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7.3：丙酮酸的氧化和柠檬酸循环

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    培养技能

    • 解释循环途径（例如柠檬酸循环）与糖酵解等线性途径有何根本不同
    • 描述糖酵解产物丙酮酸是如何准备进入柠檬酸循环的

    如果有氧气，有氧呼吸就会继续进行。 在真核细胞中，糖酵解结束时产生的丙酮酸分子被输送到线粒体中，线粒体是细胞呼吸的部位。 在那里，丙酮酸将被转化为乙酰基团，该基团将被一种叫做辅酶A（CoA）的载体化合物吸收并激活。 由此产生的化合物称为乙酰辅酶A。 CoA 由维生素 B5、泛酸制成。 乙酰辅酶A可以通过多种方式被细胞使用，但其主要功能是将来自丙酮酸的乙酰基输送到葡萄糖分解代谢途径的下一阶段。

    丙酮酸的分解

    为了使糖酵解的产物丙酮酸进入下一个途径，必须对其进行多次改变。 转换过程分为三步（图\(\PageIndex{1}\)）。

    第 1 步。 从丙酮酸中去除羧基，将二氧化碳分子释放到周围的介质中。 该步骤的结果是与该酶（丙酮酸脱氢酶）结合的双碳羟乙基。 这是从原始葡萄糖分子中去除的六个碳中的第一个。 每代谢一个葡萄糖分子，这个步骤会进行两次（记住：糖化结束时会产生两个丙酮酸分子）；因此，在两个步骤结束时，六个碳中的两个都将被去除。

    第 2 步。 羟乙基被氧化成乙酰基，电子被 NAD + 吸收，形成 NADH。 来自 NADH 的高能电子稍后将用于产生 ATP。

    第 3 步。 酶结合的乙酰基被转移到辅酶A，产生乙酰辅酶A分子。

    此插图显示了丙酮酸转化为乙酰辅酶A的三步过程。 在第一步中，从丙酮酸中去除羧基，释放二氧化碳。 在第二步中，氧化还原反应形成醋酸盐和 NADH。 在第三步中，将醋酸盐转移到辅酶A，形成乙酰辅酶A。
    图\(\PageIndex{1}\)：进入线粒体基质后，多酶复合物将丙酮酸转化为乙酰辅酶A。 在此过程中，释放出二氧化碳并形成一个NADH分子。

    请注意，在葡萄糖代谢的第二阶段，每当碳原子被移除时，它就会与两个氧原子结合，产生二氧化碳，二氧化碳是细胞呼吸的主要最终产物之一。

    乙酰辅酶A转二氧化碳

    在有氧气的情况下，乙酰辅酶A将其乙酰基团输送到四碳分子草酸乙酸盐，形成柠檬酸盐，一种具有三个羧基的六碳分子；该途径将从最初的葡萄糖分子中收集剩余的可提取能量。 这种单一途径有不同的名称：柠檬酸循环（用于醋酸与草酸乙酸盐结合时形成的第一种中间体——柠檬酸或柠檬酸盐）、三氯乙酸循环（因为柠檬酸或柠檬酸和异柠檬酸是三羧酸）和克雷布斯循环，继汉斯·克雷布斯之后，汉斯·克雷布斯在 20 世纪 30 年代首次确定了鸽子飞行肌肉的步伐。

    柠檬酸循环

    就像丙酮酸转化为乙酰辅酶A一样，柠檬酸循环发生在线粒体的基质中。 几乎所有的柠檬酸循环酶都是可溶的，唯一的例外是琥珀酸脱氢酶，它嵌入线粒体内膜中。 与糖酵解不同，柠檬酸循环是一个闭环：该途径的最后一部分使第一步中使用的化合物再生。 循环的八个步骤是一系列氧化还原、脱水、水合和脱羧反应，这些反应产生两个二氧化碳分子，一个 GTP/ATP，以及还原形式的 NADH 和 FADH 2（图\(\PageIndex{2}\)）。 这被认为是一种有氧途径，因为产生的NADH和FADH 2 必须将其电子转移到系统中的下一个通路，即使用氧气。 如果没有发生这种转移，则也不会发生柠檬酸循环的氧化步骤。 请注意，柠檬酸循环直接产生的ATP很少，并且不直接消耗氧气。

