三羧酸循環（） 可簡稱為TCA循环（），亦作檸檬酸循環（），是有氧呼吸的第二階段。該循環以循環中一個重要中間體檸檬酸命名，又因爲檸檬酸是一種三元羧酸，該反應又稱爲三羧酸循環。該循環亦因由英國生物化學家漢斯·阿道夫·克雷布斯發現而稱爲克雷布斯循環（），克雷布斯亦因此項貢獻獲1953年諾貝爾生理學或醫學獎。丙酮酸在經過丙酮酸脫氫酶系氧化，生成乙醯輔酶A（acetyl-CoA）後，與四碳二元羧酸草酰乙酸化合，生成檸檬酸，進入檸檬酸循環。隨後，經過一系列反應，兩個碳原子轉化爲二氧化碳（CO2）分子，檸檬酸中蘊藏的化學能轉化至還原的輔酶中。檸檬酸循環的終產物仍然是草酰乙酸，這使得該循環能源源不斷地氧化輸入循環的乙醯輔酶A。
一般情況下，檸檬酸循環產生的還原輔酶會連同糖酵解過程產生的還原輔酶一同，在氧化磷酸化過程中氧化，生成大量的ATP。一分子的乙酰輔酶A在被檸檬酸循環代謝後，可產生兩分子的CO2分子、三分子NADH、一分子FADH2，以及一分子GTP。
檸檬酸循環發生於粒線體基質中，但也會部分地在粒線體內膜或嵴膜上發生。檸檬酸循環本身則是由德國生物化學家漢斯·阿道夫·克雷布斯在1937年於錫菲大學發現的。他因對檸檬酸循環的研究而獲得1953年諾貝爾生理醫學獎。
的结构图：左侧的蓝色部分是乙酰基; 黑色部分是辅酶A。]]
進化
構成檸檬酸循環的一些化學反應在厭氧細菌中就已出現了。檸檬酸循環本身則可能經過多次進化。從理論上說，檸檬酸循環並不是沒有相關的替代方案。然而，檸檬酸循環的效率卻是最高的。即使存在進化上獨立的能替代檸檬酸循環的過程，它們也應該已通過趨同演化而與檸檬酸循環融合。
在有氧呼吸中的位置
糖類在細胞質基質中發生糖酵解後，生成的終產物是丙酮酸。丙酮酸通過線粒體外膜上的通道蛋白，再通過線粒體內膜上的丙酮酸轉位酶進入線粒體基質。之後，丙酮酸經丙酮酸脫氫酶複合體氧化，轉化爲可進入檸檬酸循環的乙酰輔酶A，這一過程稱爲丙酮酸氧化：
第一步：柠檬酸合酶
的每个单体都连接一个草酰乙酸分子（洋红色）和一个乙酰辅酶A类似物（白色）]]
柠檬酸合成酶催化乙酰輔酶A（Acetyl-CoA）與四碳的草酰乙酸（Oxaloacetate）发生缩合反应和硫酯水解，生成檸檬酸（Citrate），通常被视为循环的第一步。其四级结构由两个亚基组成，两个底物可以与每个亚基结合。由于硫酯水解释放能量，反应是不可逆的。酶的活性位点激活乙酰辅酶A，使其类似于草酰乙酸的碳中心：沿着两个分子之间的键，硫酯基团（CoA）被水解，形成柠檬酸分子。
该反应高度放能（ΔG°′ = -31.4 kJ/mol），也因此该步骤在标准条件下不可逆。此外，酶产生的柠檬酸能够竞争性抑制酶活性，尽管该反应非常有利（因为是放能的），但柠檬酸合酶可以受到严格调节。糖酵解中的磷酸果糖激酶1会被柠檬酸盐抑制，同时它会激活乙酰辅酶 A 羧化酶以进行脂肪酸合成。这一点说明了我们代谢周期的相互关联性。
第二步：烏頭酸酶
檸檬酸在烏頭酸酶（Aconitase）的催化作用下异构化通过生成乌头酸生成異檸檬酸（Isocitrate）。乌头酸酶可以催化順烏頭酸的水合反应及水合产物柠檬酸、异柠檬酸的脱水反应。虽然该反应是可逆的，但在pH=7.0，25攝氏度條件下，平衡混合物中柠檬酸和异柠檬酸的比例为9:1，因爲異檸檬酸不斷消耗，在克雷布斯循环中，由于质量作用定律，反應平衡不斷右移。一旦产生了顺乌头酸，就添加水分子以将双键氧化成羟基，并通过添加水产生异柠檬酸。
