反应），可产生更多的ATP分子。每分子NADH被氧化产生2.5分子的ATP，每分子的FADH2被氧化产生1.5分子ATP（见下一章）。每分子的乙酰CoA进入该循环被氧化产生10分子的ATP。
从化学计量看，柠檬酸循环的净结果只是来自乙酰基上的两个C原子被氧化降解，以CO2的形式释放出来，而柠檬酸循环的任何中间物不因循环本身而有所增减。因此，由8个酶促反应构成的柠檬酸循环起着一种多步催化剂的作用。
柠檬酸循环具有双向的功能，它不仅是有机营养分子完全降解和产生能量的过程，也是为生物合成反应提供碳骨架的途径。有不同的途径可以补充该循环的中间物的浓度，以维持它的正常运转。
乙醛酸循环是一条仅在植物细胞和某些微生物内运转的途径，异柠酸裂解酶和苹果酸合酶是这个途径所特有的酶。该途径不仅使二碳物（乙酰基）能合成葡萄糖，而且亦可为柠檬酸循环提供中间物。
由丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应是控制丙酮酸进入柠檬酸循环的关键步骤。该酶复合物的活性可通过两种不同的方式（别构调节和共价修饰调节）调节。柠檬酸循环本身的活性控制部位是由柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合物催化的。这三种酶活性主要通过底物的可用性、产物的抑制和反馈抑制来调节。
习题：
1．丙酮酸氧化脱羧反应的最后两步反应并不涉及丙酮酸分子中的任何一个碳原子，但是这两步反应仍然是丙酮酸脱氢酶复合物催化活性所必需的。为什么?
2．在糖酵解和柠檬酸循环中，除琥珀酸脱氢酶催化的反应利用FAD作为电子受体外，其他所有脱氢步骤都利用NAD+作为电子受体。请对此作出解释。
3．丙二酸是琥珀酸脱氢酶催化反应的的一种竞争性抑制剂。解释为什么增高草酰乙酸的浓度能够克服丙二酸的抑制作用。假定这一反应发生在肝脏制剂中。
4．当维持柠檬酸循环中间物适当浓度时，回补反应容许该循环把它的中间物提供给生物合成反应。写出由丙酮酸净合成柠檬酸的反应方程式。
5．．乙酰CoA能抑制二氢硫辛酰胺转乙酰基酶（丙酮酸脱氢酶复合物的E2组分）的活性，但它却能激活该酶复合物的丙酮酸脱氢酶激酶组分的活性。乙酰CoA的这两种不同的作用与该酶复合物总的调节是一致的吗？请解释。
6．①丙氨酸降解产生丙酮酸，亮氨酸降解产生乙酰CoA。这两种氨基酸的降解能为柠檬酸循环的中间物库作出补充吗？②储存在动物脂肪组织的三酰甘油是能量的重要来源。脂肪酸降解产生乙酰CoA，后者能激活丙酮酸羧化酶。该酶的激活为什么会有助于从脂肪酸获得能量？
7．磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是一种与动物体内磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶不同的酶。该酶催化的反应中不需要ATP，也不需要生物素的参与。但是这个酶的活性测定采用的是一种
间接的方式，即将该酶的羧化反应与苹果酸脱氢酶催化的反应偶联，这样就使该酶的测定变得容易了。请指出磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的这种活性测定的生化基础。
8．把少量的草酰乙酸或苹果酸加入到切碎的鸽子胸肌悬浮液中，刺激该制剂消耗氧。令人惊奇的是，当测定氧消耗量时，其氧的消耗量大约是使加入的草酰乙酸或苹果酸完全氧化所需的氧消耗量的7倍。①为什么草酰乙酸或苹果酸的加入会刺激氧的消耗？②为什么氧的消耗量比加入的草酰乙酸或苹果酸完全氧化所需的氧消耗量大得多?
9．在乙酰CoA（它是丙酮酸羧化酶的一种正调节物）缺乏下，丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化的速度是很低的。如果你刚吃完富含脂肪酸、但低糖类的食物，这种调节特性是如何关闭葡萄糖氧化成CO2和H2O、但却增高脂肪酸衍生的乙酰CoA氧化的速度?
10．红细胞在缺氧下对柠檬酸循环速度有什么影响?
