三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，簡稱TCA循環），又稱檸檬酸循環、Krebs循環，是在有氧條件下丙酮酸在線粒體中徹底氧化分解、釋放能量的代謝途徑，發生于線粒體底物中，但也會部分地在線粒體內膜或嵴膜上發生。
三羧酸循環是英國生物化學家Hans Krebs于1937年提出的概念。三羧酸循環從乙酰輔酶A和草酰乙酸這兩種底物開始，經過檸檬酸的生成反應、檸檬酸的異構化反應、異檸檬酸的氧化脫羧反應、α-酮戊二酸的氧化脫羧反應、琥珀酸的生成反應、反丁烯二酸的生成反應、DL-蘋果酸的生成反應、草酰乙酸的再生反應，重新生成草酰乙酸，完成一個循環。該循環的特點包括碳骨架的變化、水分子的參與、對氧的需求。一分子的乙酰-CoA在被檸檬酸循環代謝后，可產生兩分子的CO2分子、三分子NADH、一分子FADH2，以及一分子GTP。
三羧酸循環不僅是糖代謝的主要途徑，也是三大營養物質（糖類、脂類和氨基酸）的最終代謝通路，又是糖類、脂類、氨基酸代謝病相互聯系的樞紐，在動植物和微生物細胞中普遍存在，具有重要的生理意義。
定義
在有氧條件下，糖酵解產物丙酮酸經過氧化脫羧形成乙酰輔酶A。乙酰-CoA通過一個循環被徹底氧化為CO?和H?O，同時釋放出大量能量。因為這個過程的第一個產物是含有三個羧基的檸檬酸，所以稱為三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，簡稱TCA循環）或檸檬酸循環，也稱為Krebs循環。
歷史發展
1911~1920年，T.Thunberg發現約40種有機化合物能為動物組織所氧化，其中以琥珀酸、反丁烯二酸、DL-蘋果酸和檸檬酸被氧化最快，他還提出冰醋氧化循環機理。1935年，Szent Gy?rgyi發現三羧酸循環成員的所有羧酸均能刺激動物組織的呼吸作用，它以氧化葡萄糖等底物為基礎。
1937年，英國生物化學家Hans Krebs在總結前人工作及他本人利用鴿胸肌進行的一系列實驗的基礎上提出三羧酸循環，他也因此獲得了1953年的諾貝爾生理學或醫學獎。
丙酮酸的氧化脫羧
大部分生物的糖分解代謝是在有氧條件下進行，糖酵解生成的丙酮酸在有氧條件下的徹底氧化分解。從丙酮酸開始的徹底氧化可分為兩個階段：丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A和乙酰-CoA的乙酰部分經過三羧酸循環被徹底氧化。
由于生成丙酮酸的糖酵解途徑在細胞質中進行，而丙酮酸脫氫酶復合體和三羧酸循環過程中的反應都位于線粒體中，所以細胞質中產生的丙酮酸需要進入線粒體基質。丙酮酸進入線粒體是通過線粒體外膜上的通道和內膜上的丙酮酸易位酶來完成的。
丙酮酸氧化脫羧生成乙酰-CoA
丙酮酸的氧化脫羧是糖酵解產物丙酮酸在有氧條件下，由丙酮酸脫氫酶復合體（pyruvate dehydrogenase complex，PDC）催化生成乙酰輔酶A的反應。該反應既脫氫又脫羧，故稱氧化脫羧。該反應不可逆，它本身不屬于糖酵解，也不屬于三羧酸循環，卻是連接糖酵解與三羧酸循環的中心環節。
催化這一反應的丙酮酸脫氫酶復合體位于線粒體內膜上，是一個結構復雜的多酶復合體，由丙酮酸脫氫酶（E1）、二氫硫辛酰轉乙酰酶（E2）和二氫硫辛酰脫氫酶（E3）3種酶組成。此外，在多酶復合體中還包含有硫胺素焦磷酸（tpp）、α-硫辛酸、CoA-SH、FAD、NAD?等輔助因子。其中TPP是El的輔基，硫辛酸是E2的輔基，FAD是E3的輔基。
