三羧酸循環（TCA Cycle / Citric Acid Cycle / Krebs Cycle）由 Hans Krebs 於 1937 年闡明（Nobel Prize, 1953），是所有需氧生物氧化代謝的中心樞紐，位於粒線體基質中。
酶學與反應機制
Step 1：Citrate synthase 催化 Acetyl-CoA 與 OAA 的 Claisen 縮合反應，生成 citryl-CoA 中間體後水解釋放 CoA，ΔG°' = −31.4 kJ/mol，反應高度放能使其實質不可逆。此酶受 ATP、NADH 和 citrate 的別構抑制，受 ADP 活化。
Step 3：Isocitrate dehydrogenase（NAD⁺依賴型，IDH3）催化氧化脫羧，產生 α-ketoglutarate + CO₂ + NADH。此步驟是循環的最重要速率限制步驟（rate-limiting step），受 ADP 和 Ca²⁺ 正向調節，受 ATP 和 NADH 負向調節。值得注意的是，細胞質中存在 NADP⁺ 依賴的 IDH1 和粒線體的 IDH2 同工酶；IDH1/2 的功能獲得性突變（gain-of-function mutation）會產生致癌代謝物 2-hydroxyglutarate（2-HG），抑制 α-KG 依賴的雙加氧酶（包括 TET 去甲基化酶和組蛋白去甲基酶），導致 DNA 和組蛋白高甲基化，與膠質母細胞瘤和急性骨髓性白血病（AML）高度相關（Dang et al., Nature 2009）。
Step 4：α-Ketoglutarate dehydrogenase complex（結構與 PDH complex 高度同源，含 E1-E2-E3 三個亞基）催化氧化脫羧。此複合體需要五種輔因子：TPP、lipoamide、CoA、FAD、NAD⁺。砷中毒（arsenite）會結合 lipoamide 的雙硫鍵而抑制此酶。
Step 5：Succinyl-CoA synthetase 進行底物層級磷酸化（substrate-level phosphorylation）。哺乳動物中存在 GTP 特異性和 ATP 特異性的同工酶，其組織分布不同。
Step 6：Succinate dehydrogenase（Complex II）是唯一嵌在內膜上的 TCA 酶，直接將電子傳給 UQ（ubiquinone）。其鐵硫簇（Fe-S clusters）和共價結合的 FAD 是電子傳遞的關鍵。SDH 的突變與遺傳性副神經節瘤（paraganglioma）相關——失去 SDH 活性導致 succinate 累積，抑制 prolyl hydroxylase（PHD），穩定 HIF-1α，促進腫瘤血管新生（Selak et al., Cancer Cell 2005）。
回補反應與代謝節點功能
TCA 循環中間產物被抽走用於生合成時（cataplerosis），需透過回補反應（anaplerosis）補充：pyruvate carboxylase（PC）催化 pyruvate → OAA 是最重要的回補反應，需 biotin 和 acetyl-CoA 作為正向別構調節因子。Glutamate 經轉胺或氧化脫胺產生 α-KG 也是重要來源。
代謝體學與疾病
Warburg 效應描述腫瘤細胞即使在有氧條件下仍偏好糖解而非完整 TCA 氧化（aerobic glycolysis）。近年代謝體學（metabolomics）研究揭示許多腫瘤並非 TCA 功能喪失，而是 TCA 中間產物作為「致癌代謝物」（oncometabolites）的角色：succinate、fumarate 和 2-HG 均可抑制 α-KG 依賴的表觀遺傳修飾酶。Fumarate hydratase（FH）的遺傳性缺失導致遺傳性平滑肌瘤和腎細胞癌（HLRCC），fumarate 累積透過 succination 修飾 KEAP1 蛋白而活化 NRF2 抗氧化路徑。
同位素標記與代謝通量分析
¹³C 標記的代謝通量分析（metabolic flux analysis, MFA）是現代研究 TCA 循環運作的核心技術。使用 [U-¹³C]glucose 或 [1,2-¹³C]acetate 追蹤碳原子在 TCA 循環中的分布模式，結合質譜分析（LC-MS/MS），可以定量計算各步驟的通量，區分 oxidative TCA 和 reductive carboxylation（某些缺氧腫瘤細胞會逆向利用 IDH 將 glutamine 經 α-KG → isocitrate → citrate 來合成脂肪酸）。