第三节 丙酮酸氧化脱羧与三羧酸循环
Chapter 3
The pyruvate oxidization and
citric acid cycle
在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧形成乙酰 CoA，
后者可进入三羧酸循环彻底氧化。
一、丙酮酸氧化脱羧
丙酮酸的氧化脱羧的部位,线粒体
The oxidative decarboxylation of pyruvate in
mitochondria,the overall chemical transformation,
involving five cofactors and three enzymes.
一、丙酮酸氧化脱羧
E1 —— 丙 酮 酸 脱 氢 酶 (pyruvate dehydrogenase
PDH)。 催化丙酮酸的脱羧及脱氢, 形成二碳单位乙酰
基 。 具有辅基 TPP。
E2 —— 二 氢 硫 辛 酸 转 乙酰 基 酶 (dihydrolipoyl
transacetylase TA)。 催化二碳单位乙酰基的转移 。
具有辅基硫辛酸 。
E3 —— 二氢硫辛酸脱氢酶 ( dihydrolipoyl
dehydrogenase DLD)。 催化还原型硫辛酸 → 氧化型 。
具有辅基 FAD。
催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由 3种酶有
机地组合在一起：
一、丙酮酸氧化脱羧
整个过程涉及到的 6个辅因子,TPP(焦磷酸硫胺素 )、
SSL(硫辛酸 ),FAD,NAD+,CoA,Mg2+等。
丙酮酸脱氢酶复合体呈圆球形, 每个复合体含有：
6个 PDH,24个 TA,6个 DLD
其中 TA为复合物的核心, 它的一条硫辛酸臂可以旋转 。
一、丙酮酸氧化脱羧
一、丙酮酸氧化脱羧
Pyruvate dehydrogenase
complexes from E,coli:
the electron micrograph
a huge multimeric assembly
of three kinds of enzymes,
having 60 subunits in bacteria
and more in mammals.
A model of the E,coli pyruvate dehydrognase
complex showing the three kinds of enzymes and
the flexible lipoamide arms covalently attached to E2
E2 (dihydrolipoyl transacetylase):
consisting the core,24 subunits;
E1 (pyruvate dehydrogenase):
bound to the E2 core,24 subunits;
E3 (dihydrolipoyl dehydrogenase):
bound to the E2 core,12 subunits.
Pyruvate
E2
E3
Hydroxyethyl-TPP
CO2 Acetyl-CoA
Coenzyme A (CoA-SH),discovered in 1945 by
Lipmann,delivers activated acyl groups (with 2-24
carbons) for degradation or biosynthesis.
三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle),又叫
做 TCA循环, 是由于该循环的第一个产物是柠檬酸
,它含有三个羧基, 故此得名 。
该循环的提出的主要贡献者是英国生化学家
Krebs,所以又称 Krebs循环 。
该循环还叫做 柠檬酸循环 。
1,化学反应过程 二,TCA循环
Step 1.乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
1,化学反应过程 二,TCA循环
An aldol condensation
The methyl carbon of acety-CoA joins the carbonyl
carbon of oxaloacetate; citroyl-CoA is a transient
intermediate; hydrolysis of the thioester bond
releases a large amount of free energy.
Step 1.乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
这步反应由 C4 → C 6 。
1,化学反应过程
Citrate synthase,Citrate is shown in green and CoA pink
二,TCA循环
Step 1,乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
反应的能量由乙酰 CoA的高能硫酯键提供，所以
使反应不可逆。此为醇醛缩合反应，先缩合成柠檬
酰 CoA,然后水解。
这步反应由 C4 → C6 。
1,化学反应过程 二,TCA循环
Step 2,柠檬酸异构化成异柠檬酸
1,化学反应过程
Iron-sulfur (red),cysteines (yellow) and isocitrate (white)
二,TCA循环
Step 3,异柠檬酸氧化脱羧
1,化学反应过程 二,TCA循环
这阶段放出了 1分子 CO2,由 C6 → C 5 ； 产生 1分子 NADH
Step 3,异柠檬酸氧化脱羧
1,化学反应过程
NADP+(gold); Ca2+(red))
二,TCA循环
a-酮戊二酸脱氢酶复合体 与 丙酮酸脱氢酶复合
体 非常相似，也包含三种酶、五六种辅因子。
Step 4,a-酮戊二酸氧化脱羧
1,化学反应过程 二,TCA循环
TPP lipoate
FAD
(E1,E2,E3)
Decarboxylated first,then oxidized; the carbon
released as CO2 is not from the acetyl group joined;
The a-ketoglutarate dehydrogenase complex
closely resembles the pyruvate dehyrogenase
complex in structure and function (the two E1s and two
E2s are similar,the two E3s are identical).
