第十一節
正轉和反轉的三羧酸循環

在上節中，我們敘述了三羧酸循環在燃料分子徹底分解中的作用。它就像一個“磨盤”，葡萄糖、脂肪酸以及一些氨基酸的共同代謝產物以乙酰輔酶A的形式進入循環，在那里被完全“磨碎”，分解為氫離子和二氧化碳。燃料中的碳原子以加水脫氫的方式，被氧化為二氧化碳放出。燃料分子中原有的氫原子和加水反應中加到燃料分子上的氫原子則被脫氫酶脫下，供給電子傳遞鏈以合成ATP。三羧酸循環除了這個重要功能外，還是細胞中化學反應的“轉盤路”，各種分子從不同的“路口”進來，又從不同的“路口”出去，參與氨基酸、脂肪酸、膽固醇、葡萄糖、血紅素等細胞所需要的分子的合成，所以三羧酸循環也是細胞化學合成的中心。

三羧酸循環之所以能夠成為細胞中化學反應的轉盤路，是因為它的一些成分和步驟與氨基酸、脂肪酸和葡萄糖等的反應路線相交接或者相重合，因而使這些分子通過共同的成分和步驟相互轉化。例如谷氨酸的合成路線就和三羧酸循環的起始階段相同，即從乙酰輔酶A經過檸檬酸、異檸檬酸到 α-酮戊二酸這一段。α-酮戊二酸再加上氨基，就變成谷氨酸。糖酵解的產物丙酮酸加上氨基可以生成丙氨酸，也可以通過整個循環生成草酰乙酸，草酰乙酸加上氨基，就變成天冬酰胺。糖酵解的一個中間產物——磷酸烯醇式丙酮酸，是合成苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的原料。通過這個循環，氨基酸之間還可以互相轉化。例如酪氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、色氨酸代謝中間產物都是乙酰輔酶A，它們就可以通過三羧酸循環合成谷氨酸和天冬酰胺。谷氨酸又可以轉化為谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸。另一些氨基酸（異亮氨酸、甲硫氨酸、纈氨酸、蘇氨酸）的代謝產物從琥珀酰輔酶A的路口進入循環，也可以轉化成為谷氨酸和天冬酰胺。天冬酰胺的脫氨產物——草酰乙酸，可以用來合成葡萄糖，其中有一個中間產物叫做3-磷酸甘油酸，可以轉化為絲氨酸。絲氨酸又可以轉化為甘氨酸和半胱氨酸（圖2-26）。

乙酰輔酶A還可以反向合成脂肪酸。在“乙酰輔酶A羧化酶”的作用下，乙酰輔酶A生成“丙二酰輔酶A”。這兩種分子上的乙酰基和丙二酰基再被轉移到“酰基載體蛋白”（ACP）上，開始脂肪酸合成，每次添加一個乙酰基（含兩個碳原子）單位，直至16個碳的飽和脂肪酸（“軟脂酸”）。16碳的脂肪酸再被“脂肪酸合成酶Ⅲ”延長，每次也是添加兩個碳原子單位。所以這樣合成的脂肪酸里面碳原子的數目都是雙數的。通過這條途徑，葡萄糖和氨基酸就可以轉化為脂肪酸。

電子傳遞鏈含有許多轉移電子的蛋白質，其中的一些含有血紅素作為輔基，例如各種細胞色素b、細胞色素c等。所以血紅素不是等到血液運輸氧氣的血紅蛋白形成時才出現的，而在生命產生的早期階段就為能量代謝所必需了。血紅素就是以谷氨酸為原料，通過三羧酸循環中第5位的琥珀酰輔酶A合成氨基酮戊酸，再連成卟啉環的。

通過三羧酸循環，葡萄糖和脂肪酸可以生成氨基酸，氨基酸和脂肪酸可以生成葡萄糖，氨基酸和葡萄糖又可以生成脂肪酸，所以三羧酸循環把細胞中的三種主要分子——氨基酸、脂肪酸和葡萄糖聯系起來，讓它們可以互相轉化，同時還可以合成像血紅素這樣的分子，是名副其實的化學反應“轉盤路”。

雖然三羧酸循環與合成活動有關，但是其主要功能還是細胞的能量代謝，即將乙酰基徹底分解，將其中的氫原子脫下了輸入呼吸鏈合成ATP，同時用加水脫氫的辦法把碳原子氧化成為二氧化碳，將其燃燒值轉移到氫原子上，所以三羧酸循環是一個氧化型的循環。

