生物化學原理/檸檬酸迴圈或三羧酸迴圈

檸檬酸迴圈——也被稱為三羧酸迴圈（TCA迴圈）、克雷伯迴圈或聖捷爾吉-克雷伯迴圈——是一系列酶促化學反應，對於所有使用氧氣作為細胞呼吸一部分的活細胞來說都至關重要。在真核細胞中，檸檬酸迴圈發生線上粒體的基質中。檸檬酸迴圈的成分和反應是由阿爾伯特·聖捷爾吉和漢斯·克雷伯的開創性工作確定的。在需氧生物中，該迴圈是參與將碳水化合物、脂肪和蛋白質化學轉化為二氧化碳和水的代謝途徑的一部分，以產生一種可利用的能量形式。該途徑中的其他相關反應包括糖酵解和丙酮酸氧化，它們發生在檸檬酸迴圈之前，以及氧化磷酸化，它發生在檸檬酸迴圈之後。此外，它還提供許多化合物的先驅，包括一些氨基酸，因此即使在進行發酵的細胞中也是功能性的。

檸檬酸迴圈概述

檸檬酸迴圈途徑中的酶

檸檬酸合酶

檸檬酸合酶（E.C. 2.3.3.1 [以前為 4.1.3.7]）存在於幾乎所有活細胞中，是檸檬酸迴圈（或克雷伯迴圈）第一步的限速酶。檸檬酸合酶位於真核細胞的線粒體基質中，但由核DNA而不是線粒體編碼。它由胞質核糖體合成，然後被轉運到線粒體基質中。檸檬酸合酶通常用作完整線粒體存在的定量酶標記。檸檬酸合酶催化來自乙醯輔酶 A 的雙碳乙酸殘基和四碳草醯乙酸分子縮合形成六碳檸檬酸的反應。草醯乙酸將在克雷伯迴圈完成一輪後再生。

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  乙醯輔酶 A
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  草醯乙酸
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  檸檬酸

乙醯輔酶 A + 草醯乙酸 + H₂O → 檸檬酸 + CoA-SH

草醯乙酸是第一個與酶結合的底物。這會導致酶改變其構象，並建立一個乙醯輔酶 A 結合位點。只有當這種檸檬醯輔酶 A 形成後，另一種構象變化才會導致硫酯水解並釋放輔酶 A。這確保了從硫酯鍵斷裂中釋放的能量將驅動縮合反應。

異檸檬酸分解為草醯琥珀酸，然後分解為最終產物α-酮戊二酸的催化機制。草醯琥珀酸中間體是假設的；它從未在該酶的脫羧版本中被觀察到。

烏頭酸酶

烏頭酸酶（烏頭酸水合酶；EC 4.2.1.3）是一種催化檸檬酸透過順烏頭酸立體特異性異構化為異檸檬酸的酶，這是一種非氧化還原反應。

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  檸檬酸
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  烏頭酸
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  異檸檬酸

異檸檬酸脫氫酶

異檸檬酸脫氫酶（EC 1.1.1.42）和（EC 1.1.1.41），也稱為 IDH，是一種參與檸檬酸迴圈的酶。它催化迴圈的第三步：異檸檬酸的氧化脫羧，產生α-酮戊二酸（α-酮戊二酸）和 CO2，同時將 NAD+ 轉換為 NADH。這是一個兩步過程，包括將異檸檬酸（仲醇）氧化為草醯琥珀酸（酮），然後將β-酮的羧基脫羧，形成α-酮戊二酸。該酶的另一種亞型催化相同的反應，但此反應與檸檬酸迴圈無關，線上粒體和過氧化物酶體中以及胞質溶膠中進行，並使用 NADP+ 而不是 NAD+ 作為輔因子。