Reaction 4
Step 4,a-酮戊二酸氧化脱羧
1,化学反应过程
这阶段又放出了 1分子 CO2,由 C5 → C4 ；
又产生 1分子 NADH； 形成 1个高能硫酯键。
二,TCA循环
这阶段合成了 1分子高能磷酸化合物 GTP
Step 5,由琥珀酰 CoA生成高能磷酸键
1,化学反应过程
Malonate (丙二酸 ) is a strong competitive inhibitor
二,TCA循环
Step 6,琥珀酸氧化成延胡索酸
这一阶段的 反应为 C4的变化；
产生 1分子 FADH2,1分子 NADH。
1,化学反应过程 二,TCA循环
这阶段需要经历三步反应 —— 脱氢、加水、脱氢
Step 7.延胡索酸至苹果酸
这一阶段的 反应为 C4的变化；
产生 1分子 FADH2,1分子 NADH。
1,化学反应过程 二,TCA循环
Step 8,苹果酸至草酰乙酸（再生）
1,化学反应过程
Oxaloacetate is regenerated!
二,TCA循环
The active site of malate dehydrogenase,Malate is shown in red;
NAD+ blue.
1,化学反应过程
Step 8,苹果酸至草酰乙酸（再生）
二,TCA循环
2,TCA循环的总反应 二,TCA循环
每经历一次 TCA循环
有 2个碳原子 通过乙酰 CoA进入循环，以后有 2个
碳原子通过脱羧反应离开循环。
有 4对氢原子 通过脱氢反应离开循环，其中 3对
由 NADH携带,1对由 FADH2携带。
产生 1分子高能磷酸化合物 GTP,通过它可生成 1
分子 ATP。
消耗 2分子水, 分别用于合成柠檬酸 （ 水解柠檬
酰 CoA） 和延胡索酸的加水 。
2,TCA循环的总反应 二,TCA循环
由 TCA循环产生的 NADH和 FADH2必须经呼
吸链将电子交给 O2,才能回复成氧化态, 再去接
受 TCA循环脱下的氢 。
产物 NADH和 FADH2的去路,
所以, TCA循环需要在有氧的条件下进行 。 否
则 NADH和 FADH2携带的 H无法交给氧, 即呼吸链
氧化磷酸化无法进行, NAD+及 FAD不能被再生,
使 TCA循环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进
行 。
2,TCA循环的总反应 二,TCA循环
乙酰 CoA通过 TCA循环脱下的氢由 NADH及
FADH2经呼吸链传递给 O2,由此而 形成大量 ATP
碳 源 乙酰 CoA → 2CO2
能 量
1GTP → 1ATP
共
12ATP3NADH → 3ATP × 3 = 9ATP
1FADH2 → 2ATP × 1 = 2ATP
由乙酰 CoA氧化产生的 ATP中, 只有 1/12来自底
物水平的磷酸化, 其余都是由氧化磷酸化间接产生
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
碳 源 丙酮酸 → 乙酰 CoA + CO2 → 3CO2
能 量
丙酮酸氧化脱羧,1NADH →
3ATP 共
15ATP
TCA循环,12ATP
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
碳 源 葡萄糖 → 2 丙酮酸 → 6CO2
能 量
葡萄糖有氧酵解,2ATP + 2NADH →
8 ATP 共
38ATP丙酮酸有氧氧化,15× 2 = 30 ATP
葡萄糖彻底氧化经由的途径：
EMP途径、丙酮酸氧化脱羧,TCA循环、呼吸链氧化磷酸化 。
对于原核生物：
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
对于原核生物：
由于在 EMP途径中生成的 NADH在线粒体外，其磷氧比
为 2，所以 1分子葡萄糖彻底氧化只能合成 36 ATP。
对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞）,
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
The complete oxidation of one glucose
may yield as many as 32 ATP
? All the NADH and FADH2 will eventually pass
their electrons to O2 after being
transferred through a series of electron
carriers.
? The complete oxidation of each NADH
molecule leads to the generation of about 2.5
ATP,and FADH2 of about 1.5 ATP.free
energy changes in cells.
