三羧酸循环¶

三羧酸循环以乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）的二碳乙酰基为输入，让它先与四碳草酰乙酸缩合，再经八步反应重新生成草酰乙酸。每一轮释放两分子 CO\(_2\)，把氧化所得电子保存为三分子还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和一对经琥珀酸脱氢酶送入辅酶 Q（coenzyme Q，CoQ；反应式简写为 Q）的电子，并以底物水平磷酸化生成一分子三磷酸鸟苷（guanosine triphosphate，GTP）或三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）。由于第一个可分离中间物是柠檬酸，这一路径也称柠檬酸循环；“Krebs 循环”则纪念 Krebs 与 Johnson 在 1937 年建立的循环模型。¹

循环承接糖酵解产生的丙酮酸，也氧化来自脂肪酸、酮体和多种氨基酸的乙酰-CoA。反过来，柠檬酸、\(\alpha\)-酮戊二酸、琥珀酰-CoA 和草酰乙酸又为脂质、氨基酸、血红素、核苷酸和糖异生提供碳骨架。因此它既是氧化分解的枢纽，也是合成代谢持续取用中间物的开放循环。

循环入口与区室¶

三羧酸循环的区室与氧依赖¶

在人和其他多数真核生物中，丙酮酸先进入线粒体基质，丙酮酸脱氢酶复合体和循环中的七种可溶酶位于基质；琥珀酸脱氢酶则嵌在线粒体内膜，同时也是呼吸链复合物 II。细菌没有线粒体，相应可溶反应发生在胞质，琥珀酸脱氢酶或延胡索酸还原酶与细胞膜相连。Reactome 的人类通路以八个经典反应记录从乙酰-CoA 到草酰乙酸的完整循环。²

八步反应直接使用水和已有代谢物中的氧原子；持续通量则通过 NADH 和还原型辅酶 Q（泛醇，QH\(_2\)）的再氧化间接依赖呼吸链。缺氧首先限制电子受体再生，并提高 NADH／NAD\(^+\)，继而让多个脱氢步骤接近平衡或受到产物抑制。电子传递与氧化磷酸化说明了这一连接。

丙酮酸脱氢酶复合体与乙酰-CoA 入口¶

丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex，PDC）在循环之前完成不可逆的氧化脱羧：

它以多份 E1、E2、E3 和真核生物的 E3 结合蛋白组成大型复合体。E1（丙酮酸脱氢酶）借助硫胺素二磷酸（thiamine diphosphate，ThDP）脱去 CO\(_2\)，形成羟乙基-ThDP；E2（二氢硫辛酰转乙酰基酶）上由赖氨酸系住的氧化型硫辛酰胺摆臂接受并氧化该二碳基团，再把乙酰基交给辅酶 A（coenzyme A，CoA）；E3（二氢硫辛酰脱氢酶）以紧密结合的黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）重氧化还原型硫辛酰胺，最后由氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD\(^+\)）接走电子。五种辅因子 ThDP、硫辛酰胺、CoA、FAD、NAD\(^+\) 因而在同一电子与酰基传递链中分工，各亚酶只直接接触其中与本步反应有关的底物或辅因子。³

多酶复合体让反应中间物在相邻活性部位之间转移，既提高局部传递效率，也避免活泼的羟乙基和酰基中间体大量扩散。\(\alpha\)-酮戊二酸脱氢酶复合体后来使用相同的 ThDP—硫辛酰胺—CoA—FAD—NAD\(^+\) 逻辑，只是转移的基团变成四碳琥珀酰基。

PDC 的磷酸化调节¶

哺乳动物四种丙酮酸脱氢酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK1–4）可磷酸化 E1\(\alpha\) 并降低 PDC 活性，两种丙酮酸脱氢酶磷酸酶（pyruvate dehydrogenase phosphatase，PDP1／2）则去磷酸化而重新激活；不同同工型的组织分布和位点选择并不相同。高 NADH／NAD\(^+\)、乙酰-CoA／CoA 和高能量状态通常促进 PDK 作用或直接形成产物抑制，丙酮酸和二磷酸腺苷（ADP）则可抑制部分 PDK。收缩肌中进入基质的 Ca\(^{2+}\) 激活 PDP1，使碳流随 ATP 需求增加。一磷酸腺苷（AMP）、脂肪酸和 Ca\(^{2+}\) 分别通过能量状态、同工型表达或磷酸化调节影响 PDC，作用层次并不相同。⁴

