所以我们这么辛苦生产NTP是为什么

前言……

耗能分析 生化篇

后面有时间写写分子篇（挖坑ing）

参考书籍：《生物化学（第三版）》 王镜岩 朱圣庚

写上来的内容基本都有和杨书进行对比以及进行资料查询 但毕竟主要参考书籍是旧版 若有错误欢迎指正

正文

糖

1.糖异生

耗能反应一共有四步，分别是

丙酮酸生成草酰乙酸

反应由丙酮酸羧化酶催化，消耗一个ATP

反应式为

丙酮酸＋ATP＋CO₂→草酰乙酸＋ADP＋Pi

草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸

反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶催化，消耗一个GTP，相当于一个ATP

反应式为

草酰乙酸＋GTP→磷酸烯醇式丙酮酸＋GDP＋Pi＋CO₂

甘油酸-3-磷酸生成甘油酸-1,3-二磷酸

反应由磷酸甘油酸激酶催化，消耗一个ATP

反应式为

甘油酸-3-磷酸＋ATP→甘油酸-1,3-二磷酸＋ADP＋Pi

甘油酸-1,3-二磷酸生成甘油醛-3-磷酸

反应由甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化，消耗一个NADH

这个NADH由于是在细胞质内消耗的，所以要考虑穿梭系统，如果是甘油磷酸系统就是1.5个ATP，如果是苹果酸-天冬氨酸穿梭系统就是2.5个（不过我们一般按2.5来计算）

反应式为

甘油酸-1,3-二磷酸＋NADH＋H^＋→甘油醛-3-磷酸＋NAD^＋＋Pi

总结…

生成一分子葡萄糖需要两分子3-磷酸甘油醛，一共需要2(1＋1＋1＋2.5)＝11个ATP

总反应式为

2丙酮酸＋4ATP＋2GTP＋2NADH＋6H₂O→葡萄糖＋4ADP＋2GDP＋6Pi＋2NAD^＋＋2H^＋

2.乳糖合成

耗能的地方为UDP-葡萄糖（UDPG）的合成，产生一分子焦磷酸，相当于两分子ATP

反应式为

葡萄糖-1-磷酸＋UTP→UDPG＋PPi

UDP-葡萄糖＋半乳糖-1-磷酸→葡萄糖-1-磷酸＋UDP-半乳糖

UDP-半乳糖＋葡萄糖→乳糖＋UDP

理论上产生半乳糖-1-磷酸也要一分子ATP，但这个反应产生的葡萄糖-1-磷酸进入糖酵解后可以节省一分子ATP，两者抵消

3.糖原合成

主链

糖基的来源是UDPG，先是葡萄糖在己糖激酶（葡萄糖激酶）的催化下合成葡萄糖-6-磷酸，接着在磷酸葡萄糖变位酶的作用下变成葡萄糖-1-磷酸，再在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶的催化下形成UDPG，一共需要相当于三分子ATP的能量，即主链上每延长一个糖原单位需要三分子ATP

反应式为

葡萄糖＋ATP→葡萄糖-6-磷酸＋ADP

葡萄糖-6-磷酸→葡萄糖-1-磷酸

葡萄糖-1-磷酸＋UTP→UDPG＋PPi

注意，糖原合成需要“引物”，起引物作用的是一个叫做生糖原蛋白的东西，上面带着一个α-1,4葡萄糖单位的寡糖分子，连接在Tyr残基的酚基上。生糖原蛋白有自催化作用，可以催化大约8个葡萄糖单位的连续合成，自动糖基化的糖基供体也是UDPG。后续糖链的延长需要糖原合酶的参与。

支链

由糖原分支酶（1,4→1,6-转葡糖基酶/4→6-转糖基酶）催化，从非还原端约7个葡萄糖残基处切断，转移到同一个或其他的糖原分子某个葡萄糖上连接。

α(1→4)糖苷键水解的自由能为-15.5kJ/mol，而α(1→6)糖苷键水解的自由能为-7.1kJ/mol,因此α(1→4)糖苷键的水解可以驱动α(1→6)糖苷键的合成，不需要能量

4.卡尔文循环

每一轮卡尔文循环固定一个CO₂，所以产生一分子葡萄糖需要6轮卡尔文循环

耗能反应如下

5-磷酸核酮糖生成1,5-二磷酸核酮糖，六轮循环一共6分子ATP

3-磷酸甘油酸生成1,3-二磷酸甘油酸，六轮循环一共12分子ATP

1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，六轮循环一共12分子NADPH，相当于30分子ATP