在檸檬酸迴圈中，由檸檬酸異構化產生的異檸檬酸會發生氧化和脫羧。使用異檸檬酸脫氫酶 (IDH) 酶，異檸檬酸被周圍的精氨酸、酪氨酸、天冬醯胺、絲氨酸、蘇氨酸和天冬氨酸氨基酸固定在其活性位點內。第一個框顯示了異檸檬酸脫氫酶的總體反應。該酶機制發揮作用所需的反應物是異檸檬酸、NAD+/NADP+ 和 Mn2+ 或 Mg2+。反應產物是α-酮戊二酸、二氧化碳和 NADH + H+/NADPH + H+。水分子用於幫助異檸檬酸的氧氣（O3）去質子化。第二個框是步驟 1，即α-C（C#2）的氧化。氧化是異檸檬酸經歷的第一步。在此過程中，α-碳（C#2）上的醇基團被去質子化，電子流向α-C，形成酮基，並使用 NAD+/NADP+ 作為電子接受輔因子從 C#2 上除去一個氫化物。α-C 的氧化提供了電子（在下一步中）從羧基向下流動並推動電子（使雙鍵氧氣）向上回到氧氣或從附近的賴氨酸氨基酸上獲取附近質子的位置。第三個框是步驟 2，即草醯琥珀酸的脫羧。在此步驟中，羧基氧氣被附近的酪氨酸氨基酸去質子化，這些電子流向碳 2。二氧化碳作為離去基團離開異檸檬酸的β碳，電子流向α-C 上的酮氧氣，在α-C 的氧氣上放置負電荷，並在碳 2 和 3 之間形成α-β不飽和雙鍵。α-C 氧氣上的孤對電子從附近的賴氨酸氨基酸中獲取一個質子。第四個框是步驟 3，即α-β不飽和雙鍵（碳 2 和 3 之間）的飽和。在反應的這一步中，[5][6]賴氨酸去質子化α碳上的氧氣，α碳上氧氣的孤對電子向下重新形成酮雙鍵，並推動形成α和β碳之間雙鍵的孤對電子離開，從附近的酪氨酸氨基酸中獲取一個質子。此反應導致形成α-酮戊二酸、NADH + H+/NADPH + H+ 和 CO2。

α-酮戊二酸脫氫酶

酮戊二酸脫氫酶複合物 (OGDC) 或 α-酮戊二酸脫氫酶複合物是一種酶複合物，最常因其在檸檬酸迴圈中的作用而聞名。該酶在檸檬酸迴圈中催化的反應是

α-酮戊二酸 + NAD⁺ + CoA → 琥珀醯輔酶A + CO₂ + NADH

該反應分三個步驟進行：α-酮戊二酸脫羧，NAD+還原為NADH，以及隨後轉移至CoA，形成最終產物琥珀醯輔酶A。該反應的ΔG°'為-7.2 kcal mol-1。該氧化所需的能量儲存在琥珀醯輔酶A的硫酯鍵形成中。

琥珀醯輔酶A合成酶

琥珀醯輔酶A合成酶（琥珀酸硫激酶）催化琥珀醯輔酶A形成琥珀酸和輔酶A，一個4碳代謝物。琥珀醯輔酶A合成酶催化檸檬酸迴圈中的一個可逆步驟，該步驟涉及GDP的底物水平磷酸化。

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  琥珀醯輔酶A
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  琥珀酸

琥珀酸脫氫酶

琥珀酸脫氫酶或琥珀酸-輔酶Q還原酶（SQR）或複合物II是一種酶複合物，與哺乳動物線粒體和許多細菌細胞的線粒體內膜結合。它是唯一參與檸檬酸迴圈和電子傳遞鏈的酶。

在檸檬酸迴圈的步驟8中，SQR催化琥珀酸氧化為延胡索酸，同時將泛醌還原為泛醇。這線上粒體內膜中透過將這兩個反應耦合在一起來實現。

延胡索酸酶

延胡索酸酶（或延胡索酸水合酶）是一種催化延胡索酸可逆水合/脫水為S-蘋果酸的酶。延胡索酸酶有兩種形式：線粒體和胞質。線粒體同工酶參與克雷布斯迴圈（也稱為檸檬酸迴圈），而胞質同工酶參與氨基酸和延胡索酸的代謝。亞細胞定位是透過線粒體形式中的氨基末端存在訊號序列而確定的，而胞質形式中的亞細胞定位是透過線粒體形式中發現的訊號序列的缺失而確定的。這種酶還參與其他兩個代謝途徑：還原性羧化迴圈（CO2固定）以及腎細胞癌。

