【预备知识】
- 细胞如何从食物中获取能量？ #44
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在十九世纪，生物学家注意到，在没有空气的情况下，细胞会产生乳酸（例如在肌肉中）或乙醇（例如在酵母中），而在有空气的情况下，细胞则消耗 O2 并产生 CO2 和 H2O。
确定有氧代谢途径的努力最终集中在丙酮酸的氧化上，并在 1937 年发现了柠檬酸循环 (citric acid cycle)，也称为三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle) 或克雷布斯循环 (Krebs cycle)。
柠檬酸循环约占大多数细胞中碳化合物总氧化量的三分之二，其主要的最终产物是 CO2 和以 NADH 形式存在的高能电子。CO2 作为废物释放，而来自 NADH 的高能电子则被传递给膜结合的电子传递链，最终与 O2 结合生成 H2O。
柠檬酸循环本身不使用气态 O2（它使用来自 H2O 的氧原子）。但该循环确实需要 O2 在随后的反应中才能持续进行。这是因为 NADH 没有其他有效的方式来释放其电子，从而再生该循环所需的 NAD+。
柠檬酸循环发生在真核细胞的线粒体内部。过程始于乙酰基从乙酰 CoA 转移到一个四碳分子——草酰乙酸 (oxaloacetate) 上，形成六碳三羧酸——柠檬酸 (citric acid)，随后的反应循环因此得名。然后，这个柠檬酸分子被逐步氧化，使得氧化能量得以被用于产生活化载体分子。八个反应的链形成了一个循环，因为在末尾草酰乙酸被再生，可以进入新一轮的循环。
图 《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 2–58 柠檬酸循环的简单概述。乙酰 CoA 与草酰乙酸 (oxaloacetate) 反应，生成柠檬酸 (citrate)，从而启动循环。在循环的每一次转动中，会产生两分子CO2作为废物，外加三分子 NADH、一分子 GTP （鸟苷三磷酸）和一分子 FADH2。每个中间体中的碳原子数量显示在黄色框中。
GTP 是 ATP 的近亲，在每个循环中，它末端磷酸基团的转移到 ADP 上会产生一分子 ATP。
每个循环会消耗三分子水，其中一些水的氧原子最终用于生成CO2。
除丙酮酸和脂肪酸外，一些氨基酸也会从胞质溶胶进入线粒体，在那里它们同样被转化为乙酰 CoA 或柠檬酸循环的其他中间体。正如我们接下来要讨论的，在线粒体中，储存在 NADH 和 FADH2 电子中的大量能量通过氧化磷酸化过程被用于 ATP 生产，这是食物氧化分解中唯一直接需要大气中气态氧 (O2) 的步骤。因此，在真核细胞中，线粒体是所有产能过程的中心，无论它们是以糖类、脂肪还是蛋白质开始的。
