柠檬酸循环

20世纪30年代，阿尔伯特·圣捷尔吉（Albert Szent-Györgyi）发现了柠檬酸循环中的多个化合物和反应过程，其中对关键化合物延胡索酸的发现使他获得了1937年的诺贝尔生理或医学奖。^[5]他对延胡索酸的发现得益于对鸽子的胸部肌肉的研究。磨碎的鸽子的胸肌能够在水溶液中很好地保持其氧化能力，因而非常适合用于氧化反应的研究。^[6]最终，柠檬酸循环于1937年被谢菲尔德大学的汉斯·阿道夫·克雷布斯（Hans Adolf Krebs）和威廉·阿瑟·约翰逊（William Arthur Johnson）发现。^[7]因此，汉斯·阿道夫·克雷布斯获得了1953年的诺贝尔生理或医学奖，柠檬酸循环也命名为克雷布斯循环（Krebs cycle）。^[8]

目前普遍认为，柠檬酸循环中的化合物来自于厌氧细菌，并且该循环本身可能已经经历了多次进化。^[9]理论上，完成柠檬酸循环可能存在多种途径，然而，柠檬酸循环似乎具有最高的反应效率。即使存在多个在进化上独立的能替代柠檬酸循环的途径，但它们似乎最终都通过趋同演化而与柠檬酸循环融合。^[10][11]

柠檬酸循环是连接碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢的关键代谢途径。在柠檬酸循环中，通过八种酶的反应，将乙酰辅酶A形式的乙酸（一种二碳分子）完全氧化成二氧化碳和水。进入柠檬酸循环的乙酰辅酶A来自于对糖、脂肪和蛋白质等物质的分解代谢。在每次柠檬酸循环反应中，3分子的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）被还原成为3分子的还原型辅酶NADH，1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）被还原成1分子的还原型FADH₂。同时，1分子的鸟苷二磷酸（GDP）和1分子的无机磷酸根（P_i）被转化成1分子的鸟苷三磷酸（GTP）。柠檬酸循环产生的NADH和FADH₂随后进入氧化磷酸化途径用来产生富含能量的ATP。

乙酰辅酶A的主要来源之一是来自糖酵解对糖的分解。糖酵解产生丙酮酸，丙酮酸脱氢酶复合体根据以下反应脱羧产生乙酰辅酶A：

+HSP coa+NAD ⁺ → + NADH +CO ₂

该反应的产物乙酰CoA是柠檬酸循环的起点。乙酰辅酶A也可以从脂肪酸的氧化中获得。如下所述：

• 柠檬酸循环始于两碳乙酰基从乙酰辅酶A转移到四碳受体化合物（草酰乙酸）形成六碳化合物（柠檬酸）。
• 柠檬酸然后经历一系列反应，失去两个羧基产生CO₂。此处以CO₂形式损失的碳来自草酰乙酸，而不是直接来自乙酰辅酶A。乙酰辅酶A贡献的碳在柠檬酸循环的第一轮完成后会成为草酰乙酸碳骨架的一部分，使其作为CO₂损失掉需要多轮的循环。然而，由于柠檬酸循环在合成代谢中的作用，乙酰辅酶A贡献的碳也可能不会损失，因为许多柠檬酸循环中间体也被用作其他分子生物合成的前体。^[12]
• 柠檬酸循环中氧化反应产生的大部分能量被高能电子转移到NAD⁺，形成NADH。每个进入柠檬酸循环的乙酰基能够产生三个分子的NADH。
• 此外，来自琥珀酸氧化反应的电子首先被转移到琥珀酸脱氢酶的FAD辅因子，将其还原为FADH₂，并被最终转移到线粒体膜中的泛醌（Q，氧化型），将其还原为氧化磷酸化电子传递链中复合体III的底物——二氢泛醌（QH_2，还原型）。
• 柠檬酸循环中产生的每一个NADH和FADH₂，经过氧化磷酸化可以分别产生2.5和1.5个ATP分子。
• 在每个循环结束时，草酰乙酸的四个碳已经完成再生，使循环能够继续。

