié)構(gòu)才有可能。乙酰CoA和草酰乙酸在檸檬酸合成酶催化下，弄成檸檬酰CoA，加水生成檸檬酸并放出CoA－SH。

（2）氧化脫羧階段 這個階段包括4個反應(yīng)，即異檸檬酸的形成、憤檸檬酸的氧化脫羧、α-酮戊二酸氧化和琥珀酸生成，此階段釋放CO2并合成ATP。

（3）草酰乙酸的再生階段 通過上述兩個階段的反應(yīng)，乙酰CoA的兩個碳以CO2形式釋放了，四碳的草酰乙酸轉(zhuǎn)變成四碳琥珀酸。 保證后續(xù)的乙酰CoA級繼續(xù)被氧化脫羧，琥珀酸經(jīng)過延胡索酸和蘋果酸生成，最后生成草酰乙酸?！　?==三羧酸循環(huán)的[[生理]]意義==
1.三[[羧酸]]循環(huán)是機體獲取能量的主要方式。1個分子[[葡萄糖]]經(jīng)[[無氧酵解]]僅凈生成2個分子ATP，而有氧氧化可凈生成32個ATP，其中三羧酸循環(huán)生成20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，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)實際上是三種主要有機物在體內(nèi)氧化供能的共同通路，估計人體內(nèi)2/3的有機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)三種主要有機物互變的聯(lián)結(jié)機構(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)機構(gòu)?！　?==三羧酸循環(huán)的調(diào)節(jié)==
如上所述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[[丙酮酸氧化]]脫羧生成乙酰CoA并進入三羧酸循環(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，當進入三羧酸循環(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(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]]抑制來實現(xiàn)的，而三羧酸循環(huán)是機體產(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?？傊M織中代謝產(chǎn)物決定循環(huán)反應(yīng)的速度，以便調(diào)節(jié)機體ATP和NADH濃度，保證機體能量供給。

[[分類:生物化學]][[分類:化學]][[分類:生物學]]
{{代謝}}
{{導(dǎo)航板-三羧酸循環(huán)酶類與電子傳遞鏈}}