酶的活性位点有一个铁硫簇，可与一些极性氨基酸残基共同结合底物。丝氨酸、精氨酸、组氨酸和天冬氨酸残基确保与底物的结合，与(1R,2S)-柠檬酸盐单独特异性结合，排斥与其它形式的结合。
第三步：异柠檬酸脱氢酶
异柠檬酸脱氢酶的结构]]
異檸檬酸在（Isocitrate dehydrogenase）作用下，經中間體草酰琥珀酸（Oxalosuccinate）氧化脱羧生成α-酮戊二酸（α-Ketoglutarate）。线粒体异柠檬酸脱氢酶是一种依赖于NAD+和Mn2+、Mg2+存在的酶，在異檸檬酸轉化爲草酰琥珀酸的過程中，有一分子NAD+還原爲NADH。草酰琥珀酸具有β-酮酸的结构，与α位羧基的氧络合的二价离子的存在增加了该区域的电负性，导致分子电子重排，发生脱羧反应（即释放CO2分子），从而形成α-酮戊二酸，末端有两个羧基，和一个酮位于两个羧基之一的α位。该反应中，酶的活性要在Mg2+或Mn2+離子的輔助下才可實現。由于具有足够的放能（ΔG°' = -8.4 kJ/mol），能够将先前的反应从乌头酸酶向前推进。總的來說，該過程生成了一分子NADH以及一分子CO2。
第四步：α-酮戊二酸脱氢酶
异柠檬酸转化为α-酮戊二酸后，α-酮戊二酸在α-酮戊二酸脫氫酶複合體（α-Ketoglutarate dehydrogenase complex）的催化作用下，进行第二次氧化脱羧反应，與輔酶A化合，生成琥珀酰輔酶A（Succinyl-CoA），該過程還會生成一分子CO2，以及一分子NADH。該反應的机理与丙酮酸氧化机理相似，在生理條件下同样是一個單向反應。
α-酮戊二酸脫氫酶複合體由三種酶組成：α-酮戊二酸脫氫酶（E1）、二氫硫辛酰轉琥珀酸酶（E2）、二氫硫辛酰脫氫酶（E3），α-酮戊二酸脫氫酶複合體要在一些輔助因子的輔助下才能發揮功能。该反应的自由能差为ΔG°′ = -30.1 kJ/mol，因此高度放能。]]
琥珀酰辅酶A是一种高能硫酯，其水解ΔG°′ = -33.5 kJ/mol，与ATP的-30.5 kJ/mol相似。柠檬酸合酶利用具有这种高能键的中间体来完成二碳分子（乙酰辅酶A）和四碳分子（草乙酸）之间的融合，而在（Succinyl-CoA synthetase）利用这种能量来磷酸化。
来自硫酯的能量简单地转化为与磷酸键相连的能量：反应的第一步生成高能中间体磷酸琥珀酰，随后，催化位点中存在的组氨酸将磷酸盐从磷酸酯中去除。碳水化合物分子，生成产物琥珀酸和磷酸组氨酸分子，磷酸组氨酸分子迅速将磷酸盐转化为核苷二磷酸盐，将其“充电”为三磷酸盐。
琥珀酸輔酶A轉化爲琥珀酸（Succinate）和輔酶A，生成一分子GTP（該酶有兩個版本，分別生成ATP和GTP；不同生物，或同一生物的不同組織會依對ATP和GTP需求的差異在該步使用相應版本的酶）。这是循环中在底物水平上发生磷酸化、生成高能磷酸鍵的唯一步骤。
接下來，琥珀酸經過三步反應，重新轉化爲草酰乙酸。
第六步：琥珀酸脫氫酶