柠檬酸循环有十个基本步骤，如下所述。该循环连续供应乙酰辅酶A形式的新碳，进入表中的步骤0。^[13]

在柠檬酸循环中，两个碳原子被氧化成二氧化碳，反应产生的能量以GTP（或ATP）的形式转移到其他代谢过程中，并作为电子进入NADH和QH₂。柠檬酸循环中产生的NADH随后可能被氧化（释放电子），并进入氧化磷酸化进行ATP的合成。^[15]琥珀酸脱氢酶在柠檬酸循环和氧化磷酸化线粒体电子传递链中都起作用。通过与琥珀酸脱氢酶进行共价连接，FADH₂促进了电子向辅酶Q的转移。辅酶Q是琥珀酸泛醌氧化还原酶复合物催化反应的最终电子受体，也作为电子传递链的中间体。^[14]

包括人类在内的动物线粒体拥有两种琥珀酰辅酶A合成酶：一种催化GDP产生GTP，另一种催化ADP产生ATP。植物中则只存在产生ATP（ADP合成琥珀酰辅酶A合成酶）的类型。^[15][13]柠檬酸循环中的一些酶可能与线粒体基质中的多酶蛋白质复合物松散结合。^[16]

由GDP合成琥珀酰辅酶A合成酶催化产生的GTP可能作为核苷二磷酸激酶的底物，用于产生ATP（催化反应为GTP +ADP→GDP+ATP）。^[14]

柠檬酸循环第一轮的产物是1分子GTP（或ATP），3分子NADH，1分子QH₂和2分子CO₂。^[17]

因为每个葡萄糖分子能够产生两个乙酰辅酶A，所以消耗每个葡萄糖分子需要两个柠檬酸循环。因此，在两个循环结束时，反应产物产品是：2分子GTP，6分子NADH，2分子QH₂和4分子CO₂。

如果P_i代表H₂PO4-离子，ADP和GDP分别代表ADP^2-和GDP^2-离子，且ATP和GTP分别代表ATP^3-和GTP^3-离子，上述反应是平衡的。

糖酵解、柠檬酸循环和氧化磷酸化完成后一个葡萄糖完全氧化后获得的ATP分子总数估计在30至38分子之间。

糖酵解、柠檬酸循环和氧化磷酸化过程中通过氧化一个葡萄糖分子产生的ATP的理论最高产量为38（假设每分子NADH产出3分子的ATP，每分子FADH₂产出2分子ATP）。在真核生物中，糖酵解过程中产生2分子的NADH和4分子的ATP。由于糖酵解发生在细胞质中，将这2分子的NADH运输到线粒体中会消耗2分子的ATP，从而将ATP的净产量减少到36分子。此外，由于质子穿过线粒体膜的泄漏和ATP合酶/质子泵的滑动而导致的氧化磷酸化的低效率通常会使从NADH和FADH₂产出的ATP产量低于理论最大值。^[18]因此，实际测得的ATP产量约为——每NADH产出约2.5ATP，每FADH₂产出约1.5ATP，这使ATP的总净产量减少到约30分子。^[18] 用新修订的质子与ATP比评估总ATP产量，可以估计出每个葡萄糖分子约产出29.85分子的ATP。^[19]

虽然柠檬酸循环通常是高度保守的，但在不同物种中发现的酶有显著的多样性^[20]（注意，本页的图表展示的是哺乳动物的柠檬酸循环途径）。

柠檬酸循环在真核生物和原核生物之间存在一些差异。在真核生物中，D-苏-异柠檬酸向α-酮戊二酸的转化是由依赖于NAD⁺的EC 1.1.1.41催化的，而原核生物使用依赖于NADP⁺的EC 1.1.1.42。^[21]同样，苹果酸（S）-转化为草酰乙酸在真核生物中由依赖于NAD⁺的EC 1.1.1.37催化，而大多数原核生物则利用依赖于醌的酶EC 1.1.5.4。^[22]

