三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，简称TCA循环），又称柠檬酸循环、Krebs循环，是在有氧条件下内酮酸在线粒体中彻底氧化分解、释放能量的代谢途径，发生于线粒体底物中，但也会部分地在线粒体内膜或嵴膜上发生。
三羧酸循环是英国生物化学家Hans Krebs于1937年提出的概念。三羧酸循环从乙酰辅酶A和草酰乙酸这两种底物开始，经过柠檬酸的生成反应、柠檬酸的异构化反应、异柠檬酸的氧化脱羧反应、α-酮戊二酸的氧化脱羧反应、琥珀酸的生成反应、反丁烯二酸的生成反应、DL-苹果酸的生成反应、草酰乙酸的再生反应，重新生成草酰乙酸，完成一个循环。该循环的特点包括碳骨架的变化、水分子的参与、对氧的需求。一分子的乙酰-CoA在被柠檬酸循环代谢后，可产生两分子的CO2分子、三分子NADH、一分子FADH2，以及一分子GTP。
三羧酸循环不仅是糖代谢的主要途径，也是三大营养物质（糖类、脂类和氨基酸）的最终代谢通路，又是糖类、脂类、氨基酸代谢病相互联系的枢纽，在动植物和微生物细胞中普遍存在，具有重要的生理意义。
定义
在有氧条件下，糖酵解产物丙酮酸经过氧化脱羧形成乙酰辅酶A。乙酰-CoA通过一个循环被彻底氧化为CO₂和H₂O，同时释放出大量能量。因为这个过程的第一个产物是含有三个羧基的柠檬酸，所以称为三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，简称TCA循环）或柠檬酸循环，也称为Krebs循环。
历史发展
1911~1920年，T.Thunberg发现约40种有机化合物能为动物组织所氧化，其中以琥珀酸、反丁烯二酸、DL-苹果酸和柠檬酸被氧化最快，他还提出冰醋氧化循环机理。1935年，Szent Györgyi发现三羧酸循环成员的所有羧酸均能刺激动物组织的呼吸作用，它以氧化葡萄糖等底物为基础。
1937年，英国生物化学家Hans Krebs在总结前人工作及他本人利用鸽胸肌进行的一系列实验的基础上提出三羧酸循环，他也因此获得了1953年的诺贝尔生理学或医学奖。
丙酮酸的氧化脱羧
大部分生物的糖分解代谢是在有氧条件下进行，糖酵解生成的丙酮酸在有氧条件下的彻底氧化分解。从丙酮酸开始的彻底氧化可分为两个阶段：丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A和乙酰-CoA的乙酰部分经过三羧酸循环被彻底氧化。
由于生成丙酮酸的糖酵解途径在细胞质中进行，而丙酮酸脱氢酶复合体和三羧酸循环过程中的反应都位于线粒体中，所以细胞质中产生的丙酮酸需要进入线粒体基质。丙酮酸进入线粒体是通过线粒体外膜上的通道和内膜上的丙酮酸易位酶来完成的。
丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA
丙酮酸的氧化脱羧是糖酵解产物丙酮酸在有氧条件下，由丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex，PDC）催化生成乙酰辅酶A的反应。该反应既脱氢又脱羧，故称氧化脱羧。该反应不可逆，它本身不属于糖酵解，也不属于三羧酸循环，却是连接糖酵解与三羧酸循环的中心环节。
催化这一反应的丙酮酸脱氢酶复合体位于线粒体内膜上，是一个结构复杂的多酶复合体，由丙酮酸脱氢酶（E1）、二氢硫辛酰转乙酰酶（E2）和二氢硫辛酰脱氢酶（E3）3种酶组成。此外，在多酶复合体中还包含有硫胺素焦磷酸（tpp）、α-硫辛酸、CoA-SH、FAD、NAD⁺等辅助因子。其中TPP是El的辅基，硫辛酸是E2的辅基，FAD是E3的辅基。
