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三羧酸循环

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三羧酸循環

羧酸循環(tricarboxylic cycle) ,亦作檸檬酸循環(citric cycle),是有氧呼吸的第二階段。該循環以循環中一個重要中間體檸檬酸命名,又因爲檸檬酸是一種三元羧酸英语tricarboxylic acid(tricarboxylic acid),該反應又稱爲三羧酸循環。該循環亦因由德國生物化學家克雷布斯(Krebs)發現而稱爲克雷布斯循環(Krebs cycle),克雷布斯亦因此項貢獻獲1953年諾貝爾生理學或醫學獎。丙酮酸在經過丙酮酸脫氫酶系氧化,生成乙酰輔酶A(acetyl-CoA)後,與四碳二元羧酸草酰乙酸化合,生成檸檬酸,進入檸檬酸循環。隨後,經過一系列反應,兩個碳原子轉化爲二氧化碳(CO2)分子,檸檬酸中蘊藏的化學能轉化至還原的輔酶中。檸檬酸循環的終產物仍然是草酰乙酸,這使得該循環能源源不斷地氧化輸入循環的乙酰輔酶A。一般情況下,檸檬酸循環產生的還原輔酶會連同糖酵解過程產生的還原輔酶一同,在氧化磷酸化過程中氧化,生成大量的ATP[1]:148。一分子的乙酰輔酶A在被檸檬酸循環代謝後,可產生兩分子的CO2分子、三分子NADH、一分子FADH2,以及一分子GTP[a][2]:340

檸檬酸循環可以代謝糖類脂質,以及大部分氨基酸,因爲這三類物質都能轉換爲乙酰輔酶A或檸檬酸循環的中間體,從而進入檸檬酸循環之中。另外,檸檬酸循環的許多中間體可供生物體利用。當中間產物不足時,可通過添補反應對中間產物進行補充。生物體最重要的填補反應是在丙酮酸羧化酶催化下,以一分子丙酮酸和一分子二氧化碳分子爲原料,合成一分子草酰乙酸的反應[2]:343

檸檬酸循環發生於線粒體基質中,但也會部分地在線粒體內膜膜上發生[1]:148-149

發現[编辑]

漢斯·阿道夫·克雷布斯像

1930年代,檸檬酸循環中的一些化學反應就已由阿爾伯特·聖捷爾吉闡明。阿爾伯特·聖捷爾吉因他對檸檬酸循環中的一個重要中間體延胡索酸的研究,而獲得1937年諾貝爾生理學或醫學獎[3]。檸檬酸循環本身則是由德國生物化學家漢斯·阿道夫·克雷布斯在1937年於錫菲大學發現的。他因對檸檬酸循環的研究而獲得1953年諾貝爾生理醫學獎[4]

進化[编辑]

構成檸檬酸循環的一些化學反應在厭氧細菌中就已出現了。檸檬酸循環本身則可能經過多次進化[5]。從理論上說,檸檬酸循環並不是沒有相關的替代方案。然而,檸檬酸循環的效率卻是最高的。即使存在進化上獨立的能替代檸檬酸循環的過程,它們也應該已通過趨同演化而與檸檬酸循環融合[6][7]

在有氧呼吸中的位置[编辑]

糖類在細胞質基質中發生糖酵解後,生成的終產物是丙酮酸。丙酮酸通過線粒體外膜上的通道蛋白,再通過線粒體內膜上的丙酮酸轉位酶進入線粒體基質。之後,丙酮酸經丙酮酸脫氫酶複合體氧化,轉化爲可進入檸檬酸循環的乙酰輔酶A,這一過程稱爲丙酮酸氧化[2]:332。檸檬酸循環發生於線粒體基質中,但也有一部分會於線粒體內膜膜上發生。原核生物的檸檬酸循環則發生於細胞質基質中。檸檬酸循環產生的還原輔酶會在氧化磷酸化過程中與氧氣反應,產生的能量會部分轉移到ATP[8]:368

概述[编辑]

