北京化工大学 870《生物化学综合》考研复习资料 · 第三册

新陈代谢总论、生物氧化与糖代谢

开篇：这一册为什么最费时间

前三册里，这一册的计算量最大。原因在于：能量代谢的所有结论都要能自己推一遍。ATP 账目不是背出来的，是算出来的；算不出来的人，遇到"1 mol 软脂酸彻底氧化产生多少 ATP"就直接放弃，而这类题在判断题、计算题、论述题里都可能出现。

这一册的核心逻辑只有一条：葡萄糖的化学能 → 高能化合物（ATP、NADH、FADH₂）→ 质子梯度 → ATP。抓住这条链，糖酵解、TCA、氧化磷酸化就不是三段孤立的知识，而是一个能量转换系统的三个环节。

给一个复习动作上的建议：把呼吸链的四个复合体、糖酵解的十步、TCA 的八步，各自手写三遍。不是抄，是默。写完对着书改，改完再默。三遍之后这些步骤会变成"肌肉记忆"，考场上不需要想。

第 5 章 新陈代谢总论与生物氧化

本章知识骨架

新陈代谢总论与生物氧化├── 代谢总论│   ├── 分解代谢 / 合成代谢│   ├── 代谢的共同中间物与代谢池│   ├── 代谢途径的类型（线状、环状、分支）│   ├── 研究代谢途径的方法（突变株、同位素示踪、抑制剂、体外重构）│   └── 自由能、ΔG、偶联反应、高能化合物├── 生物氧化│   ├── 定义与特点（逐步、酶催化、常温常压、能量逐步释放）│   ├── 方式（脱氢、失电子、加氧）│   └── CO₂ 的生成（脱羧，不是直接加氧）├── 呼吸链│   ├── 复合体 I（NADH-泛醌还原酶）│   ├── 复合体 II（琥珀酸-泛醌还原酶）│   ├── 复合体 III（泛醌-细胞色素 c 还原酶）│   ├── 复合体 IV（细胞色素 c 氧化酶）│   ├── 两条呼吸链（NADH 链、FADH₂ 链）│   └── 排列顺序的实验证据├── 氧化磷酸化│   ├── 化学渗透假说│   ├── 质子动力势（Δp = Δψ + ΔpH）│   ├── ATP 合酶（F₀F₁）结构与结合变构机制│   ├── P/O 比与 ATP 生成量│   ├── NADH 穿梭（甘油磷酸穿梭、苹果酸-天冬氨酸穿梭）│   └── 氧化磷酸化的调节├── 抑制剂与解偶联剂│   ├── 呼吸链抑制剂（位点特异性）│   ├── 解偶联剂（2,4-二硝基苯酚）│   ├── 氧化磷酸化抑制剂（寡霉素）│   └── 离子载体（缬氨霉素）└── 其他氧化体系    ├── 加单氧酶（细胞色素 P450）    ├── 双加氧酶    ├── 过氧化氢酶、过氧化物酶、SOD    └── 自由基与氧化损伤

5.1 新陈代谢总论

5.1.1 代谢的概念与分类

新陈代谢（metabolism） 是生物体内所有化学反应的总称，包括物质代谢和能量代谢两个方面。

分解代谢（catabolism）：复杂的有机分子被分解为简单的小分子，释放能量，生成 ATP。例如葡萄糖 → CO₂ + H₂O。特点是释放能量、产生还原当量（NADH、FADH₂）、是汇聚过程（多种物质汇入少数共同中间物）。

合成代谢（anabolism）：简单的小分子合成复杂的生物分子，消耗能量。例如氨基酸 → 蛋白质、乙酰 CoA → 脂肪酸。特点是消耗能量（ATP、NADPH）、是发散过程（少数前体合成多种产物）。

两者的关系：分解代谢提供 ATP 和还原力，合成代谢消耗它们；两者的中间产物互相流通；在细胞中由不同的途径、不同的区域、不同的酶催化，且受到相互协调的调节（一个途径活跃时，另一个途径被抑制，避免"无效循环"）。

5.1.2 代谢途径的特点

1. ‎不可逆性：代谢途径整体上是不可逆的，但其中的单个反应多数是可逆的。途径的不可逆由 1—3 个不可逆反应（关键酶/限速酶催化的反应）决定，这些反应通常是调节位点。
2. ‎分步进行：能量逐步释放，避免一次性释放造成浪费和损伤。
3. ‎区室化：真核细胞中不同途径分布在不同区域（糖酵解在胞质、TCA 在线粒体、脂肪酸合成在胞质、β-氧化在线粒体），互不干扰。
4. ‎共同的中间物：乙酰 CoA、丙酮酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸、磷酸二羟丙酮、磷酸烯醇式丙酮酸等，是各类物质代谢的枢纽。
5. ‎酶系的组织化：多酶复合体、膜结合酶系、可溶性酶系，使反应高效有序。
6. ‎受严格调控：通过别构调节、共价修饰、酶量调节、激素信号，使代谢速率与生理需求匹配。

代谢池（metabolic pool）：细胞内某一代谢物的总量。代谢物不断流入（合成、摄入）和流出（分解、排出），池的大小在稳态下保持恒定。

5.1.3 研究代谢途径的方法

"一个基因一个酶"假说（Beadle & Tatum, 1941）：每个基因控制一个酶的合成。后来修正为"一个基因一条多肽链"。这是分子生物学的奠基性概念之一。

5.1.4 自由能与高能化合物

自由能（G）：系统能做有用功的能量。ΔG = ΔH - TΔS。

• ΔG < 0，反应自发进行（放能反应）。
• ΔG > 0，反应不能自发进行（需能反应），必须与放能反应偶联。
• ΔG = 0，系统处于平衡。

标准自由能变化（ΔG°'）：在 25℃、1 atm、pH 7.0、各反应物浓度 1 mol/L 条件下的 ΔG。生物化学中常用 ΔG°'。

偶联反应：一个吸能反应与一个放能反应通过共同的中间物偶联，使总反应的 ΔG < 0。例如：

葡萄糖 + Pi → 葡萄糖-6-磷酸 + H₂O，ΔG°' = +13.8 kJ/mol（不能自发）ATP + H₂O → ADP + Pi，ΔG°' = -30.5 kJ/mol（放能）偶联后：葡萄糖 + ATP → 葡萄糖-6-磷酸 + ADP，ΔG°' = -16.7 kJ/mol（可自发）

偶联的分子机制：共同的中间物（如磷酸基转移）、酶同时结合两个底物、质子梯度。

高能化合物：水解时释放大量自由能（ΔG°' < -25 kJ/mol）的化合物。注意"高能"指的是水解自由能大，不是键能大。

ATP 是通用的能量货币，但不是能量最高的化合物。PEP（-61.9）和 1,3-BPG（-49）的水解自由能都高于 ATP，所以它们可以通过底物水平磷酸化把磷酸基转给 ADP 生成 ATP。磷酸肌酸（-43）作为肌肉中的能量缓冲，可以把磷酸基转给 ADP。

ATP 的结构与功能：腺苷 + 三个磷酸。α-β 和 β-γ 之间是磷酸酐键，水解 γ 位磷酸释放最多能量。ATP 水解为 ADP + Pi（ΔG°' = -30.5），也可水解为 AMP + PPi（ΔG°' = -45.6，因为 PPi 进一步水解为 2Pi 释放能量，这在 DNA 复制、氨基酸活化等反应中被利用，使反应更彻底）。

能荷（energy charge）：

能荷 = ([ATP] + 0.5[ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP])

范围 0—1。正常细胞约 0.8—0.95。能荷高时，ATP 生成途径（分解代谢）被抑制，ATP 消耗途径（合成代谢）被激活；能荷低时相反。能荷是细胞能量状态的综合指标，调节着关键酶的活性（如磷酸果糖激酶、柠檬酸合酶）。

5.2 生物氧化

5.2.1 概念与特点

生物氧化（biological oxidation）：有机物质在生物体内氧化分解，最终生成 CO₂ 和 H₂O，同时释放能量、生成 ATP 的过程。

与体外燃烧的比较

生物氧化的特点（四点）

1. 在温和条件下进行，由酶催化。
2. 能量逐步释放，通过偶联生成 ATP，能量利用率高（约 40%）。
3. 反应分阶段进行，有多个中间产物，可被其他途径利用。
4. CO₂ 的生成方式是有机酸的脱羧，不是碳直接与氧结合；H₂O 的生成是脱下的氢经呼吸链传递给氧，不是氢直接与氧结合。

判断题陷阱："生物氧化中 CO₂ 是由碳与氧直接结合生成的"——错，是脱羧反应生成的。"H₂O 是氢直接与氧结合生成的"——不准确，是经呼吸链传递后与氧结合。

5.2.2 生物氧化的方式

1. ‎脱氢：最常见的氧化方式。底物脱去氢（包括电子），由脱氢酶催化。如：

   乳酸 + NAD⁺ → 丙酮酸 + NADH + H⁺

2. ‎失电子：底物直接失去电子。如：

   Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻

3. ‎加氧：

• 加单氧（羟化）：RH + O₂ + NADPH + H⁺ → ROH + H₂O + NADP⁺，由加单氧酶（混合功能氧化酶）催化，如细胞色素 P450。
• 加双氧：R + O₂ → RO₂，由双加氧酶催化，如尿黑酸双加氧酶。

4. ‎脱羧：

• 直接脱羧：R-COOH → RH + CO₂。
• 氧化脱羧：R-COOH → R'H + CO₂，同时脱氢。如丙酮酸 → 乙酰 CoA。

5.2.3 呼吸链（电子传递链）

定义：代谢物脱下的氢（电子）经过一系列有严格排列顺序的递氢体/递电子体传递，最终交给氧生成水，这个传递体系称为呼吸链（respiratory chain）或电子传递链（electron transport chain, ETC）。

定位：线粒体内膜。原核生物在细胞膜。

四个复合体

两个移动的电子载体

• ‎泛醌（CoQ，辅酶 Q）：脂溶性小分子，可在内膜中自由扩散，在复合体 I/II 与 III 之间传递电子。可携带 1 个或 2 个电子（半醌、醌醇形式）。
• ‎细胞色素 c（Cyt c）：水溶性小蛋白，位于内膜外侧（膜间隙），在复合体 III 与 IV 之间传递电子。含血红素 c，通过 Met 和 His 配位，铁原子可逆地 Fe²⁺/Fe³⁺ 转换。

电子传递顺序

NADH → 复合体 I → CoQ → 复合体 III → Cyt c → 复合体 IV → O₂

琥珀酸 → 复合体 II → CoQ → 复合体 III → Cyt c → 复合体 IV → O₂

两条呼吸链

• ‎NADH 氧化呼吸链（主链）：NADH → 复合体 I → CoQ → III → Cyt c → IV → O₂。生成 2.5 个 ATP（P/O = 2.5）。
• ‎FADH₂ 氧化呼吸链（琥珀酸呼吸链）：FADH₂ → 复合体 II → CoQ → III → Cyt c → IV → O₂。生成 1.5 个 ATP（P/O = 1.5）。因为绕过了复合体 I，少了一个泵质子位点。

排列顺序的实验证据

1. ‎标准氧化还原电位：电子从低电位流向高电位。各载体的 E°' 依次升高：NAD⁺/NADH（-0.32 V）< FMN（-0.30）< CoQ（+0.10）< Cyt b（+0.07）< Cyt c₁（+0.22）< Cyt c（+0.25）< Cyt a（+0.29）< Cyt a₃（+0.35）< O₂（+0.82 V）。
2. ‎特异性抑制剂：鱼藤酮阻断 I→CoQ，抗霉素 A 阻断 III，CN⁻ 阻断 IV。加入抑制剂后，上游载体被还原、下游被氧化，由此确定顺序。
3. ‎分光光度法：通入氧气时，各载体的氧化还原状态随时间变化的顺序。
4. ‎体外重构：把纯化的复合体重新组装，验证电子传递。