丙酮酸氧化脱羧的过程可以分为以下几个步骤：首先由丙酮酸脱氢酶（E1）催化丙酮酸与TPP连接并脱羧，生成羟乙基-TPP，而后羟乙基氧化为乙酰并转移给二氢硫辛酰转乙酰酶（E2）的硫辛酰胺。TPP-E1回复原来的状态。
接下来由E2催化乙酰基转移至CoA的巯基，生成乙酰辅酶A，此时酶分子中的硫辛酰胺是还原态。在二氢硫辛酰脱氢酶（E3）的催化下，将二氢硫辛酰胺的氢传递给FAD生成FADH₂，同时分子本身被氧化，重新形成氧化数的二氢硫辛酰转乙酰酶。FADH₂再将氢传递至NAD⁺，生成NADH，E3再生为氧化态。整个过程中，第一步脱羧反应是不可逆的。
丙酮酸氧化脱羧反应的调节
丙酮酸的氧化脱羧反应是决定丙酮酸命运的关键步骤。由丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰-CoA进入三羧酸循环继续氧化，而NADH+H+则进入电子传递链生成ATP。催化该反应的丙酮酸脱氢酶复合体受到能量水平与代谢物水平的调节，其调节机制包括别构调节和共价调节。
产物的别构调节
丙酮酸氧化脱羧的产物NADH和乙酰辅酶A能够抑制丙酮酸脱氢酶的活性，其中乙酰-CoA抑制二氢硫辛酰转乙酰酶，NADH抑制二氢硫辛酰脱氢酶。此外，丙酮酸脱氢酶复合体的活性受细胞能荷的调控。当细胞能量消耗增加时，AMP、CoA-SH和NAD⁺能别构激活该酶的活性；当细胞能量供应充足时，ATP抑制丙酮酸氧化脱羧的进行。
磷酸化共价调节
丙酮酸脱氢酶分子的特定丝氨酸残基受可逆的磷酸化共价调节。可逆的磷酸化反应由专一的蛋白激酶和磷酸酶催化，能够使丙酮酸脱氢酶的一个亚基磷酸化而失活。酶的去磷酸化形式为活性状态，而磷酸化形式为非活性状态。ATP、NADH和乙酰辅酶A能够增强磷酸化反应，抑制酶的活性；ADP、NAD⁺和CoA-SH能够抑制磷酸化反应，增强酶的活性。
循环过程
三羧酸循环的总化学反应式：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H++CoA-SH
三羧酸循环包括柠檬酸的生成反应、柠檬酸的异构化反应、异柠檬酸的氧化脱羧反应、α-酮戊二酸的氧化脱羧反应、琥珀酸的生成反应、反丁烯二酸的生成反应、DL-苹果酸的生成反应、草酰乙酸的再生反应等主要步骤。
柠檬酸的生成反应
在柠檬酸合酶（citrate synthase）的催化下，乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成柠檬酰-CoA，而后高能硫代酸酯水解形成1分子柠檬酸并释放CoA-SH。这是三羧酸循环途径的第1步反应，也是限速反应。反应释放大量的自由能，反应是不可逆的。
ATP、NADH和琥珀酰辅酶A是柠檬酸合酶的别构抑制剂；ADP是该酶的别构激活剂。此外，底物乙酰-CoA和草酰乙酸的浓度对柠檬酸的合成速度有重要影响。柠檬酸合酶是三羧酸循环中的第一个调节酶。
柠檬酸的异构化反应
在顺乌头酸酶（aconitase）的催化下，柠檬酸先脱水生成顺乌头酸，然后再加水生成异柠檬酸。这是一步可逆的异构化反应。
这个反应的底物柠檬酸是一个具有前手性的对称分子。所谓前手性是指一个非手性分子经取代反应后失去对称性转变为手性分子的特性。前手性分子上存在立体异位面。例如，柠檬酸分子中心的碳原子形成四面体结构，当顺乌头酸酶与柠檬酸分子不同的侧面结合时就会有立体结构上的差异。同位素标记结果显示，此步异构化反应羟基只能连接在来自草酰乙酸的碳原子上。这说明顺乌头酸酶对柠檬酸分子的结合是有立体选择性的，异构化生成异柠檬酸的反应是不对称的。
异柠檬酸的氧化脱羧反应
