三羧酸循环
三大营养物质——糖、脂肪与部分氨基酸氧化生成乙酰CoA，再通过三羧酸循环氧化乙酰基团并提取出电子，在通过电子传递链最终还原氧气，偶联合成ATP。
三羧酸循环在这个过程中起到承上启下的作用。
三羧酸循环过程
丙酮酸转化为乙酰CoA
丙酮酸脱氢酶复合体催化丙酮酸转化为乙酰CoA，并产生1分子的NADH，这是正式进入三羧酸循环之前的准备阶段。
三羧酸循环概述
三羧酸发生在线粒体基质，经过8步反应，每次循环氧化一个二碳单位，生成：
- 两分子\(\ce{CO2}\)
- 一分子GTP或ATP
- 乙酰CoA电子转移生成三分子\(\ce{NADH}\)和一分子\(\ce{FADH2}\)
从柠檬酸到草酰乙酸的7步反应等效于乙酸或甲烷的氧化，底物消耗两个碳（碳链长度从6缩减到4），失去8个电子，等效于消耗两分子\(\ce{O2}\)：
- 两步脱羧：⍺-酮戊二酸前后
- 两步氧化：琥珀酸脱氢和苹果酸脱氢
- 一/两步异构：柠檬酸-顺乌头酸-异柠檬酸
- 一步水合：延胡索酸-苹果酸
- 一步底物水平磷酸化：琥珀酰-CoA
Note
三羧酸循环有很多名称，包括三羧酸循环 (TCA循环)、柠檬酸循环 ( Citric acid cycle)与Kerbs循环。
三羧酸循环步骤
第一步 柠檬酸
柠檬酸合酶的催化下，乙酰CoA上的甲基碳作为亲核试剂进攻草酰乙酸α-酮基上缺电子的羰基碳，形成柠檬酰CoA中间体。
之后高能碳硫键迅速水解，形成柠檬酸，\(\ce{\Delta G^{'0}=-32.2KJ/mol}\)，使得反应不可逆。
柠檬酸合酶通过两个组氨酸与一个天冬氨酸实现催化作用：
柠檬酸合酶是三羧酸循环的关键调节酶，其催化的反应不可逆，且对草酰乙酸的\(K_m\)极小。
α-酮酸
α-酮酸是一种羧基直接连在α碳上的酮酸，丙酮酸本身是由一个最简单的α-酮酸。
丙酮酸去除甲基部分，为一个草酰基。
大部分α-酮酸脱羧脱的是草酰基的羧基。（除了草酰乙酸）
第二步 异柠檬酸
乌头酸酶催化对称的柠檬酸的脱水，再水合，生成不对成的异柠檬酸，本步为可逆反应。
乌头酸酶通过铁硫中心催化反应进行，其是常见的电子载体辅基（复合物\(\rm{I-III_2}\)）。
Note
本步反应的脱水具有选择性，双键不能生成在直接来自乙酰CoA的乙酰基上。
第三步 α-酮戊二酸
异柠檬酸脱氢酶催化六碳的异柠檬酸脱羧生成五碳的α-酮戊二酸，给出两个电子，\(\ce{NAD+}\)或\(\ce{NADP+}\)作为电子载体接受电子。
人体内的异柠檬酸脱氢酶有三种同工酶，分别是：
- IDH1，定位于细胞液，以\(\ce{NADP+}\)作为电子受体
- IDH2，定位于线粒体基质，以\(\ce{NADP+}\)作为电子受体
- IDH3，定位于线粒体基质，以\(\ce{NAD+}\)作为电子受体
Note
异柠檬酸脱氢酶突变体会催化生成致癌代谢物。
第四步 琥珀酰CoA
α-酮戊二酸脱氢酶复合物 (α-KGDH or OGDHc) 将α-酮戊二酸氧化脱羧，与辅酶A生成琥珀酰CoA，该步反应是不可逆反应，也是三羧酸循环的重要调节位点。
第五步 琥珀酸
琥珀酰CoA合成酶由两种同工酶，均催化琥珀酰CoA水解生成琥珀酸，但是高能硫酯键能量去向不同，一个走向ATP，一个走向GTP.