5.3 氧化磷酸化

5.3.1 概念

氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：在呼吸链电子传递过程中，释放的能量使 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程。

与底物水平磷酸化的区别

5.3.2 化学渗透假说（Mitchell, 1961）

核心内容

1. 呼吸链的电子传递伴随着质子（H⁺）从线粒体基质泵到膜间隙。

2. 质子泵出后，内膜两侧形成质子梯度（膜间隙 pH 比基质低约 0.5—1.0 个单位）和跨膜电位（膜间隙为正，基质为负，约 150—180 mV）。

3. 质子梯度和跨膜电位共同构成质子动力势（proton motive force, Δp）：

   Δp = Δψ + (2.3RT/F)·ΔpH

   其中 Δψ 是跨膜电位差，ΔpH 是 pH 差，2.3RT/F ≈ 59 mV（25℃）。

4. 质子通过 ATP 合酶的 F₀ 通道回流到基质，释放的能量驱动 F₁ 合成 ATP。

5. 因此，电子传递与 ATP 合成是通过质子梯度偶联的，而不是通过化学中间物（"化学偶联假说"）或构象变化（"构象偶联假说"）。

支持证据

1. 完整的线粒体内膜是必需的，破损的膜不能进行氧化磷酸化。
2. 人为制造 pH 梯度（把线粒体放在酸性缓冲液中）可以不经电子传递而合成 ATP。
3. 解偶联剂（如 2,4-二硝基苯酚）能携带质子穿过内膜，消除质子梯度，使电子传递继续但 ATP 不合成。
4. 人工脂质体中加入细菌视紫红质（光驱动质子泵）和 ATP 合酶，照光即可合成 ATP。
5. 寡霉素抑制 ATP 合酶后，质子梯度升高，电子传递减慢（呼吸控制）。

Mitchell 因此获得 1978 年诺贝尔化学奖。

质子泵的化学机制

• 复合体 I：NADH 的电子经 FMN 和 Fe-S 中心传给 CoQ，同时构象变化驱动 4H⁺ 泵出。
• 复合体 III：Q 循环。CoQH₂ 在内膜外侧（P 侧）释放 2H⁺，电子分两路：一路经 Rieske Fe-S → Cyt c₁ → Cyt c；另一路经 Cyt b₅₆₂ → b₅₆₆ → CoQ（生成半醌）→ 再循环。净结果是每对电子泵出 4H⁺。
• 复合体 IV：Cyt c 的电子经 Cu_A → 血红素 a → 血红素 a₃-Cu_B 双核中心 → O₂，生成 H₂O。每对电子泵出 2H⁺，消耗基质内 2H⁺ 生成水。

每对电子的质子泵出总数：复合体 I（4）+ III（4）+ IV（2）= 10H⁺。合成 1 个 ATP 需要约 4H⁺ 通过 ATP 合酶（F₁ 的 c 环有 8 个亚基，需 8H⁺ 转一圈产 3 ATP，约 2.7H⁺/ATP），加上 ATP/ADP 转运（1H⁺）和 Pi 转运（1H⁺），共约 4H⁺/ATP。10/4 = 2.5，这就是 P/O = 2.5 的来源。FADH₂ 只经过 III 和 IV，泵 6H⁺，6/4 = 1.5，所以 P/O = 1.5。

5.3.3 ATP 合酶

结构

• ‎F₀：疏水部分，嵌入内膜，由 a、b₂、cₙ（n=8—15，哺乳动物 8）亚基组成。c 环是质子通道的旋转部分。
• ‎F₁：亲水部分，伸向基质，由 α₃β₃γδε 组成。β 亚基有催化位点。
• ‎F₁ 的 β 亚基有三种构象：L（loose，松散结合 ADP 和 Pi）、T（tight，紧密结合 ATP）、O（open，开放，释放 ATP）。

结合变构机制（Boyer, 1997 诺贝尔化学奖）

质子流通过 F₀ 驱动 c 环和 γ 轴旋转。γ 轴旋转使三个 β 亚基依次经历 O → L → T → O 的构象变化：

1. 质子进入 F₀，c 环旋转，γ 轴跟着转 120°。
2. 一个 β 亚基从 L 变为 T，ADP + Pi 自发缩合成 ATP（不需要额外能量，能量用于释放）。
3. 另一个 β 从 T 变为 O，ATP 释放。
4. 第三个 β 从 O 变为 L，结合 ADP 和 Pi。

每转一圈（360°）合成 3 个 ATP。能量主要用于使 ATP 从酶的活性位点释放，而不是形成磷酸酐键——这是"结合变构"的核心洞见。

ATP 合酶的方向性：正常情况下质子从膜间隙流向基质，合成 ATP。在某些条件下（如细菌的 ATP 水解驱动质子泵），反应逆转，ATP 水解把质子泵出。这说明 ATP 合酶是可逆的质子泵/ATP 合成器。

5.3.4 NADH 的穿梭系统

胞质中糖酵解产生的 NADH 不能直接穿过线粒体内膜，必须通过穿梭系统把还原当量转运进去。

（1）甘油-3-磷酸穿梭（glycerol-3-phosphate shuttle）

• 位置：脑、骨骼肌。
• 过程：胞质中的 NADH 把磷酸二羟丙酮还原为甘油-3-磷酸（胞质甘油-3-磷酸脱氢酶），甘油-3-磷酸进入膜间隙，被线粒体内膜外侧的甘油-3-磷酸脱氢酶（含 FAD）氧化为磷酸二羟丙酮，FADH₂ 把电子交给 CoQ。
• 结果：胞质 NADH 变成线粒体 FADH₂，P/O = 1.5。能量损失较大，但速度快，适合肌肉的快速供能。

（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartate shuttle）

• 位置：心肌、肝脏、肾脏。
• 过程：胞质 NADH 把草酰乙酸还原为苹果酸（胞质苹果酸脱氢酶），苹果酸通过内膜的转运体进入基质，被基质苹果酸脱氢酶氧化为草酸乙酸，同时生成 NADH。草酰乙酸不能直接出基质，需转氨为天冬氨酸，通过天冬氨酸转运体出基质，再转氨回草酰乙酸。
• 结果：胞质 NADH 变成线粒体 NADH，P/O = 2.5。能量利用率高，但速度慢。

（3）脂肪酸穿梭（肉碱穿梭）：严格说不是 NADH 穿梭，而是脂酰 CoA 的转运系统（见第四册）。

计算的实践意义：1 mol 葡萄糖彻底氧化，用苹果酸-天冬氨酸穿梭得 32 ATP，用甘油-3-磷酸穿梭得 30 ATP。这是 30 与 32 的差别来源。

5.3.5 氧化磷酸化的调节

呼吸控制（respiratory control）：氧化磷酸化的速率主要受 ADP 浓度调节。

• ADP 充足（能荷低）时，ATP 合酶快速工作，质子回流快，质子梯度降低，电子传递加速，耗氧量增加。这叫"活跃态呼吸"（state 3）。
• ADP 不足（能荷高）时，ATP 合酶停止，质子梯度升高，电子传递受阻，耗氧量降低。这叫"静息态呼吸"（state 4）。

调节因素

• ADP/ATP 比值（主要因素）。
• NADH/NAD⁺ 比值：底物供应充足时加速。
• 氧分压：缺氧时电子传递受阻。
• 甲状腺激素：增加线粒体数量和呼吸链活性，提高基础代谢率。
• 线粒体解偶联蛋白（UCP）：棕色脂肪组织中的 UCP1 使质子漏回基质，能量以热的形式释放，用于非颤抖性产热。这是新生儿和冬眠动物的重要产热机制。

5.4 呼吸链的抑制剂与解偶联剂

这是判断题和选择题的高频区，必须记住"哪个试剂作用在哪个位点"。

5.4.1 呼吸链抑制剂（阻断电子传递）

后果：电子传递中断，质子梯度消失，ATP 合成停止。细胞只能靠糖酵解供能，乳酸堆积。氰化物中毒迅速致死就是这个原因（细胞窒息，静脉血呈鲜红色，因为组织不能利用氧）。

5.4.2 解偶联剂（uncoupler）

作用：携带质子穿过内膜，消除质子梯度，使电子传递与 ATP 合成脱偶联。结果是电子传递加速、耗氧增加，但 ATP 不合成，能量全部以热的形式释放。

后果：体温升高、耗氧增加、ATP 下降。DNP 曾被用作减肥药，但因导致高热、白内障、死亡而被禁用。

判断题陷阱："解偶联剂抑制电子传递"——错，解偶联剂不抑制电子传递，反而加速（因为质子梯度被消除，呼吸控制解除）。"解偶联剂抑制 ATP 合成"——正确。

5.4.3 氧化磷酸化抑制剂（直接抑制 ATP 合酶）

与解偶联剂的区别（重点）：寡霉素抑制 ATP 合酶后，电子传递因质子梯度无法消除而减慢（质子梯度反压）；DNP 使质子梯度消除，电子传递加速。这是一个经典的对照题。

5.5 其他氧化体系

5.5.1 加单氧酶（混合功能氧化酶）

反应：RH + O₂ + NADPH + H⁺ → ROH + H₂O + NADP⁺

一个氧原子进入产物，另一个被还原为水。需要 NADPH 提供还原力。

细胞色素 P450：含血红素的加单氧酶家族，因还原态与 CO 结合后在 450 nm 有吸收峰而得名。功能：

• 药物代谢（肝微粒体）：氧化药物，使其水溶性增加、便于排出。这是药物相互作用和个体差异的分子基础。
• 类固醇激素合成：胆固醇 → 孕烯醇酮（P450scc）、皮质醇、醛固酮、睾酮、雌激素。
• 维生素 D 的羟化（25-羟化酶、1α-羟化酶）。
• 脂肪酸的 ω-氧化。
• 毒物活化：某些前致癌物经 P450 活化后才致癌（如苯并芘）。

加双氧酶：R + O₂ → RO₂，两个氧原子都进入产物。如尿黑酸双加氧酶（芳香环开环）、脂氧合酶（花生四烯酸代谢）。

5.5.2 过氧化物酶体与活性氧清除

活性氧（ROS）：超氧阴离子（O₂⁻）、过氧化氢（H₂O₂）、羟自由基（·OH）、单线态氧。

清除系统

氧化损伤：ROS 攻击脂质（脂质过氧化，产生丙二醛 MDA）、蛋白质（羰基化、交联）、DNA（8-OHdG，是氧化损伤的标志物）。与衰老、动脉粥样硬化、癌症、神经退行性疾病有关。

缺血再灌注损伤：缺血时 ATP 降解为次黄嘌呤，再灌注时黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤氧化，产生大量 O₂⁻，造成组织损伤。这是心梗、脑梗溶栓治疗时需要面对的问题。

5.6 ATP 账目计算专题

这是第三册和第四册都要用的方法，先在这里讲清楚。

5.6.1 计算规则

步骤一：写出完整的反应式，标出每个产生/消耗高能化合物或还原当量的步骤。

步骤二：统一单位。 把 NADH、FADH₂、GTP 都折算成 ATP。

• 1 NADH → 2.5 ATP（经复合体 I，P/O = 2.5）
• 1 FADH₂ → 1.5 ATP（经复合体 II，P/O = 1.5）
• 1 GTP → 1 ATP（通过核苷二磷酸激酶：GTP + ADP ⇌ GDP + ATP）
• 底物水平磷酸化的 ATP 直接计入。

步骤三：注意穿梭系统的差异。 胞质 NADH 经苹果酸-天冬氨酸穿梭 = 2.5，经甘油-3-磷酸穿梭 = 1.5。

步骤四：注意"净"与"总"。 糖酵解投入 2 ATP，所以是"净 2 ATP"，不是 4。

步骤五：注意旧教材与新教材的差异。 旧教材用 P/O = 3 和 2，得到 36 或 38；新教材用 2.5 和 1.5，得到 30 或 32。答题时按教材（董晓燕第 3 版）用 30/32，可以注明"按旧算法为 36/38"。

