第 23章 柠檬酸循环
(Citric acid cycle)
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段
—— 形成乙酰 CoA
二、柠檬酸循环概貌
三、柠檬酸循环的反应机制
四、柠檬酸循环的化学总结算
五、柠檬酸循环的调控
六、柠檬酸循环的双重作用
七,柠檬酸循环的发现历史
柠檬酸循环
柠檬酸循环也叫三羧酸循环, 因为德国科学
家 Hans Krebs在阐明柠檬酸循环中作出了突出
贡献, 又将此途径称为 Krebs循环 。
在有氧条件下, 糖酵解途径产生的丙酮酸进
入线粒体, 先转变成乙酰 CoA,乙酰 CoA再进入
柠檬酸循环彻底氧化成 CO2。 在真核细胞中, 柠
檬酸循环是在线粒体中进行的 。
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的
准备阶段 —— 形成乙酰 CoA
丙酮酸脱氢酶复合体
的组成
组分 缩写 肽链 数 辅基 催化的反应
丙酮酸脱氢
酶组分 E1 24 TPP 丙酮酸氧化脱羧
二氢硫辛酰
转乙酰基酶 E2 24 硫辛酰胺 将乙酰基转移到 CoA
二氢硫辛酸
脱氢酶 E3 12 FAD
将还原型硫辛酰胺转变为
氧化型
丙酮酸到乙酰 CoA的
总反应式
CH3COCOO－ + HS－ CoA + NAD+ →
CH3CO－ SCoA + CO2 + NADH
丙酮酸转变为乙酰 CoA的反应步骤
（ 丙酮酸脱羧反应 ）
E1
丙酮酸 TPP 丙酮酸 TPP加成化合物
丙酮酸 TPP加成化合物 羟乙基 -TPP共振形式
丙
酮
酸
转
变
为
乙
酰
Co
A
的
反
应
步
骤
（ 丙酮酸脱羧反应 ）
E2的硫辛酰胺辅基
羟乙基 -TPP
乙酰二氢硫辛酰胺 TPP-E1
E2
丙酮酸转变为乙酰 CoA
的反应步骤
乙酰二氢硫辛酰胺 乙酰 CoA 二氢硫氢酰胺
（ 乙酰基转移到 CoA分子上形成乙酰 CoA）
丙酮酸转变为乙酰 CoA的反应步骤
（ 还原型 E2被氧化反应 ）
氧化型 E3 还原型 E2 还原型 E3 氧化型 E2
还原型 E3 还原型 E2 氧化型 E3
E3
丙酮酸脱氢酶复合体结构
丙酮酸脱氢酶复合体由 60条肽链组成, 总分
子量为 50,000kD,直径约 30nm,在电子显微镜
下可以看到 。 E2是复合体的核心, E1及 E3结合
在 E2的外面 。 E2有一个由赖氨酸残基与硫辛酰
胺相连的长链, 这个长臂伸长后可达 1.4nm,它
具有极大的转动灵活性, 可将底物从一个酶转送
到另一个酶 。
丙酮酸脱氢酶复合体
硫辛酰赖氨酰臂
丙酮酸转变为乙酰 CoA的总图
砷化物对硫辛酰胺的毒害作用
丙酮酸脱氢酶复合体的调控
丙酮酸脱氢酶复合体催化的这个反应是哺乳
动物体内使丙酮酸转变为乙酰 CoA的唯一途径 。
乙酰 CoA既是柠檬酸循环的入口, 又是脂类生物
合成的起始物质 。
1,产物控制
产物 NADH抑制 E3,乙酰 CoA抑制 E2。
2,磷酸化和去磷酸化的调控
E2分子上结合着两种特殊的酶, 一种称为激
酶, 另一种称为磷酸酶, 它们分别使 E1磷酸化和
去磷酸化, 去磷酸化形式是 E1的活性形式 。 Ca2+
通过激活磷酸酶的作用, 也能使 E1活化 。
二
、
柠
檬
酸
循
环
概
貌
柠
檬
酸
循
环
总
图
三、柠檬酸循环的反应
草酰乙酸与乙酰 CoA缩合
形成柠檬酸
草酰乙酸 乙酰 CoA
柠檬酰 CoA
柠檬酸
CoA
柠檬酸合酶
①
1
1 2 2
1 2
柠檬酸异构化
形成异柠檬酸
柠檬酸 顺 -乌头酸 异柠檬酸
乌头酸酶 乌头酸酶
② 2 2
2
1 1 1
乌头酸酶中的
Fe-S聚簇
异
柠
檬
酸
氧
化
形
成
α∣
酮
戊
二
酸
异柠檬酸脱氢酶
异柠檬酸 草酰琥珀酸
α －酮戊二酸
