基本介紹
三羧酸循環檸檬酸循環（tricarboxylicacidcycle）：也稱為三羧酸循環（tricarboxylicacidcycle，TCA），Krebs循環。是用於乙醯—CoA中的乙醯基氧化成CO2的酶促反應的循環系統，該循環的第一步是由乙醯CoA與草醯乙酸縮合形成檸檬酸。在三羧酸循環中，反應物葡萄糖或者脂肪酸會變成乙醯輔酶A(A
cetyl-CoA)。這種"活化醋酸"(一分子輔酶和一個乙醯基相連)，會在循環中分解生成最終產物二氧化碳並脫氫，質子將傳遞給輔酶--煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)和黃素腺嘌呤（FAD），使之成為NADH+H+和FADH2。NADH+H+和FADH2會繼續在呼吸鏈中被氧化成NAD+和FAD，並生成水。這種受調節的"燃燒"會生成ATP，提供能量。真核生物的線粒體和原核生物的細胞質是三羧酸循環的場所。它是呼吸作用過程中的一步，但在需氧型生物中，它先於呼吸鏈發生。厭氧型生物則首先遵循同樣的途徑分解高能有機化合物，例如糖酵解，但之後並不進行三羧酸循環，而是進行不需要氧氣參與的發酵過
程。
發現過程
H.A.克雷布斯博士如果國泰民安，克雷布斯博士也許一輩子就是一位普通的醫生。但是第二次世界大戰爆發了，他受到納粹的迫害，不得不逃往英國。在德國，他是位非常優秀的醫生，但是在英國，由於沒有行醫許可證，得不到社會的承認。他只好打消當一名每天給患者看病的醫生的念頭，轉而從事基礎醫學的研究。
剛開始選擇課題時，僅僅出於對食物在體內究竟是如何變成水和二氧化碳的現象充滿了興趣，他毫不猶豫地選擇了這個課題，並且著手調查前人研究這一課題的各種材料。有的學者報告說：“A物質經過氧化變成了B物質。”有的學者說：“C物質經過氧化變成了D物質，然後又進一步變成E物質。”還有的學者認為：“C物質是從B物質中得到的。或者可以說，是F物質變成了G物質。”另外一些學者則認為，是“G物質經過氧化變成A物質”等等。看著來自四面八方的研究報告，克雷布斯想，如果把這些零散的數據整理出來，說不定可以發現食物代謝的結構。就像玩解謎游戲那樣，克雷布斯將這些數據仔細整理了一番，結果發現食物在體內是按F、G、A、B、C、D、E這樣一個順序變化的。再仔細了解從A到F這些化學物質，發現E和F之間斷了鏈。如果E和F之間存在一種X物質，那么，這條食物循環反應鏈就完整了。馬上集中精力，全力尋找X物質。4年後終於查明，X物質就是如今放在飲料中作為酸味添加劑的檸檬酸。他完成了食物的循環鏈，並且將它命名為檸檬酸循環。克雷布斯的循環理論解釋了食物在體內進入檸檬酸循環後，按照A、B、C、D、E、X、F、G的順序循環反應，最終氧化成二氧化碳和水。他的偉大不僅僅是發現了幾個化學物質的變化，而且在於將每一個活的變化整理出來，找出了可以解釋動態生命現象的結構。由於這一業績，他在1953年獲諾貝爾生理學醫學獎。檸檬酸循環也叫三羧酸循環或TCA循環。進入體內的營養成分在糖代謝→檸檬酸循環→電傳遞系統等一系列呼吸作用下得到分解，產生能量。化學反應
化學反應乙醯輔酶A在循環中出現：檸檬酸(I)是循環中第一個產物，它是通過草醯乙酸(X)和乙醯輔酶A(XI)的乙醯基間的縮合反應生成的。如上
所述，乙醯輔酶A是早先進行的糖酵解，蛋白質代謝或脂肪酸代謝的一個產物。
生理意義
1．三大營養素的最終代謝通路
谷氨酸2．糖、脂肪和胺基酸代謝的聯繫通路
三梭酸循環另一重要功能是為其他合成代謝提供小分子前體。α-酮戊二酸和草醯乙酸分別是合成谷氨酸和天冬氨酸的前體；草酚乙酸先轉變成丙酮酸再合成丙氨酸；許多胺基酸通過草醯乙酸可異生成糖。所以三羧酸循環是糖、脂肪酸(不能異生成糖)和某些胺基酸相互轉變的代謝樞紐。
循環過程
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| 三羧酸循環 | |
1、乙醯-CoA進入三羧酸循環
乙醯CoA具有硫酯鍵，乙醯基有足夠能量與草醯乙酸的羧基進行醛醇型縮合。首先檸檬酸合酶的組氨酸殘基作為鹼基與乙醯-CoA作用，使乙醯-CoA的甲基上失去一個h+，生成的碳陰離子對草醯乙酸的羰基碳進行親核攻擊，生成檸檬醯-CoA中間體，然後高能硫酯鍵水解放出遊離的檸檬酸，使反應不可逆地向右進行。該反應由檸檬酸合成酶(citratesynthase)催化，是很強的放能反應。由草醯乙酸和乙醯-CoA合成檸檬酸是三羧酸循環的重要調節點，檸檬酸合成酶是一個變構酶，ATP是檸檬酸合成