5.6.2 葡萄糖彻底氧化的 ATP 账目

第一阶段：糖酵解（胞质）

葡萄糖 → 2 丙酮酸 + 2 ATP（净）+ 2 NADH

第二阶段：丙酮酸氧化脱羧（线粒体基质）

2 丙酮酸 → 2 乙酰 CoA + 2 CO₂ + 2 NADH

第三阶段：TCA 循环（线粒体基质）

2 乙酰 CoA → 4 CO₂ + 6 NADH + 2 FADH₂ + 2 GTP

汇总

旧教材算法（P/O = 3 和 2）：2 + 2 + 6 + 6 + 18 + 4 = 38（苹果酸穿梭）或 36（甘油磷酸穿梭）。

记忆要点：每 mol 葡萄糖产生 10 NADH（2 糖酵解 + 2 PDH + 6 TCA）、2 FADH₂（TCA）、4 ATP 当量的底物水平磷酸化。

5.6.3 其他常见计算

1 mol 丙酮酸彻底氧化：1 NADH（PDH）+ 3 NADH（TCA）+ 1 FADH₂ + 1 GTP = 4 NADH × 2.5 + 1 FADH₂ × 1.5 + 1 = 10 + 1.5 + 1 = 12.5 ATP。

1 mol 乙酰 CoA 彻底氧化：3 NADH × 2.5 + 1 FADH₂ × 1.5 + 1 GTP = 7.5 + 1.5 + 1 = 10 ATP。

1 mol 乳酸彻底氧化：乳酸 → 丙酮酸产生 1 NADH（2.5），丙酮酸彻底氧化 12.5，合计 15 ATP。但如果乳酸先经糖异生变成葡萄糖再氧化，账目不同（见糖异生部分）。

1 mol 甘油彻底氧化：甘油 → 甘油-3-磷酸（消耗 1 ATP）→ 磷酸二羟丙酮（产生 1 FADH₂ = 1.5）→ 糖酵解后半段（到丙酮酸产生 2 ATP + 1 NADH = 2.5）→ 丙酮酸彻底氧化 12.5。合计：-1 + 1.5 + 2 + 2.5 + 12.5 = 17.5 ATP。也有教材算 18.5（用旧 P/O），注意算法差异。

1 mol 软脂酸彻底氧化（第四册详讲）：活化消耗 2 ATP，7 轮 β-氧化产生 7 FADH₂ + 7 NADH + 8 乙酰 CoA。8 × 10 + 7 × 1.5 + 7 × 2.5 - 2 = 80 + 10.5 + 17.5 - 2 = 106 ATP。旧算法 129 ATP。

5.7 本章高频考点与易错点

判断题陷阱

1. "生物氧化中 CO₂ 由碳与氧直接结合生成"——错，由脱羧生成。
2. "呼吸链的电子传递方向是从高电位到低电位"——错，从低电位到高电位（负到正）。
3. "复合体 II 也泵质子"——错，复合体 II 不泵质子。
4. "FADH₂ 的 P/O 比是 3"——错，是 1.5（旧教材 2）。
5. "NADH 的 P/O 比是 2.5"——正确（旧教材 3）。
6. "解偶联剂抑制电子传递"——错，加速电子传递。
7. "寡霉素使耗氧量增加"——错，使耗氧量减少（质子梯度反压）。
8. "氰化物抑制复合体 III"——错，抑制复合体 IV。
9. "抗霉素 A 抑制复合体 I"——错，抑制复合体 III。
10. "ATP 是体内能量最高的化合物"——错，PEP、1,3-BPG 更高。
11. "底物水平磷酸化需要氧"——错，不需要。
12. "氧化磷酸化产生的 ATP 占总量的 10%"——错，约 90%。
13. "质子动力势只包括 pH 差"——错，还包括跨膜电位。
14. "ATP 合酶的 F₁ 部分嵌在膜内"——错，F₁ 伸向基质，F₀ 嵌在膜内。
15. "化学渗透假说由 Krebs 提出"——错，由 Mitchell 提出（Krebs 提出 TCA 循环）。
16. "1 mol 葡萄糖彻底氧化净生成 38 ATP"——按新算法是 30 或 32。

简答题高频

1. 生物氧化与体外燃烧的异同。
2. 呼吸链的组成及电子传递顺序。
3. 氧化磷酸化的机制（化学渗透假说）。
4. 氧化磷酸化与底物水平磷酸化的比较。
5. 呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂的区别。
6. NADH 穿梭系统的类型及意义。
7. ATP 合酶的结构与结合变构机制。
8. 高能化合物的类型。
9. 能荷的概念及意义。

论述题方向

1. 从葡萄糖到 ATP，说明能量代谢的完整链条。
2. 化学渗透假说的内容、证据及意义。
3. 线粒体在细胞能量代谢和细胞死亡（凋亡）中的作用。
4. 活性氧的产生与清除，以及氧化损伤与疾病的关系。
5. 解偶联剂的作用机制及在肥胖治疗中的教训。

5.8 随章练习（附答案要点）

一、名词解释

1. ‎生物氧化：有机物在生物体内氧化分解、最终生成 CO₂ 和 H₂O 并释放能量的过程。
2. ‎呼吸链：代谢物脱下的氢经一系列有严格顺序的递氢/递电子体传递、最终交给氧生成水的体系。
3. ‎氧化磷酸化：呼吸链电子传递释放的能量使 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程。
4. ‎底物水平磷酸化：底物分子内部能量重排产生的高能键直接使 ADP（或 GDP）磷酸化生成 ATP（或 GTP）的过程。
5. ‎P/O 比：每消耗 1 原子氧所生成的 ATP 分子数。
6. ‎化学渗透假说：电子传递泵出质子形成质子动力势，质子回流驱动 ATP 合成的假说。
7. ‎质子动力势：跨膜电位差与 pH 差共同构成的驱动质子回流的势能。
8. ‎解偶联剂：能携带质子穿过内膜、消除质子梯度、使电子传递与 ATP 合成脱偶联的物质。
9. ‎呼吸控制：氧化磷酸化速率受 ADP 浓度调节的现象。
10. ‎能荷：细胞中 ATP-ADP-AMP 系统能量状态的指标，([ATP]+0.5[ADP])/([ATP]+[ADP]+[AMP])。
11. ‎高能化合物：水解时释放大量自由能（ΔG°' < -25 kJ/mol）的化合物。
12. ‎加单氧酶：催化一个氧原子掺入底物、另一个氧原子还原为水的酶，如细胞色素 P450。
13. ‎P/O 比与 kcat 的区别：前者是能量偶联效率，后者是酶催化速率。（此题考察概念辨析）
14. ‎Q 循环：复合体 III 中泛醌在 P 侧和 N 侧之间循环传递电子并泵出质子的机制。
15. ‎结合变构机制：质子流驱动 γ 轴旋转、使 β 亚基三种构象依次转变从而合成和释放 ATP 的机制。

二、简答题

1. 生物氧化与体外燃烧有何异同？

相同点：最终产物都是 CO₂ 和 H₂O，释放的总能量相同（对同一物质而言），都遵循能量守恒。

不同点：① 条件不同，生物氧化在常温常压近中性 pH 的水溶液中进行，由酶催化；体外燃烧需高温高压。② 能量释放方式不同，生物氧化逐步释放，大部分储存于 ATP，利用率约 40%；体外燃烧一次性释放，以热的形式散失。③ 中间产物不同，生物氧化有多个中间产物可被利用；体外燃烧几乎没有。④ 反应机制不同，生物氧化的 CO₂ 由脱羧生成，H₂O 由脱氢经呼吸链传递生成；体外燃烧是碳和氢直接与氧结合。

2. 呼吸链由哪些组分构成？电子传递顺序如何？

呼吸链位于线粒体内膜，由四个复合体和两个移动载体组成。复合体 I（NADH-泛醌还原酶，含 FMN 和 Fe-S）氧化 NADH 并把电子传给 CoQ，泵出 4H⁺；复合体 II（琥珀酸-泛醌还原酶，含 FAD 和 Fe-S）氧化琥珀酸并把电子传给 CoQ，不泵质子；复合体 III（泛醌-细胞色素 c 还原酶，含 Cyt b、c₁ 和 Rieske Fe-S）把电子从 CoQ 传给 Cyt c，通过 Q 循环泵出 4H⁺；复合体 IV（细胞色素 c 氧化酶，含血红素 a、a₃ 和 Cu）把电子从 Cyt c 传给 O₂ 生成水，泵出 2H⁺。移动载体是泛醌（脂溶性，在复合体 I/II 与 III 之间传递）和细胞色素 c（水溶性，在 III 与 IV 之间传递）。

两条链：NADH → I → CoQ → III → Cyt c → IV → O₂（P/O = 2.5）；FADH₂ → II → CoQ → III → Cyt c → IV → O₂（P/O = 1.5）。

3. 试述化学渗透假说的主要内容及实验证据。

内容：① 呼吸链电子传递过程中，复合体 I、III、IV 将质子从基质泵到膜间隙；② 质子泵出形成跨膜质子梯度和跨膜电位，二者共同构成质子动力势；③ 质子通过 ATP 合酶的 F₀ 通道回流到基质，释放的能量驱动 F₁ 合成 ATP；④ 电子传递与 ATP 合成通过质子梯度偶联。

证据：① 完整的线粒体内膜是必需的，破损膜不能进行氧化磷酸化；② 人为制造 pH 梯度可不经电子传递而合成 ATP；③ 解偶联剂携带质子穿过内膜，消除梯度后电子传递继续但 ATP 不合成；④ 在脂质体中重建细菌视紫红质和 ATP 合酶，照光可合成 ATP；⑤ 寡霉素抑制 ATP 合酶后质子梯度升高、电子传递减慢。

4. 呼吸链抑制剂、解偶联剂、氧化磷酸化抑制剂有何区别？

呼吸链抑制剂阻断电子传递，作用位点包括复合体 I（鱼藤酮、阿米妥）、复合体 II（丙二酸）、复合体 III（抗霉素 A）、复合体 IV（CN⁻、CO、N₃⁻）。结果是电子传递中断、质子梯度消失、ATP 合成停止，耗氧量下降。

解偶联剂不抑制电子传递，而是携带质子穿过内膜、消除质子梯度，使电子传递与 ATP 合成脱偶联。结果是电子传递加速、耗氧量增加、ATP 不合成、能量以热释放。代表是 2,4-二硝基苯酚、UCP1。

氧化磷酸化抑制剂直接抑制 ATP 合酶（寡霉素）或 ATP/ADP 转运体（苍耳素）。结果是 ATP 不能合成，质子梯度升高并反压电子传递，耗氧量下降。

5. NADH 穿梭系统有哪两种？各有何特点？

甘油-3-磷酸穿梭：存在于脑和骨骼肌。胞质 NADH 把磷酸二羟丙酮还原为甘油-3-磷酸，后者被线粒体内膜外侧的脱氢酶氧化，FADH₂ 把电子交给 CoQ。胞质 NADH 变成线粒体 FADH₂，P/O = 1.5，能量损失较大但速度快，适合肌肉快速供能。

苹果酸-天冬氨酸穿梭：存在于心肌、肝脏、肾脏。胞质 NADH 把草酰乙酸还原为苹果酸，苹果酸进入基质后被氧化，生成基质 NADH；草酰乙酸经转氨为天冬氨酸出基质。胞质 NADH 变成线粒体 NADH，P/O = 2.5，能量利用率高但速度较慢。

