三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）又称柠檬酸循环（citric acid cycle）、克雷布斯循环（Krebs cycle），是需氧生物体内普遍存在的一种代谢途径，是细胞代谢的核心途径。它在营养物质氧化，进而产生能量的过程中发挥着重要作用。三羧酸循环是三大营养素（糖类、脂类、氨基酸）的最终代谢通路，也是各种有机物相互转化的枢纽。该循环的部分产物在免疫反应调节等生理过程中也发挥着重要作用，也可用于合成包括氨基酸、卟啉、嘧啶核苷酸在内的很多重要物质。

三羧酸循环是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，是需氧生物体内普遍存在的一种代谢途径。它起始于草酰乙酸与乙酰辅酶A缩合成柠檬酸的反应。柠檬酸经过异构化形成异柠檬酸，然后氧化脱氢形成草酰琥珀酸。草酰琥珀酸通过脱羧形成α-酮戊二酸，再氧化脱羧形成四碳化合物，后者经过3次转化，最后形成循环起始的四碳化合物草酰乙酸，完成一次循环。该循环过程中形成一个高能化合物（GTP），并使FAD和NAD+分别还原成FADH和NADH。

三羧酸循环由汉斯·克雷布斯（Hans Krebs）于1937年首次提出，并以柠檬酸循环命名，原本是用于描述鸽子胸肌中碳水化合物氧化的中间阶段。三羧酸循环是生物化学和细胞生物学的基础理论之一，克雷布斯也因此获得了1953年诺贝尔生理学或医学奖。

20世纪初，细胞呼吸仍然是生物学领域尚未解决的主要问题之一。科学家们知道细胞呼吸涉及氧气消耗，并怀疑这一过程与糖类等营养物质的分解过程存在某种联系，但这个过程的具体机制还是完全未知。为了理解糖类的氧化分解过程，匈牙利科学家阿尔伯特·森特-乔吉（Albert Szent-Gyorgyi）选择了呼吸速率高且易于获取的鸽胸肌进行实验，然后于1935年确定了从琥珀酸到富马酸再到苹果酸，最终到草酰乙酸（OAA）的反应序列，并展示了鸽胸肌悬液中这些物质的快速氧化过程。从这项工作中，森特-乔吉推测二羧酸催化促进了氧气的吸收。

次年，斯塔尔和鲍曼发现，少量的二羧酸就足以引起氧气消耗量的增加，而且这种增加超过了实验中底物所需的氧化量。值得注意的是，他们还发现添加的二羧酸并没有被耗尽，仍然能在培养基中检测到，这表明这些化合物应该是以催化剂的身份发挥作用。

1937年，汉斯·克雷布斯发现，在丙酮酸的存在下，动物组织可以合成琥珀酸，这使他推测琥珀酸可能源于丙酮酸下游的柠檬酸氧化反应。同年，马蒂乌斯和克诺普的一项关键发现表明，α-酮戊二酸（αKG）是柠檬酸氧化的产物，并推导出了从柠檬酸到琥珀酸的一系列反应步骤。

这些关键性实验为汉斯·克雷布斯和他的同事威廉·约翰逊（William Johnson）于1937年在《酶学》（Enzymologia）上发表的研究奠定了基础，他们在该研究中发现，碎鸡胸肌很容易将柠檬酸氧化，而且由添加柠檬酸引起的氧气消耗量甚至超出了完全氧化柠檬酸所需的量，这表明柠檬酸本身会刺激分子氧的消耗。同时，他们发现，在这个过程中柠檬酸并没有消失，这表明它一直在被不断再生。此外，在OAA的存在下，肌肉可以在无氧条件下合成大量柠檬酸，而且当OAA添加到肌肉中时，它会与来自未知前体的两个碳原子结合形成柠檬酸。而加入丙二酸（malonate，一种琥珀酸氧化的抑制剂）之后再添加OAA，则琥珀酸会积累，这意味着这一系列反应具有循环性。在随后的研究中，克雷布斯确定了与OAA结合形成柠檬酸的两个碳原子来自丙酮酸，并且当丙酮酸被添加到肌肉中时，肌肉的氧气消耗量会增加。利普曼等人后来的研究阐明，用于柠檬酸合成的两碳分子实际上是乙酰辅酶A。