柠檬酸循环是一个关键的代谢途径,它统一了碳水化合物、脂肪和蛋白质的代谢。

步驟[编辑]

檸檬酸循環可概括爲8大反應步驟[2]:335[8]:368

  • 第一步,乙酰輔酶A(Acetyl-CoA)與四碳的草酰乙酸(Oxaloacetate)发生缩合反应和硫酯水解,生成檸檬酸(Citrate)。由于硫酯水解释放能量,反应是不可逆的。
  • 第二步,檸檬酸在烏頭酸酶(Aconitase)的催化作用下生成異檸檬酸(Isocitrate)。乌头酸酶可以催化烏頭酸水合反应及水合产物柠檬酸、异柠檬酸的脱水反应。该反应是可逆的,在pH=7.0,25攝氏度條件下,平衡混合物中柠檬酸和异柠檬酸的比例为9:1。但因爲異檸檬酸不斷消耗,反應平衡方不斷右移。
  • 第三步,異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶英语Isocitrate dehydrogenase(Isocitrate dehydrogenase)作用下,經中間體草酰琥珀酸(Oxalosuccinate)生成α-酮戊二酸(α-Ketoglutarate)。在異檸檬酸轉化爲草酰琥珀酸的過程中,有一分子NAD+還原爲NADH。草酰琥珀酸具有β-酮酸的结构,容易发生脱羧反应。该反应中,酶的活性要在Mg2+或Mn2+離子的輔助下才可實現。總的來說,該過程生成了一分子NADH以及一分子CO2
  • 第四步,α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脫氫酶複合體(α-Ketoglutarate dehydrogenase complex)的催化作用下,與輔酶A化合,生成琥珀酰輔酶A(Succinyl-CoA),該過程還會生成一分子CO2,以及一分子NADH。該反應的机理与丙酮酸氧化机理相似,在生理條件下同样是一個單向反應。α-酮戊二酸脫氫酶複合體由三種酶組成:α-酮戊二酸脫氫酶(E1)、二氫硫辛酰轉琥珀酸酶(E2)、二氫硫辛酰脫氫酶(E3),α-酮戊二酸脫氫酶複合體要在一些輔助因子的輔助下才能發揮功能。
  • 第五步,在琥珀酰輔酶A合成酶英语Succinyl-CoA synthetase(Succinyl-CoA synthetase)的催化下,琥珀酸輔酶A轉化爲琥珀酸(Succinate)和輔酶A,該過程生成一分子GTP(植物和微生物生成的是ATP)。該過程是檸檬酸循環中唯一一個伴隨高能磷酸鍵生成的反應。

接下來,琥珀酸經過三步反應,重新轉化爲草酰乙酸。

  • 第六步,琥珀酸在琥珀酸脫氫酶(Succinate dehydrogenase)的催化作用下,轉化爲延胡索酸(Fumarate)。該過程中有一分子FAD還原爲FADH2生成。
  • 第七步,延胡索酸經延胡索酸酶(Fumarase)催化,與一分子水化合,轉化爲L-蘋果酸(L-Malate)。
  • 第八步,L-蘋果酸在蘋果酸脫氫酶(Malate dehydrogenase)的催化作用下,轉化爲草酰乙酸。該過程生成一分子NADH。該反應平衡傾向於蘋果酸一側,但因草酰乙酸不斷消耗,反應得以持續進行。基於上述理由,該反應也是檸檬酸循環的一個重要調控位點[1]:149

至此,檸檬酸循環完成。生成的草酰乙酸可再次進入檸檬酸循環[2]:335

添補反應[编辑]

三羧酸循環的中間產物可能會因參與其他代謝過程而消耗,添補反應(Anaplerotic reactions)能夠補充檸檬酸循環的各中間產物.使得其物質量保持相對平衡[9]。添補反應中最重要的一個是在丙酮酸羧化酶催化下,以一分子丙酮酸和一分子二氧化碳分子爲原料,合成一分子草酰乙酸的反應。而在植物體內,乙醛酸循環能起到同樣的作用[2]:343。另外,乳酸可以先氧化爲丙酮酸,然後再通過羧化反應轉化爲草酰乙酸進入檸檬酸循環[1]:152