核苷二磷酸激酶 (nucleoside diphosphatekinase) 催化ATP和GTP间的可逆转化。
第六步 延胡索酸
琥珀酸脱氢酶是唯一一个定位于线粒体内膜上的三羧酸循环催化酶，催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸：
琥珀酸脱氢酶复合体同时也是电子传递链中的复合体II，氧化磷酸化阻断（缺血）时会导致琥珀酸大量积累、
其电子受体为黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)，通过共价键与琥珀酸脱氢酶结合。
辅酶与辅基
辅酶与酶的连接是松散的，辅基与酶的连接是紧密的。
第七步 L-苹果酸
延胡索酸 （反-丁烯二酸）在延胡索酸酶的催化下，以高度的立体专一性，得到左旋的L-苹果酸。该反应是可逆的。
第八步 L-苹果酸氧化生成草酰乙酸
该反应由 L-苹果酸脱氢酶 催化，氧化苹果酸为草酰乙酸，偶联生成NADH。
该反应不自发进行，但是线粒体中草酰乙酸浓度极低（柠檬酸合酶\(K_m\)极低，在极低浓度下既可以催化柠檬酸生成）。
三羧酸循环中碳原子命运
一开始柠檬酸是对称分子，但是后续生成异柠檬酸的羟基变位发生在远离来自乙酰CoA的一端。
后续两步异柠檬酸脱羧生成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸脱羧生成琥珀酰CoA，两个碳原子都是远离乙酰CoA的一端，均不是来自于乙酰CoA的碳。
但是自琥珀酰CoA生成琥珀酸（丁二酸）开始，变为对称分子，且琥珀酸脱氢酶复合体不存在空间选择性，使得来自乙酰CoA的不对称性湮灭。
三羧酸循环反应总公式
- 2C单位进入，2个CO2离开
- 一分子乙酰CoA，经过循环，产生一分子GTP。
- 从碳能源中收获大量高能电子：3 NADH+1 FADH2。
三羧酸循环的生化地位
循环中的代谢前体
下图展示了三羧酸羧酸循环中的重要代谢前提物质：
- 柠檬酸参与脂肪酸和固醇的合成
- α-酮戊二酸参与谷氨酸的合成，后者是嘌呤与许多非必需氨基酸的前提物质
- 琥珀酰CoA是卟啉与血红素的前体
- 苹果酸与丙酮酸之间通过苹果酸酶催化转化
- 草酰乙酸是嘧啶的前体，可以转化为磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)，再合成为许多非必需氨基酸与葡萄糖。
因为草酰乙酸的核心地位，三羧酸循环中涉及的所有分子都是生糖的。
添补反应
由于草酰乙酸在线粒体内浓度很低，三羧酸循环本身的通量很小，反应路径上的大部分分子的存货都不算多。
为了保证三羧酸循环高效进行，细胞必须为其准备一些“后备能源”，保证某一个环节“缺货”时可以被及时补充。这种对参与其他代谢途径而消耗的TCA循环中间产物的及时补充，保持TCA循环顺利进行的反应，被称为添补反应。
最重要的添补反应——由丙酮酸羧化酶催化的从丙酮酸生成草酰乙酸的反应。
草酰乙酸添补反应
如果有大量的乙酰-CoA却没有足够的草酰乙酸（在以脂肪酸为主要能源时）会大量生成酮体。
三羧酸循环生理意义
- 糖、脂肪、蛋白质的最终代谢通路
- 糖、脂肪酸、氨基酸代谢联系的枢纽
- 糖、脂肪酸、氨基酸及其它物质合成的前体物质的重要来源
- 与氧化磷酸化共同为需氧细胞提供绝大多数的能量
三羧酸循环调控
三羧酸循环有多个关键调节位点：
- 底物、产物对循环中的三个催化不可逆反应的关键酶产生影响：柠檬酸合酶，异柠檬酸脱氢酶（生成CO2），α-酮戊二酸脱氢酶（生成CO2）。
- 上、下游的糖酵解、氧化磷酸化都对其有重要调节作用
