摘要：
柠檬酸循环是人体代谢中一种重要的生化过程，与能量产生和维持体内平衡密切相关。在这个循环中，柠檬酸（也称为琥珀酸）在线粒体内参与多种代谢反应，产生能量并合成其他生物分子。柠檬酸循环的运作不仅关乎我们的身体健康，也对我们的日常活动和生存至关重要。在本文中，我们主要探索柠檬酸循环的复杂性，包括其过程、中间体和输出，以了解其在细胞代谢中的重要性。
1. 什么是柠檬酸循环？
柠檬酸循环——也称为克雷布斯循环、Szent-Gy?rgyi-Krebs 循环或 TCA 循环（三羧酸循环），是一系列生化反应，通过氧化来自碳水化合物、脂肪和蛋白质的乙酰辅酶 A 来释放储存在营养物质中的能量。释放的化学能以 ATP 的形式提供。柠檬酸循环被呼吸的生物体（而不是发酵的生物体）用来产生能量，无论是通过无氧呼吸还是有氧呼吸。此外，该循环还提供了某些氨基酸的前体，以及用于许多其他反应的还原剂NADH。它对许多生化途径的核心重要性表明它是新陈代谢的最早组成部分之一。尽管它被标记为“循环”，但代谢物不必只遵循一条特定路线，至少已经认识到柠檬酸循环的三个替代部分。
这种代谢途径的名称来源于柠檬酸（一种三羧酸，通常称为柠檬酸盐，因为电离形式在生物pH值下占主导地位，柠檬酸被消耗，然后通过这一系列反应再生以完成循环。该循环消耗乙酸盐（以乙酰辅酶A的形式）和水，将NAD +还原为NADH，释放二氧化碳。柠檬酸循环产生的 NADH 被送入氧化磷酸化（电子传递）途径。这两种紧密相连的途径的最终结果是营养物质的氧化，以ATP的形式产生可用的化学能。
2. 柠檬酸循环期间会发生什么？
（1）柠檬酸盐形成
乙酰辅酶A在柠檬酸合酶存在下与草酰乙酸反应生成柠檬酸或柠檬酸。
（2）柠檬酸异构体形成
在第二步中，柠檬酸首先转化为称为顺乌头酸酯的中间化合物，然后转化为异柠檬酸盐，异柠檬酸盐是乌头酸酶存在下的柠檬酸盐异构体。
（3）异柠檬酸脱羧和氧化
在第三步中，异柠檬酸化合物在异柠檬酸脱氢酶存在下被氧化形成α-酮戊二酸。作为此步骤的结果，释放二氧化碳并形成 NADH 分子。
（4）琥珀酰辅酶A的形成
在第四步中，α-酮戊二酸化合物被氧化并与辅酶A结合，在a-酮戊二酸脱氢酶存在下形成琥珀酰辅酶A，该酶释放：NADH的第二个分子、二氧化碳和质子。
（5）GTP 生产
在第五步中，琥珀酰辅酶A在琥珀酰辅酶A合成酶存在下转化为琥珀酸化合物，该酶通过GDP磷酸化过程形成GTP分子。因此，我们可以认为此步骤的结果是释放GTP分子，辅酶A以及琥珀酸盐的形成。
（6）富马酸盐形成
在第六步中，琥珀酸化合物在琥珀酸脱氢酶存在下被氧化并转化为富马酸盐。在此步骤中，产生FADH?分子
（7）苹果酸形成
在第七步中，富马酸化合物在富马酸酶存在下转化为苹果酸。在此步骤中，H2O 被掺入以形成最终产物（苹果酸）的结构，因此我们可以将富马酸酶视为水解酶。
（8）草酰乙酸形成
在柠檬酸循环的最后一步，草酰乙酸(起始的四碳化合物)通过苹果酸氧化再生。在这个过程中另一个分子NAD+还原为NADH。
3. 柠檬酸循环过程中会产生哪 4 种物质？
（1）二氧化碳(CO2):每个循环释放两分子二氧化碳作为分解乙酰基的废物。
（2）ATP(三磷酸腺苷):该循环通过被称为底物水平磷酸化的过程直接产生一个ATP分子。
（3）NADH :三个NADH分子是通过在循环中去除中间体中的高能电子而产生的。
（4）FADH2(黄素腺嘌呤二核苷酸，还原):一个FADH2分子是通过从另一个中间体去除高能电子而产生的。
4. 柠檬酸循环的输入和输出
柠檬酸循环吸收几个关键分子，并产生一些输出，为进一步的细胞过程提供燃料。下面是柠檬酸循环的输入和输出的分解:
4.1 输入:
乙酰辅酶A(乙酰辅酶A):这种由葡萄糖、脂肪酸或氨基酸衍生的双碳分子作为进入循环的燃料。
4.2 输出:
二氧化碳(CO2):每个循环释放两分子二氧化碳作为乙酰基分解的废物。
ATP(三磷酸腺苷):该循环通过底物水平磷酸化直接产生一个ATP分子。
NADH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide, reducing):三个NADH分子是通过在循环中去除中间体中的高能电子而产生的。
FADH2(黄素腺嘌呤二核苷酸，还原):一个FADH2分子是通过从另一个中间体中去除高能电子而产生的。
4.3柠檬酸循环不只是消耗和产生分子。它促进了复杂的交换:
乙酰基进入:一个来自乙酰辅酶A的二碳乙酰基进入循环，为萃取带来势能。
二氧化碳释放:原乙酰基中的两个碳原子每轮释放为二氧化碳，最终将其从循环中消除。
产生高能载流子: NADH和FADH2捕获分解碳骨架释放的能量。这些被还原的电子载体不会在循环中直接产生ATP，而是在细胞呼吸的下一阶段(电子传递链)中充当能量穿梭者，产生大量的ATP。