而在生命形成的初期，現成的有機物有限，沒有那么多東西可供代謝，在這種情況下，細胞利用氧化還原反應獲得的能量，用還原性分子如氫和硫化氫提供氫原子，用二氧化碳作為碳源合成有機物更為重要。例如海底熱泉能夠提供氧化還原反應的能量，也能提供還原性的硫化氫分子，但是沒有提供現成的有機物供原核生物使用，這些原核生物就必須自己合成有機分子，用無機分子如二氧化碳作為碳源。那個階段的生物是不是就有三羧酸循環呢？答案也許出乎你的意料：那個時候的原核生物不但有三羧酸循環，而且這個循環是反著轉的，原因就和早期生物固定二氧化碳中碳原子的機制有關。

在真核生物的藻類和植物中，二氧化碳是通過卡爾文循環（Kalvin Cycle）合成有機物分子的。這個循環是由美國科學家梅爾文·卡爾文（Melvin Ellis Calvin，1911—1997）發現的，卡爾文也因此獲得了1961年的諾貝爾化學獎。在這個循環中，二氧化碳分子和1,5-二磷酸核酮糖結合，生成一個6碳分子。這個分子不穩定，隨即被水解為兩分子的3-磷酸甘油酸。3-磷酸甘油酸再從NADH接受兩個氫原子變成磷酸甘油醛，就進入葡萄糖的合成路線了。但是在原核生物的古菌和一些細菌中，這種固定二氧化碳中碳原子的機制并不存在，說明卡爾文循環是后來才發展出來的。早期的生物一定有其他的機制來固定二氧化碳中的碳原子。研究發現，許多原核生物是利用逆向旋轉的三羧酸循環來完成這項工作的（圖2-27）。

在這個逆向旋轉的三羧酸循環中，1分子二氧化碳與乙酰輔酶A結合，生成丙酮酸。丙酮酸變為磷酸烯醇式丙酮酸后，與1分子二氧化碳結合，生成草酰乙酸。草酰乙酸再以逆行三羧酸循環的方式，依次生成蘋果酸、延胡索酸、琥珀酸和琥珀酰輔酶A。琥珀酰輔酶A結合1分子二氧化碳分子后變成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸再結合1分子的二氧化碳，變成異檸檬酸。異檸檬酸再逆向生成順烏頭酸、檸檬酸，檸檬酸又能夠生成乙酰輔酶A，完成一個循環。每個循環將4個二氧化碳分子組入有機物。這個循環中的成分與正方向轉的三羧酸循環完全相同，但是把乙酰輔酶A、丙酮酸和磷酸烯醇式丙酮酸也包括進來，所以逆向旋轉的三羧酸循環有12個組分，而不是正轉的9個組分。

由于這個循環的反著轉的，主要目的是把二氧化碳中的碳原子還原為有機物，所以逆行的三羧酸循環被稱為還原型的，需要氫原子在反應的不同階段加入；而正轉的，以氧化碳原子為目的的三羧酸循環被稱為是氧化型的。由于這兩個三羧酸循環的旋轉方向相反，因此效果也是反的：氧化型的三羧酸循環合成ATP，產生氫原子和二氧化碳，而早期逆向的三羧酸循環消耗ATP和氫原子，固定二氧化碳分子中的碳，用它來合成有機物。隨著二氧化碳和氫原子的組入，逆向三羧酸循環中的成分濃度會升高，多出來的部分就可以像前面介紹的那樣，分別用來合成葡萄糖、氨基酸和脂肪酸等分子。

生物氧化碳原子的方式是加水脫氫，固定碳原子的方式正好反過來，是加氫脫水。在氧化型的三羧酸循環中，加水反應分別是在乙酰輔酶A與草酰乙酸結合形成檸檬酸、琥珀酰輔酶A被轉化為琥珀酸和輔酶A以及延胡索酸變成蘋果酸時進行的。在還原型的三羧酸循環中，脫水反應是在檸檬酸變成乙酰輔酶A蘋果酸變成延胡索酸以及琥珀酸變為琥珀酰輔酶A時進行的。