蘋果酸脫氫酶

蘋果酸脫氫酶（EC 1.1.1.37）（MDH）是檸檬酸迴圈中的一種酶，催化蘋果酸轉化為草醯乙酸（使用NAD+）反之亦然（這是一個可逆反應）。蘋果酸脫氫酶不要與蘋果酸酶混淆，蘋果酸酶催化蘋果酸轉化為丙酮酸，產生NADPH。蘋果酸脫氫酶也參與糖異生，即從較小的分子合成葡萄糖。線粒體中的丙酮酸受丙酮酸羧化酶作用形成草醯乙酸，它是檸檬酸迴圈的中間體。為了將草醯乙酸從線粒體中帶出，蘋果酸脫氫酶將其還原為蘋果酸，然後穿過線粒體內膜。進入胞質後，蘋果酸被胞質蘋果酸脫氫酶氧化回草醯乙酸。最後，磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEPCK）將草醯乙酸轉化為磷酸烯醇丙酮酸。

克雷布斯迴圈或檸檬酸迴圈途徑的步驟

兩個碳原子被氧化為CO₂，這些反應的能量透過GTP（或ATP）以及NADH和QH₂中的電子轉移到其他代謝過程。TCA迴圈中產生的NADH可能會在氧化磷酸化中將電子傳遞給驅動ATP合成的過程；FADH₂共價連線到琥珀酸脫氫酶，這種酶既在TCA迴圈中起作用，又在氧化磷酸化中的線粒體電子傳遞鏈中起作用。因此，FADH₂促進電子傳遞到輔酶Q，它是琥珀酸：泛醌氧化還原酶複合物催化的反應的最終電子受體，同時也作為電子傳遞鏈中的中間體。

檸檬酸迴圈不斷透過乙醯輔酶A的形式補充新的碳，它從下面的步驟1開始進入。

	底物	產物	酶	反應型別	評論
1	草醯乙酸 + 乙醯輔酶A + H2O	檸檬酸 + CoA-SH	檸檬酸合酶	醛醇縮合	限速階段（不可逆）， 將4C的草醯乙酸擴充套件為6C的分子
2	檸檬酸	順式-烏頭酸 + H2O	烏頭酸酶	脫水	可逆異構化
3	順式-烏頭酸 + H2O	異檸檬酸		水合
4	異檸檬酸 + NAD+	草醯琥珀酸 + NADH + H +	異檸檬酸脫氫酶	氧化	產生NADH（相當於2.5個ATP）
5	草醯琥珀酸	α-酮戊二酸 + CO2		脫羧	不可逆階段， 產生一個5C的分子
6	α-酮戊二酸 + NAD+ + CoA-SH	琥珀醯輔酶A + NADH + H+ + CO2	α-酮戊二酸脫氫酶	氧化 脫羧	不可逆階段， 產生NADH（相當於2.5個ATP）， 再生4C鏈（不包括CoA）
7	琥珀醯輔酶A + GDP + Pi	琥珀酸 + CoA-SH + GTP	琥珀醯輔酶A合成酶	底物水平磷酸化	或ADP→ATP 而不是GDP→GTP， 產生1個ATP或其等價物
8	琥珀酸 + 泛醌（Q）	延胡索酸 + 泛醇（QH2）	琥珀酸脫氫酶	氧化	使用FAD作為輔基（反應第一步中FAD→FADH2）在酶中， 產生相當於1.5個ATP的能量
9	延胡索酸 + H2O	L-蘋果酸	延胡索酸酶	H2O加成 （水合）
10	L-蘋果酸 + NAD+	草醯乙酸 + NADH + H+	蘋果酸脫氫酶	氧化	可逆（實際上，平衡有利於蘋果酸），產生NADH（相當於2.5個ATP）

包括人類在內的動物的線粒體含有兩種琥珀醯輔酶A合成酶：一種從GDP產生GTP，另一種從ADP產生ATP。 植物有產生ATP（ADP形成的琥珀醯輔酶A合成酶）的型別。迴圈中的幾種酶可能鬆散地結合線上粒體基質內的多酶蛋白複合物中。

由GDP形成的琥珀醯輔酶A合成酶形成的GTP可被核苷二磷酸激酶利用形成ATP（催化的反應是GTP + ADP → GDP + ATP）。