因此 1 mol 葡萄糖彻底氧化，前者得 30 ATP，后者得 32 ATP。

第 6 章 糖代谢

本章知识骨架

糖代谢├── 消化与吸收│   ├── 淀粉酶（唾液、胰）→ 麦芽糖、糊精│   ├── 双糖酶（麦芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶）→ 单糖│   └── 葡萄糖转运体（SGLT1 主动转运、GLUT 易化扩散）├── 糖酵解（EMP，胞质）│   ├── 10 步反应，3 个不可逆位点（己糖激酶、PFK-1、丙酮酸激酶）│   ├── 净生成 2 ATP + 2 NADH│   ├── 调节（PFK-1 是关键）│   └── 丙酮酸的去路（乳酸、乙醇、乙酰 CoA、草酰乙酸）├── 丙酮酸氧化脱羧（线粒体）│   ├── PDH 复合体（E1、E2、E3 + 五辅酶）│   └── 调节（磷酸化/去磷酸化）├── 三羧酸循环（TCA，线粒体）│   ├── 8 步反应，3 个不可逆位点│   ├── 每轮 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP + 2 CO₂│   ├── 回补反应│   └── 双重意义（供能 + 代谢枢纽）├── 磷酸戊糖途径（PPP，胞质）│   ├── 氧化相（G6PD、6-PGD，产 2 NADPH + CO₂）│   ├── 非氧化相（转酮醇酶、转醛醇酶）│   └── 意义（NADPH、核糖、代谢重组）├── 糖异生（肝、肾）│   ├── 原料（乳酸、甘油、生糖氨基酸、丙酸）│   ├── 四个绕行反应│   ├── 能量消耗（6 ATP 当量）│   └── 调节与乳酸循环├── 糖原代谢│   ├── 合成（UDPG、糖原合酶、分支酶）│   ├── 分解（磷酸化酶、脱支酶）│   └── 级联调节├── 血糖调节与糖代谢紊乱└── 光合作用（卡尔文循环、C4、CAM）

6.1 糖的消化与吸收

消化

• 口腔：唾液 α-淀粉酶（最适 pH 6.8），把淀粉水解为麦芽糖、麦芽三糖和 α-糊精。在胃中被胃酸灭活。
• 小肠：胰 α-淀粉酶继续水解，产物为麦芽糖、麦芽三糖和 α-糊精（分支点附近）。
• 小肠黏膜刷状缘的寡糖酶：麦芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶、异麦芽糖酶，把双糖水解为单糖。

吸收

• 葡萄糖和半乳糖：通过 SGLT1（钠-葡萄糖共转运体）主动转运，与 Na⁺ 协同，逆浓度梯度，能量来自 Na⁺ 梯度（由 Na⁺/K⁺-ATP 酶维持）。
• 果糖：通过 GLUT5 易化扩散。
• 单糖进入肠上皮细胞后，经基底面的 GLUT2 易化扩散进入血液。
• 乳糖不耐受：乳糖酶缺乏，乳糖不能被水解，在肠道被细菌发酵产气、产酸，引起腹胀、腹泻。

血糖的来源与去路

• 来源：食物消化吸收、肝糖原分解、糖异生。
• 去路：氧化供能、合成糖原、转化为脂肪和氨基酸、随尿排出（血糖超过肾糖阈 8.96—10.08 mmol/L 时出现糖尿）。

6.2 糖酵解（EMP 途径）

定义：在胞质中，1 分子葡萄糖经 10 步反应分解为 2 分子丙酮酸，同时生成 2 ATP 和 2 NADH 的过程。不需要氧，是所有生物共有的最古老的代谢途径之一。

定位：胞质（细胞质基质）。

6.2.1 十步反应

第一阶段：投资阶段（消耗 2 ATP）

第二阶段：放能阶段（产生 4 ATP + 2 NADH）

总反应式

葡萄糖 + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 丙酮酸 + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

能量账：投入 2 ATP（步骤 1、3），产出 4 ATP（步骤 7、10，各两次），净得 2 ATP；产生 2 NADH。

关键点：底物水平磷酸化的两次机会都在第二阶段，都是把一个高能磷酸化合物（1,3-BPG 的酰基磷酸键、PEP 的烯醇磷酸键）的磷酸基转给 ADP。

6.2.2 三个不可逆反应与关键酶

PFK-1 的调节（重点）

• ‎ATP 是抑制剂：ATP 高时（能荷高）抑制 PFK-1，减少糖酵解。但 ATP 也是底物，所以低浓度 ATP 时是底物、高浓度时是别构抑制剂，动力学曲线呈 S 形。
• ‎AMP、ADP 是激活剂：能荷低时激活糖酵解。
• ‎柠檬酸是抑制剂：柠檬酸高说明 TCA 已经饱和，糖酵解应减速。
• ‎果糖-2,6-二磷酸（F-2,6-BP）是最强的激活剂：由 PFK-2 生成。胰高血糖素通过 cAMP-PKA 使 PFK-2 磷酸化失活（肝），降低 F-2,6-BP，抑制糖酵解、促进糖异生；胰岛素则相反。

"底物循环"与 F-2,6-BP 的意义：F6P ⇌ F1,6BP 由 PFK-1 和果糖二磷酸酶-1 双向催化，同时激活会形成无效循环（消耗 ATP 产热）。F-2,6-BP 通过同时激活 PFK-1、抑制 FBPase-1，使这个循环单向化，是糖酵解与糖异生切换的关键开关。

6.2.3 丙酮酸的去路

乳酸发酵的意义：在缺氧时，NADH 不能被呼吸链氧化，必须通过乳酸脱氢酶把丙酮酸还原为乳酸，使 NAD⁺ 再生，糖酵解才能继续。这是肌肉剧烈运动时的主要供能方式。

乳酸的再利用：肌肉产生的乳酸经血液运到肝脏，通过糖异生生成葡萄糖，再回到肌肉——这是 Cori 循环（乳酸循环）。

砷酸盐的毒理：砷酸盐（AsO₄³⁻）与磷酸盐（PO₄³⁻）结构相似，可在第 6 步取代 Pi 生成 1-砷酸-3-磷酸甘油酸，后者自发水解，绕过第 7 步的底物水平磷酸化，导致糖酵解"只消耗不产出"，净 ATP 为 -2。这是"解偶联"在底物水平上的表现。

6.2.4 糖酵解的生理意义

1. 是葡萄糖分解的共同途径，为所有生物提供基本的能量。
2. 在无氧条件下供能（肌肉运动、肿瘤细胞、红细胞）。
3. 为其他代谢提供中间产物（DHAP 可还原为甘油，丙酮酸可转氨为丙氨酸）。
4. 红细胞完全依赖糖酵解供能（没有线粒体）。
5. 某些组织（视网膜、睾丸、肿瘤）在有氧时也进行活跃的糖酵解（Warburg 效应）。

6.3 丙酮酸氧化脱羧

反应：丙酮酸 + CoA-SH + NAD⁺ → 乙酰 CoA + CO₂ + NADH + H⁺

定位：线粒体基质。

PDH 复合体（丙酮酸脱氢酶复合体）

五种辅酶：TPP（B₁）、硫辛酸、CoA（泛酸）、FAD（B₂）、NAD⁺（PP）。这句话几乎每年都考："PDH 复合体需要哪五种维生素？"答案是 B₁、硫辛酸、泛酸、B₂、PP。

反应步骤

1. 丙酮酸与 TPP 结合，脱羧生成羟乙基-TPP（释放 CO₂）。
2. 羟乙基转移到硫辛酸的二硫键上，氧化为乙酰基（硫辛酸被还原）。
3. 乙酰基转移给 CoA，生成乙酰 CoA（硫辛酸保持还原态）。
4. 还原型硫辛酸被 FAD 氧化（FAD 是 E3 的辅基）。
5. FADH₂ 被 NAD⁺ 氧化，生成 NADH。

意义：把糖酵解与 TCA 连接起来，是不可逆的"门"。丙酮酸一旦变成乙酰 CoA，就不能再变回丙酮酸（动物体内），所以这个反应决定了糖的有氧氧化方向。

调节

• ‎产物抑制：乙酰 CoA、NADH 抑制复合体。
• ‎共价修饰：PDH 激酶磷酸化 E1 → 失活；PDH 磷酸酶去磷酸化 → 激活。乙酰 CoA 和 NADH 激活激酶（使酶失活），胰岛素和丙酮酸抑制激酶（使酶激活）。
• ‎能量状态：能荷高时 PDH 被抑制。

疾病：PDH 缺乏症（E1α 亚基突变）导致乳酸酸中毒、神经系统发育障碍，因为脑组织依赖 PDH 供能。

6.4 三羧酸循环（TCA 循环）

定义：乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，经过一系列氧化脱羧，最终重新生成草酰乙酸，同时释放 CO₂ 和还原当量的循环反应。也叫柠檬酸循环（Krebs 循环）。

定位：线粒体基质（琥珀酸脱氢酶在内膜上）。

发现：Krebs 于 1937 年提出，1953 年获诺贝尔生理学或医学奖。

6.4.1 八步反应

总反应式

乙酰 CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + FADH₂ + GTP + CoA + 3 H⁺

每轮产出：3 NADH、1 FADH₂、1 GTP、2 CO₂。折合 ATP：3×2.5 + 1×1.5 + 1 = 10 ATP（旧算法 12）。

6.4.2 三个不可逆反应与关键酶

1. ‎柠檬酸合酶：乙酰 CoA + 草酰乙酸 → 柠檬酸。
2. ‎异柠檬酸脱氢酶：异柠檬酸 → α-酮戊二酸（真正的限速步骤）。
3. ‎α-酮戊二酸脱氢酶复合体：α-酮戊二酸 → 琥珀酰 CoA。

调节：主要受 NADH/NAD⁺ 比值和 ATP/ADP 比值调节。NADH 和 ATP 抑制，ADP 激活。Ca²⁺ 在肌肉收缩时激活 TCA（把能量需求与供能联系起来）。

6.4.3 回补反应

TCA 循环的中间物不断被抽走用于合成（草酰乙酸 → 糖异生、α-酮戊二酸 → 谷氨酸、琥珀酰 CoA → 血红素、柠檬酸 → 脂肪酸合成）。若不补充，循环会停止。补充途径：

最重要的回补反应是丙酮酸羧化酶，它把糖酵解的产物引向 TCA，同时为糖异生提供草酰乙酸。

6.4.4 双重意义

能量意义：是糖、脂肪、蛋白质三大物质彻底氧化的共同通路，产生的 NADH 和 FADH₂ 经呼吸链生成大量 ATP。

代谢枢纽意义：

1. 是三大物质代谢的最终共同途径（"代谢的十字路口"）。
2. 为合成代谢提供前体（草酰乙酸 → 糖异生、α-酮戊二酸 → 氨基酸、琥珀酰 CoA → 血红素）。
3. 连接糖代谢与脂代谢（乙酰 CoA）、氨基酸代谢（α-酮戊二酸、草酰乙酸）。
4. 是"两用代谢途径"（amphibolic pathway）的典型：既分解又合成。

**为什么 TCA 循环本身不直接消耗氧，却必须在有氧条件下进行？**因为循环产生的 NADH 和 FADH₂ 必须经呼吸链氧化再生 NAD⁺ 和 FAD，否则循环会因为缺乏氧化型辅酶而停止。缺氧时 NADH 堆积，TCA 循环被抑制。

6.5 磷酸戊糖途径（PPP）

定义：葡萄糖-6-磷酸在胞质中经氧化和非氧化两个阶段，生成 NADPH、核糖-5-磷酸和 CO₂ 的途径。也叫磷酸己糖支路。

定位：胞质。

6.5.1 氧化相（不可逆）

氧化相净结果：G6P + 2 NADP⁺ + H₂O → 核酮糖-5-P + 2 NADPH + CO₂。

6.5.2 非氧化相（可逆）

• 核酮糖-5-磷酸经磷酸戊糖异构酶生成核糖-5-磷酸，经磷酸戊糖差向异构酶生成木酮糖-5-磷酸。
• ‎转酮醇酶（TPP 为辅酶）把木酮糖-5-P 的二碳单位（羟乙醛基）转给核糖-5-P，生成景天庚酮糖-7-P 和 3-磷酸甘油醛。
• ‎转醛醇酶把景天庚酮糖-7-P 的三碳单位转给 3-磷酸甘油醛，生成赤藓糖-4-P 和果糖-6-P。
• 转酮醇酶再把木酮糖-5-P 的二碳单位转给赤藓糖-4-P，生成果糖-6-P 和 3-磷酸甘油醛。