1,定位,线粒体
A 柠檬酸合酶,该酶有负变构剂 ATP,它使酶与底物的
亲和力下降，从而 Km值增大。
B 异柠檬脱氢酶,该酶有正变构剂 ADP,它使酶与底物
的亲和力增加。此外,NAD+,底物 异柠檬酸 使酶活升
高； NADH,ATP使酶活下降。
C a-酮二酸 脱氢酶, ATP,NADH及产物 琥珀酰 CoA抑制
酶的活性。
2,不可逆反应与调节：
4,注意点 二,TCA循环
Inhibited by products
and high energy charge;
Activated by a low
energy charge
or a signal for energy
requirement (Ca2+).
Rate of the citric acid cycle is controlled at three
exergonic irreversible steps catalyzed by:
Citrate synthase,
isocitrate
dehydrogenase and a-
ketoglutarate
dehydrogenase
1,为生物体提供能量，是体内主要产生 ATP的途径 ；
2,循环中的中间物为生物合成提供原料；
如草酰乙酸, a-酮戊二酸可转变为氨基酸, 琥珀
酰 CoA可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉 。
3,糖类, 蛋白质, 脂类, 核酸等代谢的枢纽 。
5,TCA循环的生物学意义 二,TCA循环
三,TCA的回补反应
三羧酸循环的一个重要作用是它的中间物可以为
生物合成提供原料, 但这些中间物必须得到补充,
以保证 TCA循环运转 。 尤其是起始物 草酰乙酸, 缺乏
它乙酰 CoA就不能进入循环 。
生物体中存在着及时补充 草酰乙酸 的反应, 称
为 回补反应 。
1.回补反应含义,
1,丙酮酸羧化
2,回补反应的途径：
丙酮酸羧化酶 需要 生物素 作为其辅酶。
这是动物中最重要的回补反应，在 线粒体 中 进行。
三,TCA的回补反应
2,PEP羧化酶 （ 细胞质 ）
2,回补反应的途径,三,TCA的回补反应
3,苹果酸酶 （ 细胞质 ）
2,回补反应的途径,三,TCA的回补反应
4,PEP羧激酶 （ 液泡 ）
2,回补反应的途径,三,TCA的回补反应
The phosphoenolpyruvate carboxykinase reaction
Chapter 3
The pyruvate oxidization and
citric acid cycle
在有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧形成乙酰 CoA，
后者可进入三羧酸循环彻底氧化。
一、丙酮酸氧化脱羧
丙酮酸的氧化脱羧的部位,线粒体
The oxidative decarboxylation of pyruvate in
mitochondria,the overall chemical transformation,
involving five cofactors and three enzymes.
一、丙酮酸氧化脱羧
E1 —— 丙 酮 酸 脱 氢 酶 (pyruvate dehydrogenase
PDH)。 催化丙酮酸的脱羧及脱氢, 形成二碳单位乙酰
基 。 具有辅基 TPP。
E2 —— 二 氢 硫 辛 酸 转 乙酰 基 酶 (dihydrolipoyl
transacetylase TA)。 催化二碳单位乙酰基的转移 。
具有辅基硫辛酸 。
E3 —— 二氢硫辛酸脱氢酶 ( dihydrolipoyl
dehydrogenase DLD)。 催化还原型硫辛酸 → 氧化型 。
具有辅基 FAD。
催化此过程的是丙酮酸脱氢酶复合体，它由 3种酶有
机地组合在一起：
一、丙酮酸氧化脱羧
整个过程涉及到的 6个辅因子,TPP(焦磷酸硫胺素 )、
SSL(硫辛酸 ),FAD,NAD+,CoA,Mg2+等。
丙酮酸脱氢酶复合体呈圆球形, 每个复合体含有：
6个 PDH,24个 TA,6个 DLD
其中 TA为复合物的核心, 它的一条硫辛酸臂可以旋转 。
一、丙酮酸氧化脱羧
一、丙酮酸氧化脱羧
Pyruvate dehydrogenase
complexes from E,coli:
the electron micrograph
a huge multimeric assembly
of three kinds of enzymes,
having 60 subunits in bacteria
and more in mammals.
A model of the E,coli pyruvate dehydrognase
complex showing the three kinds of enzymes and
the flexible lipoamide arms covalently attached to E2
E2 (dihydrolipoyl transacetylase):
consisting the core,24 subunits;
E1 (pyruvate dehydrogenase):
bound to the E2 core,24 subunits;
E3 (dihydrolipoyl dehydrogenase):
bound to the E2 core,12 subunits.
