第十一节
正转和反转的三羧酸循环
在上节中，我们叙述了三羧酸循环在燃料分子彻底分解中的作用。它就像一个“磨盘”，葡萄糖、脂肪酸以及一些氨基酸的共同代谢产物以乙酰辅酶A的形式进入循环，在那里被完全“磨碎”，分解为氢离子和二氧化碳。燃料中的碳原子以加水脱氢的方式，被氧化为二氧化碳放出。燃料分子中原有的氢原子和加水反应中加到燃料分子上的氢原子则被脱氢酶脱下，供给电子传递链以合成ATP。三羧酸循环除了这个重要功能外，还是细胞中化学反应的“转盘路”，各种分子从不同的“路口”进来，又从不同的“路口”出去，参与氨基酸、脂肪酸、胆固醇、葡萄糖、血红素等细胞所需要的分子的合成，所以三羧酸循环也是细胞化学合成的中心。
三羧酸循环之所以能够成为细胞中化学反应的转盘路，是因为它的一些成分和步骤与氨基酸、脂肪酸和葡萄糖等的反应路线相交接或者相重合，因而使这些分子通过共同的成分和步骤相互转化。例如谷氨酸的合成路线就和三羧酸循环的起始阶段相同，即从乙酰辅酶A经过柠檬酸、异柠檬酸到 α-酮戊二酸这一段。α-酮戊二酸再加上氨基，就变成谷氨酸。糖酵解的产物丙酮酸加上氨基可以生成丙氨酸，也可以通过整个循环生成草酰乙酸，草酰乙酸加上氨基，就变成天冬酰胺。糖酵解的一个中间产物——磷酸烯醇式丙酮酸，是合成苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的原料。通过这个循环，氨基酸之间还可以互相转化。例如酪氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、色氨酸代谢中间产物都是乙酰辅酶A，它们就可以通过三羧酸循环合成谷氨酸和天冬酰胺。谷氨酸又可以转化为谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸。另一些氨基酸（异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸、苏氨酸）的代谢产物从琥珀酰辅酶A的路口进入循环，也可以转化成为谷氨酸和天冬酰胺。天冬酰胺的脱氨产物——草酰乙酸，可以用来合成葡萄糖，其中有一个中间产物叫做3-磷酸甘油酸，可以转化为丝氨酸。丝氨酸又可以转化为甘氨酸和半胱氨酸（图2-26）。
图2-26 三羧酸循环将氨基酸、脂肪酸和葡萄糖代谢联系在一起
乙酰辅酶A还可以反向合成脂肪酸。在“乙酰辅酶A羧化酶”的作用下，乙酰辅酶A生成“丙二酰辅酶A”。这两种分子上的乙酰基和丙二酰基再被转移到“酰基载体蛋白”（ACP）上，开始脂肪酸合成，每次添加一个乙酰基（含两个碳原子）单位，直至16个碳的饱和脂肪酸（“软脂酸”）。16碳的脂肪酸再被“脂肪酸合成酶Ⅲ”延长，每次也是添加两个碳原子单位。所以这样合成的脂肪酸里面碳原子的数目都是双数的。通过这条途径，葡萄糖和氨基酸就可以转化为脂肪酸。
电子传递链含有许多转移电子的蛋白质，其中的一些含有血红素作为辅基，例如各种细胞色素b、细胞色素c等。所以血红素不是等到血液运输氧气的血红蛋白形成时才出现的，而在生命产生的早期阶段就为能量代谢所必需了。血红素就是以谷氨酸为原料，通过三羧酸循环中第5位的琥珀酰辅酶A合成氨基酮戊酸，再连成卟啉环的。
通过三羧酸循环，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，所以三羧酸循环把细胞中的三种主要分子——氨基酸、脂肪酸和葡萄糖联系起来，让它们可以互相转化，同时还可以合成像血红素这样的分子，是名副其实的化学反应“转盘路”。
虽然三羧酸循环与合成活动有关，但是其主要功能还是细胞的能量代谢，即将乙酰基彻底分解，将其中的氢原子脱下了输入呼吸链合成ATP，同时用加水脱氢的办法把碳原子氧化成为二氧化碳，将其燃烧值转移到氢原子上，所以三羧酸循环是一个氧化型的循环。
