您知道嗎？你的身體裡一直在發生一種神奇的化學反應，它給你的細胞能量，讓它們保持活力。 該反應稱為克雷布斯迴圈，也稱為三羧酸迴圈或檸檬酸迴圈。 它是生物體中最重要的代謝途徑之一，被稱為“生命之火”。
那麼，克雷布斯迴圈到底是什麼？它是如何工作的？它有什麼作用，它意味著什麼？本文將從科學的角度揭開克雷布斯迴圈的神秘面紗，讓您了解這種與生命息息相關的化學現象。
克雷布斯迴圈是發生在細胞線粒體內的代謝迴圈，是有氧呼吸的重要組成部分。 有氧呼吸是指生物體利用氧氣和葡萄糖等有機物進行氧化還原反應，釋放能量和二氧化碳的過程。 有氧呼吸可分為三個階段：糖酵解、克雷布斯迴圈和電子傳遞鏈。
糖酵解是指葡萄糖在細胞質中分解成兩個丙酮酸分子，產生兩個ATP（三磷酸腺苷，細胞的能量貨幣）和兩個NADH（還原烟醯胺腺嘌呤二核苷酸，是電子的載體）的過程。 在丙酮酸進入線粒體之前，它被轉化為乙醯輔酶A（acetylCoA）並釋放二氧化碳和NADH。
克雷布斯迴圈是指在乙醯輔酶**顆粒基質中與四碳化合物（草醯乙酸）結合形成六碳化合物（檸檬酸），然後經過一系列氧化還原反應，然後返回草醯乙酸鹽的過程。 在這個過程中，每個乙醯輔酶A可以產生兩個二氧化碳、三個NADH、乙個FADH2（一種還原的黃素腺嘌呤二核苷酸，也是電子的載體）和乙個ATP。
電子傳遞鏈是指 NADH 和 FADH2 將攜帶的電子轉移到線粒體內膜上的一系列電子受體，最終將電子返回到氧氣形成水的過程。 在這個過程中，電子的能量被用來將氫離子從基質幫浦送到內膜空間，從而產生氫離子梯度。 ATP合成是由氫離子驅動的，因為它們通過內膜上的ATP合成酶返回基質。 這個過程稱為氧化磷酸化，是有氧呼吸的主要能量來源**。
克雷布斯迴圈是有氧呼吸的中間環節，連線糖酵解和電子傳遞鏈，是細胞能量代謝的核心部分。
克雷布斯迴圈的具體步驟如下：
乙醯輔酶A與草醯乙酸縮合生成檸檬酸，同時釋放輔酶A。 該步驟由檸檬酸合酶催化，是克雷布斯迴圈和限速步驟的起始反應，即決定迴圈速度的關鍵步驟。
檸檬酸經過兩個步驟轉化為異檸檬酸鹽：脫水和水合。 這兩個步驟由檸檬酸脫水酶和戊二酸水合酶催化，並且是可逆的。
異檸檬酸鹽被氧化脫羧生成酮戊二酸，酮戊二酸也產生 NADH。 該步驟由異檸檬酸脫羧酶催化，是不可逆的。
酮戊二酸也被氧化和脫羧產生琥珀酸，琥珀酸也產生NADH。 該步驟由酮戊二酸脫羧酶複合物催化，並且是不可逆的。 這種複合物與糖酵解中的丙酮酸脫羧酶複合物非常相似，需要五種輔因子，即硫代輔酶A、NAD+、FAD、輔酶Q和硫代CoM。
琥珀酸與輔酶 A 結合產生琥珀醯輔酶 A，後者也產生 ATP。 該步驟由琥珀酸合酶催化，是不可逆的。 這種酶有三種亞型，對應於三種不同的能量載體，即 ATP、GTP（三磷酸鳥苷）和 ITP（三磷酸肌苷）。 這三種亞型在不同的生物體和組織中的比例各不相同，但最終它們都可以通過磷酸化進行交換，以保持ATP的總產量恆定。
