Der Krebszyklus - auch Citratzyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt - ist das zentrale "Drehkreuz" des aeroben Stoffwechsels in nahezu allen Zellen. Er läuft im Mitochondrien-Matrixraum ab, sobald Acetyl-CoA aus dem Abbau von Kohlenhydraten, Fettsäuren oder bestimmten Aminosäuren vorliegt. Zu Beginn kondensiert das zweikohlenstoffhaltige Acetyl-CoA mit Oxalacetat (4 C) zu Citrat (6 C). Citrat wird anschließend über Aconitat zu Isocitrat isomerisiert. Die erste oxidative Decarboxylierung verwandelt Isocitrat mithilfe der Isocitrat-Dehydrogenase in alpha-Ketoglutarat, wobei NADH und CO2 entstehen. Eine zweite oxidative Decarboxylierung durch den alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex liefert Succinyl-CoA, ein weiteres NADH sowie CO2; diese Reaktion ähnelt mechanistisch der Pyruvat-Dehydrogenase. Im nächsten Schritt überträgt die Succinyl-CoA-Synthetase den energiereichen CoA-Thioester auf GDP (bei Tieren) bzw. ADP (bei Pflanzen und Bakterien) und bildet dabei GTP bzw. ATP; Succinyl-CoA wird zu Succinat. Dieses wird durch die Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert - hier entsteht FADH2 statt NADH, und das Enzym sitzt als Komplex II direkt in der inneren Mitochondrienmembran. Fumarat wird hydratisiert und bildet Malat, welches durch die Malat-Dehydrogenase erneut oxidiert wird: Es entsteht das dritte NADH und Oxalacetat, sodass der Zyklus geschlossen ist. Pro Umlauf erhält die Zelle somit drei NADH, ein FADH2 und ein GTP/ATP - das entspricht nach der oxidativen Phosphorylierung etwa zehn bis zwölf ATP-Äquivalenten. Gleichzeitig liefert der Zyklus Vorstufen für die Biosynthese: Citrat für Fettsäuren, alpha-Ketoglutarat und Oxalacetat für Aminosäuren, Succinyl-CoA für Häm-Gruppen. Damit der Pool dieser Zwischenprodukte nicht erschöpft wird, füllen anaplerotische Reaktionen - etwa die Pyruvat-Carboxylase, die Pyruvat zu Oxalacetat carboxyliert - das System kontinuierlich auf. Insgesamt verknüpft der Krebszyklus also Energiegewinnung, Atmungskette und Biosynthesen zu einem integrativen metabolischen Netzwerk.