總反應式[编辑]

高等動物的檸檬酸循環可用下式表示:[2]:340

乙酰輔酶A+3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O →
輔酶A-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2

  • 每一輪檸檬酸循環中,生成三分子NADH、一分子FADH2、一分子GTP、兩個碳原子以CO2的形式離開循環。完整的三羧酸循環進行一輪,草酰乙酸的分子數目不會發生變化,因此,從某種意義上講,可以認爲草酰乙酸起了催化劑的作用[1]:148
  • 兩個碳原子以CO2的形式離開循環。二氧化碳分子數與乙酰輔酶A帶入的碳原子數相同,使整個循環的碳原子數守恆。但值得注意的是,這兩個碳原子不一定就是構成乙酰輔酶A的乙酰基的那兩個碳原子[1]:149
  • 檸檬酸循環生成的NADH、FADH2中蘊藏的化學能會在接下來的氧化磷酸化中轉化至ATP分子中[1]:148

調控及抑制[编辑]

調控[编辑]

多種途徑均可調控檸檬酸循環的進行。總的來說,當細胞供能充足時(ATP、NADH、乙酰輔酶A等物質濃度升高),檸檬酸循環速度較慢,而當細胞供能處於不足狀態時(ADP濃度高,ATP、NADH濃度低),檸檬酸循環的速度會加快,保證能爲生物體提供適量的ATP以及還原輔酶[8]:370

首先,因爲檸檬酸循環是呼吸作用的一個環節,對下游的電子傳遞鏈氧化磷酸化進行調控即可對檸檬酸循環起到調控作用。對檸檬酸循環上游的丙酮酸氧化進行調控也可以起調控檸檬酸活性的作用。另外,也可以通過調控檸檬酸循環中的酶的活性起調控檸檬酸循環的作用。從化學原理上講,對能進行得較徹底的反應進行調控效果較好,因此,丙酮酸脫氫酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶是較好的調控位點。對檸檬酸循環的調控通常來說與細胞的狀態有密切關係。比如,脫氫酶需要鈣離子的激活,而肌肉收縮時,胞內的鈣離子濃度會升高,這也正是需能較高的時候。此外,一些酶也能直接和ATP/ADP,或NADH/NAD+反應,並發生活性變化,比如異檸檬酸脫氫酶能經由ADP活化,也可透過ATP/NADH來抑制。蘋果酸脫氫酶的活性受NAD+/NADH比值的影響。此外,檸檬酸循環的中間體的濃度也可以對檸檬酸循環的活性起到調控作用。比如,草酰乙酸可以抑制琥珀酰脫氫酶的活性。不過,這類調控在體內到底發揮多大的作用,目前還未得到充分研究。[1]:153[2]:342

抑制[编辑]

部分物質可以通過化學作用抑制檸檬酸循環的進行,其中,以下三種物質研究得較透徹:氟乙酸亞砷酸丙二酸[1]:151

其中,氟乙酸通過生成氟乙酰輔酶A,再生成氟檸檬酸。氟檸檬酸能抑制烏頭酸酶的活性,使得檸檬酸循環無法繼續進行。利用這一原理,可以用氟乙酸製造殺蟲劑或滅鼠藥。[2]:337亞砷酸能抑制α-酮戊二酸脫氫酶複合體的酶活性[1]:149。丙二酸與琥珀酸脫氫酶的底物琥珀酸結構相似,能通過與該酶發生不可逆結合使其失活[2]:339

與其他代謝過程的關係[编辑]

檸檬酸循環與包括脂肪酸合成、糖異生、轉氨基作用、嘌呤和嘧啶的合成等在內的多種生物體內的代謝過程密切相關[8]:371

糖異生及轉氨基作用[编辑]