琥珀醯輔酶A轉化為琥珀酸，同時釋放輔酶A。 該步驟由琥珀醯輔酶A裂解酶催化，並且是可逆的。
琥珀酸被氧化生成順式戊二酸，同時產生 FADH2。 該步驟由琥珀酸脫氫酶催化，並且是可逆的。 這種酶是內膜上唯一參與克雷布斯迴圈的酶，克雷布斯迴圈將電子從 FADH2 直接轉移到 CoQ 以將其還原為 CoQH2。
順式戊二酸被水合形成L-蘋果酸。 該步驟由順式戊二酸水合酶催化，並且是可逆的。 這種酶有兩種亞型，存在於線粒體基質和細胞質中。 線粒體基質中的亞型參與克雷布斯迴圈，而細胞質中的亞型參與醣異生，即非碳水化合物轉化為碳水化合物的過程。
L-蘋果酸被氧化生成草醯乙酸，草醯乙酸也產生NADH。 該步驟由L-蘋果酸脫氫酶催化，是可逆的。 該酶還具有兩種亞型，分別在線粒體基質和細胞質中發現。 線粒體基質中的亞型參與克雷布斯迴圈，而細胞質中的亞型參與醣異生和乳酸發酵。 乳酸發酵是指丙酮酸在缺氧條件下還原為乳酸的過程，是一種無氧呼吸方法。
然後將草醯乙酸與另一種乙醯脲縮合，重複上述迴圈。 這樣，葡萄糖分子經過兩次糖酵解和兩次克雷布斯迴圈，產生 6 個二氧化碳、10 個 NADH、2 個 FADH2 和 4 個 ATP。 其中，6個二氧化碳會通過呼吸排出體外，10個NADH和2個FADH2會進入電子傳遞鏈產生約30個ATP，4個ATP將直接供應給細胞。 因此，有氧呼吸的總能量增益約為38 ATP。
克雷布斯迴圈的主要功能和意義如下：
克雷布斯迴圈是細胞能量代謝的核心環節，能有效地將有機物的化學能轉化為細胞可利用的ATP，維持細胞的正常生理功能。
克雷布斯迴圈是連線糖代謝和脂肪代謝的橋梁，可以將糖、脂肪酸、氨基酸等多種物質轉化為乙醯輔酶A，進入迴圈進行氧化。 同時，還可以提供一些中間產品，如檸檬酸、酮戊二酸和草醯乙酸，作為合成脂肪、膽固醇、糖原和非必需氨基酸的原料。
克雷布斯迴圈是參與細胞訊號傳導的重要途徑，可影響細胞內過程，如鈣平衡、細胞凋亡、基因表達和表觀遺傳學。 例如，某些癌細胞增加克雷布斯迴圈中某些酶的活性，從而增加檸檬酸的輸出，抑制細胞凋亡並促進細胞增殖。
克雷布斯迴圈是生命進化的重要標誌，它反映了生物體對氧氣的適應和利用。 根據研究，克雷布斯迴圈可能由兩種較舊的代謝途徑組合而成，一種是產生酸性乙醯輔酶的途徑，另一種是產生鹼性琥珀酸的途徑。 這兩種途徑分別存在於原始厭氧菌和需氧菌中，後來通過內共生，形成了具有線粒體的真核細胞，從而開啟了克雷布斯迴圈的歷史。
通過本文的介紹，相信大家對克雷布斯迴圈有了更深入的了解。 克雷布斯迴圈是生命奧秘的乙個縮影，它揭示了生物體能量轉換、物質交換和資訊傳遞的微妙機制，以及生物體的進化過程和適應策略。
讓我們一起感嘆生命的奇蹟，感謝克雷布斯迴圈為我們提供了源源不斷的火花。
感謝您的閱讀和支援！
秋冬入住挑戰