而在生命形成的初期，现成的有机物有限，没有那么多东西可供代谢，在这种情况下，细胞利用氧化还原反应获得的能量，用还原性分子如氢和硫化氢提供氢原子，用二氧化碳作为碳源合成有机物更为重要。例如海底热泉能够提供氧化还原反应的能量，也能提供还原性的硫化氢分子，但是没有提供现成的有机物供原核生物使用，这些原核生物就必须自己合成有机分子，用无机分子如二氧化碳作为碳源。那个阶段的生物是不是就有三羧酸循环呢？答案也许出乎你的意料：那个时候的原核生物不但有三羧酸循环，而且这个循环是反着转的，原因就和早期生物固定二氧化碳中碳原子的机制有关。
在真核生物的藻类和植物中，二氧化碳是通过卡尔文循环（Kalvin Cycle）合成有机物分子的。这个循环是由美国科学家梅尔文·卡尔文（Melvin Ellis Calvin，1911—1997）发现的，卡尔文也因此获得了1961年的诺贝尔化学奖。在这个循环中，二氧化碳分子和1,5-二磷酸核酮糖结合，生成一个6碳分子。这个分子不稳定，随即被水解为两分子的3-磷酸甘油酸。3-磷酸甘油酸再从NADH接受两个氢原子变成磷酸甘油醛，就进入葡萄糖的合成路线了。但是在原核生物的古菌和一些细菌中，这种固定二氧化碳中碳原子的机制并不存在，说明卡尔文循环是后来才发展出来的。早期的生物一定有其他的机制来固定二氧化碳中的碳原子。研究发现，许多原核生物是利用逆向旋转的三羧酸循环来完成这项工作的（图2-27）。
图2-27 还原型的三羧酸循环，旋转方向是逆时针的，与氧化型的三羧酸循环相反
在这个逆向旋转的三羧酸循环中，1分子二氧化碳与乙酰辅酶A结合，生成丙酮酸。丙酮酸变为磷酸烯醇式丙酮酸后，与1分子二氧化碳结合，生成草酰乙酸。草酰乙酸再以逆行三羧酸循环的方式，依次生成苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和琥珀酰辅酶A。琥珀酰辅酶A结合1分子二氧化碳分子后变成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸再结合1分子的二氧化碳，变成异柠檬酸。异柠檬酸再逆向生成顺乌头酸、柠檬酸，柠檬酸又能够生成乙酰辅酶A，完成一个循环。每个循环将4个二氧化碳分子组入有机物。这个循环中的成分与正方向转的三羧酸循环完全相同，但是把乙酰辅酶A、丙酮酸和磷酸烯醇式丙酮酸也包括进来，所以逆向旋转的三羧酸循环有12个组分，而不是正转的9个组分。
由于这个循环的反着转的，主要目的是把二氧化碳中的碳原子还原为有机物，所以逆行的三羧酸循环被称为还原型的，需要氢原子在反应的不同阶段加入；而正转的，以氧化碳原子为目的的三羧酸循环被称为是氧化型的。由于这两个三羧酸循环的旋转方向相反，因此效果也是反的：氧化型的三羧酸循环合成ATP，产生氢原子和二氧化碳，而早期逆向的三羧酸循环消耗ATP和氢原子，固定二氧化碳分子中的碳，用它来合成有机物。随着二氧化碳和氢原子的组入，逆向三羧酸循环中的成分浓度会升高，多出来的部分就可以像前面介绍的那样，分别用来合成葡萄糖、氨基酸和脂肪酸等分子。
生物氧化碳原子的方式是加水脱氢，固定碳原子的方式正好反过来，是加氢脱水。在氧化型的三羧酸循环中，加水反应分别是在乙酰辅酶A与草酰乙酸结合形成柠檬酸、琥珀酰辅酶A被转化为琥珀酸和辅酶A以及延胡索酸变成苹果酸时进行的。在还原型的三羧酸循环中，脱水反应是在柠檬酸变成乙酰辅酶A苹果酸变成延胡索酸以及琥珀酸变为琥珀酰辅酶A时进行的。