柠檬酸循环中，琥珀酰辅酶A向琥珀酸的转化是具有显著多样性的一个步骤。大多数生物使用的是EC 6.2.1.5，琥珀酸辅酶A连接酶（ADP合成）（尽管名字不同，该酶实际用于ATP的合成途径）。哺乳动物体内还有另一种合成GTP的酶——琥珀酸辅酶A连接酶（GDP合成）（EC 6.2.1.4），具体使用哪种酶取决于其所存在的组织。^[23]在一些产乙酸细菌中，如醋酸杆菌，催化琥珀酰辅酶A向琥珀酸转化的是一种完全不同的酶——EC 2.8.3.18，琥珀酰辅酶A：乙酸辅酶A转移酶，能够将柠檬酸循环与乙酸代谢联系起来。^[24]有些细菌，如幽门螺杆菌，还存在另一种酶——琥珀酰辅酶A：乙酰乙酸辅酶A转移酶（酶代码EC 2.8.3.5）。^[25]

柠檬酸循环中，从α-酮戊二酸转化为琥珀酰辅酶A之前的反应步骤中也存在一些多样性。虽然大多数生物体利用普遍存在的NAD⁺依赖型α-酮戊二酸脱氢酶，但一些细菌利用铁氧还蛋白依赖性α-酮戊二酸合酶（EC 1.2.7.3）。^[26]其他一些生物，包括专性自养生物、甲烷营养细菌以及古细菌，则完全绕过琥珀酰辅酶A，通过琥珀酸半醛，使用α-酮戊二酸脱羧酶（EC 4.1.1.71）和琥珀酸半醛脱氢酶（EC 1.2.1.79），将α-酮戊二酸转化为琥珀酸。^[27]

柠檬酸循环的调控作用在很大程度上取决于产物抑制和底物的可用性。如果不受控制地运行，大量的代谢能量可能会浪费在辅酶（如NADH）以及ATP的过量生产上。柠檬酸循环的主要最终底物是ADP，用于生产ATP。而ADP的减少会导致NADH的积累，从而抑制多种酶的活性。NADH是柠檬酸循环中除琥珀酸脱氢酶以外的所有脱氢酶的产物，可抑制丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶以及柠檬酸合酶的活性。乙酰辅酶A抑制丙酮酸脱氢酶，琥珀酰辅酶A抑制α-酮戊二酸脱氢酶和柠檬酸合酶的活性。当用柠檬酸循环中的酶进行体外测试时，ATP会抑制柠檬酸合酶和α-酮戊二酸脱氢酶的活性。然而，在休息和剧烈运动之间，体内ATP水平的变化不超过10%。目前还没有已知的变构机制可以解释自身浓度变化小于10%的变构效应物产生的巨大反应速率变化。^[28]

钙也是柠檬酸循环的调节剂。在细胞活化过程中，线粒体基质中的钙含量可高达数十微摩尔水平。^[28]钙可以激活丙酮酸脱氢酶磷酸酶，而丙酮酸脱氢酶磷酸酶又激活丙酮酸脱氢酶复合体。钙还可以激活异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶，^[29]提高循环中许多步骤的反应速率，从而增加整个循环的流量。

柠檬酸还可以通过反馈抑制对糖酵解进行调控。柠檬酸能够抑制糖酵解中催化果糖1，6-二磷酸形成的磷酸果糖激酶。由于果糖1，6-二磷酸是丙酮酸的前体，该反馈抑制可以防止磷酸果糖激酶在柠檬酸积累和底物减少时可能出现的恒定高流量反应。

近期的研究表明，柠檬酸循环的中间体和低氧诱导因子（HIF）的调节之间有重要的联系。HIF在氧稳态的调节中起作用，并且是靶向血管生成、血管重塑、葡萄糖利用、铁转运和细胞凋亡的转录因子。HIF是组成型合成的，且可以被VHL（von Hippel Lindau）E3泛素连接酶复合物快速降解。HIF与该E3泛素连接酶复合物的连接由脯氨酰4-羟化酶催化，使其中两个关键脯氨酸残基中至少一个发生羟基化。延胡索酸和琥珀酸盐已被鉴定为脯氨酰羟化酶的有效抑制剂，从而可以稳定HIF不被降解。^[30]