    此插图显示了柠檬酸循环的八个步骤。 在第一步中，来自乙酰辅酶A的乙酰基被转移到四碳草酸酯分子中，形成六碳柠檬酸分子。 在第二步中，重新排列柠檬酸盐以形成异柠檬酸盐。 在第三步中，异柠檬酸被氧化成α-酮戊二酸。 在此过程中，一个 NADH 由 NAD^ {+} 形成，然后释放出一种二氧化碳。 在第四步中，α-酮戊二酸被氧化并添加辅酶，形成琥珀酰辅酶A。 在此过程中，形成了另一个 NADH，并释放了另一种二氧化碳。 在第五步中，从琥珀酰辅酶A中释放出CoA，形成琥珀酸盐。 在此过程中，形成一个 GTP，然后将其转换为 ATP。 在第六步中，琥珀酸盐被氧化为富马酸盐，然后将一个 FAD 还原为 FADH_ {2}。 在第七步中，富马酸盐转化为苹果酸盐。 在第八步中，苹果酸被氧化成草酸乙酸盐，然后形成另一个 NADH。
    图\(\PageIndex{2}\)：在柠檬酸循环中，来自乙酰辅酶A的乙酰基附着在四碳草酸酯分子上，形成六碳柠檬酸分子。 通过一系列步骤，柠檬酸被氧化，为每个进入循环的乙酰基释放出两个二氧化碳分子。 在此过程中，三个 NAD + 分子被还原为 NADH，一个 FAD 分子还原为 FADH 2，一个 ATP 或 GTP（取决于细胞类型）（通过底物级磷酸化）产生。 由于柠檬酸循环的最终产物也是第一种反应物，因此该循环在有足够的反应物的情况下持续运行。 （来源：“Yikrazuul” /Wikimedia Commons 对作品的修改）

    柠檬酸循环的步骤

    第 1 步。 在第一步开始之前，会出现一个过渡阶段，在此期间，丙酮酸被转化为乙酰辅酶。 然后，循环的第一步开始了：这是一个缩合步骤，将二碳乙酰基团与四碳草酸乙酯分子结合起来，形成六碳柠檬酸分子。 辅酶A与磺酰基（-SH）结合并扩散并最终与另一个乙酰基团结合。 这个步骤是不可逆的，因为它具有很高的运动功效。 这种反应的速率由负面反馈和可用的 ATP 量控制。 如果 ATP 水平升高，这种反应的速率就会降低。 如果 ATP 供不应求，则速率会增加。

    第 2 步。 在第二步中，当柠檬酸转化为异构体异柠檬酸时，柠檬酸会失去一个水分子，而获得另一个水分子。

    第 3 步。 在第三步中，异柠檬酸被氧化，产生一个五碳分子，α-酮戊二酸，以及一个二氧化碳分子和两个电子，它们将 NAD + 还原为 NADH。 这一步骤还受到来自ATP和NADH的负面反馈以及ADP的积极影响的调节。

    第 3 步和第 4 步。 第三步和第四步都是氧化和脱羧步骤，它们释放出将 NAD + 还原为 NADH 的电子，并释放形成 CO 2 分子的羧基。α-酮戊二酸是第三步的产物，琥珀基是第四步的乘积。 CoA 结合琥珀酰基形成琥珀酰辅酶A。 催化第四步的酶受到 ATP、琥珀酰辅酶A 和 NADH 的反馈抑制的调节。