酶的變構抑制劑，此外，α-酮戊二酸、NADH能變構抑制其活性，長鏈脂醯-CoA也可抑制它的活性，AMP可對抗ATP的抑制而起激活作用。
2、異檸檬酸形成
檸檬酸的叔醇基不易氧化，轉變成異檸檬酸而使叔醇變成仲醇，就易於氧化，此反應由順烏頭酸酶催化，為一可逆反應。
3、第一次氧化脫酸
在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草醯琥珀酸(oxalosuccinicacid)的中間產物，後者在同一酶表面，快速脫羧生成α-酮戊二酸(αketoglutarate)、NADH和co2，此反應為β-氧化脫羧，此酶需要Mg2+作為激活劑。此反應是不可逆的，是三羧酸循環中的限速步驟，ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，而ATP，NADH是此酶的抑制劑。
4、第二次氧化脫羧
在α-酮戊二酸脫氫酶系作用下，α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀醯-CoA、NADH·H+和co2，反應過程完全類似於丙酮酸脫氫酶系催化的氧化脫羧，屬於α氧化脫羧，氧化產生的能量中一部分儲存於琥珀醯coa的高能硫酯鍵中。α-酮戊二酸脫氫酶系也由三個酶(α-酮戊二酸脫羧酶、硫辛酸琥珀醯基轉移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個輔酶(tpp、硫辛酸、hscoa、NAD+、FAD)組成。此反應也是不可逆的。α-酮戊二酸脫氫酶複合體受ATP、GTP、NADH和琥珀醯-CoA抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的調控。
5、底物磷酸化生成ATP
在琥珀酸硫激酶(succinatethiokinase)的作用下，琥珀醯-CoA的硫酯鍵水解，釋放的自由能用於合成gtp，在細菌和高等生物可直接生成ATP，在哺乳動物中，先生成GTP，再生成ATP，此時，琥珀醯-CoA生成琥珀酸和輔酶A。
6、琥珀酸脫氫
琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase)催化琥珀酸氧化成為延胡索酸。該酶結合線上粒體內膜上，而其他三羧酸循環的酶則都是存線上粒體基質中的，這酶含有鐵硫中心和共價結合的fad，來自琥珀酸的電子通過fad和鐵硫中心，然後進入電子傳遞鏈到O2，丙二酸是琥珀酸的類似物，是琥珀酸脫氫酶強有力的競爭性抑制物，所以可以阻斷三羧酸循環。
三羧酸循環7、延胡索酸的水化
延胡索酸酶僅對延胡索酸的反式雙鍵起作用，而對順丁烯二酸(馬來酸)則無催化作用，因而是高度立體特異性的。
8、草醯乙酸再生
在蘋果酸脫氫酶(malicdehydrogenase)作用下，蘋果酸仲醇基脫氫氧化成羰基，生成草醯乙酸(oxalocetate)，nad+是脫氫酶的輔酶，接受氫成為NADH·H+(圖4-5)。
在此循環中，最初草醯乙酸因參加反應而消耗，但經過循環又重新生成。所以每循環一次，淨結果為1個乙醯基通過兩次脫羧而被消耗。循環中有機酸脫羧產生的二氧化碳，是機體中二氧化碳的主要來源。在三羧酸循環中，共有4次脫氫反應，脫下的氫原子以NADH+H+和FADH2的形式進入呼吸鏈，最後傳遞給氧生成水，在此過程中釋放的能量可以合成ATP。乙醯輔酶A不僅來自糖的分解，也可由脂肪酸和胺基酸的分解代謝中產生，都進入三羧酸循環徹底氧化。並且，凡是能轉變成三羧酸循環中任何一種中間代謝物的物質都能通過三羧酸循環而被氧化。所以三羧酸循環實際是糖、脂、蛋白質等有機物在生物體內末端氧化的共同途徑。三羧酸循環既是分解代謝途徑，但又為一些物質的生物合成提供了前體分子。如草醯乙酸是合成天冬氨酸的前體，α-酮戊二酸是合成谷氨酸的前體。一些胺基酸還可通過此途徑轉化成糖。
循環總結
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| 三羧酸循環 | |
1、CO2的生成，循環中有兩次脫羧基反應(反應3和反應4)兩次都同時有脫氫作用，但作用的機理不同，由異檸檬酸脫氫酶所催化的β氧化脫羧，輔酶是nad+，它們先使底物脫氫生成草醯琥珀酸，然後在Mn2+或Mg2+的協同下，脫去羧基，生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸脫氫酶系所催化的α氧化脫羧反應和前述丙酮酸脫氫酶系所催經的反應基本相同。應當指出，通過脫羧作用生成Co2，是機體內產生Co2的普遍規律，由此可見，機體Co2的生成與體外燃燒生成Co2的過程截然不同。