③ 1
2
1
2
琥珀酸脱氢形成延胡索酸
异柠檬酸
异柠檬酸裂解酶
琥珀酸 乙醛酸
分支
α －酮戊二酸氧化脱羧
形成琥珀酰 CoA
α －酮戊二酸 琥珀酰 CoA
α -酮戊二酸
脱氢酶复合体
④ 1 1
2 2
琥珀酰 CoA转化成琥珀酸
烯醇化酶
琥珀酰 CoA 琥珀酸
琥珀酰 CoA
合成酶
⑤ 1 1
2 2
FAD与琥珀酸脱氢酶的
共价结合
线粒体结构示意图
琥珀酸脱氢酶嵌合在线粒体的内膜上。
琥珀酸脱氢形成延胡索酸
琥珀酸脱氢酶
琥珀酸 延胡索酸
⑥
延胡索酸水合形成 L-苹果酸
延胡索酸酶
延胡索酸 L-苹果酸
⑦
L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸
苹果酸脱氢酶
L-苹果酸 草酰乙酸
⑧
四、柠檬酸循环的
化学总结算
柠檬酸循环的总反应式
乙酰 CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi +2H2O
→ 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 3H+ + CoA
ATP的产量
从丙酮酸开始, 柠檬酸循环中循环一圈, 共产
生 4个 NADH,1个 FADH2,1个 GTP（ ATP）, 按
每个 NADH可以产生 2.5个 ATP,每个 FADH2可以产
生 1.5个 ATP计算, 共产生
2.5× 4 + 1× 1.5 + 1 = 12.5 个 ATP
每个葡萄糖分子 （ 2个丙酮酸 ） 在进入柠檬酸
循环后可以产生 25个 ATP。
每个葡萄糖分子在糖酵解中可以产生 2个 ATP
和 2个 NADH,共产生
2 + 2× 2.5 = 7个 ATP
每个葡萄糖分子彻底氧化后共产生 32个 ATP。
五、柠檬酸循环的调控
在柠檬酸循环中, 虽然有 8种酶参加反应,
但在调节循环速度中起关键作用的有 3种酶：
柠檬酸合酶, 异柠檬酸脱氢酶和 α－酮戊二酸
脱氢酶复合体 。 其调控可以分为两个方面,
① 柠檬酸循环本身各种物质对酶活性的调控；
② ADP,ATP和 Ca2+的调控 。
柠檬酸循环本身制约系统的调节
1,乙酰 CoA和草酰乙酸的供应情况 。 乙酰 CoA
来源于丙酮酸, 受到丙酮酸脱氢酶复合体活性的控
制；草酰乙酸的供应取决于循环是否运行畅通, 以
及中间产物离开循环的速率和补充的速率 。
2,[NADH]/[NAD+]的比值 。 柠檬酸合酶和异柠
檬酸脱氢酶都受到 NADH的抑制, 但异柠檬酸脱氢
酶对 NADH更为敏感 。 α－酮戊二酸脱氢酶复合体
也受 NADH的抑制 。
3,产物的反馈抑制 。 柠檬酸合酶受高浓度柠檬
酸的抑制； α－酮戊二酸脱氢酶复合体受琥珀酰
CoA的抑制 。
ATP,ADP和 Ca2+对
柠檬酸循环的调节
1,[ATP]/[ADP]的比值 。 [ATP]/[ADP]的比值 对柠
檬酸循环中的酶有调节作用, ADP是异柠檬酸脱氢
酶的别构促进剂, 可降低该酶的 Km值, 促进酶与
底物的结合；而 ATP抑制该酶 。
2,Ca2+浓度 。 Ca2+可激活丙酮酸脱氢酶的磷酸酶
,使丙酮酸脱氢酶去磷酸化而活化, 从而增加乙酰
CoA的供应 。 同时 Ca2+也能激活异柠檬酸脱氢酶和
α－酮戊二酸脱氢酶 。
乙
酰Co
A
形
成
和
柠
檬
酸
循
环
中
的
激
活
和
抑
制
部
位
示
意
图
· 激活
× 抑制
····→ 反馈抑制
六、柠檬酸循环的双重作用
许多合成代谢都利用柠檬酸循环的中间
产物作为生物合成的前体来源 。 柠檬酸循环
中由于参与其它代谢而失去的中间产物, 必
须及时补充, 才能保持柠檬酸循环顺利地,
不间断地运转 。 对柠檬酸循环中间产物有补
充作用的反应称为填补反应 。 柠檬酸循环是