Pyruvate
E2
E3
Hydroxyethyl-TPP
CO2 Acetyl-CoA
Coenzyme A (CoA-SH),discovered in 1945 by
Lipmann,delivers activated acyl groups (with 2-24
carbons) for degradation or biosynthesis.
三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle),又叫
做 TCA循环, 是由于该循环的第一个产物是柠檬酸
,它含有三个羧基, 故此得名 。
该循环的提出的主要贡献者是英国生化学家
Krebs,所以又称 Krebs循环 。
该循环还叫做 柠檬酸循环 。
1,化学反应过程 二,TCA循环
Step 1.乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
1,化学反应过程 二,TCA循环
An aldol condensation
The methyl carbon of acety-CoA joins the carbonyl
carbon of oxaloacetate; citroyl-CoA is a transient
intermediate; hydrolysis of the thioester bond
releases a large amount of free energy.
Step 1.乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
这步反应由 C4 → C 6 。
1,化学反应过程
Citrate synthase,Citrate is shown in green and CoA pink
二,TCA循环
Step 1,乙酰 CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸
反应的能量由乙酰 CoA的高能硫酯键提供，所以
使反应不可逆。此为醇醛缩合反应，先缩合成柠檬
酰 CoA,然后水解。
这步反应由 C4 → C6 。
1,化学反应过程 二,TCA循环
Step 2,柠檬酸异构化成异柠檬酸
1,化学反应过程
Iron-sulfur (red),cysteines (yellow) and isocitrate (white)
二,TCA循环
Step 3,异柠檬酸氧化脱羧
1,化学反应过程 二,TCA循环
这阶段放出了 1分子 CO2,由 C6 → C 5 ； 产生 1分子 NADH
Step 3,异柠檬酸氧化脱羧
1,化学反应过程
NADP+(gold); Ca2+(red))
二,TCA循环
a-酮戊二酸脱氢酶复合体 与 丙酮酸脱氢酶复合
体 非常相似，也包含三种酶、五六种辅因子。
Step 4,a-酮戊二酸氧化脱羧
1,化学反应过程 二,TCA循环
TPP lipoate
FAD
(E1,E2,E3)
Decarboxylated first,then oxidized; the carbon
released as CO2 is not from the acetyl group joined;
The a-ketoglutarate dehydrogenase complex
closely resembles the pyruvate dehyrogenase
complex in structure and function (the two E1s and two
E2s are similar,the two E3s are identical).
Reaction 4
Step 4,a-酮戊二酸氧化脱羧
1,化学反应过程
这阶段又放出了 1分子 CO2,由 C5 → C4 ；
又产生 1分子 NADH； 形成 1个高能硫酯键。
二,TCA循环
这阶段合成了 1分子高能磷酸化合物 GTP
Step 5,由琥珀酰 CoA生成高能磷酸键
1,化学反应过程
Malonate (丙二酸 ) is a strong competitive inhibitor
二,TCA循环
Step 6,琥珀酸氧化成延胡索酸
这一阶段的 反应为 C4的变化；
产生 1分子 FADH2,1分子 NADH。
1,化学反应过程 二,TCA循环
这阶段需要经历三步反应 —— 脱氢、加水、脱氢
Step 7.延胡索酸至苹果酸
这一阶段的 反应为 C4的变化；
产生 1分子 FADH2,1分子 NADH。
1,化学反应过程 二,TCA循环
Step 8,苹果酸至草酰乙酸（再生）
1,化学反应过程
Oxaloacetate is regenerated!
二,TCA循环
The active site of malate dehydrogenase,Malate is shown in red;
NAD+ blue.
