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TCA 循环(三羧酸循环)3D · 使用说明书

以 8 个酶的真实蛋白结构(AlphaFold)构建环形代谢主链,支持缺氧 / 加药断点模拟、变构调控查询与能量收支核算
适用对象:生物化学 / 临床医学 / 药学毒理 / 运动科学 / 法医学 对应网页:tca_cycle_3d.html 编制:于杨课题组

1. 这个页面能做什么

本页把三羧酸循环的 8 步反应做成一条闭合的 3D 环形主链:8 个酶是真实蛋白结构(AlphaFold),底物与中间体以金色光点沿环流动,环的闭合即草酰乙酸再生。你可以:

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2. 分专业使用导引

专业 / 受众推荐路径讲解侧重点建议时长
基础医学 / 生物化学(研究生)主线完整走(第 8 节脚本)分布式调控、能量核算、变构网络15 min
临床医学(研究生)缺氧 + 毒物 + 文献页签病理生理、肿瘤代谢转化10 min
药学 / 毒理学毒物模拟线(第 6 节)靶点抑制机制、中毒代谢8 min
生物学 / 结构生物学酶节点 + 结构式弹窗蛋白结构、辅因子化学8 min
运动科学 / 营养学能量账 + Ca²⁺ 偶联供能偶联、运动代谢6 min
法医学毒物模拟 + 堆积谱型中毒案例的代谢证据6 min
本科 / 护理(入门)主线 30 s + 缺氧态 30 s循环概览、「车流」比喻5 min
入门降维导览:只走主线前 3 步(总览 + 环形 + 能量账),切缺氧态看「断点 + 堆积」的直观感受,其余页签略过,用「车流」比喻讲光点。讲清循环「是什么、断在哪、断了会怎样」三层即可,避开 ΔG°′、变构调控、肿瘤代谢等深度内容。

3. 界面导览

顶部标题栏

左侧标题与副标题(1 乙酰-CoA → 2 CO₂ · 3 NADH · 1 FADH₂ · 1 GTP)

右侧三个面板:切换状态、毒物加药、说明 About

3D 环形主链

8 个彩色酶节点围成环;乙酰-CoA 入口在前侧(金色发光圆环 + 「入口 ENTRY」标签)

22 个金色光点沿环流动,终点(草酰乙酸再生段)转绿;断点前停滞堆积

左侧资料面板

四个页签:通路状态、辅因子(收支 + 总反应式)、调控(变构调节表)、文献(10 篇)

底部控制栏

播放 / 暂停、速度(0.2–3×)、间距(0.5–1.6×)、重置视角

鼠标:左键拖拽旋转、滚轮缩放、右键平移

4. 八步反应总表

步反应酶(缩写)能量 / 辅因子
1乙酰-CoA + 草酰乙酸 → 柠檬酸柠檬酸合酶 CS释放 CoA-SH · 不可逆(ΔG°′ −31.4 kJ/mol)
2柠檬酸 ⇌ 异柠檬酸乌头酸酶 ACO2[4Fe-4S]²⁺ 铁硫簇
3异柠檬酸 → α-酮戊二酸异柠檬酸脱氢酶 IDH3+CO₂ +NADH · 不可逆(−21 kJ/mol)· 关键
4α-酮戊二酸 → 琥珀酰-CoAα-KGDH 复合体+CO₂ +NADH · 不可逆(−33.5 kJ/mol)· 关键
5琥珀酰-CoA → 琥珀酸琥珀酰-CoA 合成酶 SCS+GTP(唯一底物水平磷酸化)
6琥珀酸 → 延胡索酸琥珀酸脱氢酶 SDH+FADH₂(即呼吸链复合体 II)
7延胡索酸 → 苹果酸延胡索酸酶 FH+H₂O
8苹果酸 → 草酰乙酸苹果酸脱氢酶 MDH2+NADH(再生,闭合环形)

每圈净得:3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP + 2 CO₂(总 ΔG°′ ≈ −59 kJ/mol)。

5. 缺氧双断点(核心教学点)

TCA 没有单一限速酶(不同于糖酵解的 PFK-1),通量由柠檬酸合酶、IDH3、α-KGDH 分布式分担。点击顶部「缺氧 · ETC 受阻」:

  1. 呼吸链受阻 → NADH/NAD⁺ 比值升高;
  2. IDH3 与 α-KGDH 被反馈抑制 → 两处红色 × 断点,颗粒在异柠檬酸前、α-KG 前停滞堆积;
  3. 下游箭头变灰、产物变暗;
  4. 左侧面板联动显示 6 项表型(乳酸酸中毒、ATP 产能骤降、Warburg 效应等)。
教学提示:这正是线粒体功能障碍时的真实代谢状态,也是 HIF-1α → PDK1 → 抑制 PDC → Warburg 效应的生化链条入口。

6. 毒物模拟(右上角加药,可多选)

毒物靶酶机制效应
氟乙酸钠乌头酸酶 ACO2致死性合成(→ 氟柠檬酸)柠檬酸堆积,循环中断(剧毒鼠药)
丙二酸琥珀酸脱氢酶 SDH竞争性抑制(Ki ≈ 10 μM)琥珀酸 → 延胡索酸受阻(经典教学案例)
砷化物 As³⁺α-KGDH不可逆结合硫辛酸二巯基α-KG 堆积,循环中断
3-硝基丙酸SDH不可逆抑制琥珀酸堆积(亨廷顿病模型)

点击毒物药丸:加药(断点红叉 + 颗粒停滞)同时弹出该毒物的化学结构式;再点一次撤药。缺氧切换与毒物加药共用同一断点引擎,可叠加演示。

7. 变构调控速查(「调控」页签)

酶激活抑制
柠檬酸合酶 CS—NADH、ATP、琥珀酰-CoA、柠檬酸
异柠檬酸脱氢酶 IDH3ADP、Ca²⁺ATP、NADH
α-KGDH 复合体Ca²⁺(Km ≈ 0.2 μM)NADH、琥珀酰-CoA
琥珀酸脱氢酶 SDHATP草酰乙酸、丙二酸
苹果酸脱氢酶 MDH2—NADH

Ca²⁺ 同时激活 IDH3 与 α-KGDH——这是肌肉收缩时线粒体快速产能的偶联机制(心脏运动时有氧代谢可提高 5–10 倍)。

8. 五分钟课堂脚本(建议演示顺序)

  1. 30 s 总览:拖动旋转查看 8 个真实蛋白结构围成的环形;说明金色颗粒流动 = 代谢流,环形闭合 = 草酰乙酸再生。
  2. 1 min 主线:点按连线上的代谢物名(柠檬酸、α-KG…)看结构式;点按酶节点看催化反应与辅因子。
  3. 1 min 能量账:切「辅因子」页签,核对 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP + 2 CO₂,对照总反应式。
  4. 1.5 min 分布式控制:切「缺氧·ETC 受阻」,观察双断点与双停滞;对照「调控」页签的 NADH 反馈条目,点出「无单一限速酶」。
  5. 1 min 毒理学:依次加氟乙酸钠、丙二酸、砷化物,观察各自断点位置与堆积区段;说明致死性合成与竞争性抑制。
  6. 30 s 临床延伸:文献页签引出 IDH 突变 → 2-HG → 表观遗传致癌(Ivosidenib / Vorasidenib 靶向药);SDH / FH 缺陷 → 副神经节瘤 / HLRCC。

9. 环路光点解读要点(供教师讲解)

观察项表现教学含义
正常态光点均匀分布、匀速流动稳态通量:各步反应速度匹配,中间体「在途池」恒定
缺氧 / 断点态断点前堆积变密、断点后疏空酶被抑制 → 上游底物蓄积、下游产物枯竭——阻断实验的标志性谱型
速度滑块调快光点移动加速仅是演示播放速度,不是代谢速率本身
必讲的一句话(防误解):光点只回答「流断没断、在哪断」,不回答「有多少分子」——光点密度 ≠ 代谢物浓度,光点速度 ≠ 反应速率。真实代谢中,中间体浓度由回补反应(anaplerosis)与消耗的平衡决定,通量取决于限速酶活性;TCA 无单一限速酶,靠底物供给、[NADH]/[NAD⁺]、[ATP] 分布式调控维持稳态。缺氧态「IDH3/α-KGDH 双断点、上游堆积」正是调控失效后的连锁反应——上游堆积又会反馈抑制,形成正反馈锁死。

10. 数据来源与结构说明