总结果：6 分子核酮糖-5-P 经一系列重排，生成 5 分子果糖-6-P 和 1 分子 3-磷酸甘油醛，可回到糖酵解。

完整氧化的账目：6 分子 G6P 经 PPP 氧化相产生 12 NADPH + 6 CO₂ + 6 核酮糖-5-P；非氧化相重排为 5 分子 F6P + 1 分子 G3P；F6P 异构为 G6P 可再循环；最终 6 分子 G6P 完全氧化为 6 CO₂ + 12 NADPH。这就是"PPP 可以彻底氧化葡萄糖"的说法，但实际上细胞的 PPP 主要是为了获取 NADPH 和核糖，不是供能。

6.5.3 生理意义

1. ‎提供 NADPH：用于脂肪酸合成、胆固醇合成、类固醇激素合成、核苷酸合成（还原反应），以及维持谷胱甘肽的还原态（抗氧化）。
2. ‎提供核糖-5-磷酸：用于核苷酸和核酸的合成（嘌呤、嘧啶、ATP、NAD⁺、FAD）。
3. ‎与糖酵解互通：通过非氧化相的重排，可以根据需要调整 NADPH 和核糖的比例。需要大量核糖时，非氧化相逆行使核糖生成；需要大量 NADPH 时，非氧化相重排使 F6P 回到氧化相。
4. ‎参与碳的重新分配：为糖酵解提供 F6P 和 G3P，使戊糖可以进入分解代谢。

组织分布：肝脏、脂肪组织、肾上腺皮质、性腺、红细胞、骨髓等合成代谢旺盛的组织活性高。骨骼肌几乎无 PPP。

6.5.4 6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏症

G6PD 缺乏是最常见的遗传性酶缺陷（X 连锁隐性遗传，全球约 4 亿人）。G6PD 不足 → NADPH 不足 → 谷胱甘肽（GSH）不能维持还原态 → 红细胞膜和血红蛋白易被氧化损伤 → 溶血。

诱因：食用蚕豆（蚕豆病）、某些药物（伯氨喹、磺胺、阿司匹林、维生素 K）、感染。

表现：急性溶血性贫血、黄疸、血红蛋白尿。红细胞没有线粒体，PPP 是其唯一的 NADPH 来源，所以对 G6PD 缺乏特别敏感。

6.6 糖异生

定义：由非糖物质（乳酸、甘油、生糖氨基酸、丙酸等）合成葡萄糖或糖原的过程。

定位：主要在肝脏（约 90%），其次在肾脏（约 10%，长期饥饿时增加）。肌肉不能进行糖异生（缺乏葡萄糖-6-磷酸酶）。

6.6.1 四个绕行反应

糖异生基本是糖酵解的逆过程，但糖酵解的三个不可逆反应必须绕过，加上丙酮酸→PEP 的绕行，共四个关键反应：

注意：丙酮酸不能直接羧化为 PEP，必须经草酰乙酸两步。而且丙酮酸羧化酶在线粒体，PEP 羧激酶在胞质（人类）或线粒体，所以涉及草酰乙酸的跨膜转运（苹果酸-天冬氨酸穿梭或柠檬酸穿梭）。

**为什么糖异生不能简单地逆转糖酵解？**因为糖酵解的三个不可逆反应释放大量自由能（ΔG 大幅负值），热力学上不能逆转；必须用不同的酶、消耗额外的 ATP/GTP 来"推"过去。

6.6.2 能量消耗

2 丙酮酸 → 1 葡萄糖：

• 丙酮酸羧化酶：2 ATP（每个丙酮酸 1 个）
• PEP 羧激酶：2 GTP
• 磷酸甘油酸激酶：2 ATP（逆反应中 3-PG → 1,3-BPG 需 ATP）
• 合计：4 ATP + 2 GTP = 6 个高能磷酸键

而糖酵解净产生 2 ATP，所以糖异生是"耗能"的过程（6 - 2 = 4 ATP 的净消耗，用于克服热力学障碍）。

2 丙酮酸 → 葡萄糖还需要 2 NADH（在 1,3-BPG 还原为 G3P 时消耗）。这些 NADH 可来自乳酸脱氢酶（乳酸为原料时）或线粒体的穿梭。

6.6.3 原料

生糖氨基酸与生酮氨基酸

• 生糖氨基酸：降解后生成丙酮酸或 TCA 中间物，可异生为糖。多数氨基酸属于此类。
• 生酮氨基酸：亮氨酸、赖氨酸，降解后生成乙酰 CoA 或乙酰乙酸，不能净生成糖。
• 生糖兼生酮：异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、苏氨酸。

6.6.4 调节

糖异生的关键酶：丙酮酸羧化酶、PEP 羧激酶、FBPase-1、葡萄糖-6-磷酸酶。

调节方式

1. ‎底物供应：乳酸、甘油、氨基酸的供应增加时，糖异生加速。
2. ‎能量状态：ATP 高、NADH 高时促进糖异生。
3. ‎激素：
• ‎胰高血糖素：通过 cAMP-PKA，诱导 PEP 羧激酶、FBPase-1、葡萄糖-6-磷酸酶基因表达，抑制 PFK-2（降低 F-2,6-BP），促进糖异生。
• ‎糖皮质激素：诱导糖异生酶的表达，促进外周蛋白分解提供氨基酸。
• ‎胰岛素：抑制糖异生酶的基因表达。
4. ‎乙酰 CoA：激活丙酮酸羧化酶（变构），同时抑制 PDH，把丙酮酸导向糖异生。
5. ‎F-2,6-BP：抑制 FBPase-1，所以胰高血糖素降低 F-2,6-BP 时解除对 FBPase-1 的抑制。

6.6.5 乳酸循环（Cori 循环）

肌肉在缺氧时进行糖酵解产生乳酸，乳酸经血液运到肝脏，在肝脏经糖异生生成葡萄糖，葡萄糖再经血液回到肌肉。这个循环称为乳酸循环或 Cori 循环。

意义：

1. 回收乳酸中的能量（乳酸仍含大量化学能，直接排出是浪费）。
2. 防止乳酸酸中毒（肝脏把乳酸转化掉）。
3. 维持血糖稳定（肝脏输出的葡萄糖补充肌肉消耗）。

代价：每循环一次消耗 6 个高能磷酸键（肌肉产生 2 ATP，肝脏消耗 6 ATP），净消耗 4 ATP。这是"用能量换乳酸回收"的过程，在剧烈运动时是必要的。

**肌肉为什么不能自己进行糖异生？**因为缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，G6P 不能脱磷酸生成葡萄糖，只能自己用或变成糖原。

6.6.6 糖异生的生理意义

1. 维持空腹和饥饿时的血糖稳定（肝糖原耗尽后，糖异生是唯一的血糖来源）。
2. 回收乳酸，防止酸中毒。
3. 补充肝糖原。
4. 调节酸碱平衡（肾脏的糖异生消耗 H⁺，有助于排酸）。
5. 在长期饥饿时，糖异生为大脑和红细胞提供葡萄糖（大脑每天需 120 g 葡萄糖，红细胞需 30 g）。

6.7 糖原代谢

6.7.1 糖原的结构

糖原是由 α-D-葡萄糖通过 α-1,4-糖苷键 连接成直链、每隔 8—12 个残基有一个 α-1,6-糖苷键 分支的树状大分子。分支多、非还原端多，便于快速降解和合成。分子量可达 10⁷—10⁸ Da。

糖原的分布：肝脏（约 100 g，占肝重的 6%—8%，用于维持血糖）、肌肉（约 400 g，占肌肉的 1%，只供肌肉自己使用）。

糖原颗粒：糖原与糖原合酶、磷酸化酶、脱支酶等结合成颗粒，存在于胞质中。

6.7.2 糖原的合成（糖原生成）

步骤

1. ‎G6P → G1P：磷酸葡萄糖变位酶（需 G-1,6-BP 为辅因子）。
2. ‎G1P + UTP → UDPG + PPi：UDP-葡萄糖焦磷酸化酶。PPi 水解为 2Pi，推动反应。
3. ‎引物形成：糖原蛋白（glycogenin） 自身催化，把第一个葡萄糖加到自己的 Tyr 残基上，形成起始链。
4. ‎链的延伸：糖原合酶把 UDPG 的葡萄糖加到非还原端的 C4-OH 上，形成 α-1,4 键。糖原合酶只能延长已有链，不能从头开始。
5. ‎分支形成：分支酶（淀粉-1,4→1,6-转糖苷酶） 把一段 6—7 个残基的寡糖链切下，转移到另一个分支的 C6-OH 上，形成 α-1,6 分支。

调节：糖原合酶受胰岛素激活（去磷酸化），受胰高血糖素/肾上腺素抑制（磷酸化）。

能量消耗：每加一个葡萄糖残基消耗 2 ATP（UTP 相当于 ATP + 1 个用于焦磷酸水解）。

6.7.3 糖原的分解（糖原分解）

步骤

1. ‎磷酸解：糖原磷酸化酶从非还原端切下葡萄糖残基，生成 G1P（不是游离葡萄糖）。这个反应不需要 ATP，比水解节能。辅酶是 PLP（维生素 B₆）——这是 B₆ 的一个不寻常功能。
2. ‎脱支：磷酸化酶只能切到分支点前 4 个残基。脱支酶（双功能酶）先把 3 个残基转移到另一个分支的非还原端（α-1,4-转糖苷酶活性），再把剩下的 1 个葡萄糖（α-1,6 位）水解为游离葡萄糖（α-1,6-葡萄糖苷酶活性）。
3. ‎G1P → G6P：磷酸葡萄糖变位酶。
4. ‎G6P → 葡萄糖：葡萄糖-6-磷酸酶（只在肝脏和肾脏有），生成游离葡萄糖释放入血。肌肉缺乏此酶，G6P 只能进入糖酵解。

溶酶体途径：少量糖原在溶酶体中被 α-葡萄糖苷酶（酸性麦芽糖酶）水解为葡萄糖。这条途径的缺陷导致庞贝病（糖原贮积症 II 型）。

6.7.4 糖原代谢的调节（级联放大）

以肾上腺素为例：

肾上腺素 → 结合 β-肾上腺素能受体 → 激活腺苷酸环化酶 → cAMP↑ → 激活 PKA

PKA 的作用：

1. 磷酸化磷酸化酶激酶（激活）→ 磷酸化糖原磷酸化酶（激活）→ 糖原分解加速。
2. 磷酸化糖原合酶（失活）→ 糖原合成停止。
3. 磷酸化抑制剂-1（激活）→ 抑制蛋白磷酸酶-1（PP1）→ 维持磷酸化状态。

级联放大的效果：一个肾上腺素分子 → 多个 cAMP → 多个 PKA → 多个磷酸化酶激酶 → 大量磷酸化酶 → 大量葡萄糖释放。放大倍数可达 10⁴—10⁶，使机体在几秒内响应应激。

胰岛素的作用：激活蛋白磷酸酶，使糖原合酶去磷酸化（激活）、磷酸化酶去磷酸化（失活），促进糖原合成。

肌肉与肝脏的差异：

• 肌肉的磷酸化酶受 AMP 激活（能量不足时启动糖原分解），受 ATP、G6P 抑制。
• 肝脏的磷酸化酶受葡萄糖抑制（血糖高时停止分解）。
• 肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，糖原分解只为自身供能；肝脏有，可释放葡萄糖入血。

