编辑 | 孟美瑶

校对 | 郭文秀

好看的生化书：三羧酸循环篇

在上期升职记中

丙酮酸在TCA循环中历经艰辛

收获能量，不断蜕变

最后作为引路人开启新的循环。

走完了主线剧情

关于TCA循环还有很多要说~

我们精彩继续，揭开TCA的支线剧情。

TCA循环与各大代谢途径有着错综复杂的联系，它的中间产物和种种底物同时又可以被其他代谢途径所利用。那么机体如何处理各种途径间的关系，又如何调控TCA循环呢？ 

TCA循环属于不定向代谢途径，其作为糖代谢产能枢纽的同时也为合成代谢提供了反应原料，下面以TCA循环起始的两个物质乙酰CoA和草酰乙酸(OAA)为例，看看TCA部门的成员们是如何各代谢通路“通吃”吧！

乙酰CoA作为糖代谢的中间产物，也是脂肪和某些氨基酸的代谢产物，不仅可以进入TCA循环彻底氧化分解产生能量，在能量充足的情况下，乙酰CoA与OAA形成的柠檬酸在TCA循环内累积，当柠檬酸（产物）浓度较高时会抑制柠檬酸合酶（CS）的活性。这时，过多的柠檬酸借助柠檬酸-丙酮酸循环(Citrate pyruvate cycle)进入胞质中，再裂解为乙酰CoA，胞质中的乙酰CoA则可进一步参与脂肪酸的合成，从而将过剩的能量以脂类的形式存储下来。同时，在肝脏、小肠、肾上腺皮质中，细胞质中的乙酰CoA也是合成胆固醇非常重要的原料。在饥饿等特定情况下，肝细胞能够在线粒体基质中将由脂肪酸氧化过程中产生的乙酰CoA转化为酮体，为脑和肌肉组织供能。

在能量缺乏状态下，肝脏中的丙酮酸激酶（Pyruvate kinase，PK）受到胰高血糖素的磷酸化抑制，因此糖酵解过程中丙酮酸的合成被抑制，进而造成了TCA循环中乙酰CoA的匮乏，从而使得剩余的草酰乙酸（OAA）进入胞质内脱羧参与糖异生（Gluconeogenesis）作用，维持机体血糖的稳定。在这个过程中，由于OAA不能直接通过线粒体膜，因此在线粒体基质中的苹果酸脱氢酶(MDH)的作用下，将OAA还原成苹果酸，通过线粒体内膜上的苹果酸转运体进入胞浆，再由细胞质基质中的MDH将苹果酸氧化为OAA，OAA进一步在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEP carboxykinase，PEPCK）作用下，转化为磷酸烯醇式丙酮酸（Phosphoenolpyruvate，PEP）而进入糖异生反应途径。而在机体能量供应充足时，OAA也可作为氨基酸的碳骨架，即OAA在线粒体基质中，可以在谷草转氨酶（Glutamic oxaloacetic transaminase，GOT）作用下接受氨基后合成天冬氨酸（Asp）等等。因此，OAA可作为各种代谢途径的底物分子，广泛的参与糖异生、氨基酸合成以及TCA循环等途径。

                                                                                草酰乙酸参与代谢通路

（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（Phosphoenolpyruvate Carboxylase，PEPC）在线粒体和胞液中都存在，因此OAA可在线粒体中直接转变为PEP，OAA也可在胞液中被转变成PEP。）

所以，TCA作为三大营养物质代谢的共同通路，调控代谢物合成和分解的平衡显得尤为重要。

细胞调控TCA的方式在于三步不可逆的限速步骤，具体而言就是调节相关限速酶（CS、IDH、α-KGDHC）的活性。当细胞能量充足/匮乏时，细胞能量状态指示剂，如高能指示：ATP、NADH、柠檬酸等各种TCA循环中间产物代表了细胞内存在丰富的碳骨架；低能指示：ADP、AMP、Ca²⁺（在肌细胞中，钙离子是肌肉收缩的信号，肌肉收缩需要ATP，钙离子可激活IDH，促进TCA循环）等，可以作为负/正别构效应物，与酶结合影响其与底物结合的活性。此外，对于TCA循环起始的控制也极其重要，因此PDH受到多种方式的调节：产物的竞争性抑制、共价修饰调节等（忘记了嘛？回头看看，我们在前期准备中介绍过呦！） 