新陈代谢的中心环节 。
柠檬酸循环双重作用示意图
丙酮酸羧化酶
(Citric acid cycle)
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段
—— 形成乙酰 CoA
二、柠檬酸循环概貌
三、柠檬酸循环的反应机制
四、柠檬酸循环的化学总结算
五、柠檬酸循环的调控
六、柠檬酸循环的双重作用
七,柠檬酸循环的发现历史
柠檬酸循环
柠檬酸循环也叫三羧酸循环, 因为德国科学
家 Hans Krebs在阐明柠檬酸循环中作出了突出
贡献, 又将此途径称为 Krebs循环 。
在有氧条件下, 糖酵解途径产生的丙酮酸进
入线粒体, 先转变成乙酰 CoA,乙酰 CoA再进入
柠檬酸循环彻底氧化成 CO2。 在真核细胞中, 柠
檬酸循环是在线粒体中进行的 。
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的
准备阶段 —— 形成乙酰 CoA
丙酮酸脱氢酶复合体
的组成
组分 缩写 肽链 数 辅基 催化的反应
丙酮酸脱氢
酶组分 E1 24 TPP 丙酮酸氧化脱羧
二氢硫辛酰
转乙酰基酶 E2 24 硫辛酰胺 将乙酰基转移到 CoA
二氢硫辛酸
脱氢酶 E3 12 FAD
将还原型硫辛酰胺转变为
氧化型
丙酮酸到乙酰 CoA的
总反应式
CH3COCOO－ + HS－ CoA + NAD+ →
CH3CO－ SCoA + CO2 + NADH
丙酮酸转变为乙酰 CoA的反应步骤
（ 丙酮酸脱羧反应 ）
E1
丙酮酸 TPP 丙酮酸 TPP加成化合物
丙酮酸 TPP加成化合物 羟乙基 -TPP共振形式
丙
酮
酸
转
变
为
乙
酰
Co
A
的
反
应
步
骤
（ 丙酮酸脱羧反应 ）
E2的硫辛酰胺辅基
羟乙基 -TPP
乙酰二氢硫辛酰胺 TPP-E1
E2
丙酮酸转变为乙酰 CoA
的反应步骤
乙酰二氢硫辛酰胺 乙酰 CoA 二氢硫氢酰胺
（ 乙酰基转移到 CoA分子上形成乙酰 CoA）
丙酮酸转变为乙酰 CoA的反应步骤
（ 还原型 E2被氧化反应 ）
氧化型 E3 还原型 E2 还原型 E3 氧化型 E2
还原型 E3 还原型 E2 氧化型 E3
E3
丙酮酸脱氢酶复合体结构
丙酮酸脱氢酶复合体由 60条肽链组成, 总分
子量为 50,000kD,直径约 30nm,在电子显微镜
下可以看到 。 E2是复合体的核心, E1及 E3结合
在 E2的外面 。 E2有一个由赖氨酸残基与硫辛酰
胺相连的长链, 这个长臂伸长后可达 1.4nm,它
具有极大的转动灵活性, 可将底物从一个酶转送
到另一个酶 。
丙酮酸脱氢酶复合体
硫辛酰赖氨酰臂
丙酮酸转变为乙酰 CoA的总图
砷化物对硫辛酰胺的毒害作用
丙酮酸脱氢酶复合体的调控
丙酮酸脱氢酶复合体催化的这个反应是哺乳
动物体内使丙酮酸转变为乙酰 CoA的唯一途径 。
乙酰 CoA既是柠檬酸循环的入口, 又是脂类生物
合成的起始物质 。
1,产物控制
产物 NADH抑制 E3,乙酰 CoA抑制 E2。
2,磷酸化和去磷酸化的调控
E2分子上结合着两种特殊的酶, 一种称为激
酶, 另一种称为磷酸酶, 它们分别使 E1磷酸化和
去磷酸化, 去磷酸化形式是 E1的活性形式 。 Ca2+
通过激活磷酸酶的作用, 也能使 E1活化 。
二
、
柠
檬
酸
循
环
概
貌
柠
檬
酸
循
环
总
图
三、柠檬酸循环的反应
草酰乙酸与乙酰 CoA缩合
形成柠檬酸
草酰乙酸 乙酰 CoA
柠檬酰 CoA
柠檬酸
CoA
柠檬酸合酶
①
1
1 2 2
1 2
柠檬酸异构化
形成异柠檬酸
柠檬酸 顺 -乌头酸 异柠檬酸
乌头酸酶 乌头酸酶
② 2 2
2
1 1 1
乌头酸酶中的
Fe-S聚簇
异
柠
檬
酸
氧
化
形
成
α∣
酮
戊
二
酸
异柠檬酸脱氢酶