6.7.5 糖原贮积症

6.8 血糖调节与糖代谢紊乱

6.8.1 血糖的正常范围

空腹血糖：3.89—6.11 mmol/L（70—110 mg/dL）。肾糖阈：8.96—10.08 mmol/L（160—180 mg/dL），超过则出现糖尿。

6.8.2 调节激素

胰岛素降糖的分子机制：胰岛素受体是酪氨酸激酶，激活后通过 IRS-PI3K-Akt 通路，使 GLUT4 从胞内囊泡转位到细胞膜，促进葡萄糖摄取（主要在肌肉和脂肪）。同时激活糖原合酶、抑制糖异生酶的表达。

6.8.3 糖代谢紊乱

糖尿病

• 1 型：胰岛 β 细胞被自身免疫破坏，胰岛素绝对缺乏，需终身注射胰岛素。
• 2 型：胰岛素抵抗 + 分泌相对不足，与肥胖、遗传、生活方式有关。
• 表现："三多一少"（多饮、多食、多尿、体重减少），高血糖、糖尿、酮症酸中毒（1 型）。
• 生化机制：胰岛素不足 → 葡萄糖不能进入细胞 → 血糖升高 → 超过肾糖阈 → 糖尿（渗透性利尿）→ 脱水 → 多饮；细胞饥饿 → 脂肪分解 → 大量乙酰 CoA → 酮体生成 → 酮症酸中毒；蛋白质分解 → 消瘦。
• 慢性并发症：糖尿病肾病、视网膜病变、神经病变、动脉粥样硬化（与糖基化终产物 AGEs、多元醇途径、蛋白激酶 C 激活有关）。

低血糖：血糖 < 2.8 mmol/L。表现为心慌、出汗、颤抖、头晕，严重时昏迷。原因：饥饿、胰岛素过量、肝病、糖异生障碍。

糖耐量受损：口服葡萄糖耐量试验（OGTT）2 小时血糖在 7.8—11.1 mmol/L 之间，是糖尿病前期。

果糖不耐受：醛缩酶 B 缺乏，果糖-1-磷酸堆积，抑制糖异生和糖原分解，导致低血糖、肝损伤。

半乳糖血症：半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶缺乏，半乳糖-1-磷酸堆积，导致肝损伤、白内障、智力障碍。治疗是避免乳糖摄入。

6.9 光合作用（简要）

870 对光合作用的考查很少，通常只出判断或选择，但几个关键点要知道。

光反应（类囊体膜）：

• 光系统 II（PSII）吸收光能，水的光解：2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂。
• 电子经质体醌、细胞色素 b₆f、质体蓝素传到 PSI，形成质子梯度。
• PSI 再吸收光能，把电子传给铁氧还蛋白，还原 NADP⁺ 为 NADPH。
• ATP 合酶合成 ATP。产物：ATP + NADPH + O₂。

暗反应（卡尔文循环，stroma）：

1. ‎羧化：RuBP + CO₂ → 2 分子 3-磷酸甘油酸，由 Rubisco 催化。
2. ‎还原：3-PGA + ATP + NADPH → 3-磷酸甘油醛。
3. ‎再生：5 分子 G3P 经一系列反应再生 3 分子 RuBP，消耗 ATP。

总反应：3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH → 1 分子 G3P。

C4 途径：在叶肉细胞中，PEP 羧化酶把 CO₂ 固定为草酰乙酸（四碳酸），运到维管束鞘细胞释放 CO₂，提高 Rubisco 周围的 CO₂ 浓度，减少光呼吸。适合高温强光环境（玉米、甘蔗）。

CAM 途径：夜间开气孔固定 CO₂（形成苹果酸储存在液泡），白天关闭气孔、释放 CO₂ 进行卡尔文循环。适合干旱环境（仙人掌、菠萝）。

光呼吸：Rubisco 也能催化 RuBP 与 O₂ 反应，生成 2-磷酸乙醇酸，消耗能量和碳，是光合效率低的原因之一。

6.10 本章高频考点与易错点

判断题陷阱

1. "糖酵解在线粒体中进行"——错，在胞质。
2. "糖酵解净生成 4 ATP"——错，净生成 2 ATP（总产 4，投入 2）。
3. "糖酵解产生 2 个 NADH"——正确。
4. "PFK-1 是糖酵解最重要的限速酶"——正确。
5. "己糖激酶和葡萄糖激酶是同一种酶"——错，前者 Km 低、普遍分布、受 G6P 抑制；后者只在肝和 β 细胞、Km 高、受胰岛素诱导。
6. "1 分子葡萄糖有氧氧化产生 36 ATP"——按新算法 30 或 32。
7. "TCA 循环直接消耗氧"——错，间接需要氧（NADH 需经呼吸链再生 NAD⁺）。
8. "琥珀酸脱氢酶在线粒体基质中"——错，在内膜上。
9. "TCA 每轮产生 3 NADH、2 FADH₂"——错，3 NADH、1 FADH₂。
10. "丙二酸抑制柠檬酸合酶"——错，抑制琥珀酸脱氢酶。
11. "PPP 的主要功能是产生 ATP"——错，产生 NADPH 和核糖。
12. "G6PD 缺乏导致溶血是因为 ATP 不足"——错，是因为 NADPH 不足导致 GSH 不能维持还原态。
13. "糖异生是糖酵解的简单逆转"——错，有四个绕行反应，消耗更多能量。
14. "糖异生主要在肌肉进行"——错，在肝和肾；肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶。
15. "糖原分解直接产生游离葡萄糖"——不准确，主要产生 G1P，只有肝脏和肾脏能脱磷酸生成游离葡萄糖；脱支酶也产生少量游离葡萄糖。
16. "糖原磷酸化酶的辅酶是 TPP"——错，是 PLP（B₆）。
17. "胰岛素促进糖异生"——错，抑制。
18. "1 分子葡萄糖经 PPP 完全氧化产生 12 NADPH"——正确（6 分子 G6P 产生 12 NADPH）。
19. "糖酵解产生 ATP 的方式是氧化磷酸化"——错，是底物水平磷酸化。
20. "氟化物抑制烯醇化酶"——正确（与 Mg²⁺ 螯合）。

简答题高频

1. 糖酵解的十步反应、关键酶及能量账。
2. 糖酵解与糖异生的比较。
3. TCA 循环的反应、关键酶及生理意义。
4. 为什么 TCA 循环需要氧？
5. 磷酸戊糖途径的氧化相和非氧化相、生理意义。
6. 糖异生的四个绕行反应及能量消耗。
7. 乳酸循环的意义。
8. 糖原合成与分解的过程。
9. 血糖的调节机制。
10. 丙酮酸的去路。
11. 1 mol 葡萄糖彻底氧化的 ATP 计算。
12. 糖尿病酮症酸中毒的生化机制。

论述题方向

1. 糖代谢的三条途径（酵解、TCA、PPP）的联系与区别。
2. 糖异生与糖酵解的协调调节（以 F-2,6-BP 为核心）。
3. 从糖代谢角度分析糖尿病的病理机制。
4. 代谢途径的区室化及其意义。
5. 肿瘤细胞的 Warburg 效应及其机制。

6.11 随章练习（附答案要点）

一、名词解释

1. ‎糖酵解：葡萄糖在胞质中经十步反应分解为丙酮酸、净生成 2 ATP 和 2 NADH 的过程。
2. ‎底物水平磷酸化：底物高能键直接使 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程。
3. ‎三羧酸循环：乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，经氧化脱羧重新生成草酰乙酸的循环。
4. ‎回补反应：补充 TCA 循环中间物的反应。
5. ‎磷酸戊糖途径：G6P 经氧化和非氧化阶段生成 NADPH、核糖-5-磷酸和 CO₂ 的途径。
6. ‎糖异生：由非糖物质合成葡萄糖或糖原的过程。
7. ‎乳酸循环：肌肉产生的乳酸经血液到肝、在肝异生为葡萄糖再回到肌肉的循环。
8. ‎糖原分解：糖原在磷酸化酶作用下从非还原端磷酸解生成 G1P 的过程。
9. ‎糖原生成：由葡萄糖合成糖原的过程。
10. ‎Warburg 效应：肿瘤细胞在有氧条件下仍进行活跃糖酵解、产生大量乳酸的现象。
11. ‎葡萄糖激酶：肝脏和胰岛 β 细胞中的己糖激酶同工酶，Km 高、受胰岛素诱导。
12. ‎F-2,6-BP：果糖-2,6-二磷酸，PFK-1 的最强激活剂、FBPase-1 的抑制剂，是糖酵解与糖异生切换的开关。
13. ‎Cori 循环：即乳酸循环。
14. ‎糖异生的绕行反应：绕过糖酵解三个不可逆反应的四步反应。
15. ‎肾糖阈：出现糖尿时的最低血糖浓度，约 8.96—10.08 mmol/L。

二、简答题

1. 糖酵解的关键酶有哪三个？各自的调节特点是什么？

己糖激酶（肝为葡萄糖激酶）：催化葡萄糖磷酸化为 G6P，不可逆。己糖激酶受 G6P 反馈抑制，Km 低、亲和力高，普遍分布于各组织；葡萄糖激酶 Km 高、不受 G6P 抑制、受胰岛素诱导，是肝脏的"葡萄糖感受器"。

磷酸果糖激酶-1（PFK-1）：催化 F6P 生成为 F1,6BP，是最重要的限速酶。受 ATP、柠檬酸抑制，受 AMP、ADP、F-2,6-BP 激活。ATP 既是底物又是别构抑制剂，使其动力学曲线呈 S 形。

丙酮酸激酶：催化 PEP 生成丙酮酸，同时产生 ATP。受 ATP、丙氨酸抑制，受 F-1,6-BP 激活；可被磷酸化修饰而失活。

2. 为什么 TCA 循环本身不消耗氧，却必须在有氧条件下进行？

TCA 循环的八步反应中没有一步直接需要氧。但每轮循环产生 3 NADH 和 1 FADH₂，这些还原当量必须经呼吸链氧化，才能再生 NAD⁺ 和 FAD，否则循环会因为缺乏氧化型辅酶而停止。呼吸链的最终电子受体是氧，所以缺氧时 NADH 堆积、NAD⁺ 耗尽，TCA 循环被抑制。因此 TCA 循环"间接"依赖氧。此外，缺氧时细胞转向糖酵解，产生乳酸。

3. 比较糖酵解与糖异生。

方向：糖酵解是葡萄糖 → 丙酮酸（分解），糖异生是丙酮酸 → 葡萄糖（合成）。

定位：糖酵解在胞质；糖异生在胞质和线粒体（肝、肾）。

关键酶：糖酵解是己糖激酶、PFK-1、丙酮酸激酶；糖异生是丙酮酸羧化酶、PEP 羧激酶、FBPase-1、葡萄糖-6-磷酸酶。

能量：糖酵解净产生 2 ATP、2 NADH；糖异生消耗 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH。

调节：胰岛素促进糖酵解、抑制糖异生；胰高血糖素和糖皮质激素相反。F-2,6-BP 激活糖酵解、抑制糖异生。

生理意义：糖酵解供能；糖异生维持血糖稳定、回收乳酸。

4. 磷酸戊糖途径有何生理意义？

① 提供 NADPH，用于脂肪酸、胆固醇、类固醇激素的合成，以及维持谷胱甘肽的还原态（抗氧化）；② 提供核糖-5-磷酸，用于核苷酸和核酸的合成；③ 通过非氧化相的重排，可根据需要调节 NADPH 与核糖的比例；④ 与糖酵解互通，使戊糖可以进入分解代谢；⑤ 是红细胞唯一的 NADPH 来源，G6PD 缺乏导致溶血。

5. 糖异生的四个绕行反应是什么？为什么需要绕行？

① 丙酮酸 → 草酰乙酸（丙酮酸羧化酶，线粒体，需生物素和 ATP）；② 草酰乙酸 → PEP（PEP 羧激酶，需 GTP）；③ 果糖-1,6-二磷酸 → 果糖-6-磷酸（果糖二磷酸酶-1）；④ 葡萄糖-6-磷酸 → 葡萄糖（葡萄糖-6-磷酸酶，肝、肾内质网）。