TCA循环可以响应机体的能量状态，积极的参与机体的代谢协调作用，与糖类分解、糖异生、脂肪酸合成与分解、氨基酸合成等途径相互影响，相辅相成。如胰高血糖素和胰岛素（反映机体血糖和能量状态的一对激素）可同时影响多种代谢途径：胰高血糖素可激活cAMP-PK系统，参与广泛的磷酸化作用，磷酸化PK（EMP第10步反应限速酶）使其失活，进而间接抑制TCA循环的进行，抑制糖代谢，促进糖异生。胰岛素一方面通过PI3K-Akt途径增加GLUT4（葡萄糖转运蛋白4）的细胞膜转位，促进葡萄糖的摄取，并激活PDH促进TCA循环，抑制糖异生；另一方面也能诱导乙酰CoA羧化酶（Acetyl CoA carboxylase，ACC）和脂肪酸合酶（Fatty acid synthase，FAS）的合成来促进脂肪酸合成，并抑制脂肪酸的氧化。

有的人专心致志做好一件事，谋好一份差，我们称之为专业人士，但也不乏有同时进行好几份工作，同时谋很多职位的多能人士。细胞是一个“社会”，TCA是一个“利益圈”，也存在分子多用的现象，在交流广泛的”细胞社会”中，TCA循环的代谢中间物和代谢酶们也是多面手哦！

TCA代谢物一身多能

（1）作为原料
       由上文我们知晓，乙酰CoA不仅是TCA循环的底物，还是脂肪酸和生酮氨基酸（如赖氨酸lys，亮氨酸leu）的代谢产物，在肝脏中也是合成酮体和胆固醇非常重要的原料。

（2）调节染色质动力学（表观遗传学调控）     
       乙酰化修饰是细胞内主要的蛋白翻译后修饰之一。乙酰CoA能够提供乙酰基，可作为组蛋白乙酰化过程中必要的辅助因子，间接参与基因表达调控。组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferases，HATs）是催化组蛋白氨基末端乙酰化的酶。HATs的活性对乙酰CoA水平的变化非常敏感。

乙酰CoA提供乙酰基参与组蛋白乙酰化修饰作用

同时，研究发现乙酰CoA作为一种线粒体的关键信号可通过重塑染色体来影响衰老的进程。当发生线粒体应激反应或乙酰CoA降低时，会启动组蛋白去乙酰基酶复合物（histone deacetylase，HDAC）来给染色质进行加工（染色体重塑），调节细胞代谢变化，进而引起衰老。当恢复乙酰CoA的水平时，可以逆转寿命的减少[4]。此外，有研究发现，新生儿肝脏通过促进生酮作用来阻止乙酰CoA参与的蛋白乙酰化修饰，防止线粒体蛋白过乙酰化来保护线粒体能量生成。（代谢学人：Nature Metabolism 二月刊荐读）

（3）影响免疫、癌症和干细胞功能      
       有多篇研究工作分析了在不同类型的肿瘤（包括乳腺癌，脑胶质瘤和前列腺癌）中乙酰CoA可促进肿瘤侵袭转移的表征。酰基辅酶A硫酯酶12（acyl-CoA thioeaterase12，ACOT12）是调控肝癌细胞乙酰CoA代谢的关键酶，其表达量的下调可引起肝癌细胞乙酰CoA水平和组蛋白乙酰化水平的提高，进而通过乙酰化修饰来激活肿瘤上皮间质转化中的重要转录因子（TWIST2）基因的表达，促进肝癌上皮间质转化（Epithelial-mesenchymal transition， EMT）过程和肝癌的转移。因此，乙酰CoA水平的累积很可能是肝癌转移的驱动性因素[5]。此外，为了满足自身的生物合成，在癌细胞中（如脂肪酸合成酶(FAS)高表达的皮肤黑色素瘤中）α-KG可作为Gln的前体，产生大量Gln，而Gln也可以通过反向TCA循环途径产生柠檬酸和乙酰CoA，满足肿瘤细胞对乙酰CoA的需求，促进肿瘤细胞的增殖。（代谢学人：Cell Metabolism四月刊亮点推荐）

