檸檬酸循環(citric acid cycle, TCA cycle)

一、概論
1. 名稱:克氏循環(Krebs cycle)= Tricarboxylic acid cycle(TCA)=檸檬酸循環(citric acid cycle)
2. 無定向代謝(amphibolic):同時具分解(catabolism)及合成(anabolism)
*目標:
a. ATP 的產生
b. 提供合成胺基酸、脂質、嘌呤、嘧啶的中間產物
c. 完成胺基酸、脂肪酸、碳氫化合物的氧化作用
3. 作用胞器:粒線體(Mitochondria)
∵丙酮酸去氫酶複合物(pyruvate dehydrogenase complex)催化的反應和脂肪酸的β-氧化(β-oxidation)反應都發生於粒線體
參見:丙酮酸脫氫(pyruvate dehydrogenase)
4. 產生能量的途徑(步驟)
A. 乙醯輔酶A的合成


資料來源:粒線體科學
B. 克氏循環(Acetyl-CoA氧化)
一個乙醯輔酶A產生 2CO2
3NADH+H2
1FADH2
1GTP

C. 電子傳遞鏈和氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)
1NADH       3ATP(亦有其他版本為2.5ATP)
1FADH2      2ATP(亦有其他版本為1.5ATP)
1個乙醯輔酶A產生 3NADH 6ATP 9ATP
                                     1FADH2 3ATP

二、 由丙酮酸(Pyruvate)變成乙醯輔酶A(Acetyl-CoA)
1. 步驟(下圖為整個反應步驟)
A. 1分子葡萄糖在細胞質中糖解(glycolysis)成2分子丙酮酸與2分子水
B. 丙酮酸便會進入粒線體,進行
a. 丙酮酸去氫(pyruvate dehydrogenase complex;PDH complex)催化
b. NAD+的氧化作用
C. 最後和輔酶A(Coenzyme A、Co-A)結合並轉變為乙醯輔酶A,並產生2CO2、2NADH
*補充:丙酮酸和輔酶A所形成的乙醯輔酶A是硫酯化合物(thioester),通式為“R’-S-CO-R",其硫酯鍵是高能化學鍵結,為ATP出現前的能量貨幣


資料來源:伊利諾州芝加哥大學
2. 參與反應物質
如下圖所示,反應總共需要以下物質參與
在複合體蛋白內
非複合體蛋白內
E1
A. NAD+
B. 輔酶A
C. Mg2+(活化酵素)
硫胺素焦磷酸
thiamine pyrophosphate,TPP1
E2
硫辛酸(lipoic acid
E3
FAD
※1:或稱thiamine diphosphate,ThDP,為維生素B1之衍生
參見:丙酮酸脫氫(pyruvate dehydrogenase)
三、檸檬酸循環(the Citric Acid Cycle
1. 介紹:又稱克氏循環(Krebs cycle)或三羧酸循環(tricarboxylic acid cycleTCA cycle),是需氧生物普遍存在的代謝途徑,為糖類、脂類及胺基酸的最終代謝通路和代謝聯繫樞紐
2. 作用位置:粒線體的基質
3. 代謝總圖:


資料來源:香港中文大學
檸檬酸循環影片

4. 步驟:
Step 1. 當乙醯輔酶A進入檸檬酸循環時,它會經由檸檬酸合成酶(citrate synthase)的催化,與草醋酸(oxaloacetateOAA)形成檸檬酸和輔酶
檸檬酸合成酶是一種異位酶(allosteric enzyme),會被下游的NADH、ATP及琥珀醯輔酶A(succinyl-coenzyme A)等物質所抑制

Step 2. 檸檬酸接著經烏頭酸酶(aconitase)的催化,先進行脫水反應得到烏頭酸(aconitate;順式),接著也在烏頭酸酶的催化下再進行水合(rehydration)反應,得到異檸檬酸(isocitrate)

※檸檬酸與異檸檬酸的差異如下表所示:

對掌性
chirality
立體中心
stereocenter
可能立體異構物數
possible stereoisomers 
檸檬酸
citrate
非對掌
achiral
0
1個(=20
異檸檬酸
isocitrate
對掌
chiral
2
4個(=22
雖然isocitrate可以有4種不同的立體異構物,但是在檸檬酸循環中,只會形成其中一種→檸檬酸雖不具對掌性,但反應時能分辨不同的對掌性(只產生一種isocitrate),稱此中心為原對掌中心(prochiral)
Step 3. 異檸檬酸在異檸檬酸去氫酶(isocitrate dehydrogenase)作用下行氧化作用,形成oxalosuccinate;脫去的H將提供給NAD+成為NADH, oxalosuccinate將會脫去1分子的CO2而形成α-酮戊二酸(α-ketoglutarate)

異檸檬酸去氫酶(isocitrate dehydrogenase)也是一種異位酶,它能被NADH及ATP所抑制,而被NAD+及ADP所活化
Step 4. α-酮戊二酸(α-ketoglutarate)形成後,會在α-酮戊二酸去氫酶複合體(α-ketoglutarate dehydrogenase complex)催化下,與輔酶A形成琥珀醯輔酶A(succinyl-CoA),脫去的H將提供給NAD+轉變為NADH

α-酮戊二酸去氫酶複合體就如之前提及的丙酮酸去氫酶複合體一樣,為多酶複合體(multienzyme complex),都需要NAD+、Co-A、FAD、硫胺素焦磷酸(thiamine pyrophosphate;TPP)及硫辛酸(lipoic acid)參與,也都分成E1、E2、E3。其中兩者僅E1所含成分不同,E2、E3是相同的
參見:丙酮酸脫氫(pyruvate dehydrogenase)
Step 5. 在琥珀醯輔酶A(succinyl Co-A)形成後,便要開始進行下一個步驟:琥珀酸(succinate)的形成,以下是細部反應:
a. succinyl Co-A在琥珀酸輔酶A合成酶(又稱succinyl-CoA synthetase、succinate thiokinase 或 succinate-CoA ligase,為連接酶的一種)的催化下,進行succinyl Co-A→succinate的可逆反應,放出能量
b. 因thiokinase (即succinyl-CoA synthetase)酵素作用時,會有利於核苷二磷酸分子(如:ADP、GDP)轉變為核苷三磷酸(如:ATP、GTP),故在此GDP吸收能量轉變為GTP
c. 整體而言,此步驟的反應大致如下所示:

植物及細菌等生物會在此步驟直接合成ATP。動物則將高能鍵轉移給GDP形成GTP,接著GTP的Pi經由nucleoside diphosphate kinase轉移給ADP形成ATP。此轉移的淨反應不需耗能,所以計算能量上,GTP可視為ATP來計算
Step 6. 琥珀酸(Succinate)氧化脫氫成為富馬酸(fumarate)


A. Succinate的C-C鍵失去電子變成C=C
B. 為脫氫反應,由琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase)所催化
C. 琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase)
a. 含有FAD和鐵硫(Fe:S)蛋白
b. 結合在粒線體內膜內面,直接還原電子傳遞鏈的泛醌(ubiquinone)
Step 7. Fumarate水合(hydration of fumarate):催化富馬酸(延胡索酸,fumarase)的加水作用形成蘋果酸