许多分解代谢途径会汇入柠檬酸循环中，为其提供中间体，因此被称为添补反应，得名于希腊语“填充”。添补反应增加了柠檬酸循环中的乙酰辅酶A的量，提高了线粒体呼吸的能力，从而解除线粒体呼吸对其他反应潜在的限制。从循环中除去中间体的过程称为“去除”反应。

在本节和下一节中，柠檬酸循环中间体用斜体表示，以区别于其他底物和最终产物。

正常的柠檬酸循环中，糖酵解产生的丙酮酸分子通过主动运输穿过线粒体内膜，进入线粒体基质被氧化并与辅酶A结合形成CO₂、乙酰辅酶A和NADH。

然而，丙酮酸还可能被丙酮酸羧化酶羧化形成草酰乙酸，从而“填充”了柠檬酸循环中草酰乙酸的量，因此是一种添补反应。该反应在组织的能量需求上（例如肌肉中的能量需求）因活动而突然增加时，能够提高柠檬酸循环代谢乙酰辅酶A的能力。

在柠檬酸循环中，所有中间体（例如柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、苹果酸和草酰乙酸）在循环的每一个循环中都会被再生。因此，向线粒体中加入任意中间体意味着这些额外的量会参与循环，通过转化为其他中间体增加所有中间体的量。因此，将它们中的任何一种添加到循环中都具有添补效果，而将其去除则具有去除效果。在柠檬酸循环过程中，这些添补和去除反应将相应增加或减少可用于与乙酰辅酶A结合形成柠檬酸的草酰乙酸的量，从而增加或减少线粒体产生ATP的速率，进而增加或减少细胞可利用的ATP。

另一方面，乙酰辅酶A来源于丙酮酸氧化或脂肪酸的β氧化，是进入柠檬酸循环的唯一燃料。在柠檬酸循环的每一个循环中，线粒体基质中的每一个草酰乙酸分子消耗一个乙酰辅酶A分子，并且永远不会再生。乙酰辅酶A的乙酸部分氧化产生CO₂和水，释放的能量以ATP的形式存在。β-氧化的三个步骤类似于柠檬酸循环中由琥珀酸生产草酰乙酸的步骤。酰基辅酶A被氧化成反式烯酰基辅酶A，而FAD被还原成FADH₂，类似于琥珀酸氧化成延胡索酸。随后，反式烯酰基辅酶A通过双键水合成β-羟基酰基辅酶A，类似于延胡索酸水合成苹果酸盐。最后，β-羟基酰基辅酶A被氧化成β-酮酰基辅酶A，而NAD⁺被还原成NADH，其过程与苹果酸氧化成草酰乙酸的过程相同。^[31]

在肝脏中，细胞质中丙酮酸羧化为线粒体内草酰乙酸是糖异生途径的早期步骤。 在血液中高水平胰高血糖素和/或肾上腺素的影响下，糖异生途径将乳酸盐和去胺化丙氨酸转化为葡萄糖。在这种情况下，草酰乙酸添加到线粒体中并没有净的添补作用，因为另一种柠檬酸循环中间体苹果酸被立即从线粒体中去除，转化为胞质草酰乙酸，并通过几乎与糖酵解相反的过程最终转化为葡萄糖。

在蛋白质分解代谢中，蛋白质被蛋白酶分解成蛋白质的基本组成单位氨基酸。去胺化的氨基酸作为碳骨架，可以作为中间体（例如来源于谷氨酸或谷氨酰胺的α-酮戊二酸）进入柠檬酸循环，对循环具有添补作用。此外，亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸等氨基酸可以被转化为乙酰辅酶A，进而被氧化成CO₂和水，或者用于形成酮体。酮体只能在形成它们的肝脏以外的组织中氧化，或者通过尿液或呼吸排出。因此，能够最终产生酮体的氨基酸被称为“生酮”氨基酸，而那些作为中间体进入柠檬酸循环的氨基酸只能以苹果酸的形式被运出线粒体转化为细胞质草酰乙酸而被去除，并最终通过糖异生途径转化为葡萄糖。这些氨基酸被称为“葡萄糖”氨基酸。去胺化的丙氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸可被转化为丙酮酸，并因此可以作为草酰乙酸（一种添补反应）或作为乙酰辅酶A进入柠檬酸循环，最终转化成CO₂和水。