OAA被认为是TCA循环的催化剂，其含量决定着细胞内TCA循环的速度，因此OAA的持续供给对于TCA循环正常运行至关重要。机体会通过多种回补途径去合成OAA，如在PC的作用下，OAA可由丙酮酸与CO2羧化生成（附图1）；此外，OAA也可在谷草转氨酶（Glutamic oxaloacetic transaminase，GOT）的作用下由Asp生成（附图2）。其中，由PC介导的丙酮酸羧化反应是OAA最常见且重要的回补反应，由于乙酰CoA是PC的激活剂，当TCA循环中间产物如OAA缺乏时，会引起乙酰CoA浓度的升高，从而激活PC促使OAA增加，推动整个TCA循环的进行；其次，当细胞内氨基酸水平较高时，可由Asp转氨生成OAA，或者由谷氨酸（Glu）生成α-KG，由异亮氨酸（Ile）、缬氨酸（Val）、苏氨酸（Thr）和甲硫氨酸（Mel）生成琥珀酰CoA，再通过TCA转化为OAA。

                                               在PC的作用下，OAA可由丙酮酸与CO2羧化生成（附图1）

OAA也可在GOT的作用下由Asp生成
（附图2）

（1）作为缺氧反应的关键调节剂 
      α-KG被认为是一种重要的活性代谢中间产物，在干细胞发育、抗衰老、抗癌和调节能量代谢等方面均具有重要作用。其中α-KG水平的升高可以激活脯氨酰羟化酶（prolyl hydroxylase domain，PHD）和泛素连接酶的活性，促进缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）的降解，从而抑制肿瘤的发展。

（2）参与炎症反应 
      在巨噬细胞中，α-KG在抗炎反应方面发挥了重要的作用。在IL-4激活的巨噬细胞中，高水平的α-KG会促进Gln（谷氨酰胺）的分解，并通过影响组蛋白去甲基化酶（Histonedemethylase，HDMs）的活性来削弱炎症（“α-KG依赖的双加氧酶”可以催化5-甲基胞嘧啶（5-mC）转化为5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC），是DNA去甲基化过程中的一种重要酶。α-KG可结合在α-KG依赖的双加氧酶的催化结构域的α-KG结合位点来促进其活性。）。然而，在脂多糖刺激后的经典巨噬细胞激活中，高水平的α-KG被发现起促炎作用。（代谢学人：Cell Metabolism九月刊代谢研究亮点）

（3）调节酶的活性 
      先前研究报道，α-KG 能特异性下调脯氨酸羟化酶3（Proline hydroxylase, PHD3）的表达，进而降低肾上腺素β2受体（β2-adrenergic receptor, ADRB2）的羟基化和泛素化水平，维持ADRB2的稳定。ADRB2是一种G蛋白偶联受体，主要分布于骨骼肌和支气管平滑肌。肾上腺素主要通过ADRB2来增加骨骼肌血液供应，抑制肌肉萎缩。因此，α-KG 能够调节PHD3的活性及表达量来间接影响ADRB2，从而改善和治疗动物肌肉萎缩[6]。（代谢学人：PHD3缺失促进骨骼肌运动能力和脂肪氧化）

（4）调节代谢状态 
      有研究发现，在果蝇体内补充α-KG可激活AMPK信号并抑制mTOR通路来调节机体代谢状态，并能延长果蝇寿命[7]。（代谢学人：Nature Metabolism: Glis1通过“表观基因组-代谢组-表观基因组”信号级联诱导细胞的多能性）

（1）参与炎症的信号转导 
      琥珀酸可以作为一种信号分子，琥珀酸盐在炎症、低氧和代谢信号传导中起重要作用。有研究发现琥珀酸是先天免疫信号中的一个重要的代谢产物，研究人员发现革兰氏阴性菌的脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）会显著诱导线粒体三羧酸循环中间体琥珀酸的含量，而琥珀酸通过稳定HIF-1α，促进炎症反应中IL-1β的产生。同时，研究人员还发现LPS的刺激还导致很多蛋白琥珀酰化修饰水平的增加，蛋白质琥珀酰化和炎症反应相关，但该修饰在炎症中的具体作用还不清楚。[8]。此外，细胞外琥珀酸水平的持续升高也与慢性疾病的促炎发病机制有关。琥珀酸能通过其同源受体-琥珀酸受体1（SUCNR1）连接肝星状细胞和巨噬细胞群，来促进炎症。 （代谢学人：Nature Metabolism 五月刊荐读精选）