共48分子ATP

注意，实际上六轮循环生成的是两分子二羟丙酮磷酸，但是两分子二羟丙酮磷酸生成葡萄糖的反应是不耗能的

5.C₄途径

和C₃唯一不一样的地方在于PEP要再生，丙酮酸再生为PEP需要消耗ATP并产生PPi，消耗的能量相当于两分子ATP

反应式为

丙酮酸＋ATP＋Pi→PEP＋AMP＋PPi

反应细节见从PPi学生化

等于每固定一分子CO₂需要再多消耗2分子ATP，生成一分子葡萄糖要60分子ATP

6.光呼吸

以一分子氧气和一分子1,5-二磷酸核酮糖反应为一个循环，产生一分子丝氨酸需要两分子甘氨酸，所以丝氨酸以后的产物都是每一循环生成0.5个

耗能反应为

甘油酸＋ATP→3-磷酸甘油酸＋ADP

每一循环0.5个ATP

参考王小菁《植物生理学》

注意两分子甘氨酸生成丝氨酸时会产生一分子NADH,而羟丙酮酸生成甘油酸时会消耗一分子NADH，二者抵消

脂类

1.酮体生成

乙酰乙酸生成D-β-羟丁酸这一步需要消耗一分子NADH，相当于2.5个ATP，这一步反应由D-β-羟丁酸脱氢酶催化

反应式为

乙酰乙酸＋NADH＋H^＋→D-β-羟丁酸＋NAD^＋

2.脂肪酸合成（以第一个丙二酸单酰-CoA的引入为例）

E.coli 中的脂肪酸合成（图源王镜岩生化

耗能反应分别是

乙酰CoA穿梭

前置步骤，由于线粒体里的乙酰CoA不能直接跨膜，所以需要借助柠檬酸－丙酮酸穿梭系统。反应细节是，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸；柠檬酸跨膜到达细胞质基质，在柠檬酸裂合酶的催化下变成草酰乙酸和乙酰CoA，消耗一分子ATP；接着草酰乙酸在苹果酸脱氢酶的作用下变成苹果酸，消耗一分子NADH；苹果酸在苹果酸酶的作用下变成丙酮酸，生成一分子NADPH；丙酮酸跨膜在丙酮酸羧化酶的作用下变成草酰乙酸，消耗一分子ATP，实现循环。

