檸檬酸循環(citric acid cycle, TCA cycle)

一、概論
1. 名稱：克氏循環（Krebs cycle）= Tricarboxylic acid cycle（TCA）=檸檬酸循環（citric acid cycle）
2. 無定向代謝（amphibolic）：同時具分解（catabolism）及合成（anabolism）
＊目標：
a. ATP 的產生
b. 提供合成胺基酸、脂質、嘌呤、嘧啶的中間產物
c. 完成胺基酸、脂肪酸、碳氫化合物的氧化作用
3. 作用胞器：粒線體(Mitochondria)
∵丙酮酸去氫酶複合物（pyruvate dehydrogenase complex）催化的反應和脂肪酸的β-氧化（β-oxidation）反應都發生於粒線體
參見：丙酮酸脫氫(pyruvate dehydrogenase)
4. 產生能量的途徑（步驟）
A. 乙醯輔酶A的合成


資料來源：粒線體科學
B. 克氏循環（Acetyl-CoA氧化）
一個乙醯輔酶A產生 2CO2
3NADH+H2
1FADH2
1GTP

C. 電子傳遞鏈和氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation）
1NADH       3ATP(亦有其他版本為2.5ATP)
1FADH2      2ATP(亦有其他版本為1.5ATP)
1個乙醯輔酶A產生 3NADH 6ATP 9ATP
                                     1FADH2 3ATP

二、 由丙酮酸（Pyruvate）變成乙醯輔酶A（Acetyl-CoA）
1. 步驟（下圖為整個反應步驟）
A. 1分子葡萄糖在細胞質中糖解（glycolysis）成2分子丙酮酸與2分子水
B. 丙酮酸便會進入粒線體，進行
a. 丙酮酸去氫(pyruvate dehydrogenase complex；PDH complex)催化
b. NAD+的氧化作用
C. 最後和輔酶A（Coenzyme A、Co-A）結合並轉變為乙醯輔酶A，並產生2CO2、2NADH
*補充：丙酮酸和輔酶A所形成的乙醯輔酶A是硫酯化合物（thioester），通式為“R’-S-CO-R＂，其硫酯鍵是高能化學鍵結，為ATP出現前的能量貨幣


資料來源：伊利諾州芝加哥大學
2. 參與反應物質
如下圖所示，反應總共需要以下物質參與

在複合體蛋白內	非複合體蛋白內
E1	A. NAD+ B. 輔酶A C. Mg2+（活化酵素）
硫胺素焦磷酸 （thiamine pyrophosphate,TPP※1）
E2
硫辛酸（lipoic acid）
E3
FAD

※1：或稱thiamine diphosphate,ThDP，為維生素B1之衍生
參見：丙酮酸脫氫(pyruvate dehydrogenase)
三、檸檬酸循環（the Citric Acid Cycle）

1. 介紹：又稱克氏循環（Krebs cycle）或三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle；TCA cycle），是需氧生物普遍存在的代謝途徑，為糖類、脂類及胺基酸的最終代謝通路和代謝聯繫樞紐

2. 作用位置：粒線體的基質

3. 代謝總圖：


資料來源：香港中文大學
檸檬酸循環影片

4. 步驟：

Step 1. 當乙醯輔酶A進入檸檬酸循環時，它會經由檸檬酸合成酶（citrate synthase）的催化，與草醋酸（oxaloacetate；OAA）形成檸檬酸和輔酶A 

檸檬酸合成酶是一種異位酶（allosteric enzyme），會被下游的NADH、ATP及琥珀醯輔酶A（succinyl-coenzyme A）等物質所抑制

Step 2. 檸檬酸接著經烏頭酸酶（aconitase）的催化，先進行脫水反應得到烏頭酸（aconitate；順式），接著也在烏頭酸酶的催化下再進行水合（rehydration）反應，得到異檸檬酸（isocitrate）

※檸檬酸與異檸檬酸的差異如下表所示：

	對掌性 （chirality）	立體中心 （stereocenter）	可能立體異構物數 （possible stereoisomers）
檸檬酸 （citrate）	非對掌 （achiral）	0	1個（=20）
異檸檬酸 （isocitrate）	對掌 （chiral）	2	4個（=22）

雖然isocitrate可以有4種不同的立體異構物，但是在檸檬酸循環中，只會形成其中一種→檸檬酸雖不具對掌性，但反應時能分辨不同的對掌性（只產生一種isocitrate），稱此中心為原對掌中心（prochiral）
Step 3. 異檸檬酸在異檸檬酸去氫酶（isocitrate dehydrogenase）作用下行氧化作用，形成oxalosuccinate；脫去的H將提供給NAD+成為NADH， oxalosuccinate將會脫去1分子的CO2而形成α-酮戊二酸（α-ketoglutarate）