（2）类激素样功能 
      能够激活琥珀酸受体1（SUCNR1，一种G蛋白偶联受体）和NF-κB信号传导途径，从而使树突状细胞介导的T细胞活化，促进骨吸收和破骨细胞（osteoclast， OC）分化[9]。在肌肉组织中，琥珀酸信号分子通过SUCNR1来控制非肌原纤维细胞中肌肉重塑转录程序。 （代谢学人：CELL 近期代谢研究推荐）

有研究表明：衣康酸（itaconate）是TCA循环中的次级代谢产物，由TCA循环的代谢中间物-顺乌头酸（cis-aconitate）转化而来，是机体驱动巨噬细胞向M2抗炎巨噬细胞分化的辅助因子。衣康酸可调节肝脏巨噬细胞的代谢程序，可抵抗炎症的发生，增强机体免疫。（代谢学人：Nature Metabolism七月刊精选） 

衣康酸由顺乌头酸转化而来

此外，其他的TCA循环代谢中间物也可谓是多能于一身（如柠檬酸不仅作为TCA循环的底物，还可作为作为别构效应物调节代谢酶的活性，如柠檬酸可以在EMP途径中磷酸果糖激酶1（Phosphofructokinase-1，PFK-1）的别构抑制剂，参与细胞能量状态的调节）等等。

TCA代谢中间物的多才多能不胜枚举，大家一起来探索呀~。

功能多了，职位多了意味着责任也变多了；

TCA循环代谢中间物开了小差，后果不容小觑！

若TCA循环中的氧化大佬工作中乱了节奏

又会怎样？

TCA代谢酶类举例

T2D（2型糖尿病）会增加糖尿病性心肌病的患病风险，表现为舒张功能障碍。有研究表明，在T2D中，心肌叉头转录因子1（FoxO1）活性增强，会升高丙酮酸脱氢酶激酶4（Pyruvate dehydrogenase kinase-4，PDK4）的表达，从而抑制PDH的活性。PDH的活性的下降使得TCA循环受损，造成较低的葡萄糖氧化速率，使得心脏功能下降，增加患心肌病的风险。因此抑制FoxO1可能通过激活PDH，进而减轻糖尿病心肌病。（代谢学人：Cell Reports四月代谢精选）

抑制FoxO1通过激活PDH来减轻糖尿病心肌病

此外，在小鼠肿瘤转移模型中，研究发现AMPK (AMP活化蛋白激酶)-PDHc轴被激活，驱动了PDHc活化，进而促使肿瘤细胞适应代谢（维持肿瘤细胞TCA循环的进行）和氧化应激来促进肿瘤转移。（代谢学人：Cell子刊 肿瘤代谢精选）

AMPK (AMP活化蛋白激酶)-PDHc轴

琥珀酰CoA连接酶（Succinyl-CoA Ligase，SUCL）是SCS的一部分。在TCA循环过程中，α--KGDHC和SCS将α-KG转变为琥珀酸，当SCS缺乏时可导致TCA循环受阻，导致α-KG，柠檬酸和乙酰-CoA的积累，在T细胞中可导致炎性反应和组织侵袭。（代谢学人：Cell Metabolism 12月刊精选）

在遗传性神经节瘤和肾上腺嗜铬细胞瘤中通常伴随着SDHB、SDHC和SDHD亚单位的显性突变[14-16]。此外，SHDB的突变与肾细胞癌或T细胞急性白血病也存在关联[17]。有研究发现细胞中缺陷SDH和FH会造成HIF1，琥珀酸和延胡索酸的累积，进而能够抑制PDH活性，并激活HIF1-a和下游的缺氧途径，这表明SDH突变和缺氧反应的细胞通路之间也可能存在联系，使得SDH突变更易于引发癌症[18-22]。

研究发现，FH基因的显性突变（大多数是错义突变），易于形成肿瘤，而隐性突变会导致早期死亡和急性脑病[10，11]。FH突变与多发性皮肤和子宫平滑肌瘤、遗传性平滑肌瘤和肾细胞癌的易感性相关[10，12，13]。此外，在肿瘤细胞线粒体基质中，FH、MDH和CS常常构成代谢酶串联，协同地进行线粒体能量代谢。有研究表明，定位于线粒体基质的GAS5（lncRNA生长停滞特异性分子5）是维持细胞能量稳态的肿瘤抑制因子，通过影响代谢酶的串联来调控TCA循环代谢中间物的通量，影响肿瘤代谢。（代谢学人：Nature Metabolism 1月荐读）