起始分子的再生:草酰乙酸，开始循环的四碳分子，在最后被再生。这允许循环继续处理新的乙酰基。
本质上，柠檬酸循环作为一个代谢检查点，从乙酰基的分解中提取能量，并通过电子传递链将其转化为可用的形式(ATP)。
5. 哪些电子载体在柠檬酸循环中起作用？
两个关键的电子载体在柠檬酸循环中发挥作用，穿梭电子，这些电子随后被用来产生ATP:
（1）NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)
这个电子载体在柠檬酸循环中被还原为NADH。NAD+接受一个氢化物离子(H+)和来自循环中特定分子的两个电子(在涉及异柠檬酸盐和苹果酸盐的步骤中)。这种将NAD+“还原”为NADH的过程捕获了这些分子分解过程中释放的能量。
（2）FAD (Flavin Adenine Dinucleotide)
与NAD+类似，FAD在柠檬酸循环中被还原为FADH2。FAD在循环中接受来自另一个中间分子(琥珀酸盐)的两个电子。像NADH一样，FADH2携带捕获的能量供以后使用。
6. 柠檬酸循环中间体
柠檬酸循环是一种利用几个关键中间分子的代谢途径。以下是一些重要的参与者:
（1）乙酰辅酶A(乙酰辅酶A)
这种双碳分子作为进入循环的燃料，携带来自碳水化合物、脂肪或氨基酸的化学基团。
（2）柠檬酸盐
由乙酰辅酶A和草酰乙酸在循环开始时缩合而成的六碳分子。
（3）异柠檬酸盐
另一个通过柠檬酸盐重排产生的六碳分子。
（4）α -酮戊二酸酯
从异柠檬酸盐中去除一个碳原子作为CO2后得到的五碳分子。
（5）琥珀酰辅酶A
一种与辅酶A共价结合的四碳分子，由α -酮戊二酸形成。
（6）琥珀酸盐
由琥珀酸辅酶A产生的四碳分子。
（7）富马酸盐
由琥珀酸盐除去氢原子形成的四碳分子。
（7）苹果酸盐
一种四碳分子，通过向富马酸盐加水而形成。
（8）草酰乙酸
在循环结束时再生的四碳分子，准备接受另一个乙酰基并重新开始该过程。
这些中间分子在循环中起着至关重要的作用:一些中间产物如柠檬酸盐和异柠檬酸盐作为循环中进一步反应的起始物质。琥珀酸盐和富马酸盐参与生成电子载体(FADH2)的反应。苹果酸转化回草酰乙酸，确保循环的连续性。
7. 柠檬酸循环中产生多少二氧化碳？
克雷布斯循环是一系列化学反应，允许细胞使用碳水化合物的能量。循环从葡萄糖进入细胞开始。这种能量用于不同的细胞过程，例如合成蛋白质和膜以及维持细胞功能。它产生二氧化碳和水作为废物。为了将葡萄糖的能量用于这些过程，它必须转化为另一种类型的能量——以三磷酸腺苷 （ATP） 的形式。葡萄糖转化为ATP产生的能量称为细胞呼吸。克雷布斯循环是细胞呼吸过程的重要组成部分。
克雷布斯循环还产生 NADH 和 FADH2分子，它们用于氧化磷酸化以产生 ATP。它还每圈产生两个二氧化碳分子（当柠檬酸分子中的 4 个碳中的 1 个被氧化时，会产生一个 CO2）。循环在每圈产生 3 个氢离子 （H+）。所以我们可以说，每个克雷布斯循环产品的净值是：
3 个 NADH 分子。
1 个 FADH2分子。
1 个 GTP 分子。
2 CO2 或二氧化碳分子。
3 （H+） 氢离子。
8. 结论
通过本文的探讨，我们深入了解了柠檬酸循环在人体代谢中的重要性和作用机制。柠檬酸循环不仅是能量产生的关键过程，也是维持体内平衡和健康的重要组成部分。了解柠檬酸循环的原理和功能，有助于我们更好地关注自身的健康和生活方式。通过了解柠檬酸循环加深您对细胞代谢的理解。今天就探索它在能量产生和细胞功能中的过程和意义！
参考：
[1]https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/pyruvate-oxidation-and-the-citric-acid-cycle/a/the-citric-acid-cycle
[2]https://praxilabs.com/en/blog/2023/01/02/krebs-cycle/
[3]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK556032/
[4]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0014489411000592?via%3Dihub
[5]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0014489411000592?via%3Dihub
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