在脂肪分解代谢中，甘油三酯被水解成脂肪酸和甘油。在肝脏中，甘油可以通过二羟基丙酮磷酸酶转化为葡萄糖，甘油醛-3-磷酸通过糖异生转化为葡萄糖。在许多组织中，特别是心脏和骨骼肌组织中，脂肪酸通过β氧化的过程分解，产生线粒体乙酰辅酶A用于柠檬酸循环。具有奇数个亚甲基桥的脂肪酸的β氧化产生丙酰辅酶A，然后将其转化为琥珀酰辅酶A，并作为一种中间体加入柠檬酸循环。^[32]

在真核生物中，通过糖酵解完全分解一个（六碳）葡萄糖分子形成2个乙酰辅酶A分子，并在柠檬酸循环中的分解代谢和氧化磷酸化获得的总能量约等于30个ATP分子。由脂肪酸链的6个碳片段的β氧化以及随后产生的3个乙酰辅酶A分子的氧化可以得到40个ATP分子。

和前一个副标题一样，在这个副标题中，柠檬酸循环的中间体用斜体表示。

一些柠檬酸循环中间体会被用于合成重要的化合物，这将对循环产生显著的去除效应。^[33]乙酰辅酶A不能被运出线粒体。为了获得胞质乙酰辅酶A，柠檬酸会被从柠檬酸循环中除去，并通过线粒体内膜进入胞质溶胶，随后被ATP柠檬酸裂解酶裂解成乙酰辅酶A和草酰乙酸。草酰乙酸以苹果酸的形式返回线粒体并转化回草酰乙酸，可被用于将更多的乙酰辅酶A转移出线粒体。^[33]胞质乙酰辅酶A可用于脂肪酸合成和胆固醇生产。胆固醇可以用来合成类固醇激素、胆盐和维生素D。^[34][33]

许多非必需氨基酸的碳骨架由柠檬酸循环中间体合成。为了合成氨基酸，由柠檬酸循环中间体形成的α酮酸通过转氨基反应中，使用磷酸吡哆醛作为辅因子从谷氨酸获得氨基。在该反应中，谷氨酸被转化为α-酮戊二酸，成为柠檬酸循环中间体。能够为氨基酸合成提供碳骨架的中间体有草酰乙酸，它可以合成天冬氨酸和天冬酰胺，还有能够合成谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸的α-酮戊二酸。^[34][33]

在这些氨基酸中，天冬氨酸和谷氨酰胺与来自其他来源的碳原子和氮原子一起被用来合成嘌呤，作为DNA和RNA以及ATP、AMP、GTP、NAD、FAD和辅酶A的碱基。^[33]

嘧啶部分由来源于草酰乙酸的天冬氨酸组装而成。嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶是DNA和RNA碱基的互补碱基，也是CTP、UMP、UDP和UTP的组成部分。^[33]

卟啉中的大部分碳原子来自柠檬酸循环中间体琥珀酰辅酶A。卟啉是血红素蛋白的重要组成部分，如血红蛋白、肌红蛋白和各种细胞色素。^[33]

在糖异生过程中，线粒体草酰乙酸被还原成苹果酸，然后苹果酸被运出线粒体，在胞质溶胶中被氧化回草酰乙酸。随后，细胞溶质草酰乙酸通过磷酸烯醇丙酮酸羧激酶脱羧为磷酸烯醇式丙酮酸。该反应是肝脏和肾脏将几乎所有糖异生前体（如糖异生氨基酸和乳酸）转化为葡萄糖的限速步骤。^[34][33]

因为柠檬酸循环涉及分解代谢和合成代谢过程，所以它被称为两用代谢途径。

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TCA Cycle edit

1. The interactive pathway map can be edited at WikiPathways: "TCACycle_WP78".

乳酸在代谢中被普遍认为是组织和肿瘤的燃料。在经典的科里循环中，肌肉产生乳酸盐，然后被肝脏吸收用于糖异生。新的研究表明乳酸盐可以作为柠檬酸循环的碳源。^[34]