需要绕行的原因：糖酵解的己糖激酶、PFK-1、丙酮酸激酶催化的三个反应释放大量自由能，ΔG 大幅负值，热力学上不可逆。糖异生必须用不同的酶、消耗额外的 ATP/GTP 才能"推"过这些能垒。丙酮酸 → PEP 还需要额外的羧化-脱羧两步，因为丙酮酸激酶的反应（PEP → 丙酮酸）释放的能量太大，不能直接逆转。

6. 肾上腺素如何促进糖原分解？说明级联放大机制。

肾上腺素结合肝细胞膜上的 β-肾上腺素能受体，激活腺苷酸环化酶，使 cAMP 升高；cAMP 激活蛋白激酶 A（PKA）；PKA 磷酸化并激活磷酸化酶激酶；磷酸化酶激酶磷酸化并激活糖原磷酸化酶；糖原磷酸化酶从糖原非还原端磷酸解生成 G1P，进而生成 G6P，再由葡萄糖-6-磷酸酶生成葡萄糖释放入血。同时 PKA 磷酸化糖原合酶使其失活，停止糖原合成。

级联放大：一个肾上腺素分子激活多个腺苷酸环化酶，产生多个 cAMP，激活多个 PKA，每个 PKA 激活多个磷酸化酶激酶，每个激酶激活多个磷酸化酶，每个磷酸化酶催化大量糖原分解。放大倍数 10⁴—10⁶，使血糖在几分钟内迅速升高。

7. 计算 1 mol 葡萄糖彻底氧化生成多少 ATP（按新 P/O 值，苹果酸-天冬氨酸穿梭）。

糖酵解：净 2 ATP + 2 NADH（胞质）。丙酮酸氧化脱羧：2 NADH。TCA 循环：6 NADH + 2 FADH₂ + 2 GTP。合计：10 NADH、2 FADH₂、2 ATP + 2 GTP（= 4 ATP 当量）。折算：10 × 2.5 = 25；2 × 1.5 = 3；4。总计：25 + 3 + 4 = 32 ATP。

若胞质 NADH 经甘油-3-磷酸穿梭，则 2 个 NADH 按 FADH₂ 计：8 × 2.5 + 4 × 1.5 + 4 = 20 + 6 + 4 = 30 ATP。

5.9 线粒体与能量代谢专题

这一节把呼吸链和氧化磷酸化里"教材一句话带过、但论述题会问"的内容展开。

5.9.1 线粒体的结构分区与功能对应

线粒体有四个功能区，每个区对应不同的生化过程：

内膜通透性极低的意义：这是质子梯度能建立的前提。内膜含心磷脂（cardiolipin），是线粒体特有的磷脂，对复合体 IV 和 ATP 合酶的活性必需。心磷脂的氧化损伤与缺血再灌注损伤、衰老有关。

线粒体 DNA（mtDNA）：环状双链，16.5 kb，编码 13 个蛋白（都是呼吸链复合体的亚基）、22 个 tRNA、2 个 rRNA。遗传方式是母系遗传。mtDNA 突变率高（缺乏组蛋白保护、修复能力弱），与线粒体病、衰老有关。

线粒体病：mtDNA 或核基因突变导致呼吸链缺陷。典型表现是"能量需求高的组织先受损"——脑（脑肌病、癫痫）、肌肉（肌无力、运动不耐受）、心脏、视神经（Leber 遗传性视神经病）、耳蜗（耳聋）。常用"线粒体病"作为"能量代谢与疾病"论述题的素材。

5.9.2 呼吸链复合体的结构细节

复合体 I（NADH-泛醌还原酶）

• 45 个亚基，L 形，一个臂伸向基质、一个臂嵌在内膜。
• 辅基：FMN（1 个）、Fe-S 中心（8 个，N1a、N1b、N2、N3、N4、N5、N6a、N6b）。
• 电子路径：NADH → FMN → N2 → N1b → N3 → N4 → N5 → CoQ。
• 质子泵：4H⁺，机制是构象耦合（电子传递驱动蛋白构象变化，把质子"抬"出去），不是直接的氧化还原循环。
• 抑制剂：鱼藤酮、杀粉蝶菌素 A、阿米妥结合在 CoQ 结合腔。

复合体 II（琥珀酸-泛醌还原酶）

• 4 个亚基：SDHA（黄素蛋白，含 FAD）、SDHB（含 3 个 Fe-S）、SDHC、SDHD（膜锚定，含血红素 b）。
• 是 TCA 循环的琥珀酸脱氢酶，也是呼吸链的复合体 II——一个酶两个身份，这是很特殊的。
• 不泵质子，所以 FADH₂ 的 P/O 只有 1.5。
• 抑制剂：丙二酸（竞争性）、TTFA（thenoyltrifluoroacetone）。

复合体 III（细胞色素 bc₁ 复合体）

• 11 个亚基，二聚体。
• 三个催化亚基：Cyt b（含 b₅₆₂ 和 b₅₆₆ 两个血红素）、Cyt c₁、Rieske Fe-S 蛋白。
• ‎Q 循环是核心机制：CoQH₂ 在 P 侧（膜间隙侧）被氧化，释放 2H⁺，电子分两路；一路经 Rieske → c₁ → Cyt c，另一路经 b₅₆₂ → b₅₆₆ → N 侧（基质侧）把 CoQ 还原为半醌，半醌再循环。净结果：每对电子泵出 4H⁺（P 侧释放 4H⁺，N 侧消耗 2H⁺，净 4H⁺ 外移）。
• Q 循环的意义：实现了"电子分叉"（electrons bifurcation），用一次 CoQH₂ 的氧化把电子分别传给高电位和低电位的受体，提高了能量转换效率。

复合体 IV（细胞色素 c 氧化酶）

• 13 个亚基（细菌中 3—4 个）。
• 辅基：Cu_A（双核铜中心，在亚基 II）、血红素 a、血红素 a₃-Cu_B 双核中心（在亚基 I）。
• 电子路径：Cyt c → Cu_A → 血红素 a → 血红素 a₃-Cu_B → O₂。
• O₂ 在 a₃-Cu_B 双核中心被还原为 H₂O，需要 4 个电子、4 个质子（来自基质）。
• 质子泵：每对电子泵 2H⁺，另外消耗基质内 2H⁺ 生成水，所以基质侧共消耗 4H⁺。
• 抑制剂：CN⁻、N₃⁻、H₂S（结合 Fe³⁺）、CO（结合 Fe²⁺）。
• 复合体 IV 是呼吸链的"限速步骤"之一，受 ATP/ADP 比值调节。

5.9.3 质子梯度的两个组分

Δp = Δψ + (2.3RT/F)·ΔpH

• ‎Δψ（膜电位）：膜间隙为正、基质为负，约 150—180 mV。贡献约 80% 的质子动力势。
• ‎ΔpH：膜间隙 pH 比基质低 0.5—1.0 个单位，相当于 30—60 mV。贡献约 20%。

**为什么 Δψ 占主导？**因为内膜对离子不通透，电荷分离能维持较大的电位差；而 pH 差受缓冲物质的影响，不易维持很大。

实验证据：用缬氨霉素（K⁺ 载体）消除 Δψ 后，ATP 合成大幅下降，说明 Δψ 是主要组分。

质子动力势的用途：

1. 驱动 ATP 合成（主要）。
2. 驱动代谢物转运（丙酮酸、ADP/ATP、Pi、Ca²⁺ 的转运体都是质子或电位的次级转运）。
3. 驱动鞭毛运动（细菌）。
4. 驱动 NADP⁺ 的还原（能量反向传递，线粒体转氢酶）。

5.9.4 ATP 合酶的详细机制

F₀ 部分

• 亚基组成：a₁b₂cₙ。哺乳动物 n = 8。
• c 亚基是发夹形的跨膜螺旋，两个螺旋之间有一个关键的 Asp/Glu 残基（在大肠杆菌中是 Asp61），质子化/去质子化驱动 c 环旋转。
• a 亚基有两条质子半通道，分别连接膜间隙和基质，通过 Arg/Glu 残基与 c 环的 Asp 相互作用，实现质子的"进"和"出"。

F₁ 部分

• α₃β₃γδε。β 亚基有催化位点。
• γ 轴是不对称的，旋转时依次接触三个 β 亚基，强制它们改变构象。
• ε 亚基抑制 F₁ 的 ATP 水解活性（防止 ATP 被白白水解）。

旋转催化

1. 质子从膜间隙进入 a 亚基的半通道，质子化 c 环的一个 Asp。
2. c 环旋转，把这个质子带到另一侧，释放到基质。
3. c 环旋转带动 γ 轴旋转。
4. γ 轴每转 120°，一个 β 亚基经历 O → L → T 的转变，合成 1 个 ATP。
5. 转满 360°（8 个质子通过），合成 3 个 ATP。

ATP 合成与释放的能量学：在活性位点上，ADP + Pi → ATP 的 ΔG°' 接近 0（因为酶的微环境屏蔽了水），ATP 的合成几乎不需要能量；真正的能量消耗在于把紧密结合的 ATP 从 T 位释放出来。这是 Boyer 结合变构机制的核心洞见。

抑制剂

• 寡霉素：结合 F₀ 的 c 环和 a 亚基界面，阻断质子通道。
• DCCD：共价修饰 c 亚基的 Asp/Glu。
• 苍耳素（atractyloside）：抑制 ATP/ADP 转位酶（腺苷酸转位酶），阻断 ADP 进入基质。

5.9.5 线粒体与细胞死亡

线粒体通透性转换孔（mPTP）：位于内膜，由亲环蛋白 D、电压依赖阴离子通道（VDAC）、腺嘌呤核苷酸转位酶（ANT）等组成。在 Ca²⁺ 超载、氧化应激、低 ATP 时开放，允许分子量 <1.5 kDa 的物质通过，导致线粒体肿胀、膜电位崩溃、ATP 合成停止、细胞死亡。

细胞色素 c 的释放：凋亡时，线粒体外膜通透化（MOMP，由 Bax/Bak 调控），细胞色素 c 释放到胞质，与 Apaf-1 结合形成凋亡体，激活 caspase-9，再激活 caspase-3，执行凋亡。

这条通路把"能量代谢"与"细胞死亡"联系起来，是论述题可能的角度：同一个细胞色素 c，在线粒体内是电子载体，在胞质中是死亡信号。

缺血再灌注损伤的生化机制：

1. 缺血时 ATP 降解为 ADP → AMP → 腺苷 → 次黄嘌呤，同时 ATP 不足导致 Ca²⁺ 泵失效，Ca²⁺ 超载。
2. 再灌注时氧恢复，黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤 → 黄嘌呤 → 尿酸，产生大量 O₂⁻。
3. O₂⁻ 引发脂质过氧化、mPTP 开放、炎症反应。
4. 这就是"恢复供氧反而加重损伤"的原因，也是临床上用抗氧化剂、mPTP 抑制剂的原因。

5.9.6 棕色脂肪与解偶联产热

棕色脂肪组织（BAT） 的特点是含大量线粒体（所以呈棕色）和 UCP1（解偶联蛋白 1，thermogenin）。

机制：UCP1 是内膜上的质子通道，被游离脂肪酸激活。寒冷时，交感神经释放去甲肾上腺素 → 激活脂肪酶 → 甘油三酯分解 → 游离脂肪酸升高 → 激活 UCP1 → 质子漏回基质，不经过 ATP 合酶 → 能量以热释放。

生理意义：

1. 新生儿非颤抖性产热（新生儿 BAT 丰富，分布在颈后、肩胛间、肾周）。
2. 冬眠动物的苏醒产热。
3. 成人 BAT 活性与体重负相关，是减肥研究的热点（"米色脂肪"可以被寒冷或 β₃ 激动剂诱导）。