总反应式：

乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H++CoA-SH

三羧酸循环可概括为如下8步反应：

1、草酰乙酸与乙酰辅酶 A缩合形成柠檬酸

在柠檬酸合酶的催化下，草酰乙酸与乙酰-CoA发生醛醇缩合，生成柠檬酸。

柠檬酸合酶的催化过程严格按以下顺序进行：先与草酰乙酸结合，诱发构象变化，再与乙酰辅酶A结合。首先，柠檬酸合酶的组氨酸残基作为碱基与乙酰-CoA作用，使乙酰-CoA的甲基上失去一个H+，生成的碳阴离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核攻击，生成柠檬酰-CoA中间体，然后高能硫酯键水解放出游离的柠檬酸，使反应不可逆地向右进行。该反应是很强的放能反应。

2、柠檬酸异构化形成异柠檬酸

柠檬酸的叔醇基不易氧化，而转变成异柠檬酸可以使叔醇变成仲醇，就易于氧化。此反应由顺乌头酸酶催化，为一可逆反应。

反应的中间产物顺式乌头酸不与酶分离，其中的H2O可往复地以两种不同的方式与顺式乌头酸的双键结合，分别形成柠檬酸和异柠檬酸。在pH7.4和 25℃的环境中，当反应达到平衡时，只有10%的异柠檬酸形成。在细胞内，异柠檬酸不断被消耗，因此推动此反应不断地由左向右进行。

3、异柠檬酸氧化脱羧形成α-酮戊二酸（αKG）

在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸（oxalosuccinicacid）的中间产物，后者快速脱羧生成α-酮戊二酸、NADH和CO2，此反应为β-氧化脱羧反应，反应不可逆，是三羧酸循环中的限速步骤，也是第一次氧化脱羧反应，产生第一个CO2和NADH。

异柠檬酸脱氢酶需要镁离子作为激活剂，在真核细胞中存在两种同工酶形式，一种以NAD+为辅酶，只存在于线粒体中；一种以NADP+为辅酶,既存在于线粒体中也存在于细胞溶胶中。ADP是异柠檬酸脱氢酶的激活剂，而ATP、NADH是此酶的抑制剂。

4、α-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰辅酶A（琥珀酰-CoA）

在α-酮戊二酸脱氢酶复合体作用下，α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰-CoA、NADH·H+和CO2，反应过程完全类似于丙酮酸脱氢酶复合体催化的氧化脱羧，属于α-氧化脱羧，氧化产生的一部分能量储存于琥珀酰-CoA的高能硫酯键中。

α-酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体极其相似，由三种酶，即α-酮戊二酸脱羧酶（E1）、二氢硫辛酰转琥珀酰酶（E2）和二氢硫辛酰脱氢酶（E3）和五个辅酶（TPP、硫辛酸、辅酶A、NAD+、FAD）组成。此反应也是不可逆的。α-酮戊二酸脱氢酶复合体受ATP、GTP、NADH和琥珀酰-CoA抑制，但其不受磷酸化/去磷酸化的调控。

5、琥珀酰-CoA转化为琥珀酸并伴随底物水平磷酸化反应的发生

在琥珀酰辅酶A合成酶（或称琥珀酸硫激酶）的作用下，琥珀酰-CoA的硫酯键水解，生成琥珀酸和辅酶A，释放的自由能用于合成GTP或ATP。

在细菌和高等生物中可直接生成ATP，在哺乳动物中，先生成GTP，再生成ATP。

6、琥珀酸脱氢形成延胡索酸

琥珀酸脱氢酶（succinatedehydrogenase）催化琥珀酸氧化成为延胡索酸。该酶结合在线粒体内膜上，在原核细胞中则是与细胞质膜结合（其他三羧酸循环的酶都在线粒体基质中）。琥珀酸脱氢酶属于电子传递呼吸链的一个组分，被称为复合物Ⅱ，含有铁硫中心和共价结合的FAD。来自琥珀酸的电子通过FAD和铁硫中心，进入电子传递链到O2。丙二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物，所以可以阻断三羧酸循环。

7、延胡索酸水合形成L-苹果酸

延胡索酸酶的催化下，延胡索酸水合形成L-苹果酸。该反应为可逆反应，延胡索酸酶仅对延胡索酸的反式双键起作用，而对顺丁烯二酸（马来酸）则无催化作用，因而是高度立体专一性的。