习题：
1．解答：在丙酮酸脱氢酶复合物催化的反应中，氧化型的硫辛酸接受来自焦磷酸硫胺素的一个乙酰基，并被还原为二氢硫辛酸。由于硫辛酸在下次循环中被重新利用，因此它必须重新被氧化。二氢硫辛酸的氧化是由二氢硫辛酸脱氢酶的辅基FAD完成的，而FAD在下次循环中也被利用，它也必须重新被氧化，使NAD+还原为NADH。
2．解答：因为：
－
琥珀酸 →延胡索酸 ＋ 2H+ ＋ 2e E0'＝﹣0.031 V FAD ＋ 2H+ ＋ 2e → FADH2 E0'＝﹢0.03 V
总反应：琥珀酸 ＋ FAD →延胡索酸 ＋ FADH2 △E0'≈0 V
△G0'＝﹣nF△E0'＝﹣2×23062×0＝0
但是，若以NAD+作为该反应的电子载体，其情况是：
－
琥珀酸 →延胡索酸 ＋ 2H+ ＋ 2e E0'＝﹣0.031 V
－
NAD+ ＋ 2H+ ＋ 2e → NADH ＋ H+ E0'＝﹣0.3 15 V
总反应：琥珀酸 ＋ NAD+ →延胡索酸 ＋ NADH ＋ H+ △E0'＝﹣0.3 51 V
△G0'＝﹣nF△E0'＝﹣2×23062×（﹣0.3 51 ）
＝﹢67.3 kJ·mol/L
若琥珀酸被NAD+氧化，则有一个很大正值的△G0'，这对该反应是很不利的。但是，琥珀酸若被FAD氧化，其△G0'接近于零。
3．解答：通过加入更多的底物（在该反应中，底物是琥珀酸）可以克服竞争性抑制作用。草酰乙酸之所以能克服丙二酸的抑制作用，是因为它能通过柠檬酸循环转变成琥珀酸。
4．解答：为了合成柠檬酸，丙酮酸必须通过丙酮酸羧化酶催化转变成草酰乙酸：
丙酮酸 ＋ CO2 ＋ ATP ＋ H2O → 草酰乙酸 ＋ ADP ＋ Pi
此外，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶复合物催化下，氧化脱羧转变成乙酰CoA：
＋＋
丙酮酸 ＋ CoASH ＋ NAD → 乙酰CoA ＋ CO2 ＋ NADH ＋ H
在柠檬酸合酶催化下，草酰乙酸与乙酰CoA缩合，生成柠檬酸：
乙酰CoA ＋ 草酰乙酸 → 柠檬酸 ＋ CoASH
所以由丙酮酸净合成柠檬酸的反应是：
＋＋
2丙酮酸＋ATP＋NAD＋H2O → 柠檬酸＋ADP＋Pi＋NADH＋H
5．解答：乙酰CoA对丙酮酸脱氢酶（PDH）复合物两种组分的不同作用都会导致对丙酮酸转变成乙酰CoA反应的抑制。乙酰CoA是直接抑制该酶复合物的E2组分的活性，而乙酰CoA对该酶复合物的E1组分（丙酮酸脱氢酶）的抑制是间接的，这是通过对该酶复合物的丙酮酸脱氢酶激酶组分的激活实现的。丙酮酸脱氢酶激酶催化丙酮酸脱氢酶磷酸化而使
－
其失活。因此，乙酰CoA的这两种不同的作用与该酶复合物总的活性调节是一致的。
6．解答：①丙氨酸降解产生的丙酮酸可以在丙酮酸羧化酶的催化下转变成柠檬酸循环的中间物草酰乙酸。这是哺乳动物的一条主要的回补途径。亮氨酸降解产生的乙酰CoA只能进入柠檬酸循环被降解掉，不能为该循环补充代谢中间物。
②由于乙酰CoA能激活丙酮酸羧化酶，因而它促进了草酰乙酸直接从丙酮酸产生。于是会有更多的草酰乙酸与脂肪酸降解产生的乙酰CoA缩合，生成柠檬酸。其结果是加快了乙酰CoA经柠檬酸循环被氧化和能量转化的速度，导致更多的ATP由脂肪酸降解产生。
7．解答：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化的反应是：
磷酸烯醇式丙酮酸 ＋ CO2 ＋ H2O → 草酰乙酸 ＋ Pi
苹果酸脱氢酶催化的反应是：