丙酮酸氧化脫羧的過程可以分為以下幾個步驟：首先由丙酮酸脫氫酶（E1）催化丙酮酸與TPP連接并脫羧，生成羥乙基-TPP，而后羥乙基氧化為乙酰并轉移給二氫硫辛酰轉乙酰酶（E2）的硫辛酰胺。TPP-E1回復原來的狀態。
接下來由E2催化乙酰基轉移至CoA的巰基，生成乙酰輔酶A，此時酶分子中的硫辛酰胺是還原態。在二氫硫辛酰脫氫酶（E3）的催化下，將二氫硫辛酰胺的氫傳遞給FAD生成FADH?，同時分子本身被氧化，重新形成氧化數的二氫硫辛酰轉乙酰酶。FADH?再將氫傳遞至NAD?，生成NADH，E3再生為氧化態。整個過程中，第一步脫羧反應是不可逆的。
丙酮酸氧化脫羧反應的調節
丙酮酸的氧化脫羧反應是決定丙酮酸命運的關鍵步驟。由丙酮酸氧化脫羧生成的乙酰-CoA進入三羧酸循環繼續氧化，而NADH+H+則進入電子傳遞鏈生成ATP。催化該反應的丙酮酸脫氫酶復合體受到能量水平與代謝物水平的調節，其調節機制包括別構調節和共價調節。
產物的別構調節
丙酮酸氧化脫羧的產物NADH和乙酰輔酶A能夠抑制丙酮酸脫氫酶的活性，其中乙酰-CoA抑制二氫硫辛酰轉乙酰酶，NADH抑制二氫硫辛酰脫氫酶。此外，丙酮酸脫氫酶復合體的活性受細胞能荷的調控。當細胞能量消耗增加時，AMP、CoA-SH和NAD?能別構激活該酶的活性；當細胞能量供應充足時，ATP抑制丙酮酸氧化脫羧的進行。
磷酸化共價調節
丙酮酸脫氫酶分子的特定絲氨酸殘基受可逆的磷酸化共價調節。可逆的磷酸化反應由專一的蛋白激酶和磷酸酶催化，能夠使丙酮酸脫氫酶的一個亞基磷酸化而失活。酶的去磷酸化形式為活性狀態，而磷酸化形式為非活性狀態。ATP、NADH和乙酰輔酶A能夠增強磷酸化反應，抑制酶的活性；ADP、NAD?和CoA-SH能夠抑制磷酸化反應，增強酶的活性。
循環過程
三羧酸循環的總化學反應式：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H++CoA-SH
三羧酸循環包括檸檬酸的生成反應、檸檬酸的異構化反應、異檸檬酸的氧化脫羧反應、α-酮戊二酸的氧化脫羧反應、琥珀酸的生成反應、反丁烯二酸的生成反應、DL-蘋果酸的生成反應、草酰乙酸的再生反應等主要步驟。
檸檬酸的生成反應
在檸檬酸合酶（citrate synthase）的催化下，乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合生成檸檬酰-CoA，而后高能硫代酸酯水解形成1分子檸檬酸并釋放CoA-SH。這是三羧酸循環途徑的第1步反應，也是限速反應。反應釋放大量的自由能，反應是不可逆的。
ATP、NADH和琥珀酰輔酶A是檸檬酸合酶的別構抑制劑；ADP是該酶的別構激活劑。此外，底物乙酰-CoA和草酰乙酸的濃度對檸檬酸的合成速度有重要影響。檸檬酸合酶是三羧酸循環中的第一個調節酶。
檸檬酸的異構化反應
在順烏頭酸酶（aconitase）的催化下，檸檬酸先脫水生成順烏頭酸，然后再加水生成異檸檬酸。這是一步可逆的異構化反應。
這個反應的底物檸檬酸是一個具有前手性的對稱分子。所謂前手性是指一個非手性分子經取代反應后失去對稱性轉變為手性分子的特性。前手性分子上存在立體異位面。例如，檸檬酸分子中心的碳原子形成四面體結構，當順烏頭酸酶與檸檬酸分子不同的側面結合時就會有立體結構上的差異。同位素標記結果顯示，此步異構化反應羥基只能連接在來自草酰乙酸的碳原子上。這說明順烏頭酸酶對檸檬酸分子的結合是有立體選擇性的，異構化生成異檸檬酸的反應是不對稱的。
異檸檬酸的氧化脫羧反應
