檸檬酸循環

檸檬酸循環 (The Citric Acid Cycle)
國立臺灣師範大學化學研究所碩士生林欣慧/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

檸檬酸循環，由德國科學家克利布斯（Hans Adolf Krebs）所提出，後來被實驗所證實，故又稱克氏循環（The Krebs cycle）；被認為是生物體中丙酮酸氧化以及糖類、蛋白質或脂肪酸轉化成能量的重要途徑，反應在細胞的粒線體中進行；此循環有兩個重要目的：

1. 將乙醯輔酶A（Acetyl CoA）的兩個碳分解成二氧化碳，產生能量、形成ATP或GTP，以及還原的NADH與FADH₂，提供生物體內的反應所需之能量。
2. 提供合成胺基酸、紫質及核苷酸的嘌呤或嘧啶鹼基的前驅物。

檸檬酸循環可分成八個步驟：

第一步：
乙醯輔酶A + 草醯乙酸 + 水 → 檸檬酸 + 輔酶A + H⁺
由糖解、蛋白質代謝或脂肪酸代謝所得到的乙醯輔酶A和草醯乙酸作為起始物反應，產生六碳的檸檬酸分子；參與作用的酵素為檸檬酸合成酶。

第二步：
檸檬酸 → 順式–烏頭酸 → 異檸檬酸
因為檸檬酸不具有可以被氧化的官能基，所以經由脫水再加水的重組異構反應中，得到具可氧化官能基的異檸檬酸；此過程參與反應的酵素為烏頭酸酶。

第三步：
異檸檬酸 + NAD⁺ → α-酮戊二酸 + CO₂ + NADH + H⁺
異檸檬酸的氧化，生成五碳的α-酮戊二酸，作用的酵素為檸檬酸去氫酶。

第四步：
α-酮戊二酸 + NADH + 輔酶A → 琥珀醯輔酶A + CO₂ + NADH + H⁺
α-酮戊二酸的氧化作用，此步較為複雜，需要五個步驟、三種酶來參與反應；此步驟的目的是要從氧化的過程中獲得能量，形成具有高能量的琥珀醯輔酶A。

第五步：
琥珀醯輔酶A + Pi + ADP（或GDP） → 琥珀酸 + ATP（或GTP + 輔酶A）
琥珀醯輔酶A具有硫脂鍵，有較高的能量，可以將ADP或GDP還原成具有能量的ATP或GTP，以提供生物體能量。

第六步：
琥珀酸 + 琥珀酸去氫酶 → 延胡索酸 + FADH₂
此步驟的重點是：在整個循環的進行中，此為首先出現碳–碳雙鍵的反應，以便下一步驟的進行。

第七步：
廷胡索酸 + 水 → L-蘋果酸
帶有碳–碳雙鍵的延胡索酸，藉由延胡索酸酶將水分子加成在碳–碳雙鍵上，形成L-蘋果酸。

第八步：
蘋果酸 + NAD⁺ → 草醯乙酸 + NADH + H⁺
由上一步產生的L-蘋果酸，加上蘋果酸去氫酶氧化蘋果酸上的氫氧基可得到草醯乙酸，再形成的草醯乙酸為第一步的反應物；因此，克氏循環可以一直持續下去。

檸檬酸循環的調節與特色

在生物體中，所有的代謝過程都是受到嚴格控制的，產物的濃度太高或太低時，皆會影響反應進行的速率。如同其他的生化反應一樣，檸檬酸循環也有回饋抑制作用，以最終產物濃度來控制反應的速率，在最終產物（乙醯輔酶A）的濃度達到一定時，反應速率會下降，以免合成過量的代謝產物。

檸檬酸循環的中間代謝物質的濃度也很重要，當中間代謝物質濃度降低時，乙醯輔酶A的氧化速率也會降低，而使循環受到影響，甚至無法進行。為了避免這種情況發生，生物體中有很多針對中間代謝物質濃度控制的添補反應，以確保反應可以持續進行。

參考資料
Rodney Boyer，Concepts in Biochemistry，Second edition，第433 -441頁。