异柠檬酸 草酰琥珀酸
α －酮戊二酸
③ 1
2
1
2
琥珀酸脱氢形成延胡索酸
异柠檬酸
异柠檬酸裂解酶
琥珀酸 乙醛酸
分支
α －酮戊二酸氧化脱羧
形成琥珀酰 CoA
α －酮戊二酸 琥珀酰 CoA
α -酮戊二酸
脱氢酶复合体
④ 1 1
2 2
琥珀酰 CoA转化成琥珀酸
烯醇化酶
琥珀酰 CoA 琥珀酸
琥珀酰 CoA
合成酶
⑤ 1 1
2 2
FAD与琥珀酸脱氢酶的
共价结合
线粒体结构示意图
琥珀酸脱氢酶嵌合在线粒体的内膜上。
琥珀酸脱氢形成延胡索酸
琥珀酸脱氢酶
琥珀酸 延胡索酸
⑥
延胡索酸水合形成 L-苹果酸
延胡索酸酶
延胡索酸 L-苹果酸
⑦
L-苹果酸脱氢形成草酰乙酸
苹果酸脱氢酶
L-苹果酸 草酰乙酸
⑧
四、柠檬酸循环的
化学总结算
柠檬酸循环的总反应式
乙酰 CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi +2H2O
→ 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 3H+ + CoA
ATP的产量
从丙酮酸开始, 柠檬酸循环中循环一圈, 共产
生 4个 NADH,1个 FADH2,1个 GTP（ ATP）, 按
每个 NADH可以产生 2.5个 ATP,每个 FADH2可以产
生 1.5个 ATP计算, 共产生
2.5× 4 + 1× 1.5 + 1 = 12.5 个 ATP
每个葡萄糖分子 （ 2个丙酮酸 ） 在进入柠檬酸
循环后可以产生 25个 ATP。
每个葡萄糖分子在糖酵解中可以产生 2个 ATP
和 2个 NADH,共产生
2 + 2× 2.5 = 7个 ATP
每个葡萄糖分子彻底氧化后共产生 32个 ATP。
五、柠檬酸循环的调控
在柠檬酸循环中, 虽然有 8种酶参加反应,
但在调节循环速度中起关键作用的有 3种酶：
柠檬酸合酶, 异柠檬酸脱氢酶和 α－酮戊二酸
脱氢酶复合体 。 其调控可以分为两个方面,
① 柠檬酸循环本身各种物质对酶活性的调控；
② ADP,ATP和 Ca2+的调控 。
柠檬酸循环本身制约系统的调节
1,乙酰 CoA和草酰乙酸的供应情况 。 乙酰 CoA
来源于丙酮酸, 受到丙酮酸脱氢酶复合体活性的控
制；草酰乙酸的供应取决于循环是否运行畅通, 以
及中间产物离开循环的速率和补充的速率 。
2,[NADH]/[NAD+]的比值 。 柠檬酸合酶和异柠
檬酸脱氢酶都受到 NADH的抑制, 但异柠檬酸脱氢
酶对 NADH更为敏感 。 α－酮戊二酸脱氢酶复合体
也受 NADH的抑制 。
3,产物的反馈抑制 。 柠檬酸合酶受高浓度柠檬
酸的抑制； α－酮戊二酸脱氢酶复合体受琥珀酰
CoA的抑制 。
ATP,ADP和 Ca2+对
柠檬酸循环的调节
1,[ATP]/[ADP]的比值 。 [ATP]/[ADP]的比值 对柠
檬酸循环中的酶有调节作用, ADP是异柠檬酸脱氢
酶的别构促进剂, 可降低该酶的 Km值, 促进酶与
底物的结合；而 ATP抑制该酶 。
2,Ca2+浓度 。 Ca2+可激活丙酮酸脱氢酶的磷酸酶
,使丙酮酸脱氢酶去磷酸化而活化, 从而增加乙酰
CoA的供应 。 同时 Ca2+也能激活异柠檬酸脱氢酶和
α－酮戊二酸脱氢酶 。
乙
酰Co
A
形
成
和
柠
檬
酸
循
环
中
的
激
活
和
抑
制
部
位
示
意
图
· 激活
× 抑制
····→ 反馈抑制
六、柠檬酸循环的双重作用
许多合成代谢都利用柠檬酸循环的中间
产物作为生物合成的前体来源 。 柠檬酸循环
中由于参与其它代谢而失去的中间产物, 必
须及时补充, 才能保持柠檬酸循环顺利地,
不间断地运转 。 对柠檬酸循环中间产物有补
充作用的反应称为填补反应 。 柠檬酸循环是
新陈代谢的中心环节 。
柠檬酸循环双重作用示意图
丙酮酸羧化酶
