柠檬酸循环是由酶催化的一系列循环反应，在代谢和细胞呼吸中发挥核心作用。它接收由乙酰辅酶A携带的二碳乙酰基，释放二氧化碳，并将部分可利用的化学能保存在还原态电子载体和一种磷酸化核苷酸中。该循环又称克雷布斯循环或三羧酸循环，将营养物质的分解与生物合成所需化合物的生成联系起来。其标志性特征是草酰乙酸的再生；草酰乙酸是一种四碳受体，每轮循环都从它接受乙酰基开始。(reactome.org)
细胞内位置与代谢物输入
在真核生物中，典型的柠檬酸循环在线线粒体内进行。参与循环的大多数酶位于线粒体基质中；琥珀酸脱氢酶则嵌在线粒体内膜中，同时也是电子传递链的复合体II。循环本身并不直接消耗氧，但在有氧呼吸过程中，其持续运行依赖于还原态电子载体通过依赖氧的电子传递过程重新被氧化。(openstax.org)
乙酰辅酶A可来自多种营养物质。糖酵解将葡萄糖转化为丙酮酸，随后丙酮酸脱氢酶复合体将丙酮酸转化为乙酰辅酶A，同时释放二氧化碳并生成NADH。这一准备反应不属于循环本身。脂肪酸通过β-氧化分解，也可提供乙酰辅酶A；某些氨基酸的降解则可提供乙酰辅酶A，或提供从其他环节进入循环的中间产物。因此，这条途径整合了糖类、脂肪和氨基酸的代谢。(openstax.org)
反应顺序
典型的氧化型循环包含八步反应：
- 柠檬酸的生成。 柠檬酸合酶催化乙酰辅酶A与草酰乙酸结合，生成六碳的柠檬酸。乙酰辅酶A硫酯键的水解有助于推动反应，并释放游离辅酶A。(reactome.org)
- 异构化。 顺乌头酸酶通过顺乌头酸这一中间产物，将柠檬酸重排为异柠檬酸。这一步改变了羟基的位置，为后续氧化做好准备。(openstax.org)
- 第一次氧化脱羧。 NAD依赖型异柠檬酸脱氢酶将异柠檬酸转化为五碳的α-酮戊二酸，同时生成二氧化碳和NADH。(reactome.org)
- 第二次氧化脱羧。 α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化生成四碳的琥珀酰辅酶A，再释放一个二氧化碳分子，并生成另一个NADH。(reactome.org)
- 核苷酸磷酸化。 琥珀酰辅酶A合成酶将琥珀酰辅酶A转化为琥珀酸。这一反应通过底物水平磷酸化生成GTP或三磷酸腺苷（ATP），具体产物取决于酶的同工型。(reactome.org)
- 琥珀酸氧化。 琥珀酸脱氢酶将琥珀酸转化为延胡索酸。与酶结合的FAD接受电子，随后这些电子被传递给呼吸链中的泛醌。(reactome.org)
- 水合。 延胡索酸酶催化延胡索酸与水结合，生成L-苹果酸。(reactome.org)
- 草酰乙酸再生。 苹果酸脱氢酶将苹果酸氧化为草酰乙酸，并生成第三个NADH，使受体再生以进入下一轮循环。(reactome.org)
能量保存
每个乙酰辅酶A进入典型循环后，按常规计量可生成两个二氧化碳分子、三个NADH、一个FADH₂当量，以及一个GTP或ATP。草酰乙酸在循环中得到再生，因此在净反应中并不被消耗。FADH₂的写法是一种计量惯例：琥珀酸脱氢酶中的黄素始终与酶结合，并不会作为可自由扩散的载体释放出来。(reactome.org)
与循环相关的大部分ATP是通过氧化磷酸化间接生成的，而非来自循环中唯一的一步底物水平磷酸化。NADH和琥珀酸氧化产生的电子进入呼吸链，推动形成用于合成ATP的跨膜梯度。按常规估算，每个线粒体NADH约对应2.5个ATP，每对来自琥珀酸的电子约对应1.5个ATP，因此一轮循环约相当于10个ATP当量，其中包括循环直接生成的核苷酸。这只是近似的能量产量，并非在所有细胞条件下都固定不变。(reactome.org)
调控与生物合成功能
循环活性会随底物供应、产物积累和细胞能量需求而变化。重要的调控位点包括柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶。ATP和NADH充足时通常会抑制氧化通量，而ADP则在相应的调控步骤促进酶活性。调控还涉及酶的成熟及其活性的改变，使这条途径能够与其他线粒体过程相协调。(openstax.org)
该循环具有双重代谢功能：既参与营养物质的分解，也参与生物合成。α-酮戊二酸和草酰乙酸为氨基酸合成提供碳骨架，琥珀酰辅酶A则可参与血红素合成。因此，这些中间产物不仅是供能物质氧化过程中的各阶段产物，也是可供利用的代谢资源。当它们被取出用于其他途径时，必须通过补充反应恢复中间产物库，以维持平衡。(reactome.org)
这些补充过程称为回补反应。一个重要例子是丙酮酸羧化酶消耗ATP，将丙酮酸和碳酸氢根转化为草酰乙酸。乙酰辅酶A可激活该酶，从而将乙酰基的供应与其四碳受体的供应联系起来。同一反应也参与糖异生。(reactome.org)
发现
汉斯·阿道夫·克雷布斯在早期组织呼吸和有机酸代谢研究的基础上，于1937年提出这些反应构成循环。对鸽胸肌的研究帮助揭示了再生的中间产物如何支持持续的氧化过程。1953年，克雷布斯因发现这一循环而获得当年诺贝尔生理学或医学奖的一半奖金；另一半奖金授予弗里茨·李普曼，以表彰他发现辅酶A及其在中间代谢中的重要作用。(leopoldina.org)