8、苹果酸氧化形成草酰乙酸

在苹果酸脱氢酶（malicdehydrogenase）作用下，苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基，生成草酰乙酸（oxalocetate），NAD+是脱氢酶的辅酶，接受氢成为NADH·H+。

该反应在热力学上是不利的，但由于柠檬酰辅酶A的硫酯键水解时高度放能，使草酰乙酸在低的生理浓度下（小于10-6 mol/L）也可被转变为柠檬酸。

在三羧酸循环中，最初草酰乙酸因参加反应而消耗，但经过循环又重新生成。所以每循环一次，净结果为1个乙酰基通过两次脱羧而被消耗。循环中有机酸脱羧产生的二氧化碳，是机体中二氧化碳的主要来源。

每次循环共发生4次氧化反应，使3个NAD+还原成NADH，1个FAD还原成FADH2。每次循环也要消耗2个H2O分子，产生1个GTP或ATP高能键。虽然无氧分子直接参加反应，但三羧酸循环只在有氧条件下进行，因为三羧酸循环所产生的3个NADH和1个FADH2分子中的电子只有通过呼吸链传递给氧分子后才可被重新氧化成NAD+和FAD，这样柠檬酸循环中的氧化反应才可重复发生。

理论上，只要持续供应乙酰-CoA，OAA就可以无限制地再生，TCA循环也就能一直持续。然而，TCA循环的中间体也可以从循环中抽取出来，用于其他代谢途径或为大分子生物合成提供前体，这一过程称为“卡塔普洛罗西”。

乙酰辅酶A不仅来自糖的分解，也可由脂肪酸和氨基酸的分解代谢中产生。并且，凡是能转变成三羧酸循环中任何一种中间代谢物的物质都能通过三羧酸循环而被氧化。所以三羧酸循环实际是糖、脂、蛋白质等有机物在生物体内末端氧化的共同途径。三羧酸循环既是分解代谢途径，但又为一些物质的生物合成提供了前体分子。如草酰乙酸是合成天冬氨酸的前体，α-酮戊二酸是合成谷氨酸的前体。一些氨基酸还可通过此途径转化成糖。

糖有氧氧化分为两个阶段，第一阶段糖酵解途径的调节在糖酵解部分已探讨过，下面主要讨论第二阶段丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA并进入三羧酸循环的一系列反应的调节。丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合体是这一过程的限速酶。

丙酮酸脱氢酶复合体受别构调控也受化学修饰调控，该酶复合体受它的催化产物ATP、乙酰-CoA和NADH有力的抑制，这种别构抑制可被长链脂肪酸所增强，当进入三羧酸循环的乙酰-CoA减少，而AMP、CoA和NAD+堆积，酶复合体就被别构激活，除上述别位调节，在脊椎动物还有第二层次的调节，即酶蛋白的化学修饰，PDH含有两个亚基，其中一个亚基上特定的一个丝氨酸残基经磷酸化后，酶活性就受抑制，脱磷酸化活性就恢复，磷酸化-脱磷酸化作用是由特异的磷酸激酶和磷酸蛋白磷酸酶分别催化的，它们实际上也是丙酮酸酶复合体的组成，即前已述及的调节蛋白，激酶受ATP别构激活，当ATP高时，PDH就磷酸化而被激活，当ATP浓度下降，激酶活性也降低，而磷酸酶除去PDH上磷酸，PDH又被激活了。

对三羧酸循环中柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶的调节，主要通过产物的反馈抑制来实现的，而三羧酸循环是机体产能的主要方式。因此ATP/ADP与NADH/NAD+两者的比值是其主要调节物。ATP/ADP比值升高，抑制柠檬酸合成酶和异柠檬酶脱氢酶活性，反之ATP/ADP比值下降可激活上述两个酶。NADH/NAD+比值升高抑制柠檬酸合成酶和α－酮戊二酸脱氢酶活性，除上述ATP/ADP与NADH/NAD+之外其它一些代谢产物对酶的活性也有影响，如柠檬酸抑制柠檬酸合成酶活性，而琥珀酰-CoA抑制α-酮戊二酸脱氢酶活性。总之，组织中代谢产物决定循环反应的速度，以便调节机体ATP和NADH浓度，保证机体能量供给。

1. 为细胞提供能量

一个葡萄糖分子经过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化彻底氧化所释放的全部能量大约可产生32个ATP分子。