总共消耗两分子ATP

丙二酸单酰-CoA的合成

由生物素羧化酶和转羧酶催化，需要生物素作为辅基（羧基载体），这三个东西在一条肽链上。消耗一个ATP

反应式为

生物素＋ATP＋CO₂＋H₂O→羧基生物素＋ADP＋Pi＋2H^＋

羧基生物素＋乙酰-CoA→丙二酸单酰-CoA＋生物素

乙酰乙酰-ACP生成D-β-羟丁酰-ACP

ACP为酰基载体蛋白

由β-酮酰-ACP还原酶催化，需要一分子NADPH，相当于2.5分子ATP

反应式为

乙酰乙酰-ACP＋NADPH＋H^＋→D-β-羟丁酰-ACP＋NADP^＋

α,β-反式-丁烯酰-ACP生成丁酰-ACP

反应由烯酰-ACP还原酶催化，需要一分子NADPH，相当于2.5分子ATP

反应式为

α,β-反式-丁烯酰-ACP＋NAHPH＋H^＋→丁酰-ACP＋NADP^＋

－

在合成软脂酸（C₁₆）之前，每延长两个碳原子需要1＋2.5＋2.5＝6个ATP

合成一分子软脂酸一共需要42个ATP（注：并未计算乙酰CoA穿梭）

3.脂肪酸（软脂酸）链的延长

发生延长位置的不同，反应耗能也不同

线粒体

相当于脂肪酸降解的逆反应，但是最后一步使用的还原剂是NADPH（脂肪酸降解的对应步骤用的是FADH₂）

每延长两个碳原子需要5个ATP

β-酮酰-CoA生成L-β-羟酰-CoA

反应由3-L-羟酰-CoA酶催化，消耗一个NADH

反应式为

β-酮酰-CoA＋NADH＋H^＋→L-β-羟酰-CoA＋NAD^＋

α,β-反式-烯酰-CoA生成脂酰-CoA

由烯酰还原酶催化，消耗一个NADPH

反应式为

α,β-反式-烯酰-CoA＋NAHPH＋H^＋→脂酰-CoA＋NADP^＋

内质网

和细胞质基质中的反应相同，只是由CoA替代ACP，每延长两个碳原子需要6个ATP

4.脂肪合成

脂肪即三脂酰甘油（众所周知），有两个前体，分别是脂酰-CoA和甘油-3-磷酸

脂酰-CoA来自脂肪酸活化，需要的能量相当于两分子ATP（详见从PPi学生化）我们一共需要三分子脂酰-CoA，一共是6分子ATP

甘油-3-磷酸的合成有两种方式

一种是甘油磷酸化而来，催化这个反应的酶是甘油激酶，消耗一个ATP

反应式为

甘油＋ATP→甘油-3-磷酸＋ADP＋H^＋

另一种是二羟丙酮磷酸还原而来，由甘油-3-磷酸脱氢酶催化

反应式为

二羟丙酮磷酸＋NADH＋H^＋→甘油-3-磷酸＋NAD^＋

可见这个反应消耗一个NADH，但是二羟丙酮磷酸的产生还需要一些计算，为1/2（1＋1）＝1个ATP，所以使用这种途径生成甘油-3-磷酸消耗3.5个ATP

把脂酰-CoA加到甘油-3-磷酸上不消耗能量，所以产生一分子三脂酰甘油（不考虑脂肪酸合成的话）需要1＋6＝7（甘油直接磷酸化）或3.5＋6＝9.5（二羟丙酮磷酸还原）个ATP

5.磷脂合成

众所周知甘油磷脂的合成有两种活化方式：活化可变的X基团或活化甘油，两者耗能不同，但不管哪种方式都会产生焦磷酸，注意甘油和X基团的载体是CDP

活化甘油

真核生物中PS、PI、二磷脂酰甘油（心磷脂）是这条途径

同样我们注意到有甘油-3-磷酸，在原核生物中它一般由甘油磷酸化而来，在真核生物中由二羟丙酮磷酸还原而来

反应式为

甘油-3-磷酸+2脂酰-CoA→磷脂酸

磷脂酸+CTP→CDP-二脂酰甘油+PPi

注意合成PS、PI不需要额外耗能，合成心磷脂的途径有争议，有的说法是两个磷脂酰甘油的直接缩合（王书），也有说法是磷脂酰甘油和CDP-二脂酰甘油反应（人卫）

在KEGG上两个途径都找到了，见引证

看到有说法说原核生物是直接缩合，真核生物需要CDP-二脂酰甘油，这里姑且按这个计算

（以下引自lehninger8）

PS的代谢在原核生物及真菌中是活化甘油的，而在动物中只能以PC，PE同过PSS合成

心磷脂的合成可以说有三条路（除了以上还有PG与PE缩合，存在于细菌中），细菌也可以通过CDP-二酰甘油途径来合成

（引用完毕）

总结一下

	原核	真核
PS/PI	7（1+2×2+2）	9.5（3.5+2×2+2）
心磷脂	16[（1+2×2+2+1）×2]	20[（3.5+2×2+2）×2+1]

图源人卫《生物化学与分子生物学》图示真核生物的心磷脂合成

活化X基团

PC、PE是这条途径

反应式为

X+ATP→X-磷酸+ADP

X-磷酸+CTP→CDP-X+PPi

随后CDP-X和二脂酰甘油反应形成PC、PE

二脂酰甘油为磷脂酸水解而来，磷脂酸的合成见前文

图源人卫《生物化学和分子生物学》

一共消耗1+2+1+2×2=8（原核）或1+2+3.5+2×2=10.5（真核）个ATP

氨基酸

1.氨的转运

动物中依靠谷氨酰胺，植物中依靠天冬酰胺，注意二者反应耗能不一样

动物：

NH₄⁺+Glu+ATP→ADP+Pi+Gln

消耗一个ATP

植物：

NH₄⁺+Asp+ATP→AMP+PPi+Asn

消耗两个ATP

2.尿素循环

耗能步骤有两步

氨甲酰磷酸的合成

由氨甲酰磷酸合成酶催化，反应消耗两个ATP

反应式为

2ATP＋HCO₃^-＋NH₃→氨甲酰磷酸＋2ADP＋Pi

注意此反应不产生PPi_{（大家应该都被坑过吧）}

瓜氨酸生成精氨琥珀酸

由精氨琥珀酸合成酶催化，反应会产生一分子PPi，消耗相当于两分子ATP的能量

反应式为

瓜氨酸+天冬氨酸+ATP→精氨琥珀酸+AMP+PPi

每产生一分子尿素需要四分子ATP，每代谢一分子氨需要两分子ATP

3.生物固氮

N₂的还原涉及固氮酶两个蛋白组分之间电子的转移，组分2向组分1每转移一个电子消耗两个ATP，从N₂到2分子NH₃一共需要16分子ATP

反应式为

N₂＋8H^＋＋8e^-＋16ATP→2NH₃＋H₂＋16ADP＋16Pi

                    0 -3                 +1 0
8个电子中6个拿来还原N（N→N),还有两个拿来还原H（H→H）

核苷酸

1.嘌呤

A和G前面的反应都一样，依赖PRPP

合成PRPP需要两分子ATP

反应式为

5－磷酸核糖＋ATP→PRPP＋AMP

从葡萄糖生成5－磷酸核糖需要一分子ATP，同时能产生两分子NADPH（磷酸戊糖途径），相当于产生了4分子ATP

后续反应中，4、5号位的C，7号位的N（来自Gly）引入需要一分子ATP；3号位的N（来自Gln）引入需要一分子ATP，形成小环需要一分子ATP；1号位的N（来自Asp）引入并形成大环需要一分子ATP