这是三羧酸循环的第1次氧化还原反应。在异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase）的催化下，异柠檬酸被氧化脱氢，生成草酰琥珀酸中间产物。草酰琥珀酸是一个不稳定的β-酮酸，迅速脱羧生成α-酮戊二酸。反应释放大量自由能，因此是不可逆的。异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环中的第二个调节酶。
α-酮戊二酸的氧化脱羧反应
这是三羧酸循环中第2个氧化脱羧反应，在α-酮戊二酸脱氢酶复合体（α-ketoglutarate dehydrogenase complex）的催化下，α-酮戊二酸氧化脱羧并结合CoA-SH生成琥珀酰辅酶A、1分子NADH+H⁺和1分子CO₂.这一步反应释放出大量能量，是不可逆反应。
α-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体的结构和催化机制相似，由α-酮戊二酸脱氢酶、二氢硫辛酰转琥珀酰酶和二氢硫辛酰脱氢酶3种酶组成，也需要tpp、α-硫辛酸、CoA-SH、FAD、NAD⁺等辅助因子的参与，并同样受产物NADH、琥珀酰-CoA及ATP、GTP的反馈抑制。但与丙酮酸脱氢酶复合体不同的是α-酮戊二酸脱氢酶复合体不受磷酸化调节。
琥珀酸的生成反应
这是三羧酸循环中唯一的通过底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物的反应。在琥珀酰辅酶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释放的能量使GDP磷酸化生成GTP，同时生成琥珀酸。GTP很容易将磷酸基团转移给ADP形成ATP。动物中，有两种琥珀酰-CoA合成酶的同工酶，分别对ADP或GDP专一，生成ATP或GDP；但在植物中琥珀草酰琥珀酸是一个不稳定的β-酮酸，迅速脱羧生成α-酮戊二酸。反应释放大量自由能，因此是不可逆的。异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环中的第二个调节酶。
延胡索酸的生成反应
该反应是三羧酸循环中的第3个氧化还原反应。在琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase）的催化下，琥珀酸被氧化脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸），酶的辅基FAD是氢受体，反应生成1分子FADH₂。琥珀酸的结构类似物丙二酸等是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。
琥珀酸脱氢酶与其辅基以共价方式结合，FAD杂环化合物上的甲基与酶分子的一个组氨酸的生物合成杂环上的氮形成共价键。这种连接方式不同于绝大多数酶与FAD辅基的紧密而非共价的结合。琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一与线粒体内膜结合的酶（其他的酶都分布于线粒体基质中）。因此，在参与三羧酸循环的同时，它也参与电子传递过程。由琥珀酸脱氢酶催化的反应脱下的氢和电子能够直接进入线粒体内膜的电子传递链。
苹果酸的生成反应
在延胡索酸酶（fumarase）的催化下，延胡索酸水化生成苹果酸。由于延胡索酸酶具有立体结构专一性，该反应只能生成L-苹果酸。
草酰乙酸的再生反应
该反应是三羧酸循环中的第4个氧化还原反应，也是最后一步反应。在苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase）的催化下，苹果酸氧化脱氢生成草酰乙酸，NAD⁺是氢受体，至此，草酰乙酸得以再生，又可接受进入循环的乙酰辅酶A分子，进行下一轮三羧酸循环反应。
能量产生