    第 5 步。 在第五步中，用磷酸基取代辅酶 A，然后形成高能键。 这种能量用于底物级磷酸化（在琥珀酰基转化为琥珀酸盐期间），以形成三磷酸鸟嘌呤（GTP）或 ATP。 此步骤有两种形式的酶，称为同工酶，具体取决于发现它们的动物组织类型。 一种形式存在于使用大量ATP的组织中，例如心脏和骨骼肌。 此表单会产生 ATP。 第二种形式的酶存在于具有大量合成代谢途径的组织中，例如肝脏。 此表单生成 GTP。 GTP 在能量上等同于 ATP；但是，它的使用更受限制。 特别是，蛋白质合成主要使用 GTP。

    第 6 步。 第六步是将琥珀酸盐转化为富马酸盐的脱水过程。 两个氢原子被转移到 FAD，产生 FADH 2。 这些原子的电子中所含的能量不足以减少 NAD +，但足以减少 FAD。 与 NADH 不同，这种载体仍然附着在酶上，并将电子直接转移到电子传输链。 这个过程之所以成为可能，是因为催化这一步骤的酶位于线粒体的内膜内。

    第 7 步。 在第七步中，将水添加到富马酸盐中，然后产生苹果酸盐。 柠檬酸循环的最后一步通过氧化苹果酸再生草酸乙酸盐。 在此过程中产生了另一个 NADH 分子。

    链接到学习

    点击此处查看柠檬酸循环的每个步骤。

    柠檬酸循环产品

    两个碳原子从每个乙酰基进入柠檬酸循环，代表一个葡萄糖分子六个碳中的四个。 循环的每回合都会释放两个二氧化碳分子；但是，它们不一定包含最近添加的碳原子。 两个乙酰碳原子最终将在循环的后期阶段被释放；因此，来自原始葡萄糖分子的所有六个碳原子最终都被掺入二氧化碳中。 循环的每回合都会形成三个 NADH 分子和一个 FADH 2 分子。 这些携带者将与有氧呼吸的最后一部分相连，产生 ATP 分子。 每个周期中还会生成一个 GTP 或 ATP。 柠檬酸循环中的几种中间化合物可用于合成非必需氨基酸；因此，该循环是两亲的（包括分解代谢和合成代谢）。

    摘要

    在存在氧气的情况下，丙酮酸会转化为附着在辅酶 A 载体分子上的乙酰基团。由此产生的乙酰辅酶A可以进入多种途径，但大多数情况下，乙酰基团被输送到柠檬酸循环以进一步分解代谢。 在丙酮酸转化为乙酰基的过程中，一个二氧化碳分子和两个高能电子被去除。 二氧化碳占原始葡萄糖分子的六个碳中的两个（两个丙酮酸分子的转化）。 电子被 NAD + 拾取，然后 NADH 将电子带到稍后的途径进行 ATP 的产生。 此时，最初进入细胞呼吸的葡萄糖分子已被完全氧化。 存储在葡萄糖分子中的化学势能已被转移到电子载体上或被用来合成几个 ATP。

    柠檬酸循环是一系列氧化还原和脱羧反应，可去除高能电子和二氧化碳。 暂时存储在 NADH 和 FADH 2 分子中的电子用于在随后的途径中产生 ATP。 循环的每回合都会通过底物级磷酸化产生一个 GTP 或 ATP 分子。 没有将循环路径与线性路径相提并论。

    词汇表

    乙酰辅酶
    源自丙酮酸的乙酰基团和由泛酸（一种 B 族维生素）制成的辅酶 A 的组合
    柠檬酸循环
    （也是 Krebs cycle）一系列在所有活细胞中都至关重要的酶催化化学反应
    克雷布斯循环
    （也称为柠檬酸循环）柠檬酸循环的别名，以汉斯·克雷布斯的名字命名，汉斯·克雷布斯在 20 世纪 30 年代首次发现了鸽子飞行肌肉路径中的步骤；参见柠檬酸循环
    三氯乙酸周期
    （也称为柠檬酸循环）柠檬酸循环的替代名称，以柠檬酸三羧酸（TCA）的组名命名；参见柠檬酸循环