1,化学反应过程
Step 8,苹果酸至草酰乙酸（再生）
二,TCA循环
2,TCA循环的总反应 二,TCA循环
每经历一次 TCA循环
有 2个碳原子 通过乙酰 CoA进入循环，以后有 2个
碳原子通过脱羧反应离开循环。
有 4对氢原子 通过脱氢反应离开循环，其中 3对
由 NADH携带,1对由 FADH2携带。
产生 1分子高能磷酸化合物 GTP,通过它可生成 1
分子 ATP。
消耗 2分子水, 分别用于合成柠檬酸 （ 水解柠檬
酰 CoA） 和延胡索酸的加水 。
2,TCA循环的总反应 二,TCA循环
由 TCA循环产生的 NADH和 FADH2必须经呼
吸链将电子交给 O2,才能回复成氧化态, 再去接
受 TCA循环脱下的氢 。
产物 NADH和 FADH2的去路,
所以, TCA循环需要在有氧的条件下进行 。 否
则 NADH和 FADH2携带的 H无法交给氧, 即呼吸链
氧化磷酸化无法进行, NAD+及 FAD不能被再生,
使 TCA循环中的脱氢反应因缺乏氢的受体而无法进
行 。
2,TCA循环的总反应 二,TCA循环
乙酰 CoA通过 TCA循环脱下的氢由 NADH及
FADH2经呼吸链传递给 O2,由此而 形成大量 ATP
碳 源 乙酰 CoA → 2CO2
能 量
1GTP → 1ATP
共
12ATP3NADH → 3ATP × 3 = 9ATP
1FADH2 → 2ATP × 1 = 2ATP
由乙酰 CoA氧化产生的 ATP中, 只有 1/12来自底
物水平的磷酸化, 其余都是由氧化磷酸化间接产生
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
碳 源 丙酮酸 → 乙酰 CoA + CO2 → 3CO2
能 量
丙酮酸氧化脱羧,1NADH →
3ATP 共
15ATP
TCA循环,12ATP
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
碳 源 葡萄糖 → 2 丙酮酸 → 6CO2
能 量
葡萄糖有氧酵解,2ATP + 2NADH →
8 ATP 共
38ATP丙酮酸有氧氧化,15× 2 = 30 ATP
葡萄糖彻底氧化经由的途径：
EMP途径、丙酮酸氧化脱羧,TCA循环、呼吸链氧化磷酸化 。
对于原核生物：
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
对于原核生物：
由于在 EMP途径中生成的 NADH在线粒体外，其磷氧比
为 2，所以 1分子葡萄糖彻底氧化只能合成 36 ATP。
对于真核生物（高等植物、真菌、动物的肌细胞）,
3.能量 的化学计量 二,TCA循环
The complete oxidation of one glucose
may yield as many as 32 ATP
? All the NADH and FADH2 will eventually pass
their electrons to O2 after being
transferred through a series of electron
carriers.
? The complete oxidation of each NADH
molecule leads to the generation of about 2.5
ATP,and FADH2 of about 1.5 ATP.free
energy changes in cells.
1,定位,线粒体
A 柠檬酸合酶,该酶有负变构剂 ATP,它使酶与底物的
亲和力下降，从而 Km值增大。
B 异柠檬脱氢酶,该酶有正变构剂 ADP,它使酶与底物
的亲和力增加。此外,NAD+,底物 异柠檬酸 使酶活升
高； NADH,ATP使酶活下降。
C a-酮二酸 脱氢酶, ATP,NADH及产物 琥珀酰 CoA抑制
酶的活性。
2,不可逆反应与调节：
4,注意点 二,TCA循环
Inhibited by products
and high energy charge;
Activated by a low
energy charge
or a signal for energy
requirement (Ca2+).
Rate of the citric acid cycle is controlled at three
exergonic irreversible steps catalyzed by:
Citrate synthase,
isocitrate
dehydrogenase and a-
ketoglutarate
dehydrogenase
1,为生物体提供能量，是体内主要产生 ATP的途径 ；
2,循环中的中间物为生物合成提供原料；
如草酰乙酸, a-酮戊二酸可转变为氨基酸, 琥珀
酰 CoA可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉 。
3,糖类, 蛋白质, 脂类, 核酸等代谢的枢纽 。
5,TCA循环的生物学意义 二,TCA循环
三,TCA的回补反应
三羧酸循环的一个重要作用是它的中间物可以为
生物合成提供原料, 但这些中间物必须得到补充,
以保证 TCA循环运转 。 尤其是起始物 草酰乙酸, 缺乏
它乙酰 CoA就不能进入循环 。
生物体中存在着及时补充 草酰乙酸 的反应, 称
为 回补反应 。
1.回补反应含义,
1,丙酮酸羧化
2,回补反应的途径：
丙酮酸羧化酶 需要 生物素 作为其辅酶。
这是动物中最重要的回补反应，在 线粒体 中 进行。
三,TCA的回补反应
2,PEP羧化酶 （ 细胞质 ）
2,回补反应的途径,三,TCA的回补反应
3,苹果酸酶 （ 细胞质 ）
2,回补反应的途径,三,TCA的回补反应
4,PEP羧激酶 （ 液泡 ）
2,回补反应的途径,三,TCA的回补反应
The phosphoenolpyruvate carboxykinase reaction