Step 8. malate的氧化反應(oxidation of malate)形成草醋酸


A. 此為一脫氫反應,需要NAD+
B. 反應平衡強烈傾向蘋果酸,但實際上流向卻是往草醋酸,原因是:
a. 持續的移除草醋酸(形成檸檬酸做為糖質新生的受質,或經轉胺為天門冬胺酸)
b. NADH持續推動反應


資料來源:香港中文大學
圖解:檸檬酸循環(克式循環,krebs cycle)
1. NADH+H和FADH2在呼吸鏈中的氧化作用,可經由氧化磷酸化反應而產生ATP
2. 追蹤乙醯輔酶A在此循環中的反應路徑
(乙醯基上的羧基以*標示,甲基上的碳以˙標示)
A. 循環中散失的CO2是由草醋酸衍生而來→完成一次循環後,第二次的循環中,將放出標示的CO2
B. 原因:琥珀酸脫氫酶無法辨識琥珀酸的兩個羧基→C的標示被混亂化(randomization)→使得經過一次循環的草醋酸分子皆有被標示的可能→放出標示的CO2
3. 抑制的地方以- 表示
四、 各種能量生成量總整理
1. 檸檬酸循環中產生ATP的方式:
A. 受質階層磷酸化(Phosphorylation at substrate level)
B. 呼吸鏈中的氧化(Respiratory chain oxidation):脫氫酶催化的氧化作用
a. 1個NADH在呼吸鏈中氧化會產生3個ATP
b. 1個FADH2在呼吸鏈中氧化會產生2個ATP
2. 在無氧的環境下,1莫耳的葡萄糖只會產生2莫耳ATP
∵糖解作用中的NADH不會到呼吸鏈(或電子傳遞鏈)進行氧化
→和2莫耳丙酮酸(Pyruvate)進行氧化還原反應
→乳酸發酵:2 NAD+、2乳酸(Lactate)
→酒精發酵:2 NAD+、2CO2、2乙醇(Ethanol)
3. 1莫耳葡萄糖經完全氧化後,會釋放出38莫耳ATP或36莫耳ATP

參見:檸檬酸循環調控(Citric acid cycle regulation)
參見:檸檬酸循環與物質合成代謝(citric acid cycle and substance metabolism)
▼有機物代謝(Organic matter metabolism) 顯示/隱藏(show/hide)

26 意見:

  1. 雖然說有些圖叉燒包了,但手邊有看不懂的原文書配著唸剛剛好

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  2. C. 電子傳遞鏈和氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation)
    1NADH 2ATP(亦有其他版本為1.5ATP)
    1FADH2 3ATP(亦有其他版本為2.5ATP)

    這邊的產生ATP數量 NADH和FADH2好像寫反了QAQ

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  3. 非常詳細!多虧有您的整理!謝謝!

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    1. 歡迎多多回來造訪,發現有錯誤盡快通知我們,會立即更正,謝謝!!

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  4. 謝謝您的整理~讓我覺得我期中還有希望:P

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    1. 期中考加油吧!! 歡迎多多回訪我們的網站

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  5. 請問一下胺基酸及尿素代謝跟檸檬酸之間的有什麼樣的關係呢

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    1. 在尿素合成的部分,可以發現他們需要使用蘋果酸,而這是TCA cycle其中一個成分
      http://smallcollation.blogspot.tw/2013/07/urea-synthesis.html
      另外胺基酸則和檸檬酸有很大的關係。可以參見以下文章
      http://smallcollation.blogspot.tw/2013/07/relationship-between-amino-acid.html
      希望對您有幫助喔!!!

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    2. 再補充一下
      富馬酸(fumarate)是主要跟尿素循環的接點

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  6. 請問檸檬酸可以直接用於糖質新生嗎?

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    1. 糖質新生是指丙酮酸(pyruvate)合成葡萄糖的過程,所以不用從檸檬酸循環來產生,當然如果要從檸檬酸循環相關反映獲得病酮酸,當然會經過啦!!

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    1. 雖然已經移除了 不過還是很感謝您的造訪

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  9. 想請問acetyl coa可作為pyruvate carboxylase 的異位活化劑呢 謝謝你

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    1. 不好意思 這方面不太清楚,很遺憾沒能幫到你

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  10. Oxalosuccinate我們老師翻成草醯琥珀酸,謝謝您的整理。

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  11. 有種一目了然的感覺...真的大感謝

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