上周詳細介紹了細胞內(nèi)的“迷你發(fā)電廠”--線粒體，了解了線粒體的結構和功能，以及線粒體障礙的普遍性和重要性。本周開始將著重講解微觀的能量代謝路徑：三羧酸循環(huán)、糖酵解、脂肪代謝和氧化磷酸化。本文主要介紹三羧酸循環(huán)，以及如何通過有機酸報告評估線粒體和三羧酸循環(huán)水平。

圖1.三大物質(zhì)產(chǎn)能的初步過程

三羧酸循環(huán)

三羧酸循環(huán)又稱檸檬酸循環(huán)或TCA循環(huán)。位于線粒體基質(zhì)中，是一個由酶促反應構成的循環(huán)反應系統(tǒng)。糖、脂肪和蛋白質(zhì)在分解代謝過程中都先生成乙酰CoA，與草酰乙酸結合進入三羧酸循環(huán)而徹底氧化。三羧酸循環(huán)是糖、脂肪和蛋白質(zhì)分解的共同通路，是聯(lián)系三大物質(zhì)代謝的樞紐。

圖2.三羧酸循環(huán)過程

1. 乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)

   先檸檬酸合酶的組氨酸殘基作為堿基與乙酰-CoA作用，使乙酰-CoA的甲基上失去一個H+，生成的碳陰離子對草酰乙酸的羰基碳進行親核攻擊，生成檸檬酰-CoA中間體，然后高能硫酯鍵水解放出游離的檸檬酸。

2. 異檸檬酸形成

   由順烏頭酸酶催化，將檸檬酸的叔醇基不易氧化，轉(zhuǎn)變成異檸檬酸而使叔醇變成仲醇，就易于氧化。
   

3. 第一次氧化脫羧，α-酮戊二酸形成

   在異檸檬酸脫氫酶的作用下，異檸檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸的中間產(chǎn)物，并快速脫羧生成α-酮戊二酸、NADH和CO2，此反應為β-氧化脫羧。該過程需要鎂作為激活劑，是三羧酸循環(huán)中的限速步驟。ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，ATP、NADH是它的抑制劑。
   

4. 第二次氧化脫羧，生成琥珀酰CoA

   在α-酮戊二酸脫氫酶作用下，α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰CoA、HADH和CO2，此反應為α-氧化脫羧。α-酮戊二酸脫氫酶系也由三個酶(α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀?；D(zhuǎn)移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個輔酶(tpp、硫辛酸、hscoa、NAD+、FAD)組成。α-酮戊二酸脫氫酶復合體受ATP、GTP、NADH和琥珀酰-CoA抑制。

5. 琥珀酸形成

   在琥珀酸硫激酶的作用下，琥珀酰-CoA的硫酯鍵水解，釋放GTP，再生成ATP。琥珀酰CoA生成琥珀酸和輔酶A。
   

6. 琥珀酸脫氫，生成延胡索酸

   琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸氧化成延胡索酸，該酶結合在線粒體內(nèi)膜上，含有鐵硫中心和共價結合的FAD。丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶的強有力競爭性抑制劑，可阻斷三羧酸循環(huán)。
   

7. 延胡索酸水化，形成蘋果酸

   延胡索酸酶對延胡索酸的反式雙鍵起作用，生成蘋果酸。
   

8. 草酰乙酸再生

   在蘋果酸脫氫酶的作用下，蘋果酸仲醇基脫氫氧化成羰基，生成草酰乙酸。

小結

在三羧酸循環(huán)中，草酰乙酸因參與反應而消耗，又經(jīng)循環(huán)重新生成。三羧酸循環(huán)中，一共有4次脫氫反應，脫下來的氫原子以NADH的形式進入電子傳遞鏈，最后傳遞給氧生成水，并釋放ATP。

三羧酸循環(huán)中的檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶是主要的限速酶，主要通過產(chǎn)物的反饋抑制來實現(xiàn)，ATP/ADP，NADH/NAD+是主要的調(diào)節(jié)物。當ATP/ADP比值升高，檸檬酸合成酶和異檸檬酸脫氫酶活性受抑制；NADH/NAD+比值升高，檸檬酸合成酶和α-酮戊二酸脫氫酶的活性受抑制。組織中的代謝產(chǎn)物決定了循環(huán)反應的速度，以便調(diào)節(jié)機體ATP和NADH濃度，保證機體的能量供給。

三羧酸代謝的評估

圖3.有機酸分析中的三羧酸循環(huán)指標

有機酸檢測中26-31項指征的是線粒體的三羧酸代謝。

• 丁二酸超標：即琥珀酸，琥珀酸脫氫酶活性下降，鐵、B3為促進因子，丙二酸為競爭性抑制劑。

• 富馬酸超標：即延胡索酸，延胡索酸酶的活性下降。

• 蘋果酸超標：蘋果酸脫氫酶的活性下降，B2為促進因子。

• α-酮戊二酸超標：α-酮戊二酸脫氫酶活性下降，汞、砷、銻為抑制因子，鎂、B1、B2、B3為促進因子，ATP、GTP、NADH和琥珀酰-CoA為抑制因素。

• 烏頭酸超標：即異檸檬酸，異檸檬酸脫氫酶活性下降，氟、汞、砷、銻為抑制因子，鐵，谷胱甘肽為促進因子。ADP是的激活劑，ATP、NADH是它的抑制劑。

• 烏頭酸不足、檸檬酸超標：烏頭酸酶活性下降，氟、汞、砷、銻為抑制因子，鐵，谷胱甘肽為促進因子。

• 檸檬酸不足：乙酰CoA的來源不足，或代謝異常使乙酰CoA轉(zhuǎn)化為β-羥基丁酸（即3-羥基丁酸，有機酸檢測第41項）

  
  

小結

若以上六個指標中存在3個及以上同時超標，則考慮線粒體功能障礙或線粒體數(shù)量不足，同時因考慮重金屬超標或B族輔因子不足導致酶的活性下降。此外，腸道微生物的多個代謝物與三羧酸循環(huán)中的中間產(chǎn)物結構相似，會一定程度干擾三羧酸循環(huán)。

氨基酸與三羧酸循環(huán)的關系

圖4.氨基酸進入三羧酸循環(huán)

• 丙酮酸：丙氨酸、半胱氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、色氨酸、甘氨酸

• 乙酰乙酰CoA：亮氨酸、賴氨酸、色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸

• 乙酰CoA：亮氨酸、異亮氨酸、色氨酸、蘇氨酸

• α酮戊二酸：精氨酸、谷氨酰胺、組氨酸、脯氨酸

• 琥珀酸CoA：異亮氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸

• 延胡索酸：苯丙氨酸、酪氨酸

• 草酰乙酸：天冬氨酸、天冬酰胺

若檢測中發(fā)現(xiàn)某一種代謝中產(chǎn)物的含量特別高，則需考慮是否相應的氨基酸大量進入三羧酸途徑（尤其需要注意的是支鏈氨基酸、色氨酸和酪氨酸），需結合其相應的代謝路徑一起判斷。

如何精準干預需要綜合評估三羧酸循環(huán)、糖酵解、脂代謝、電子傳遞鏈、氧化應激水平，會在能量代謝專題的最后一課講解。

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