柠檬酸循环

**三羧酸循環**（tricarboxylic acid cycle） 可簡稱為 TCA cycle，亦作**檸檬酸循環**（citric acid cycle），是有氧呼吸的第三階段。該循環以循環中一個重要中間體檸檬酸命名，又因爲檸檬酸是一種三元羧酸，該反應又稱爲三羧酸循環。該循環亦因由英國生物化學家克雷布斯（Krebs）發現而稱爲**克雷布斯循環**（Krebs cycle），克雷布斯亦因此項貢獻獲 1953 年諾貝爾生理學或醫學獎。丙酮酸在經過丙酮酸去氫酶系氧化，生成乙醯輔酶 A（acetyl-CoA）後，與四碳二元羧酸草醯乙酸化合，生成檸檬酸，進入檸檬酸循環。隨後，經過一系列反應，兩個碳原子轉化爲二氧化碳（CO2）分子，檸檬酸中蘊藏的化學能轉化至還原的輔酶中。檸檬酸循環的終產物仍然是草醯乙酸，這使得該循環能源源不斷地氧化輸入循環的乙醯輔酶 A。

一般情況下，檸檬酸循環產生的還原輔酶會連同糖解過程產生的還原輔酶一同，在氧化磷酸化過程中氧化，生成大量的 ATP。一分子的乙醯輔酶 A 在被檸檬酸循環代謝後，可產生兩分子的 CO2 分子、三分子 NADH、一分子 FADH2，以及一分子 GTP。

檸檬酸循環可以代謝醣類、脂質，以及大部分胺基酸，因爲這三類物質都能轉換爲乙醯輔酶 A 或檸檬酸循環的中間體，從而進入檸檬酸循環之中。另外，檸檬酸循環的許多中間體可供生物體利用。當中間產物不足時，可通過添補反應對中間產物進行補充。生物體最重要的填補反應是在丙酮酸羧化酶催化下，以一分子丙酮酸和一分子二氧化碳分子爲原料，合成一分子草醯乙酸的反應。

檸檬酸循環發生於粒線體受質中，但也會部分地在粒線體內膜或皺褶膜上發生。

## 發現

1930 年代，檸檬酸循環中的一些化學反應就已由阿爾伯特・聖捷爾吉闡明。阿爾伯特・聖捷爾吉因他對檸檬酸循環中的一個重要中間體延胡索酸的研究，而獲得 1937 年諾貝爾生理學或醫學獎。檸檬酸循環本身則是由德國生物化學家漢斯・阿道夫・克雷布斯在 1937 年於錫菲大學發現的。他因對檸檬酸循環的研究而獲得 1953 年諾貝爾生理醫學獎。

## 進化

構成檸檬酸循環的一些化學反應在厭氧細菌中就已出現了。檸檬酸循環本身則可能經過多次進化。從理論上說，檸檬酸循環並不是沒有相關的替代方案。然而，檸檬酸循環的效率卻是最高的。即使存在進化上獨立的能替代檸檬酸循環的過程，它們也應該已通過趨同演化而與檸檬酸循環融合。

## 在有氧呼吸中的位置

醣類在細胞質受質中發生糖解後，生成的終產物是丙酮酸。丙酮酸通過粒線體外膜上的通道蛋白，再通過粒線體內膜上的丙酮酸轉位酶進入粒線體受質。之後，丙酮酸經丙酮酸去氫酶複合體氧化，轉化爲可進入檸檬酸循環的乙醯輔酶 A，這一過程稱爲丙酮酸氧化。檸檬酸循環發生於粒線體受質中，但也有一部分會於粒線體內膜或皺褶膜上發生。原核生物的檸檬酸循環則發生於細胞質受質中。檸檬酸循環產生的還原輔酶會在氧化磷酸化過程中與氧氣反應，產生的能量會部分轉移到 ATP 中。