這是三羧酸循環的第1次氧化還原反應。在異檸檬酸脫氫酶（isocitrate dehydrogenase）的催化下，異檸檬酸被氧化脫氫，生成草酰琥珀酸中間產物。草酰琥珀酸是一個不穩定的β-酮酸，迅速脫羧生成α-酮戊二酸。反應釋放大量自由能，因此是不可逆的。異檸檬酸脫氫酶是三羧酸循環中的第二個調節酶。
α-酮戊二酸的氧化脫羧反應
這是三羧酸循環中第2個氧化脫羧反應，在α-酮戊二酸脫氫酶復合體（α-ketoglutarate dehydrogenase complex）的催化下，α-酮戊二酸氧化脫羧并結合CoA-SH生成琥珀酰輔酶A、1分子NADH+H?和1分子CO?.這一步反應釋放出大量能量，是不可逆反應。
α-酮戊二酸脫氫酶復合體與丙酮酸脫氫酶復合體的結構和催化機制相似，由α-酮戊二酸脫氫酶、二氫硫辛酰轉琥珀酰酶和二氫硫辛酰脫氫酶3種酶組成，也需要tpp、α-硫辛酸、CoA-SH、FAD、NAD?等輔助因子的參與，并同樣受產物NADH、琥珀酰-CoA及ATP、GTP的反饋抑制。但與丙酮酸脫氫酶復合體不同的是α-酮戊二酸脫氫酶復合體不受磷酸化調節。
琥珀酸的生成反應
這是三羧酸循環中唯一的通過底物水平磷酸化直接產生高能磷酸化合物的反應。在琥珀酰輔酶A合成酶（succinyl-CoA synthetase）催化下，高能化合物琥珀酰-CoA的高能硫代酸酯水解釋放的能量使GDP磷酸化生成GTP，同時生成琥珀酸。GTP很容易將磷酸基團轉移給ADP形成ATP。動物中，有兩種琥珀酰-CoA合成酶的同工酶，分別對ADP或GDP專一，生成ATP或GDP；但在植物中琥珀草酰琥珀酸是一個不穩定的β-酮酸，迅速脫羧生成α-酮戊二酸。反應釋放大量自由能，因此是不可逆的。異檸檬酸脫氫酶是三羧酸循環中的第二個調節酶。
延胡索酸的生成反應
該反應是三羧酸循環中的第3個氧化還原反應。在琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase）的催化下，琥珀酸被氧化脫氫生成延胡索酸（反丁烯二酸），酶的輔基FAD是氫受體，反應生成1分子FADH?。琥珀酸的結構類似物丙二酸等是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑。
琥珀酸脫氫酶與其輔基以共價方式結合，FAD雜環化合物上的甲基與酶分子的一個組氨酸的生物合成雜環上的氮形成共價鍵。這種連接方式不同于絕大多數酶與FAD輔基的緊密而非共價的結合。琥珀酸脫氫酶是三羧酸循環中唯一與線粒體內膜結合的酶（其他的酶都分布于線粒體基質中）。因此，在參與三羧酸循環的同時，它也參與電子傳遞過程。由琥珀酸脫氫酶催化的反應脫下的氫和電子能夠直接進入線粒體內膜的電子傳遞鏈。
蘋果酸的生成反應
延胡索酸酶（fumarase）可催化延胡索酸發生水合反應生成蘋果酸。由于該酶具有立體專一性，此反應僅生成L-蘋果酸。該反應具有可逆性。
草酰乙酸的再生反應
該反應是三羧酸循環中的第4個氧化還原反應，也是最后一步反應。在蘋果酸脫氫酶（malate dehydrogenase）的催化下，蘋果酸氧化脫氫生成草酰乙酸，NAD?是氫受體，至此，草酰乙酸得以再生，又可接受進入循環的乙酰輔酶A分子，進行下一輪三羧酸循環反應。
能量產生
自乙酰-CoA進入三羧酸循環開始，在第3、4、6、8步共4個氧化還原反應中各脫下1對氫原子，其中3對氫原子交給NAD?，生成3分子NADH+H+，另1對氫原子交給FAD生成FADH?。NADH+H?和FADH?在電子傳遞鏈中被氧化，電子經過電子傳遞體傳遞給O?并與ATP的生成偶聯。在線粒體中每個NADH+H+產生2.5個ATP，每個FADH?產生1.5個ATP，經計算共可轉化為9分子ATP。另外，在琥珀酰輔酶A生成琥珀酸時，伴隨著底物水平磷酸化生成1分子GTP（植物中為ATP）。因此，1分子乙酰輔酶A通過三羧酸循環被氧化共可產生10分子ATP。