2、三羧酸循環的四次脫氫，其中三對氫原子以NAD+為受氫體，一對以FAD為受氫體，分別還原生成NADH+H+和FADH2。它們又經線粒體內遞氫體系傳遞，最終與氧結合生成水，在此過程中釋放出來的能量使adp和pi結合生成ATP，凡NADH+H+參與的遞氫體系，每2H氧化成一分子H2O，生成3分子ATP，而FADH2參與的遞氫體系則生成2分子ATP，再加上三羧酸循環中有一次底物磷酸化產生一分子ATP，那么，一分子檸檬酸參與三羧酸循環，直至循環終末共生成12分子ATP。
3、乙醯-CoA中乙醯基的碳原子，乙醯-CoA進入循環，與四碳受體分子草醯乙酸縮合，生成六碳的檸檬酸，在三羧酸循環中有二次脫羧生成2分子Co2，與進入循環的二碳乙醯基的碳原子數相等，但是，以Co2方式失去的碳並非來自乙醯基的兩個碳原子，而是來自草醯乙酸。
4、三羧酸循環的中間產物，從理論上講，可以循環不消耗，但是由於循環中的某些組成成分還可參與合成其他物質，而其他物質也可不斷通過多種途徑而生成中間產物，所以說三羧酸循環組成成分處於不斷更新之中。
例如草楚醯乙酸——→天門冬氨酸
α－酮戊二酸——→谷氨酸
草醯乙酸——→丙酮酸——→丙氨酸
其中丙酮酸羧化酶催化的生成草醯乙酸的反應最為重要。因為草醯乙酸的含量多少，直接影響循環的速度，因此不斷補充草醯乙酸是使三羧酸循環得以順利進行的關鍵。三羧酸循環中生成的蘋果酸和草醯乙酸也可以脫羧生成丙酮酸，再參與合成許多其他物質或進一步氧化。
生理意義
| 三羧酸循環 | |
2、三羧酸循環是糖，脂肪和蛋白質三種主要有機物在體內徹底氧化的共同代謝途徑，三羧酸循環的起始物乙醯-CoA，不但是糖氧化分解產物，它也可來自脂肪的甘油、脂肪酸和來自蛋白質的某些胺基酸代謝，因此三羧酸循環實際上是三種主要有機物在體內氧化供能的共同通路，估計人體內2/3的有機物是通過三羧酸循環而被分解的。
3、三羧酸循環是體內三種主要有機物互變的聯結機構，因糖和甘油在體內代謝可生成α-酮戊二酸及草醯乙酸等三羧酸循環的中間產物，這些中間產物可以轉變成為某些胺基酸；而有些胺基酸又可通過不同途徑變成α-酮戊二酸和草醯乙酸，再經糖異生的途徑生成糖或轉變成甘油，因此三羧酸循環不僅是三種主要的有機物分解代謝的最終共同途徑，而且也是它們互變的聯絡機構。
調節功能
糖有氧氧化分為兩個階段，第一階段糖酵解途徑的調節在糖酵解部分已探討過，下面主要討論第二階段丙酸酸氧化脫羧生成乙醯-CoA並進入三羧酸循環的一系列反應的調節。丙酮酸脫氫酶複合體、檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶複合體是這一過程的限速酶。丙酮酸脫氫酶複合體受別構調控也受化學修飾調控，該酶複合體受它的催化產物ATP、乙醯-CoA和NADH有力的抑制，這種別構抑制可被長鏈脂肪酸所增強，當進入三羧酸循環的乙醯-CoA減少，而AMP、CoA和NAD+堆積，酶複合體就被別構激活，除上述別位調節，在脊椎動物還有第二層次的調節，即酶蛋白的化學修飾，PDH含有兩個亞基，其中一個亞基上特定的一個絲氨酸殘基經磷酸化後，酶活性就受抑制，脫磷酸化活性就恢復，磷酸化-脫磷酸化作用是由特異的磷酸激酶和磷酸蛋白磷酸酶分別催化的，它們實際上也是丙酮酸酶複合體的組成，即前已述及的調節蛋白，激酶受ATP別構激活，當ATP高時，PDH就磷酸化而被激活，當ATP濃度下降，激酶活性也降低，而磷酸酶除去PDH上磷酸，PDH又被激活了。
對三羧酸循環中檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶的調節，主要通過產物的反饋抑制來實現的，而三羧酸循環是機體產能的主要方式。因此ATP/ADP與NADH/NAD+兩者的比值是其主要調節物。ATP/ADP比值升高，抑制檸檬酸合成酶和異檸檬酶脫氫酶活性，反之ATP/ADP比值下降可激活上述兩個酶。NADH/NAD+比值升高抑制檸檬酸合成酶和α－酮戊二酸脫氫酶活性，除上述ATP/ADP與NADH/NAD+之外其它一些代謝產物對酶的活性也有影響，如檸檬酸抑制檸檬酸合成酶活性，而琥珀醯-CoA抑制α-酮戊二酸脫氫酶活性。總之，組織中代謝產物決定循環反應的速度，以便調節機體ATP和NADH濃度，保證機體能量供給。