## 概述

檸檬酸循環是一個關鍵的代謝途徑，它統一了碳水化合物、脂肪和蛋白質的代謝。

## 步驟

檸檬酸循環可概括爲 8 大反應步驟：

* 第一步，乙醯輔酶 A（Acetyl-CoA）與四碳的草醯乙酸（Oxaloacetate）發生縮合反應和硫酯水解，生成檸檬酸（Citrate）。由於硫酯水解釋放能量，反應是不可逆的。
* 第二步，檸檬酸在烏頭酸酶（Aconitase）的催化作用下生成異檸檬酸（Isocitrate）。烏頭酸酶可以催化順烏頭酸的水合反應及水合產物檸檬酸、異檸檬酸的脫水反應。該反應是可逆的，在 pH=7.0，25 攝氏度條件下，平衡混合物中檸檬酸和異檸檬酸的比例為 9:1。但因爲異檸檬酸不斷消耗，反應平衡方不斷右移。
* 第三步，異檸檬酸在異檸檬酸去氫酶（Isocitrate dehydrogenase）作用下，經中間體草醯琥珀酸（Oxalosuccinate）氧化脫羧生成 α- 酮戊二酸（α-Ketoglutarate）。在異檸檬酸轉化爲草醯琥珀酸的過程中，有一分子 NAD+ 還原爲 NADH。草醯琥珀酸具有 β- 酮酸的結構，容易發生脫羧反應。該反應中，酶的活性要在 Mg2+ 或 Mn2+ 離子的輔助下才可實現。總的來說，該過程生成了一分子 NADH 以及一分子 CO2。
* 第四步，α- 酮戊二酸在 α- 酮戊二酸去氫酶複合體（α-Ketoglutarate dehydrogenase complex）的催化作用下，與輔酶 A 化合，生成琥珀醯輔酶 A（Succinyl-CoA），該過程還會生成一分子 CO2，以及一分子 NADH。該反應的機理與丙酮酸氧化機理相似，在生理條件下同樣是一個單向反應。α- 酮戊二酸去氫酶複合體由三種酶組成：α- 酮戊二酸去氫酶（E1）、二氫硫辛醯轉琥珀酸酶（E2）、二氫硫辛醯去氫酶（E3），α- 酮戊二酸去氫酶複合體要在一些輔助因子的輔助下才能發揮功能。
* 第五步，在琥珀醯輔酶 A 合成酶（Succinyl-CoA synthetase）的催化下，琥珀酸輔酶 A 轉化爲琥珀酸（Succinate）和輔酶 A，該過程生成一分子 GTP（該酶有兩個版本，分別生成 ATP 和 GTP；不同生物，或同一生物的不同組織會依對 ATP 和 GTP 需求的差異在該步使用相應版本的酶）。該過程是檸檬酸循環中唯一一個伴隨高能磷酸鍵生成的反應。

接下來，琥珀酸經過三步反應，重新轉化爲草醯乙酸。

* 第六步，琥珀酸在琥珀酸去氫酶（Succinate dehydrogenase）的催化作用下，轉化爲延胡索酸（Fumarate）。該過程中有一分子 FAD 還原爲 FADH2。
* 第七步，延胡索酸經延胡索酸酶（Fumarase）催化，與一分子水化合，轉化爲 L - 蘋果酸（L-Malate）。
* 第八步，L - 蘋果酸在蘋果酸去氫酶（Malate dehydrogenase）的催化作用下，轉化爲草醯乙酸。該過程生成一分子 NADH。該反應平衡傾向於蘋果酸一側，但因草醯乙酸不斷消耗，反應得以持續進行。基於上述理由，該反應也是檸檬酸循環的一個重要調控位點。

至此，檸檬酸循環完成。生成的草醯乙酸可再次進入檸檬酸循環。

### 添補反應

三羧酸循環的中間產物可能會因參與其他代謝過程而消耗，添補反應（Anaplerotic reactions）能夠補充檸檬酸循環的各中間產物。使得其物質量保持相對平衡。添補反應中最重要的一個是在丙酮酸羧化酶催化下，以一分子丙酮酸和一分子二氧化碳分子爲原料，合成一分子草醯乙酸的反應。而在植物體內，乙醛酸循環能起到同樣的作用。另外，乳酸可以先氧化爲丙酮酸，然後再通過羧化反應轉化爲草醯乙酸進入檸檬酸循環。

### 總反應式

高等動物的檸檬酸循環可用下式表示：

> 乙醯輔酶 A+3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → 
>  輔酶 A-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2
> 
> 

* 每一輪檸檬酸循環中，生成三分子 NADH、一分子 FADH2、一分子 GTP、兩個碳原子以 CO2 的形式離開循環。完整的三羧酸循環進行一輪，草醯乙酸的分子數目不會發生變化，因此，從淨反應的意義上講，可以認爲草醯乙酸起了催化劑的作用。
* 兩個碳原子以 CO2 的形式離開循環。二氧化碳分子數與乙醯輔酶 A 帶入的碳原子數相同，使整個循環的碳原子數守恆。但值得注意的是，這兩個碳原子不一定就是構成乙醯輔酶 A 的乙醯基的那兩個碳原子。
* 檸檬酸循環生成的 NADH、FADH2 中蘊藏的化學能會在接下來的氧化磷酸化中轉化至 ATP 分子中。

## 調控及抑制

### 調控

多種途徑均可調控檸檬酸循環的進行。總的來說，當細胞供能充足時（ATP、NADH、乙醯輔酶 A 等物質濃度升高），檸檬酸循環速度較慢，而當細胞供能處於不足狀態時（ADP 濃度高，ATP、NADH 濃度低），檸檬酸循環的速度會加快，保證能爲生物體提供適量的 ATP 以及還原輔酶。