還原型的三羧酸循環和氧化型的三羧酸循環雖然成分幾乎完全相同，但是前者消耗能量和氫原子，后者釋放能量和氫原子，所以它們使用的酶并不完全相同。例如在氧化型的三羧酸循環中，丙酮酸被氧化成乙酰輔酶A時，氫原子是轉移到NAD⁺分子上的，而在還原型的三羧酸循環中，把乙酰輔酶A還原為丙酮酸的氫原子卻不是來自NADH，而是來自鐵氧還蛋白（ferredoxin）；在氧化型的三羧酸循環中，α-酮戊二酸被氧化成琥珀酰輔酶A時，脫下來的氫原子也是轉移到NAD⁺分子上的，而在還原型的三羧酸循環中，琥珀酸被還原為α-酮戊二酸時所需要的氫原子也不是來自NADH，而是來自鐵氧還蛋白；在氧化型的三羧酸循環中，乙酰輔酶A和草酰乙酸結合生成檸檬酸時，是被檸檬酸合酶催化的。而在還原型的三羧酸循環中，檸檬酸被分解為乙酰輔酶A和草酰乙酸時，是被檸檬酸裂解酶催化的，而且需要ATP提供能量。因此，還原型三羧酸循環需要三個關鍵酶才能運轉。這三個酶分別是鐵氧還蛋白：丙酮酸合成酶（ferredoxin: pyruvate synthase）、鐵氧還蛋白：α-酮戊二酸合成酶（ferredoxin: α-ketoglutarate synthase）、檸檬酸裂解酶（citrate lyase）。

在約23億年前，地球大氣中的氧氣濃度增加時，光合作用已經能夠合成大量的有機物，氧的出現也使得燃料分子的徹底氧化成為可能。異養的原核生物不再需要自己固定二氧化碳中的碳原子來合成有機物，而是使用現成的有機物作為碳源和能量的來源，在這種情況下，氧化型的三羧酸循環就對異養的原核生物更有用處了。由于還原型三羧酸循環含有氧化型三羧酸循環的全部成分，這些成分在氧化型的三羧酸循環中也可以用來合成各種有機分子，例如氨基酸，脂肪酸和血紅素，所以循環方向的倒轉并不影響生物利用這個循環來合成這些有機分子。許多原核生物就采取了這種生存方式，讓三羧酸循環方向反過來，從還原型循環變為氧化型循環。例如藍細菌和大腸桿菌的三羧酸循環就是正著轉的，而且氧化型的三羧酸循環產生的氫原子還能夠把它們的電子通過電子傳遞鏈傳給氧原子生成水，同時用水壩蓄水的方式建立跨膜氫離子濃度來合成ATP。在氧氣缺乏時，大腸桿菌就用糖酵解的方式來產生ATP，并且分泌乙酸，但是三羧酸循環的旋轉方向已經不能反轉了。

在一些原核生物如綠色硫細菌中，三羧酸循環可以向兩個方向轉。在不供給細菌有機碳的情況下，綠色硫細菌只能從二氧化碳分子中獲取碳原子來合成有機物，這個時候三羧酸循環是反著轉的，即為還原型循環，而與氧化型三羧酸循環有關的酶的合成則被抑制。但是如果在綠色硫細菌的培養基里加入乙酸作為有機碳源并且同時作為能源，三羧酸循環的旋轉方向就反過來，用正轉的三羧酸循環來產生能量。

這些事實說明，生物在有機合成和能量代謝的機制上是非常靈活的，總的原則是在已經擁有的分子和反應機制上加以整合和修改，讓它們發揮新的功能，而不是什么事情都從頭做起。這倒不是因為生物“知道”這樣做的好處，而是什么事情都從頭做的生物競爭不過利用已有資源的生物。最初的還原型的三羧酸循環是在無氧條件下出現的，可能整合了二氧化碳中碳原子的還原、氨基酸的合成、血紅素的合成和脂肪酸合成的路線，成為一個有12個成分的循環。異養原核生物的出現使得這些生物可以利用現成的有機物來建造自己的身體和獲得能量，使得自己用反轉的三羧酸循環固定碳原子，從頭合成有機物不再必要。對于這些原核生物，分解和代謝成為異養生物首先要進行的活動，而大氣中氧氣的出現又使得徹底氧化食物分子中的氫和碳，將它們變成水和二氧化碳成為可能。這時三羧酸循環的作用就轉變了，從還原碳原子變為氧化碳原子，這個循環的轉動方向也就反過來，成為氧化型的循環。由于把乙酰輔酶A還原為丙酮酸的路線不再需要，丙酮酸氧化為乙酰輔酶A的步驟就從循環中分離出來，使循環的成員減到9個。

從還原型的三羧酸循環到氧化型的三羧酸循環，原核生物又為地球上生物的發展做出了杰出的貢獻。真核生物基本上原封不動地繼承了氧化型的三羧酸循環，把它作為能量代謝和化學合成的中心樞紐。在我們身體的幾乎每一個細胞中，都有三羧酸循環在運轉，而這個多功能的環狀反應鏈卻是原核生物在幾十億年前創造的。