TCA循環(huán) TCA cycle 為三羧酸循環(huán)的縮寫,也被稱為檸檬酸循環(huán).
在有氧條件下,糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸經(jīng)過一系列的反應(yīng)最終生成草酰乙酸的過程.由于在循環(huán)的一系列反應(yīng)中關(guān)鍵的化合物是檸檬酸故稱為檸檬酸循環(huán).又因?yàn)闄幟仕嵊腥齻€(gè)羧基故稱為三羧酸循環(huán).為了紀(jì)念德國(guó)科學(xué)家Hans Krebs在闡明檸檬酸循環(huán)所做出的貢獻(xiàn),這一循環(huán)又稱為[Krebs循環(huán)].檸檬酸循環(huán)是在細(xì)胞的線粒體中進(jìn)行的.丙酮酸經(jīng)過檸檬酸循環(huán)進(jìn)行脫羧和脫氫反應(yīng)；羧基形成二氧化碳,氫原子則隨著載體進(jìn)入電子傳遞鏈進(jìn)行氧化磷酸化形成水分子并釋放出能量合成ATP.檸檬酸循環(huán)是丙酮酸、脂肪酸、氨基酸等各種燃料分子氧化分解所經(jīng)歷的共同途徑.
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H2O和CO2.由于這個(gè)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(gè)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：
1、乙酰-CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)
乙酰CoA具有硫酯鍵,乙?；凶銐蚰芰颗c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(gè)h+,生成的碳陰離子對(duì)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)由檸檬酸合成酶(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),檸檬酸合成酶是一個(gè)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、NADH能變構(gòu)抑制其活性,長(zhǎng)鏈脂酰-CoA也可抑制它的活性,AMP可對(duì)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(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).
3、第一次氧化脫酸
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.
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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(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(chǔ)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(gè)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(gè)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.
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5、底物磷酸化生成ATP
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(dòng)物中,先生成GTP,再生成ATP,此時(shí),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(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(jià)結(jié)合的fad,來(lái)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O2,丙二酸是琥珀酸的類似物,是琥珀酸脫氫酶強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)性抑制物,所以可以阻斷三羧酸循環(huán).
三羧酸循環(huán)7、延胡索酸的水化
延胡索酸酶僅對(duì)延胡索酸的反式雙鍵起作用,而對(duì)順丁烯二酸(馬來(lái)酸)則無(wú)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(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(gè)乙?；ㄟ^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(lái)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(lái)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.
三羧酸循環(huán) - 循環(huán)總結(jié)

三羧酸循環(huán)
乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi—→2Co2+3NADH+FADH2+GTP+2H++CoA-SH
1、CO2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(shí)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Co2,是機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生Co2的普遍規(guī)律,由此可見,機(jī)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(duì)氫原子以NAD+為受氫體,一對(duì)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(lái)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,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(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12分子ATP.
3、乙酰-CoA中乙酰基的碳原子,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Co2,與進(jìn)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(lái)自乙?；膬蓚€(gè)碳原子,而是來(lái)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.
例如草楚酰乙酸——→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.