琥珀酸脱氢酶复合物（和电子传递链复合物II）的四级结构]]
循环的最后部分是四碳分子的重新排列，直到草酰乙酸。为实现这一点，琥珀酸上存在的亚甲基桥必须转化为羰基，这种转化通过三个步骤发生：第一次氧化、水合和二次氧化。这三个步骤，除了再生草酰乙酸之外，还可以通过形成FADH2和NADH来提取更多能量。
第一个氧化反应是琥珀酸在琥珀酸脫氫酶（Succinate dehydrogenase）的催化作用下，轉化爲延胡索酸（Fumarate）。該過程中有一分子FAD還原爲FADH2。琥珀酸脱氢酶复合物是循环中唯一以FAD而不是NAD+作为氢受体的酶，FAD通过组氨酸残基与酶共价连接。该酶使用FAD，因为与反应相关的能量不足以还原 NAD+。
第七步：延胡索酸
延胡索酸酶的结构]]
延胡索酸經延胡索酸酶（Fumarase）催化，催化水分子中的H+和OH-基团加成到反式分子上，由于该酶只能在一侧结合 OH-，轉化爲L-蘋果酸（L-Malate）。
延胡索酶有两类：I类和II类，取决于其相关亚基的排列、对金属的需求及其热稳定性。I类延胡索酸酶在受热或辐射时能够改变状态或变得失活，对超氧阴离子敏感，依赖Fe2+，是二聚体，约120 kD。II类延胡索酸酶存在于原核生物和真核生物中，是 20 kD的四聚酶，包含三个不同的显着同源的氨基酸片段，并且不依赖铁且热稳定。已知原核生物具有三种不同形式的延胡索酸酶：延胡索酸酶A、延胡索酸酶B和延胡索酸酶C，后者属于II类延胡索酶，而延胡索酸酶A和延胡索酸酶B被归类为I类。
第八步：蘋果酸脫氫酶
L-蘋果酸在蘋果酸脫氫酶（Malate dehydrogenase）的催化作用下，轉化爲草酰乙酸。該過程生成一分子NADH。
与最后一个反应相关的吉布斯自由能显然是正的（与循环中的其他反应不同）。该酶的活性是由柠檬酸合酶消耗草酰乙酸和电子传递链消耗NADH 驱动。該反應平衡傾向於蘋果酸一側，但因草酰乙酸不斷消耗，反應得以持續進行。基於上述理由，該反應也是檸檬酸循環的一個重要調控位點。添補反應中最重要的一個是在丙酮酸羧化酶催化下，以一分子丙酮酸和一分子二氧化碳分子爲原料，合成一分子草酰乙酸的反應。而在植物體內，乙醛酸循環能起到同樣的作用。
*檸檬酸循環生成的NADH、FADH2中蘊藏的化學能會在接下來的氧化磷酸化中轉化至ATP分子中。
卟啉合成
另外，琥珀酰輔酶A亦是卟啉環合成的重要中間體，卟啉中大部分的碳原子都來自琥珀酰輔酶A。卟啉是（包括血紅蛋白、肌紅蛋白和細胞色素等）的重要組成成分。
參見
- 乙醛酸循环
- 糖解作用
- 氧化磷酸化
- 轉氨基作用
- 糖質新生
注釋
参考文献
外部連結
*[http://smallcollation.blogspot.com/2013/06/citric-acid-cycle.html 檸檬酸循環(citric acid cycle, TCA cycle)]
*[https://web.archive.org/web/20110522131700/http://www2.ufp.pt/~pedros/bq/tca.htm 三羧酸循環（英文）]
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