異檸檬酸去氫酶（isocitrate dehydrogenase）也是一種異位酶，它能被NADH及ATP所抑制，而被NAD+及ADP所活化
Step 4. α-酮戊二酸（α-ketoglutarate）形成後，會在α-酮戊二酸去氫酶複合體（α-ketoglutarate dehydrogenase complex）催化下，與輔酶A形成琥珀醯輔酶A（succinyl-CoA），脫去的H將提供給NAD+轉變為NADH

α-酮戊二酸去氫酶複合體就如之前提及的丙酮酸去氫酶複合體一樣，為多酶複合體（multienzyme complex），都需要NAD+、Co-A、FAD、硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate；TPP）及硫辛酸（lipoic acid）參與，也都分成E1、E2、E3。其中兩者僅E1所含成分不同，E2、E3是相同的
參見：丙酮酸脫氫(pyruvate dehydrogenase)
Step 5. 在琥珀醯輔酶A（succinyl Co-A）形成後，便要開始進行下一個步驟：琥珀酸（succinate）的形成，以下是細部反應：
a. succinyl Co-A在琥珀酸輔酶A合成酶（又稱succinyl-CoA synthetase、succinate thiokinase 或 succinate-CoA ligase，為連接酶的一種）的催化下，進行succinyl Co-A→succinate的可逆反應，放出能量
b. 因thiokinase （即succinyl-CoA synthetase）酵素作用時，會有利於核苷二磷酸分子（如：ADP、GDP）轉變為核苷三磷酸（如：ATP、GTP），故在此GDP吸收能量轉變為GTP
c. 整體而言，此步驟的反應大致如下所示：

植物及細菌等生物會在此步驟直接合成ATP。動物則將高能鍵轉移給GDP形成GTP，接著GTP的Pi經由nucleoside diphosphate kinase轉移給ADP形成ATP。此轉移的淨反應不需耗能，所以計算能量上，GTP可視為ATP來計算
Step 6. 琥珀酸（Succinate）氧化脫氫成為富馬酸（fumarate）


A. Succinate的C-C鍵失去電子變成C=C
B. 為脫氫反應，由琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase）所催化
C. 琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase）
a. 含有FAD和鐵硫（Fe：S）蛋白
b. 結合在粒線體內膜內面，直接還原電子傳遞鏈的泛醌（ubiquinone）
Step 7. Fumarate水合（hydration of fumarate）：催化富馬酸（延胡索酸，fumarase）的加水作用形成蘋果酸

Step 8. malate的氧化反應（oxidation of malate）形成草醋酸


A. 此為一脫氫反應，需要NAD+
B. 反應平衡強烈傾向蘋果酸，但實際上流向卻是往草醋酸，原因是：
a. 持續的移除草醋酸（形成檸檬酸做為糖質新生的受質，或經轉胺為天門冬胺酸）
b. NADH持續推動反應


資料來源：香港中文大學
圖解：檸檬酸循環（克式循環，krebs cycle）
1. NADH+H和FADH2在呼吸鏈中的氧化作用，可經由氧化磷酸化反應而產生ATP
2. 追蹤乙醯輔酶A在此循環中的反應路徑
（乙醯基上的羧基以*標示，甲基上的碳以˙標示）
A. 循環中散失的CO2是由草醋酸衍生而來→完成一次循環後，第二次的循環中，將放出標示的CO2
B. 原因：琥珀酸脫氫酶無法辨識琥珀酸的兩個羧基→C的標示被混亂化（randomization）→使得經過一次循環的草醋酸分子皆有被標示的可能→放出標示的CO2
3. 抑制的地方以- 表示
四、 各種能量生成量總整理
1. 檸檬酸循環中產生ATP的方式：
A. 受質階層磷酸化（Phosphorylation at substrate level）
B. 呼吸鏈中的氧化（Respiratory chain oxidation）：脫氫酶催化的氧化作用
a. 1個NADH在呼吸鏈中氧化會產生3個ATP
b. 1個FADH2在呼吸鏈中氧化會產生2個ATP
2. 在無氧的環境下，1莫耳的葡萄糖只會產生2莫耳ATP
∵糖解作用中的NADH不會到呼吸鏈（或電子傳遞鏈）進行氧化
→和2莫耳丙酮酸（Pyruvate）進行氧化還原反應
→乳酸發酵：2 NAD+、2乳酸（Lactate）
→酒精發酵：2 NAD+、2CO2、2乙醇（Ethanol）
3. 1莫耳葡萄糖經完全氧化後，會釋放出38莫耳ATP或36莫耳ATP

參見：檸檬酸循環調控(Citric acid cycle regulation)
參見：檸檬酸循環與物質合成代謝(citric acid cycle and substance metabolism)

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