自乙酰-CoA进入三羧酸循环开始，在第3、4、6、8步共4个氧化还原反应中各脱下1对氢原子，其中3对氢原子交给NAD⁺，生成3分子NADH+H+，另1对氢原子交给FAD生成FADH₂。NADH+H⁺和FADH₂在电子传递链中被氧化，电子经过电子传递体传递给O₂并与ATP的生成偶联。在线粒体中每个NADH+H+产生2.5个ATP，每个FADH₂产生1.5个ATP，经计算共可转化为9分子ATP。另外，在琥珀酰辅酶A生成琥珀酸时，伴随着底物水平磷酸化生成1分子GTP（植物中为ATP）。因此，1分子乙酰辅酶A通过三羧酸循环被氧化共可产生10分子ATP。
葡萄糖彻底氧化分解需要经过糖酵解途径、丙酮酸氧化脱氢脱羧和柠檬酸循环途径，最终生成产物水和二氧化碳。下面我们来计算一下葡萄糖彻底氧化分解产生的ATP的数量。
首先，1分子葡萄糖经糖酵解途径分解成2分子丙酮酸净生成2分子ATP和2分子NADH。原核生物中2分子NADH经电子传递链产生5分子ATP，因此折合7分子ATP。真核生物糖酵解途径产生的NADH可分别经磷酸丙三醇系统或DL-苹果酸天门冬氨酸穿梭系统，在线粒体中形成FADH₂或NADH，因此2分子NADH可产生5分子或7分子ATP。
接下来，2分子丙酮酸转变成2分子乙酰辅酶A时生成2分子NADH，可以产生5分子ATP。
1分子乙酰-CoA通过三羧酸循环被氧化可产生10分子ATP，2分子乙酰-CoA能够产生20分子ATP。
综合起来，1分子葡萄糖经过糖酵解途径、丙酮酸氧化脱氢脱羧和三羧酸循环途径，最终可以产生32分子ATP（原核生物），30分子或32分子ATP（真核生物）。
调控功能
研究一个代谢途径的调控首先要了解催化其速率控制步骤的酶，以及这些酶在体内的底物的浓度和调节方式。然而，这种研究对于三羧酸循环来说却相当困难。这主要是因为三羧酸循环的很多中间产物既存在于线粒体中，也存在于细胞质中。这就使得对酶催化反应底物或产物的浓度难以确定。因此，在研究过程中我们首先假定这些物质在线粒体内外处于平衡状态，然后以细胞中的总浓度来推测线粒体中的浓度。
从△G⁰可以判断有三个酶是调节三羧酸循环途径的关键酶，即柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体。
三羧酸循环调控的驱动力是细胞对能量的需求，因此调节过程必然与细胞中氧的消耗、NADH的氧化以及ATP的生成密切相关。通过前面章节的学习我们已经知道，糖酵解和糖异生途径主要的调节方式是对关键酶的别构调节、共价修饰调节及底物的影响。对于三羧酸循环途径来说，其调控主要是3种简单的机制：①底物效应，②产物抑制，③其他代谢物的竞争性反馈抑制。
柠檬酸合酶的活性受其底物草酰乙酸和乙酰辅酶A浓度的调节。草酰乙酸浓度下降会抑制柠檬酸的合成。同样，能够与乙酰-CoA竞争的其他脂酰-CoA也能够竞争性地减少柠檬酸的合成。此外，当ATP水平高时，与酶结合的乙酰-CoA较少，导致合成的柠檬酸减少。
异柠檬酸脱氢酶的活性能够被ATP、琥珀酰辅酶A和NADH抑制；ADP能够激活该酶的活性。这是由于ADP是该酶的变构激活剂，能增大此酶对底物的亲和力。
α-酮戊二酸脱氢酶复合体受ATP及其所催化的反应产物琥珀酰-CoA、NADH的抑制。在α-酮戊二酸脱氢酶复合体中，二氢硫辛酰转琥珀酰酶是关键酶，它能够对进入循环的α-酮戊二酸进行调控从而调节三羧酸循环的正常运行。琥珀酰-CoA是该酶的强烈抑制剂，ATP和NADH抑制该酶的活性。
主要特点
碳骨架的变化
乙酰辅酶A进入三羧酸循环后，产生了六碳的三羧酸（柠檬酸）。释放1分子CO₂后，形成五碳的二羧酸（α-酮戊二酸），α-酮戊二酸释放1分子CO₂，形成了四碳的二羧酸（琥珀酰辅酶A）。之后都是二羧酸的反应。三羧酸循环的整个过程是两个碳原子被氧化成CO₂离开循环。
水分子的参与