草酰乙酸 ＋ NADH → 苹果酸 ＋ NAD+
从上面的反应可以看出，由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化产生的草酰乙酸可以被苹果酸脱氢酶定量转化成苹果酸，而这一定量转变导致NADH的定量氧化。因此，只要测定NADH在340 nm处的光吸收减少量即可测定出磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性。
8．解答：①细胞的呼吸由三个阶段组成：(a)燃料分子降解成乙酰CoA；(b)乙酰CoA进入柠檬酸循环，在该循环中被氧化成CO2，并使NAD+和FAD还原；(c)NADH和FADH2进入电子传递途径，被分子氧所氧化。由于这三个阶段是紧密偶联的，所以氧的消耗是细胞呼吸头两个阶段活性的一种量度。一分子的乙酰CoA进入柠檬酸循环需要一分子的草酰乙酸。由于草酰乙酸其后在循环中重新产生，所以它起了一种催化剂的作用。在该循环中，所有的中间物都起了这种作用。如果该循环的中间物浓度低于使该循环中的酶饱和所需的水平，那么，更多的中间物的加入将加速每种酶反应，从而加速该循环的运转。
②氧的消耗量比完全氧化加入的草酰乙酸或苹果酸所需要的量要大得多的观察，表明草 酰乙酸或苹果酸在柠檬酸循环中起催化作用。
9．解答： 在肝脏中，脂肪酸的分解代谢增高了乙酰CoA的浓度，它能刺激丙酮酸羧化酶，导致草酰乙酸水平的升高，进而导致加快乙酰CoA进入柠檬酸循环而被氧化的速度。柠檬酸水平的升高抑制了酵解中磷酸果糖激酶的活性，从而关闭了葡萄糖的利用。此外，乙酰CoA浓度的升高抑制了丙酮酸脱氢酶复合物的活性，从而来自酵解产生的丙酮酸的氧化脱羧受到限制。
10．解答：红细胞没有线粒体，不含有柠檬酸循环运转的酶，也不存在以氧为最终电子受体的呼吸链。因此氧的存在与否谈不上有什么影响。
第十二章 电子传递和氧化磷酸化
内容提要
电子从还原性辅酶NADH和FAD2经线粒体内膜上的电子传递链（即呼吸链）传递到氧分子，使氧还原，并与质子结合生成水。当电子沿电子传递链转移时，质子跨线粒体内膜从基质向膜间空间转移，产生跨内膜的电化学梯度，这种电化学梯度可用来推动ATP的合成。
线粒体含有可溶性的和膜结合的酶，这些酶参与氧化性代谢。胞液中产生的的还原当量（即还原性辅酶）经穿梭系统进入到线粒体基质中。内膜上的特殊的转移载体介导ADP、
＋
ATP、Pi和Ca2跨膜的转运。
电子传递链的各氧化还原载体在链中的排列具有严格的顺序。电子总是从电势较负的载体向电势较正的载体转移。内膜上的电子载体包括NADH脱氢酶、黄素蛋白、辅酶Q（CoQ）、铁-硫簇以及细胞色素类蛋白。它们或是转移两个电子，或是转移一个电子。这些载体在线粒体内膜中以4个复合物的形式按顺序地排列。电子传递抑制剂的应用揭示了电子复合物在内膜上的顺序。
复合物Ⅰ催化两个电子从NADH转移到CoQ，其间经过FMN和几个铁-硫簇。电子在
复合物Ⅰ传递时，伴随着4个质子从内膜内侧跨膜转移到膜外侧（即膜间空间）。复合物Ⅱ只催化电子从琥珀酸经FAD转移到CoQ,不涉及质子的转移。复合物Ⅲ催化两个电子分步从CoQ传递到细胞色素c。每次Q循环只转移一个电子至一个电子的载体，同时协调1个质子跨膜转运至膜间空间（两对电子需要4次Q循环，共协调4个质子转运）。复合物Ⅳ（细胞色素氧化酶）催化电子从细胞色素c转移到O2，使O2还原成H2O，每分子水的生成需要两对电子，同时伴随着4个质子（每对电子伴随两个质子）跨膜转移。
