Der Zitronensäurezyklus ist ein geschlossener Kreislauf von Reaktionen, die in der mitochondrialen Matrix auftreten. Sie umfassen Redox-, Dehydrierungs-, Hydratations-, und Decarboxylierungsreaktionen. Sein Name leitet sich von der Zwischenverbindung Zitronensäure ab.

Die Schritte wurden zuerst von Hans Krebs beschrieben, und so wird der aerobe Prozess auch als Krebszyklus bezeichnet. Diese Reihe von acht enzymatischen Schritten ist entscheidend für den Glukosekatabolismus. Zunächst gibt Acetyl-CoA, die resultierende Verbindung aus der Pyruvatoxidation ihre Acetylgruppe an ein Vier-Kohlenstoff-Molekül weiter, Oxalacetat, damit ein Sechs-Kohlenstoff-Zwischenprodukt, Citrat entsteht.

Als CoA-Gruppe ist es an eine Schwefelwasserstoffgruppe gebunden und wird wegdiffundiert, um sich schließlich mit einer anderen Acetylgruppe zu verbinden. Dann wird das Wassermolekül entfernt und ersetzt. Dabei wird das Citrat in sein Isomer, Isocitrat umgewandelt.

Das Molekül wird dann oxidiert, und dabei NAD plus auf NADH und H puls und ein Kohlendioxidmolekül reduziert. Dabei wird ein Alpha-Ketoglutarat mit fünf Kohlenstoffatomen gebildet. Dieses Produkt setzt ein weiteres Kohlendioxidmolekül und zwei Elektronen frei, wodurch ein weiteres NAD plus zu NADH und einem Proton reduziert wird, und das Molekül mit einer instabilen Bindung übrigbleibt, an die sich ein Coenzym A anschließt und dabei Succinyl CoA bildet.

Im nächsten Schritt wird das Coenzym durch eine Phosphatgruppe ersetzt. Anschließend wird das Phosphat auf GTP übertragen, wo es Succinat und GTP bildet. Dies kann zur Generierung von ATP verwendet werden.

Während Schritt sechs wird das Succinat oxidiert. Mit zwei Elektronen aus Wasserstoffatomen, die in den Elektronenträger Flavin-Adenin-Dinukleotid, FAD, transformiert sind, um FADH zwei und Fumarat herzustellen. Dem resultierenden Molekül wird dann Wasser hinzugegeben, und nach der Bindungsumlagerung bildet sich Malat. Schließlich wird dieses Molekül oxidiert und reduziert NAD plus auf NADH und H plus, wodurch die ursprüngliche Verbindung Oxalacetat regeneriert wird. Am Ende produziert jeder Zyklus drei NADHs und ein FADH zwei Hochenergie-Elektronenträger, die in der Elektronentransportkette verwendet werden.