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檸檬酸循環是細胞呼吸作用中的關鍵代謝途徑，發生在真核細胞的粒線體基質中。它又稱為克氏循環或三羧酸循環，是一個循環過程，主要功能是氧化乙醯輔酶A，產生能量載體和少量ATP，並釋放二氧化碳。
檸檬酸循環的第一步是乙醯輔酶A與草醯乙酸的結合。乙醯輔酶A是一個二碳化合物，來自醣解作用產生的丙酮酸氧化脫羧或脂肪酸分解。它與四碳化合物草醯乙酸結合，在檸檬酸合酶的催化下，形成六碳化合物檸檬酸。這是循環的起始步驟。
在氧化脫羧階段，檸檬酸經過一系列酶促反應被逐步氧化。首先，六碳的檸檬酸轉化為五碳的α-酮戊二酸，過程中釋放第一個二氧化碳分子並產生NADH。接著，α-酮戊二酸進一步氧化為四碳的琥珀醯輔酶A，釋放第二個二氧化碳分子並再次產生NADH。
在循環的後半段，主要產生各種能量載體。琥珀醯輔酶A轉化為琥珀酸時產生ATP，琥珀酸氧化為延胡索酸時產生FADH₂，最後蘋果酸氧化為草醯乙酸時產生NADH。這些能量載體，特別是NADH和FADH₂，將在電子傳遞鏈中用於產生大量ATP。
總結檸檬酸循環，每個乙醯輔酶A分子進入循環後，會產生兩個二氧化碳分子、三個NADH分子、一個FADH₂分子和一個ATP分子。這些產物中，NADH和FADH₂是最重要的，它們攜帶電子進入電子傳遞鏈，通過氧化磷酸化過程產生32到34個ATP分子，這是細胞獲得能量的主要途徑。