在整个循环过程中消耗了2分子水，1分子用于柠檬酸的合成，另1分子用于反丁烯二酸的水合作用，形成L-DL-苹果酸。水的加入相当于向中间产物上加入了氧原子，促进了还原性碳原子的氧化。另外，在琥珀酰-CoA合成酶催化的反应中，GDP磷酸化所释放的水也用于高能硫代酸酯的水解，二者在数量上相互抵消。
对氧的需求
分子氧并不直接参与三羧酸循环，但三羧酸循环只能在有氧条件下才能进行，因为只有当电子传递给分子氧时，NADH和FADH₂才能再生为NAD⁺和FAD；如果没有氧，NAD⁺和FAD不能再生，三羧酸循环就不能继续进行，因此，三羧酸循环是严格需氧的。
生物学意义
1.三羧酸循环是生物界中的动物、植物及微生物中都普遍存在的代谢途径，是机体将糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。在糖代谢中，糖经此途径氧化产生的能量最多。
2.三羧酸循环的中间产物如草酰冰醋、α-酮戊二酸、丙酮酸、乙酰辅酶A等是合成糖、氨基酸、脂肪等生物分子的原料。此外该循环是糖、蛋白质和脂肪彻底氧化分解的共同途径，是联系3大类物质代谢的枢纽。蛋白质水解的产物如谷氨酸、天门冬氨酸、丙氨酸等脱氨或转氨后的碳架要通过三羧酸循环才能被彻底氧化；脂肪分解产生丙三醇和脂肪酸，脂肪酸经β-氧化产生乙酰-CoA，甘油和乙酰-CoA彻底氧化都需要经过三羧酸循环。
3.柠檬酸性质很活泼，在糖代谢的调节中很重要，别构抑制6-磷酸果糖激酶2使果糖-2,6-二磷酸减少，抑制糖的分解;柠檬酸还可促进乙酰辅酶A羧化酶，促进脂肪酸的合成。琥珀酰辅酶A与甘氨酸一起作为合,成血红素的原料;乙酰CoA又是合成胆固醇的原料。三羧循环在提供生物合成的前体中起重要作用。
回补反应
三羧酸循环从草酰乙酸与乙酰-CoA的羟醛缩合开始，到草酰乙酸的再生结束，其过程中的中间产物可以成为很多生物分子合成的前体。例如，α-酮戊二酸和草酰乙酸分别是谷氨酸和天门冬氨酸合成的碳架；琥珀酰-CoA是叶绿素和血红素中卟啉环合成的前体；柠檬酸转运至细胞质后裂解成乙酰辅酶A可用于脂肪酸合成。上述过程都消耗三羧酸循环的中间产物，最终导致中间产物浓度下降，从而影响三羧酸循环的进行。因此，必须从其他代谢途径补充一些中间产物才能使保证三羧酸循环的正常进行。这种补充称为回补反应（anaplerotic reaction）。回补反应主要有以下几种途径。
丙酮酸羧化生成草酰乙酸
在哺乳动物的肝脏和肾脏中，丙酮酸羧化成草酰乙酸是最重要的回补反应。在丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）的催化下，丙酮酸在线粒体中生成草酰乙酸，该反应的辅基是生物素。
丙酮酸羧化酶是一个调节酶，它被高浓度的乙酰辅酶A激活。它催化的反应是动物中最重要的回补反应。其催化机制在第三节糖异生中已有介绍。
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。该反应在细胞质中进行，生成的草酰乙酸需转变成DL-苹果酸后经穿梭进入线粒体，然后再脱氢生成草酰乙酸。这是糖异生作用途径中草酰乙酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸的逆过程。
苹果酸脱氢生成草酰乙酸
在苹果酸酶（malic enzyme）的催化下，丙酮酸羧化生成苹果酸，再在苹果酸脱氢酶的作用下脱氢生成草酰乙酸。其中苹果酸脱氢酶以NAD⁺作为辅酶。
氨基酸形成草酰乙酸
天门冬氨酸和α-酮戊二酸经转氨作用，可形成草酰乙酸和谷氨酸。此外，异亮氨酸、缬氨酸、Thr和甲硫氨酸也可形成琥珀酰辅酶A来补充三羧酸循环的中间产物。
参考资料
三羧酸循环.中国大百科全书.2025-04-15