任何事物都会有关联和创新，

TCA循环在进化的过程中，

虽然保守，但也不是一成不变，

偶尔任性一下，改变循环模式，也是有的哦！

反向TCA循环又称为还原性TCA循环，是指与氧化TCA循环相逆的一系列化学反应过程。
（1）反应过程不同
       正常的TCA循环过程中IDH催化柠檬酸脱羧生成α-酮戊二酸和CO2，而反向三羧酸循环催化α-酮戊二酸羧化生成柠檬酸，柠檬酸穿过线粒体膜进入细胞质裂解为乙酰CoA和OAA。
（2）反应酶有差别
       与TCA循环中IDH3不同，反向TCA循环中用到的酶是IDH1和IDH2，虽然都称为IDH，但是用到的辅酶和催化的反应类型均不同。人体中有3种IDH酶，分别是细胞质中的NADP-IDH1，线粒体中的NADP-IDH2和NAD-IDH3。在TCA循环中，生成的柠檬酸通过IDH3生成α-KG，进行TCA循环过程。而线粒体中的IDH2能够催化α-KG羧化生成柠檬酸，柠檬酸通过与柠檬酸-丙酮酸循环类似的步骤从线粒体进入胞浆，生成异柠檬酸，其在IDH1的作用下再次生成α-酮戊二酸，因为这个过程与TCA的过程相反，所以叫做反向TCA循环。

α-酮戊二酸通过IDH2生成柠檬酸（反向TCA）

（3）生理意义不同 
       细胞可以根据需要启动反向的TCA过程，如肿瘤细胞可依靠反向TCA，产生大量柠檬酸和乙酰CoA促进自身增殖[23]；在耗能的状态下，某些微生物也可通过反向TCA来生成乙酰CoA，进而利用外界的CO2重新缩合成丙酮酸，丙酮酸再转化为氨基酸、糖类和脂类，这是微生物在遇到高浓度的CO2时进行同化反应的适应性表现[24]。

反向TCA循环图解（绿色标识）
 Cell Metab. 2021 Apr 6; 33（4）: 804–817.e5.

与哺乳动物的生糖过程不同，植物可以借助乙醛酸循环（Glyoxylate cycle）实现乙酰CoA到糖的转变。乙醛酸循环在乙醛酸循环体 （glyoxysome）中进行，该循环与TCA循环中的部分代谢酶（CS，ACO，MDH）相同，并存在着相同的中间产物，与TCA循环有着密切的联系。植物细胞可根据不同的生理状态做出不同的反应：如果机体需要能量，这主要通过TCA循环途径产能，若能量充足时，植物需要生长（种子发芽、形态建成）时，会进行乙醛酸循环来积累有机物质。 

乙醛酸循环会利用脂肪酸氧化分解产生的乙酰CoA，并在乙醛酸循环体内生成琥珀酸 、乙醛酸和苹果酸等代谢物。乙醛酸循环实现了脂肪到糖的转变，对植物的生长发育起着重要的作用。

乙醛酸循环流程图解

       生命体无时无刻不在进行着新陈代谢，营养物质糖类、脂类、蛋白质则为机体的新陈代谢提供了良好的底物。机体的代谢途径普遍联系，相互偶联，达到了代谢分子循环再利用和代谢调控的和谐与统一。这得益于代谢途径中各种代谢中间物的共享，而真核生物线粒体中的TCA作为一种多能代谢途径，将代谢分子在彻底分解释放大量能量的同时，又能够产生代谢中间物被其他途径所共享，途经中的各种酶类保证细胞能量状态被精确的调控。

       综上，我们解析了TCA循环的过程与意义、调控方式及与其他途径的联系、代谢中间物的作用和与疾病的关联性等方面，TCA循环既错综复杂又经济和谐，不禁感叹细胞的精妙和生命的神奇~

       都说TCA循环是个产能途径，产生了这么多的高能分子（NADH；FADH2），TA们后续会如何转换成 “通用货币”ATP的呢？ 

别急，后面都会一一奉上，敬请期待~~~

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