柠檬酸（如三羧酸，TCA）和乙醛酸的代谢循环在现代生物学中普遍存在，人们对这一循环的非生物化学途径的发现有助于阐述其在生物代谢中的重要作用。解释生命起源代谢途径的努力主要集中在概括现代生物转化上，其中多用金属代替辅因子和酶。目前，TCA循环的反应和转化，几乎都依赖于金属介导的化学反应。然而，弥合其与生物自然转化之间的差异仍然是一项巨大的挑战。
三羧酸循环是三大营养素（糖类、脂类、氨基酸）的最终代谢通路，又是糖类、脂类、氨基酸代谢联系的枢纽，该循环也被称为Krebs循环。其发现者Hans Adolf Krebs获得1953年诺贝尔生理学或医学奖。

本文亮点

1. 证明乙醛酸与丙酮酸在温和的水性条件下可反应产生一系列还原柠檬酸循环的α-酮酸类物质，而无需金属或酶催化剂。
2. 该转化以反向Krebs循环的顺序进行，其中乙醛酸酯既充当碳源又充当还原剂。3. α-酮酸类物质通过与甘氨酸的氨基转移可为合成氨基酸提供一条自然转化途径，与现有代谢机制一致，并且可消除金属催化中非生物还原性氨基化的需求。

图文解析

▲图1. 类似于还原(r)-TCA和乙醛酸循环的α-酮酸转化途径。
要点：从丙酮酸（I）或草酰乙酸（VIII）开始，在温和的水性条件下，α-酮酸只需要添加乙醛酸（II）即可通过一系列α-代谢羧酸酯中间体获得酮酸类产物。

▲图2. 乙醛酸与丙酮酸反应生成的α-酮酸类似物途径。
要点：通过研究在没有任何金属或酶催化剂的情况下丙酮酸（Ⅰ）和乙醛酸酯（Ⅱ）的反应，观察到：在pH为7，0.5 M磷酸盐缓冲液中，当加热到50℃时，会产生5种α-酮酸类（III-VII）主要产物。即苹果酸的α-酮酸变体（III）、富马酰甲酸类似物（IV）、TCA中间体α-酮戊二酸酯（V）、异十三烷基甲酸酯（VI）和乌头酸甲酸酯（VII）。

▲图3. 乙醛酸依赖性的甲酸丙二酸甲酯（III）还原为α-酮戊二酸酯（V）。
要点：当从α-酮戊二酸开始与乙醛酸酯反应时，观察到异柠檬酸和乌头酸类似物的形成。

▲图4. α-酮酸的反应进程随时间的变化

▲图5. 将α-酮酸和甘氨酸转氨为α-氨基酸和乙二醛。
要点：与羧酸相比，α-酮酸羰基的亲电性提高，为生成α-氨基酸提供了一条可行途径，并且消除了对金属介导还原胺的需求。在酸催化条件下，使用甘氨酸作为氨基源，通过氨基转移机制将α-酮酸中间体转化为α-氨基酸。在相似的条件下，丙酮酸也可转化为丙氨酸。这些转化使得仅从最简单的甘氨酸就可以合成多种氨基酸，而甘氨酸已被证明可在生物体内通过多种自身转化获取。