亚砷酸盐可与还原型硫辛酰胺的邻位二巯基作用，因而抑制 PDC 和同样使用硫辛酰胺的 \(\alpha\)-酮戊二酸脱氢酶。砷酸盐则在 GAPDH 步骤代替 P\(_i\)，已在糖酵解说明；二者属于不同化学机制。⁵

三羧酸循环的八步反应¶

从乙酰-CoA 到琥珀酰-CoA¶

柠檬酸合酶催化由乙酰-CoA 烯醇负离子进攻草酰乙酸的 Claisen 型 C—C 缩合。氟乙酸先被代谢成氟乙酰-CoA，再由柠檬酸合酶生成氟代柠檬酸；特定氟代柠檬酸异构体经乌头酸酶反应后形成紧密结合产物，阻断该酶。⁶

人类线粒体另有氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP\(^+\)）依赖的异柠檬酸脱氢酶 2（IDH2），胞质和过氧化物酶体有异柠檬酸脱氢酶 1（IDH1）。IDH1／2 可在氧化脱羧与还原羧化之间分配异柠檬酸、\(\alpha\)-酮戊二酸和还原型 NADPH，参与还原力与合成碳流；经典产能循环的 NADH 生成步骤由 IDH3 承担。三类同工酶的辅酶、区室和主要生理方向需要分别记录。⁷

从琥珀酰-CoA 再生草酰乙酸¶

人类 SUCL 由共同的 SUCLG1 \(\alpha\) 亚基与两种 \(\beta\) 亚基组合：SUCLA2 组成 ADP／ATP 型，SUCLG2 组成 GDP／GTP 型，组织表达决定两种反应的相对贡献。动物、植物和微生物都可具有 ADP 或 GDP 偏好的 SUCL，实际产物由亚基组成和组织表达决定。⁸

SDH 的 FADH\(_2\) 是酶催化循环中的还原态辅基，随后立即把电子传给酶内 Fe–S 中心和 Q。把它画成一分子游离 FADH\(_2\) 从循环离开、再返回复合物 II，会与复合物的真实电子路径矛盾。丙二酸可在体外作为琥珀酸的竞争性类似物抑制 SDH，但效应仍取决于浓度、底物和膜体系。⁹

循环计量与通量控制¶

每轮循环的物质与能量计量¶

以人类鸟苷二磷酸（guanosine diphosphate，GDP）依赖的 SUCL 和辅酶 Q 直接记电子，常用净反应写作

若组织使用 ADP 依赖 SUCL，式中的 GDP／GTP 换成 ADP／ATP。按常用磷氧比（phosphate/oxygen ratio，P/O ratio）近似，3 NADH 约对应 7.5 ATP，一对由 SDH 送入 Q 的电子约对应 1.5 ATP，再加 1 个 GTP 或 ATP，总计约 10 个 ATP 当量／乙酰-CoA。PDC 每个丙酮酸另生成 1 NADH，所以从丙酮酸算约 12.5；从葡萄糖彻底氧化算约 30 或 32。它们都是以约 2.5 和 1.5 的 P/O 比、特定穿梭和完整耦联为前提的理论账本，不是每个细胞兑现的固定产量。¹⁰

一轮确实释放两分子 CO\(_2\)，但第一轮释放的通常是随草酰乙酸进入的碳，而不是刚加入的两个乙酰碳。琥珀酸的对称性又会使碳标记在后续轮次重新分配。因此“每轮净氧化一个乙酰基”是跨多轮的总体化学结论；解释 \(^{13}\)C 标记时必须追踪具体碳位、轮次以及丙酮酸同时经 PDC 和丙酮酸羧化酶进入的可能性。¹¹

三羧酸循环的通量控制¶

草酰乙酸与乙酰-CoA 的供应、基质 NAD\(^+\)／NADH、Q／QH\(_2\)、ADP／ATP、Ca\(^{2+}\)、呼吸链能力以及中间物的抽取和补充共同决定通量。PDC、柠檬酸合酶、IDH3 和 OGDHC 常贡献较多控制，控制系数则随组织和状态在多个节点间重新分布。¹²