首先，因爲檸檬酸循環是呼吸作用的一個環節，對下游的電子傳遞鏈、氧化磷酸化進行調控即可對檸檬酸循環起到調控作用。對檸檬酸循環上游的丙酮酸氧化進行調控也可以起調控檸檬酸活性的作用。另外，也可以通過調控檸檬酸循環中的酶的活性起調控檸檬酸循環的作用。從化學原理上講，對能進行得較徹底的反應進行調控效果較好，因此，丙酮酸去氫酶、檸檬酸合成酶、異檸檬酸去氫酶、α- 酮戊二酸去氫酶是較好的調控位點。對檸檬酸循環的調控通常來說與細胞的狀態有密切關係。比如，去氫酶需要鈣離子的活化，而肌肉收縮時，胞內的鈣離子濃度會升高，這也正是需能較高的時候。此外，一些酶也能直接和 ATP/ADP，或 NADH/NAD+ 反應，並發生活性變化，比如異檸檬酸去氫酶能經由 ADP 活化，也可透過 ATP/NADH 來抑制。蘋果酸去氫酶的活性受 NAD+/NADH 比值的影響。此外，檸檬酸循環的中間體的濃度也可以對檸檬酸循環的活性起到調控作用。比如，草醯乙酸可以抑制琥珀醯去氫酶的活性。不過，這類調控在體內到底發揮多大的作用，目前還未得到充分研究。

### 抑制

部分物質可以通過化學作用抑制檸檬酸循環的進行，其中，以下三種物質研究得較透徹：氟乙酸、亞砷酸、丙二酸。

其中，氟乙酸通過生成氟乙醯輔酶 A，再生成氟代乙醯輔酶 A 進而生成氟檸檬酸。氟檸檬酸能抑制烏頭酸酶的活性，使得檸檬酸循環無法繼續進行。利用這一原理，可以用氟乙酸製造殺蟲劑或滅鼠藥。亞砷酸能抑制 α- 酮戊二酸去氫酶複合體的酶活性。丙二酸與琥珀酸去氫酶的受質琥珀酸結構相似，能通過與該酶發生不可逆結合使其失活。

此外，該途徑關鍵的限速酶檸檬酸合酶受 ATP、NADH、琥珀醯 CoA 的抑制。異檸檬酸去氫酶受 ATP 的抑制。α- 酮戊二酸去氫酶系受 ATP 和琥珀醯 CoA 的抑制。

## 與其他代謝過程的關係

檸檬酸循環與包括脂肪酸合成、糖異生、轉胺基作用、嘌呤和嘧啶的合成等在內的多種生物體內的代謝過程密切相關。

### 糖異生及轉胺基作用

在人的肝、腎中，檸檬酸循環中的草醯乙酸可通過糖質新生作用轉化爲葡萄糖。在糖質新生作用中，最關鍵的酶是磷酸丙酮酸羧基激酶，它可以使草醯乙酸脫羧，生成磷酸丙酮酸，GTP 分子爲該反應提供能量。值得注意的是，琥珀醯輔酶 A 轉化爲琥珀酸過程中生成的 GTP 分子可用於上述過程，是一個糖異生與檸檬酸循環聯繫的紐帶。

檸檬酸循環的一些中間體可通過轉胺基作用，經過一系列反應轉化爲胺基酸。比如，α- 酮戊二酸可以轉化爲麩胺酸，草醯乙酸可以轉化爲天門冬胺酸。上述過程是可逆的，即胺基酸也可以通過去胺基作用轉化爲檸檬酸循環的中間體而進入檸檬酸循環分解代謝。不過，胺基酸通過上述途徑分解代謝產生的能量很少，一般情況下，只佔生物體總產能的 1% 不到。

### 脂肪酸合成

在非反芻動物體內，細胞質受質中發生的長鏈脂肪酸合成以乙醯輔酶 A 爲主要原料。但丙酮酸氧化生成的乙醯輔酶 A 卻位於粒線體受質內，且乙醯輔酶 A 是無法穿過粒線體膜的。不過，在烏頭酸酶與受質的結合處於飽和狀態的條件下，粒線體受質中的檸檬酸可轉運到細胞質受質中。細胞質受質中的 ATP - 檸檬酸解離酶可將檸檬酸裂解爲乙醯輔酶 A 以及草醯乙酸。後者即可用於脂肪酸合成過程。這樣的機制也能保證只有當檸檬酸循環的強度達到一定強度的條件下，檸檬酸才可以用於脂肪酸合成。另外，輸入粒線體的脂肪酸（脂肪的消化產物）也能通過轉化爲乙醯輔酶 A 進入循環。

### 紫質合成

另外，琥珀醯輔酶 A 亦是紫質環合成的重要中間體，紫質中大部分的碳原子都來自琥珀醯輔酶 A。紫質是血紅素蛋白（包括血紅素、肌紅素和細胞色素等）的重要組成成分。

## 參見

* 乙醛酸循環
* 糖解作用
* 氧化磷酸化
* 轉胺基作用
* 糖質新生

## 注釋

## 參考文獻

## 外部連結

* 檸檬酸循環 (citric acid cycle, TCA cycle)（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 三羧酸循環（英文）