在人的中,檸檬酸循環中的草酰乙酸可通過糖異生作用轉化爲葡萄糖。在糖異生作用中,最關鍵的酶是磷酸丙酮酸羧基激酶,它可以使草酰乙酸脫羧,生成磷酸丙酮酸,GTP分子爲該反應提供能量。值得注意的是,琥珀酰輔酶A轉化爲琥珀酸過程中生成的GTP分子可用於上述過程,是一個糖異生與檸檬酸循環聯繫的紐帶[1]:150

檸檬酸循環的一些中間體可通過轉氨基作用,經過一系列反應轉化爲氨基酸。比如,α-酮戊二酸可以轉化爲穀氨酸,草酰乙酸可以轉化爲天冬氨酸。上述過程是可逆的,即氨基酸也可以通過脫氨基作用轉化爲檸檬酸循環的中間體而進入檸檬酸循環分解代謝。不過,氨基酸通過上述途徑分解代謝產生的能量很少,一般情況下,只佔生物體總產能的1%不到[2]:438

脂肪酸合成[编辑]

在非反芻動物體內,細胞質基質中發生的長鏈脂肪酸合成以乙酰輔酶A爲主要原料。但丙酮酸氧化生成的乙酰輔酶A卻位於線粒體基質內,且乙酰輔酶A是無法穿過線粒體膜的。不過,在烏頭酸酶與底物的結合處於飽和狀態的條件下,線粒體基質中的檸檬酸可轉運到細胞質基質中。細胞質基質中的ATP-檸檬酸裂解酶可將檸檬酸裂解爲乙酰輔酶A以及草酰乙酸。後者即可用於脂肪酸合成過程。這樣的機制也能保證只有當檸檬酸循環的強度達到一定強度的條件下,檸檬酸才可以用於脂肪酸合成[1]:153。另外,輸入線粒體的脂肪酸(脂肪的消化產物)也能通過轉化爲乙酰輔酶A進入循環[10]:448

卟啉合成[编辑]

另外,琥珀酰輔酶A亦是卟啉環合成的重要中間體,卟啉中大部分的碳原子都來自琥珀酰輔酶A。卟啉是血紅素蛋白英语Hemeprotein(包括血紅蛋白肌紅蛋白細胞色素等)的重要組成成分[8]:371[11]

參見[编辑]

注釋[编辑]

  1. ^ 植物微生物產生的是ATP,而不是GTP。

參考[编辑]

  1. ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 Robert K. Murray; 等. Haper's Illustrated Biochemistry(哈珀生物化學) (導讀本). 科學出版社. 2010. ISBN 978-7-03-028539-3. 
  2. ^ 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.10 王鏡岩、朱聖庚、徐長法. 生物化學教程. 高等教育出版社. 2008. ISBN 978-7-04-018363-4. 
  3. ^ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1937. The Nobel Foundation. [2011-10-26]. 
  4. ^ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953. The Nobel Foundation. [2011-10-26]. 
  5. ^ Gest H. Evolutionary roots of the citric acid cycle in prokaryotes. Biochem. Soc. Symp. 1987, 54: 3–16. PMID 3332996. 
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  7. ^ Ebenhöh O, Heinrich R. Evolutionary optimization of metabolic pathways. Theoretical reconstruction of the stoichiometry of ATP and NADH producing systems. Bull. Math. Biol. January 2001, 63 (1): 21–55. doi:10.1006/bulm.2000.0197. PMID 11146883. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 David Hames, Nigel Hooper. Instant Notes in Biochemistry (3rd edition) 精要速覽系列:生物化學. 科學出版社. 2005. ISBN 978-7-03-025218-0 (English). 
  9. ^ Owen O, Kalhan S, Hanson R. The key role of anaplerosis and cataplerosis for citric acid cycle function. J. Biol. Chem. 2002, 277 (34): 30409–12. doi:10.1074/jbc.R200006200. PMID 12087111. 
  10. ^ B. Alberts等著 丁小燕、陳躍磊等譯. 細胞生物學精要(Essential Cell Biology)第三版(中譯本). 科學出版社. 2012. ISBN 978-7-03-033015-4. 
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外部連結[编辑]