在糖酵解阶段产生2分子NADH；底物水平磷酸化产生4分子ATP，在激活六碳糖时消耗2分子ATP，所以净产生2个ATP分子。糖酵解生成的2分子丙酮酸在氧化脱羧时产生2个NADH。生成的2分子乙酰辅酶A经过柠檬酸循环后产生6个NADH和2个FADH2，同时通过底物水平磷酸化还产生2个GTP或ATP分子。[a]

每分子NADH的电子经呼吸链传递并最终与氧结合生成水后，所释放的能量可以产生大约2.5个ATP分子（过去认为是产生3个ATP分子）。而一个FADH2经过类似的电子传递后所释放的能量可产生大约1.5个ATP分子（过去认为是产生2个ATP分子）。另外，细胞溶胶中所产生的NADH的电子可以通过两种不同的穿梭途径进入呼吸链，释放的能量可以产生2.5或1.5个ATP分子。以此计算，一个葡萄糖分子完全氧化可产生30~32个ATP分子（根据旧的算法是36~38个）。

2. 循环过程中各个物质的功能

三羧酸循环的中间产物是合成许多生物分子的前体。利用该循环的中间产物可以合成的生物分子包括：葡萄糖、脂质（包括脂肪酸和胆固醇）、氨基酸、卟啉类化合物等。

线粒体柠檬酸可以进入细胞质，并由ACL代谢释放出乙酰-CoA，这是进行全新脂质合成和蛋白质乙酰化的必要条件。代谢物αKG可以转化为谷氨酸，进而从循环中转移出来，用于氨基酸和核苷酸的合成。

苏氨酸-CoA可以从循环中抽取出来，作为血红素等卟啉的前体。

OAA可以作为天冬氨酸的碳骨架，而天冬氨酸是尿素循环和蛋白质及核苷酸合成的关键输入物，还可能转化为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），是糖异生的底物。

研究表明，三羧酸循环的部分产物在细胞免疫反应调节的过程中发挥着重要作用。柠檬酸盐和琥珀酸盐具有促炎特性，而α-酮戊二酸盐、富马酸盐等与免疫抑制作用相关。

三羧酸循环是为细胞生命活动提供能量的过程，受到严格调控。总体而言，底物的可获得性、积累产物的抑制作用（包括上游酶受到的下游产物的变构反馈抑制）决定着循环的运行速率。

1. 丙酮酸脱氢酶复合体的调节

丙酮酸脱氢酶复合体负责催化丙酮酸转变为乙酰辅酶A，它决定了进入循环的底物乙酰辅酶A的可获得性。该酶复合体的活性可以被NADH、乙酰辅酶A、ATP 和脂肪酸变构抑制，以及被NAD+、AMP、辅酶A等变构激活。

在高等生物体内，该酶复合体的活性还可以通过E1亚基的磷酸化（抑制作用）和去磷酸化（激活作用）而发生共价修饰调节。高浓度的ATP可使与丙酮酸脱氢酶复合体结合的丙酮酸脱氢酶激酶活化，促使E1亚基的磷酸化，导致该酶复合体的活性受到抑制。胰岛素有激活丙酮酸脱氢酶磷酸酶的作用，使酶复合体从被抑制状态转变为被激活的状态。

此外，Ca2+可以通过抑制丙酮酸脱氢酶激酶和激活丙酮酸脱氢酶磷酸酶而增强丙酮酸脱氢酶复合体的活性。

2. 柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶的调控

一方面，这些酶的活性受到底物的可获得性调节：高浓度底物使酶充分发挥活性。比如当NAD+的浓度低时，根据质量作用定律，异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶催化的反应都不能以最高速度进行。这会导致草酰乙酸的浓度过低，从而使三羧酸循环第一步反应速率减慢。

另一方面，这些酶的活性受到产物积累的调节：当产物浓度高时活性被抑制。比如当琥珀酰辅酶A积累时，α-酮戊二酸脱氢酶的活性就会被抑制，同时柠檬酸合酶的活性也会被抑制。类似地，柠檬酸的积累也会抑制柠檬酸合酶的活性。ATP作为最终产物也能抑制柠檬酸合酶及异柠檬酸脱氢酶的活性。ATP对柠檬酸合酶的抑制可被其别构激活剂ADP解除。

总之，在三羧酸循环中的所有中间物的浓度都会依机体对能量的需要情况而调整，以保证这个循环的运转恰好能提供最适量的ATP。