葡萄糖徹底氧化分解需要經過糖酵解途徑、丙酮酸氧化脫氫脫羧和檸檬酸循環途徑，最終生成產物水和二氧化碳。下面我們來計算一下葡萄糖徹底氧化分解產生的ATP的數量。
首先，1分子葡萄糖經糖酵解途徑分解成2分子丙酮酸凈生成2分子ATP和2分子NADH。原核生物中2分子NADH經電子傳遞鏈產生5分子ATP，因此折合7分子ATP。真核生物糖酵解途徑產生的NADH可分別經磷酸丙三醇系統或DL-蘋果酸天門冬氨酸穿梭系統，在線粒體中形成FADH?或NADH，因此2分子NADH可產生5分子或7分子ATP。
接下來，2分子丙酮酸轉變成2分子乙酰輔酶A時生成2分子NADH，可以產生5分子ATP。
1分子乙酰-CoA通過三羧酸循環被氧化可產生10分子ATP，2分子乙酰-CoA能夠產生20分子ATP。
綜合起來，1分子葡萄糖經過糖酵解途徑、丙酮酸氧化脫氫脫羧和三羧酸循環途徑，最終可以產生32分子ATP（原核生物），30分子或32分子ATP（真核生物）。
調控功能
研究一個代謝途徑的調控首先要了解催化其速率控制步驟的酶，以及這些酶在體內的底物的濃度和調節方式。然而，這種研究對于三羧酸循環來說卻相當困難。這主要是因為三羧酸循環的很多中間產物既存在于線粒體中，也存在于細胞質中。這就使得對酶催化反應底物或產物的濃度難以確定。因此，在研究過程中我們首先假定這些物質在線粒體內外處于平衡狀態，然后以細胞中的總濃度來推測線粒體中的濃度。
從△G?可以判斷有三個酶是調節三羧酸循環途徑的關鍵酶，即檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復合體。
三羧酸循環調控的驅動力是細胞對能量的需求，因此調節過程必然與細胞中氧的消耗、NADH的氧化以及ATP的生成密切相關。通過前面章節的學習我們已經知道，糖酵解和糖異生途徑主要的調節方式是對關鍵酶的別構調節、共價修飾調節及底物的影響。對于三羧酸循環途徑來說，其調控主要是3種簡單的機制：①底物效應，②產物抑制，③其他代謝物的競爭性反饋抑制。
檸檬酸合酶的活性受其底物草酰乙酸和乙酰輔酶A濃度的調節。草酰乙酸濃度下降會抑制檸檬酸的合成。同樣，能夠與乙酰-CoA競爭的其他脂酰-CoA也能夠競爭性地減少檸檬酸的合成。此外，當ATP水平高時，與酶結合的乙酰-CoA較少，導致合成的檸檬酸減少。
異檸檬酸脫氫酶的活性能夠被ATP、琥珀酰輔酶A和NADH抑制；ADP能夠激活該酶的活性。這是由于ADP是該酶的變構激活劑，能增大此酶對底物的親和力。
α-酮戊二酸脫氫酶復合體受ATP及其所催化的反應產物琥珀酰-CoA、NADH的抑制。在α-酮戊二酸脫氫酶復合體中，二氫硫辛酰轉琥珀酰酶是關鍵酶，它能夠對進入循環的α-酮戊二酸進行調控從而調節三羧酸循環的正常運行。琥珀酰-CoA是該酶的強烈抑制劑，ATP和NADH抑制該酶的活性。
主要特點
碳骨架的變化
乙酰輔酶A進入三羧酸循環后，產生了六碳的三羧酸（檸檬酸）。釋放1分子CO?后，形成五碳的二羧酸（α-酮戊二酸），α-酮戊二酸釋放1分子CO?，形成了四碳的二羧酸（琥珀酰輔酶A）。之后都是二羧酸的反應。三羧酸循環的整個過程是兩個碳原子被氧化成CO?離開循環。
水分子的參與
在整個循環過程中消耗了2分子水，1分子用于檸檬酸的合成，另1分子用于反丁烯二酸的水合作用，形成L-DL-蘋果酸。水的加入相當于向中間產物上加入了氧原子，促進了還原性碳原子的氧化。另外，在琥珀酰-CoA合成酶催化的反應中，GDP磷酸化所釋放的水也用于高能硫代酸酯的水解，二者在數量上相互抵消。