UCP 家族：UCP1（BAT 产热）、UCP2（广泛分布，调节 ROS 和胰岛素分泌）、UCP3（骨骼肌，脂肪酸代谢）。

6.12 糖代谢的组织特异性与整体调节

同一套糖代谢途径在不同组织中的"用法"完全不同。870 的论述题常问"为什么红细胞只能糖酵解""为什么脑对低血糖敏感"这类问题，答案都在这一节。

6.12.1 五种组织的糖代谢特征

肝脏

• 是血糖的"缓冲器"：血糖高时合成糖原、转化为脂肪；血糖低时分解糖原、进行糖异生。
• 关键特点：有葡萄糖激酶（Km 高，约 10 mmol/L），只在血糖高时才活跃，避免与大脑争糖；有葡萄糖-6-磷酸酶，能释放游离葡萄糖；是糖异生的主要部位。
• 缺乏糖原分解的"肌肉型"调节，但受胰岛素和胰高血糖素的直接调节。

骨骼肌

• 是葡萄糖的"消费者"：安静时主要用脂肪酸，运动时用糖原和血糖。
• 关键特点：缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，糖原分解只为自身供能；有肌糖原（约 400 g），但不能补充血糖；胰岛素促进 GLUT4 转位，运动也能促进（不依赖胰岛素）。
• 缺氧时进行乳酸发酵，产生乳酸经血液到肝。

脑

• 是葡萄糖的"依赖者"：每天消耗约 120 g 葡萄糖，占全身的 20%。
• 关键特点：几乎完全依赖葡萄糖（正常条件下不能利用脂肪酸，因为脂肪酸不能透过血脑屏障）；缺乏糖原储备；GLUT3 的 Km 低（约 1 mmol/L），保证低血糖时仍能摄取葡萄糖。
• 低血糖时最先受损（头晕、出汗、意识模糊、昏迷）；长期饥饿时转向利用酮体（可满足 60%—70% 的能量需求）。

红细胞

• 是糖酵解的"纯粹用户"：没有线粒体，完全依赖糖酵解供能。
• 关键特点：只进行无氧糖酵解，产生乳酸；有活跃的 PPP（提供 NADPH 维持 GSH 还原态）；2,3-BPG 支路（调节血红蛋白的氧亲和力）。
• 成熟红细胞没有细胞核和核糖体，不能合成蛋白质，寿命 120 天。

脂肪组织

• 是能量的"仓库"：葡萄糖用于合成甘油三酯（提供甘油骨架和脂肪酸碳源）。
• 关键特点：缺乏甘油激酶，不能利用甘油；需要胰岛素刺激的 GLUT4 摄取葡萄糖；PPP 活跃（提供 NADPH 用于脂肪酸合成）。

6.12.2 2,3-BPG 支路

红细胞糖酵解有一个特殊的支路：

1,3-二磷酸甘油酸 →（二磷酸甘油酸变位酶）2,3-二磷酸甘油酸 →（2,3-BPG 磷酸酶）3-磷酸甘油酸

意义：

1. 2,3-BPG 结合血红蛋白的中央空腔（T 态），降低对 O₂ 的亲和力，促进氧在组织释放。
2. 高原缺氧、贫血、慢性缺氧时，红细胞 2,3-BPG 升高，提高氧释放能力。
3. 库存血（保存超过 1 周）2,3-BPG 下降，氧释放能力降低，这是大量输库存血时需要注意的问题。
4. 这个支路绕过了一次底物水平磷酸化，所以红细胞糖酵解的净 ATP 产量是 0 而不是 2（1,3-BPG 的磷酸基被转移到 2,3-BPG 上，不再生成 ATP）。这是红细胞糖酵解的特殊之处，也是判断题的陷阱。

6.12.3 糖代谢的整体调节网络

激素层面

底物层面

• 血糖浓度：直接调节葡萄糖激酶（肝）和 GLUT 的转运。
• 脂肪酸供应：脂肪酸氧化产生乙酰 CoA 和 NADH，抑制 PDH、抑制糖酵解（Randle 循环）。这就是"高脂饮食降低糖利用"的机制。
• 氨基酸供应：促进糖异生。

酶层面

• 别构调节：ATP/AMP/ADP、柠檬酸、F-2,6-BP、G6P、乙酰 CoA。
• 共价修饰：磷酸化/去磷酸化（糖原代谢、PDH）。
• 酶量调节：胰岛素/胰高血糖素改变关键酶的基因表达（数小时到数天）。

三个层次的时序：别构调节（秒级）→ 共价修饰（分钟级）→ 酶量调节（小时到天级）。这个"快慢分层"是所有代谢调节的共同逻辑，论述题可以拿它当框架。

6.12.4 空腹与饥饿时的代谢切换

"节省蛋白质"效应：长期饥饿时，脑转向利用酮体，减少对葡萄糖的需求，从而减少糖异生对氨基酸的消耗，保护肌肉蛋白。这是饥饿适应的关键机制。

**为什么饥饿时不能只靠脂肪酸？**因为脂肪酸不能转化为葡萄糖（乙酰 CoA 不能净生成草酰乙酸），而红细胞和部分脑组织必须用葡萄糖。所以必须保留糖异生，靠甘油和氨基酸提供碳源。

附录 A：计算题库（15 题详解）

870 的计算题不会太难，但一定要"步骤清楚、单位统一"。以下 15 题覆盖了能量代谢最常见的计算类型。

题 1：1 mol 葡萄糖在无氧条件下经乳酸发酵，净生成多少 ATP？

糖酵解净生成 2 ATP（投入 2、产出 4）。丙酮酸还原为乳酸不产生 ATP，只是再生 NAD⁺。所以净生成 2 ATP。

题 2：1 mol 葡萄糖在有氧条件下，若胞质 NADH 经甘油-3-磷酸穿梭进入线粒体，净生成多少 ATP？

糖酵解净 2 ATP；胞质 2 NADH 按 FADH₂ 计 = 2 × 1.5 = 3；PDH 产 2 NADH = 5；TCA 产 6 NADH = 15、2 FADH₂ = 3、2 GTP = 2。合计 2 + 3 + 5 + 15 + 3 + 2 = 30 ATP。

题 3：1 mol 丙酮酸彻底氧化生成多少 ATP？

PDH：1 NADH = 2.5。TCA：3 NADH = 7.5、1 FADH₂ = 1.5、1 GTP = 1。合计 12.5 ATP。

题 4：1 mol 乙酰 CoA 彻底氧化生成多少 ATP？

TCA：3 × 2.5 + 1 × 1.5 + 1 = 10 ATP。

题 5：1 mol 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）彻底氧化生成多少 ATP？

PEP → 丙酮酸产生 1 ATP（底物水平磷酸化），丙酮酸彻底氧化 12.5。合计 13.5 ATP。

题 6：1 mol 乳酸彻底氧化生成多少 ATP？

乳酸 → 丙酮酸产生 1 NADH（2.5），丙酮酸彻底氧化 12.5。合计 15 ATP。

题 7：1 mol 甘油彻底氧化生成多少 ATP？

甘油 → 甘油-3-磷酸消耗 1 ATP；甘油-3-磷酸 → 磷酸二羟丙酮产生 1 FADH₂（1.5）；磷酸二羟丙酮 → 丙酮酸（糖酵解后半段）产生 2 ATP + 1 NADH（2.5）；丙酮酸彻底氧化 12.5。合计 -1 + 1.5 + 2 + 2.5 + 12.5 = 17.5 ATP。

题 8：1 mol 葡萄糖经磷酸戊糖途径完全氧化为 CO₂，产生多少 NADPH？

6 分子 G6P 经 PPP 完全氧化产生 12 NADPH + 6 CO₂。折算到 1 mol 葡萄糖，产生 12 mol NADPH（同时消耗 6 mol G6P，即每 mol 葡萄糖产生 2 mol NADPH，但因为循环 6 次才彻底氧化 1 分子葡萄糖，标准答案写"12 NADPH/6 G6P"）。

题 9：2 mol 丙酮酸异生为 1 mol 葡萄糖，消耗多少高能磷酸键？

丙酮酸羧化酶 2 ATP + PEP 羧激酶 2 GTP + 磷酸甘油酸激酶 2 ATP = 6 个高能磷酸键（4 ATP + 2 GTP）。同时消耗 2 NADH。

题 10：糖异生从 2 mol 乳酸生成 1 mol 葡萄糖，净消耗多少 ATP？

乳酸 → 丙酮酸产生 2 NADH（可抵消耗的 2 NADH），所以 NADH 不计。ATP 消耗：羧化 2 + PEPCK 2 GTP + 磷酸甘油酸激酶 2 = 6。合计 6 个高能键，净消耗 6 ATP 当量。

题 11：1 mol 葡萄糖经糖酵解生成 2 mol 乳酸，若用砷酸盐处理，净生成多少 ATP？

砷酸盐取代 Pi 生成 1-砷酸-3-磷酸甘油酸，绕过第 7 步的底物水平磷酸化，所以每分子 G3P 少产 1 ATP，共少 2 ATP。原净产 2 ATP，现在为 0。若考虑第 10 步仍产 2 ATP、投入 2 ATP，则净产 0。

题 12：某组织 1 mol 葡萄糖彻底氧化产生 30 ATP，说明胞质 NADH 通过哪种穿梭系统？

甘油-3-磷酸穿梭（胞质 NADH 按 FADH₂ 计，得 1.5/个）。若为 32 ATP，则是苹果酸-天冬氨酸穿梭。

题 13：一个含 18 个碳的脂肪酸（硬脂酸）彻底氧化，产生多少 ATP？

活化消耗 2 ATP；β-氧化轮数 = 18/2 - 1 = 8 轮，产生 8 FADH₂ + 8 NADH + 9 乙酰 CoA。8 × 1.5 + 8 × 2.5 + 9 × 10 - 2 = 12 + 20 + 90 - 2 = 120 ATP。

题 14：1 mol 葡萄糖完全氧化为 CO₂ 和 H₂O，与体外燃烧释放的能量是否相同？ATP 捕获的比例是多少？

释放的总自由能相同（约 2870 kJ/mol）。ATP 捕获：32 × 30.5 = 976 kJ/mol（按 ΔG°' = 30.5 kJ/mol 计），效率约 34%。若按生理条件下 ΔG 约 50 kJ/mol 计，效率约 55%。

题 15：某细胞在寡霉素处理后，耗氧量下降；在 2,4-二硝基苯酚处理后，耗氧量上升。解释原因。

寡霉素抑制 ATP 合酶，质子不能回流，质子梯度升高，反压电子传递，耗氧量下降（呼吸控制）。DNP 是解偶联剂，携带质子穿过内膜，消除质子梯度，电子传递不再受反压，耗氧量上升，但 ATP 不合成，能量以热释放。

附录 B：四条代谢途径速查表

糖异生与糖原代谢速查

本册收尾：把能量账算成一条线

这一册的所有内容可以压缩成一条线：

葡萄糖 →（糖酵解，胞质）2 丙酮酸 + 2 ATP + 2 NADH →（PDH）2 乙酰 CoA + 2 NADH →（TCA）6 NADH + 2 FADH₂ + 2 GTP →（呼吸链）质子梯度 →（ATP 合酶）约 30—32 ATP

沿着这条线，任何一道计算题都能拆开算。遇到"某物质彻底氧化产生多少 ATP"，标准动作是：

1. 找到它进入代谢的入口（葡萄糖、丙酮酸、乙酰 CoA、某中间物）。
2. 写出从入口到终点的步骤，数 NADH、FADH₂、GTP。
3. 折算，减去活化消耗。

下一册进入脂类、氨基酸、核苷酸代谢。三章的共同点是"都以乙酰 CoA 或 TCA 中间物为归宿"，所以第三册的账目方法是第四册的工具。

第三册完。下一册：《脂类代谢、氨基酸代谢与核苷酸代谢》。