在电子经复合物传递时，铁-硫簇、细胞色素类蛋白以及Cu离子转移一个电子，而FMN、FAD和CoQ既可转移一个电子，也可转移两个电子。由于CoQ的疏水性，它可以在内膜的脂质双分子层中自由扩散；细胞色素c是一种水溶性的膜外周蛋白；其他膜结合的电子载体都是疏水的，被结合在内膜中。因此，CoQ和细胞色素c在电子传递链的各个复合物之间起着桥梁的（或者连接者的）作用。
化学渗透学说为ATP的氧化磷酸化的偶联生成提供了解释。来自被氧化底物上的一对电子沿传递链转移时所产生的跨膜的电化学梯度（即质子推动力,pmf）是ATP合成的原动力。当被转移至膜间空键的质子返回到线粒体基质中时，所释放的能量推动ADP磷酸化生成ATP。质子推动力（Δp）取决于跨膜的质子浓度（ΔpH）和内膜两侧的电位差（Δψ）。
ATP合酶（F1F0-ATPase）催化ATP（ADP＋Pi→ATP）的合成。该酶由F1和F0两部分组成。F1是可溶性部分，由五种不同的亚基构成；它单独存在只具有水解ATP的能力，不具催化ATP合成的活性。F0是疏水的，包埋在内膜中，含有质子通道。当质子经质子通道从膜间空间返回到基质中时，质子的流动推动ATP合酶的F1组分合成ATP。氧化磷酸化抑制剂通过同F0的疏水亚基结合阻断质子经质子通道返回到基质，从而抑制ATP的合成。
ATP合酶催化ATP合成可能是通过一种叫做“结合变化机制”（binding change mechanism）完成的。质子返回所产生的力只是用来改变ATP合酶的构象，从而调节该酶的底物和产物与酶的结合力。
P/O比（每对电子沿传递链转移所产生的ATP数）取决于跨膜转运的质子数。每分子ATP的合成大约需要4个质子的转移，NADH沿传递链传递伴随10个质子的跨膜转运，因此产生2.5ATP，FADH2沿传递链传递只伴随6个质子的跨膜转运，故产生1.5ATP。
化学渗透学说要求内膜必须完整，任何导致质子的渗漏都会破坏质子梯度建立。解偶联剂能造成质子的渗漏，因而破坏了推动ATP合成的质子推动力的确立。抑制了ATP的合成。但解偶联剂不抑制电子的传递。
氧化磷酸化速度是通过底物的可用性以及细胞对能量的需要来调节。主要的控制因素是反映细胞能量状况的质量作用比（mass action ratio）[ATP]/[ADP][Pi]。根据细胞对氧化磷酸化的需要，糖酵解和柠檬酸循环也受到协同调节。
习题：
1．为什么胞液产生的NADH经苹果酸-天冬氨酸穿梭系统跨膜转运进入线粒体所产生的ATP分子数比线粒体本身的NADH所产生的ATP分子数少？
2．大多数脱氢酶对NAD+是专一的，从不同底物上脱下的电子大多数可以集中到同一分子NAD+上，然后以还原型的形式进入呼吸链。但是，线粒体外的NADH必须穿过线粒体内膜才能进入呼吸链被氧化。如果把在C-4用3H标记的NADH加入到含有线粒体和全部胞液酶的鼠肝制剂中，放射性很快出现在线粒体基质中。但是，如果加入在C-7用14C标记的NADH，放射性不会出现在线粒体基质中。关于线粒体外的NADH通过呼吸链被氧化，上述这些观察告诉我们什么样的结论?
3．与电子传递链的其他组分不同，泛醌往往被称为辅酶(CoQ)。它什么样的特征使得它的行为象一种辅酶？泛醌什么部位经受氧化还原？它的类异戊二烯侧链有什么样的功能?
4．有功能的电子转移系统可以用纯化的电子传递链的组分和膜颗粒重新构成。根据下面的每套组分确定最后的电子受体。假定O2存在。
①NADH、CoQ、复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ；
②NADH、CoQ、细胞色素c、复合物Ⅱ和Ⅲ；