對氧的需求
分子氧并不直接參與三羧酸循環，但三羧酸循環只能在有氧條件下才能進行，因為只有當電子傳遞給分子氧時，NADH和FADH?才能再生為NAD?和FAD；如果沒有氧，NAD?和FAD不能再生，三羧酸循環就不能繼續進行，因此，三羧酸循環是嚴格需氧的。
生物學意義
1.三羧酸循環是生物界中的動物、植物及微生物中都普遍存在的代謝途徑，是機體將糖或其他物質氧化而獲得能量的最有效方式。在糖代謝中，糖經此途徑氧化產生的能量最多。
2.三羧酸循環的中間產物如草酰冰醋、α-酮戊二酸、丙酮酸、乙酰輔酶A等是合成糖、氨基酸、脂肪等生物分子的原料。此外該循環是糖、蛋白質和脂肪徹底氧化分解的共同途徑，是聯系3大類物質代謝的樞紐。蛋白質水解的產物如谷氨酸、天門冬氨酸、丙氨酸等脫氨或轉氨后的碳架要通過三羧酸循環才能被徹底氧化；脂肪分解產生丙三醇和脂肪酸，脂肪酸經β-氧化產生乙酰-CoA，甘油和乙酰-CoA徹底氧化都需要經過三羧酸循環。
3.檸檬酸性質很活潑，在糖代謝的調節中很重要，別構抑制6-磷酸果糖激酶2使果糖-2,6-二磷酸減少，抑制糖的分解;檸檬酸還可促進乙酰輔酶A羧化酶，促進脂肪酸的合成。琥珀酰輔酶A與甘氨酸一起作為合,成血紅素的原料;乙酰CoA又是合成膽固醇的原料。三羧循環在提供生物合成的前體中起重要作用。
回補反應
三羧酸循環從草酰乙酸與乙酰-CoA的羥醛縮合開始，到草酰乙酸的再生結束，其過程中的中間產物可以成為很多生物分子合成的前體。例如，α-酮戊二酸和草酰乙酸分別是谷氨酸和天門冬氨酸合成的碳架；琥珀酰-CoA是葉綠素和血紅素中卟啉環合成的前體；檸檬酸轉運至細胞質后裂解成乙酰輔酶A可用于脂肪酸合成。上述過程都消耗三羧酸循環的中間產物，最終導致中間產物濃度下降，從而影響三羧酸循環的進行。因此，必須從其他代謝途徑補充一些中間產物才能使保證三羧酸循環的正常進行。這種補充稱為回補反應（anaplerotic reaction）。回補反應主要有以下幾種途徑。
丙酮酸羧化生成草酰乙酸
在哺乳動物的肝臟和腎臟中，丙酮酸羧化成草酰乙酸是最重要的回補反應。在丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）的催化下，丙酮酸在線粒體中生成草酰乙酸，該反應的輔基是生物素。
丙酮酸羧化酶是一個調節酶，它被高濃度的乙酰輔酶A激活。它催化的反應是動物中最重要的回補反應。其催化機制在第三節糖異生中已有介紹。
磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草酰乙酸
在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEP carboxylase）的作用下，磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）生成草酰乙酸。該反應在細胞質中進行，生成的草酰乙酸需轉變成DL-蘋果酸后經穿梭進入線粒體，然后再脫氫生成草酰乙酸。這是糖異生作用途徑中草酰乙酸轉變為磷酸烯醇式丙酮酸的逆過程。
蘋果酸脫氫生成草酰乙酸
在蘋果酸酶（malic enzyme）的催化下，丙酮酸羧化生成蘋果酸，再在蘋果酸脫氫酶的作用下脫氫生成草酰乙酸。其中蘋果酸脫氫酶以NAD?作為輔酶。
氨基酸形成草酰乙酸
天門冬氨酸和α-酮戊二酸經轉氨作用，可形成草酰乙酸和谷氨酸。此外，異亮氨酸、纈氨酸、Thr和甲硫氨酸也可形成琥珀酰輔酶A來補充三羧酸循環的中間產物。
參考資料 >
三羧酸循環.中國大百科全書.2025-04-15