NADH 与琥珀酰-CoA 对上游脱氢酶形成产物反馈，ATP 丰富时多处通量下降；ADP 增多既促进氧化磷酸化，也能激活 IDH3 等节点。工作肌中 Ca\(^{2+}\) 同时通过 PDP1 激活 PDC，并促进 IDH3 与 OGDHC，使底物氧化与收缩需求耦联。OGDHC 的谷胱甘肽化等氧化还原修饰应理解为特定应激条件下的可逆调节，而非每次循环固定发生的一步。

运动开始时，ATP／磷酸肌酸缓冲、糖酵解和线粒体氧化即同时贡献供能；相对比例随强度、持续时间、训练状态、肌纤维和供氧改变。各系统与收缩、疲劳的联系见骨骼肌生理。

中间物收支与通路多样性¶

中间物抽取与合成代谢¶

这种离开循环的中间物净输出称为 cataplerosis。中间物可在较低稳态浓度下维持较大的生成与抽取通量。柠檬酸对磷酸果糖激酶-1（PFK-1）、乙酰-CoA 羧化酶等酶的调节，也让中间物同时承担碳载体与状态信号，相关脂质合成细节见脂质生物合成。

填补反应与中间物池¶

补充循环中间物的净反应称为填补反应（anaplerosis）。哺乳动物最重要的入口之一是丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase，PC）：它用 ATP 与 HCO\(_3^-\)，借助生物素把丙酮酸变成草酰乙酸，并受乙酰-CoA 变构激活。乙酰-CoA 本身不能在动物中净生成草酰乙酸；当乙酰-CoA 丰富而草酰乙酸不足时，激活丙酮酸羧化正好增加其受体。¹³

奇数链脂肪酸以及缬氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸和苏氨酸等可经丙酰-CoA、甲基丙二酰-CoA生成琥珀酰-CoA；谷氨酸和谷氨酰胺可补入 \(\alpha\)-酮戊二酸；天冬氨酸转氨可补入草酰乙酸。反之，苹果酸脱氢酶只在苹果酸与草酰乙酸之间互变，若没有新的碳进入，不能单独增加循环中间物总量。

植物、真菌和一些细菌可用乙醛酸循环绕过两次脱羧，把多份乙酰-CoA 转成可供合成的四碳化合物；动物缺少异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶，不能完成这种净转换。该旁路的反应与物种边界见乙醛酸循环与寡糖代谢。填补与抽取必须成对理解：只谈“循环既分解又合成”而不记中间物池的收支，无法判断通量能否持续。¹⁴

三羧酸循环的生物多样性¶

许多细菌和古菌缺少人类循环中的某些酶，可能用不同酶家族替代，或只保留氧化支、还原支来供应前体；一些厌氧和自养生物还沿还原性三羧酸循环的方向固定 CO\(_2\)。琥珀酸脱氢酶与延胡索酸还原酶之间的亲缘和方向选择，也显示电子受体条件可重塑这段通路。美国国家生物技术信息中心的直系同源蛋白簇（Clusters of Orthologous Groups，COG）通路清单列出了柠檬酸合酶、不同乌头酸酶、IDH、OGDHC／替代氧化还原酶、SUCL、SDH／延胡索酸还原酶和两类延胡索酸酶等多种实现。¹⁵

人类线粒体的八步循环是理解氧化代谢的清晰主干。微生物 TCA 结构的判定还需要结合基因同源性、酶活、培养底物、电子受体和同位素通量。

参考资料与延伸阅读¶

• Reactome, Citric acid cycle (TCA cycle)；Regulation of pyruvate dehydrogenase complex。
• Alberts, B. et al., How Cells Obtain Energy from Food. Molecular Biology of the Cell。
• Arnold, P. K. & Finley, L. W. S., Regulation and function of the mammalian tricarboxylic acid cycle. Journal of Biological Chemistry, 2023。
• Patel, M. S. & Korotchkina, L. G., Regulation of the pyruvate dehydrogenase complex. Biochemical Society Transactions, 2006。
• Owen, O. E., Kalhan, S. C. & Hanson, R. W., The key role of anaplerosis and cataplerosis for citric acid cycle function. Journal of Biological Chemistry, 2002。
• NCBI COG, TCA cycle。