还原型的三羧酸循环和氧化型的三羧酸循环虽然成分几乎完全相同，但是前者消耗能量和氢原子，后者释放能量和氢原子，所以它们使用的酶并不完全相同。例如在氧化型的三羧酸循环中，丙酮酸被氧化成乙酰辅酶A时，氢原子是转移到NAD+分子上的，而在还原型的三羧酸循环中，把乙酰辅酶A还原为丙酮酸的氢原子却不是来自NADH，而是来自铁氧还蛋白（ferredoxin）；在氧化型的三羧酸循环中，α-酮戊二酸被氧化成琥珀酰辅酶A时，脱下来的氢原子也是转移到NAD+分子上的，而在还原型的三羧酸循环中，琥珀酸被还原为α-酮戊二酸时所需要的氢原子也不是来自NADH，而是来自铁氧还蛋白；在氧化型的三羧酸循环中，乙酰辅酶A和草酰乙酸结合生成柠檬酸时，是被柠檬酸合酶催化的。而在还原型的三羧酸循环中，柠檬酸被分解为乙酰辅酶A和草酰乙酸时，是被柠檬酸裂解酶催化的，而且需要ATP提供能量。因此，还原型三羧酸循环需要三个关键酶才能运转。这三个酶分别是铁氧还蛋白：丙酮酸合成酶（ferredoxin: pyruvate synthase）、铁氧还蛋白：α-酮戊二酸合成酶（ferredoxin: α-ketoglutarate synthase）、柠檬酸裂解酶（citrate lyase）。
在约23亿年前，地球大气中的氧气浓度增加时，光合作用已经能够合成大量的有机物，氧的出现也使得燃料分子的彻底氧化成为可能。异养的原核生物不再需要自己固定二氧化碳中的碳原子来合成有机物，而是使用现成的有机物作为碳源和能量的来源，在这种情况下，氧化型的三羧酸循环就对异养的原核生物更有用处了。由于还原型三羧酸循环含有氧化型三羧酸循环的全部成分，这些成分在氧化型的三羧酸循环中也可以用来合成各种有机分子，例如氨基酸，脂肪酸和血红素，所以循环方向的倒转并不影响生物利用这个循环来合成这些有机分子。许多原核生物就采取了这种生存方式，让三羧酸循环方向反过来，从还原型循环变为氧化型循环。例如蓝细菌和大肠杆菌的三羧酸循环就是正着转的，而且氧化型的三羧酸循环产生的氢原子还能够把它们的电子通过电子传递链传给氧原子生成水，同时用水坝蓄水的方式建立跨膜氢离子浓度来合成ATP。在氧气缺乏时，大肠杆菌就用糖酵解的方式来产生ATP，并且分泌乙酸，但是三羧酸循环的旋转方向已经不能反转了。
在一些原核生物如绿色硫细菌中，三羧酸循环可以向两个方向转。在不供给细菌有机碳的情况下，绿色硫细菌只能从二氧化碳分子中获取碳原子来合成有机物，这个时候三羧酸循环是反着转的，即为还原型循环，而与氧化型三羧酸循环有关的酶的合成则被抑制。但是如果在绿色硫细菌的培养基里加入乙酸作为有机碳源并且同时作为能源，三羧酸循环的旋转方向就反过来，用正转的三羧酸循环来产生能量。
这些事实说明，生物在有机合成和能量代谢的机制上是非常灵活的，总的原则是在已经拥有的分子和反应机制上加以整合和修改，让它们发挥新的功能，而不是什么事情都从头做起。这倒不是因为生物“知道”这样做的好处，而是什么事情都从头做的生物竞争不过利用已有资源的生物。最初的还原型的三羧酸循环是在无氧条件下出现的，可能整合了二氧化碳中碳原子的还原、氨基酸的合成、血红素的合成和脂肪酸合成的路线，成为一个有12个成分的循环。异养原核生物的出现使得这些生物可以利用现成的有机物来建造自己的身体和获得能量，使得自己用反转的三羧酸循环固定碳原子，从头合成有机物不再必要。对于这些原核生物，分解和代谢成为异养生物首先要进行的活动，而大气中氧气的出现又使得彻底氧化食物分子中的氢和碳，将它们变成水和二氧化碳成为可能。这时三羧酸循环的作用就转变了，从还原碳原子变为氧化碳原子，这个循环的转动方向也就反过来，成为氧化型的循环。由于把乙酰辅酶A还原为丙酮酸的路线不再需要，丙酮酸氧化为乙酰辅酶A的步骤就从循环中分离出来，使循环的成员减到9个。
从还原型的三羧酸循环到氧化型的三羧酸循环，原核生物又为地球上生物的发展做出了杰出的贡献。真核生物基本上原封不动地继承了氧化型的三羧酸循环，把它作为能量代谢和化学合成的中心枢纽。在我们身体的几乎每一个细胞中，都有三羧酸循环在运转，而这个多功能的环状反应链却是原核生物在几十亿年前创造的。