所以到这里，合成IMP一共需要2－4＋1＋2＋1＝2分子ATP

AMP

从头合成

利用GTP供能

IMP＋Asp＋GTP→腺苷琥珀酸＋GDP＋Pi

腺苷琥珀酸→延胡索酸＋AMP

算上合成IMP的能量，一共3分子ATP

补救合成

生物体内有腺苷激酶，所以合成AMP的路径选择就比较多了

我们可以

腺嘌呤＋1－磷酸核糖→腺嘌呤核苷＋Pi

腺嘌呤核苷＋ATP→AMP＋ADP

1－磷酸核糖相当于5－磷酸核糖，从葡萄糖开始算的话这个反应倒生成3分子ATP_{（倒反天罡）}

或

腺嘌呤＋PRPP→AMP＋PPi

同理，从葡萄糖开始算倒生成两分子ATP

_{（或者我们直接一点给ATP水解一下不就有AMP了吗）}

GMP

从头合成

利用ATP供能

IMP＋NAD^＋＋H₂O→XMP＋NADH＋H^＋

XMP＋Gln＋ATP＋H₂O→GMP＋Glu＋AMP＋PPi

一共生成0.5分子ATP

从头开始算一共1.5分子ATP

补救合成

鸟嘌呤＋PRPP→GMP＋PPi

继续倒反天罡，从葡萄糖开始算倒生成两分子ATP

2.嘧啶

和嘌呤不同的是，嘌呤合成的时候先合成核糖后合成碱基，嘧啶的合成先合成嘧啶环，再与磷酸核糖反应，需要PRPP

嘌呤环上2号N、3号C来自于氨甲酰磷酸，其中2号N来自谷氨酰胺的酰胺，3号C来自CO₂（实际参与反应的是HCO₃^－）由CPS2催化，消耗两分子ATP，反应式同尿素合成，细节见上

后续环化合成二氢乳清酸，二氢乳清酸氧化成乳清酸的时候会生成一分子NADH

乳清酸和PRPP反应，合成乳清苷酸，产生焦磷酸

到这里一共消耗2－2.5＋2＝1.5个ATP

UMP

直接合成

乳清苷酸脱羧形成UMP，不耗能

补救合成

可以直接尿嘧啶和PRPP反应，消耗两个ATP

或者

尿嘧啶＋1－磷酸核糖→尿嘧啶核苷＋Pi

尿嘧啶核苷＋ATP→尿嘧啶核苷酸＋ADP

消耗一个ATP

CMP

直接合成

机体里合成的是CTP，需要UTP

UMP→UTP需要消耗两个ATP，注意两个磷酸基团是一个一个加上去的

原核生物中UTP可以直接和氨反应，真核生物中需要和谷氨酰胺反应，均消耗一分子ATP

反应式为

UTP＋NH₃＋ATP→CTP＋ADP＋Pi（原核）

UTP＋谷氨酰胺＋ATP＋H₂O→CTP＋谷氨酸＋ADP＋Pi（真核）

其实我们也没必要执着与把CTP变成CMP，毕竟目前我们能接触到的反应都是直接用CTP的，但是能量计算的话，CTP→CMP相当于把UMP→UTP消耗的两个ATP抵消掉，相当于在UTP的基础上多消耗一分子ATP，总耗能为1.5＋1＝2.5个ATP

补救合成

胞嘧啶核苷＋ATP→胞嘧啶核苷酸＋ADP

消耗一个ATP

3.脱氧核糖核苷酸

核苷酸还原需要先由NMP变成NDP，在这里会消耗一分子ATP

氢供体是NADPH，相当于2.5分子ATP，产物是dNDP，变成dNMP的话还能再产生一分子ATP，相当于抵消了最开始消耗的ATP

所以除dTMP以外的dNMP的合成都是合成对应的NMP需要的ATP数＋2.5

特例：dTMP

dTMP比较特殊，需要dUMP再加上去一个甲基，甲基供体是N⁵,N¹⁰－亚甲基四氢叶酸

反应式为

dUMP＋N⁵,N¹⁰－亚甲基四氢叶酸→dTMP＋二氢叶酸

这个反应本身不耗能，但是N⁵,N¹⁰－亚甲基四氢叶酸的合成需要消耗NADPH

反应式为

7,8－二氢叶酸＋NADPH＋H^＋→5,6,7,8－四氢叶酸＋NADP^＋

丝氨酸＋四氢叶酸→甘氨酸＋N⁵,N¹⁰－亚甲基四氢叶酸＋H₂O

相当于2.5分子ATP

所以dTMP相当于合成UMP所需要的ATP数＋5

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