生化代谢产能分析：修订间差异
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这也就解释了按照公式计算的117恰比实际情况的116多1. | 这也就解释了按照公式计算的117恰比实际情况的116多1. | ||
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作者-Tsusha | |||
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2025年1月17日 (五) 18:55的最新版本
一.有点甜:糖代谢
糖酵解：一分子葡萄糖经糖酵解净生成了两分子ATP（己糖激酶、磷酸甘油酸激酶）、两分子NADH（3-磷酸甘油醛脱氢酶）以及两分子丙酮酸。其余站内已有详细的解释，这里不再赘述。
预备反应（严格来讲，不属于三羧酸循环）：丙酮酸脱氢酶复合体将丙酮酸转变为乙酰-CoA与CO2，需要的辅因子有FAD、NAD+、硫辛酸、TPP、CoA、Mg2+等。这一步生成了NADH。
循环反应1：由柠檬酸合成酶催化，将乙酰-CoA与草酰乙酸（OAA）化合为柠檬酸。这是一步很强的放能反应，该反应不可逆。但并不产生还原性辅酶或ATP。
循环反应2：由顺乌头酸酶催化，使柠檬酸异构为异柠檬酸。这一步经过乌头酸这一中间产物，是可逆反应。
循环反应3：由异柠檬酸脱氢酶催化，将异柠檬酸的仲醇氧化为羰基，并快速脱羧生成α-酮戊二酸（αKG），该反应不可逆。反应有草酰琥珀酸的中间产物。需要NAD+作辅酶，即生成NADH。
循环反应4：在αKG脱氢酶复合体（该复合体类似于丙酮酸脱氢复合体）的作用下，αKG氧化脱羧。需要的辅酶与丙酮酸脱氢酶复合体一致，是不可逆反应。生成NADH以及琥珀酰-CoA。
循环反应5：由琥珀酰硫激酶催化，琥珀酰-CoA与GDP（哺乳动物）发生底物水平的磷酸化生成琥珀酸（即丁二酸）及GTP，后者再生成一分子ATP。
循环反应6：由琥珀酸脱氢酶催化（即呼吸链中复合物Ⅱ），琥珀酸脱氢生成延胡索酸。这一步产生FADH2。
循环反应8：由苹果酸脱氢酶催化，将苹果酸的仲醇基氧化为羰基产生OAA。这一步需要的辅酶是NAD+。
总结：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+FADH2+GTP+3H++CoA-SH
其中产生的能量物质有NADH（丙酮酸脱氢酶系、异柠檬酸脱氢酶、αKG脱氢酶复合体、苹果酸脱氢酶）、FADH2（琥珀酸脱氢酶）、GTP（琥珀酸硫激酶）。
呼吸链
需要的知识：
1.由于ATP合酶c亚基的数目特点，大概每有4个氢离子流过Fo亚基，就有1个ATP的合成。
2.呼吸链复合体Ⅰ每有两个电子流过，就将4个氢离子泵入膜间隙。复合体Ⅱ并不泵氢离子。复合体Ⅲ同样泵4个，复合体Ⅳ泵2个。
3.NADH中的一对电子经复合物Ⅰ→Ⅲ→Ⅳ传递给氧气；而FADH2经Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ。
推论：
一分子NADH相当于2.5ATP，一分子FADH2相当于1.5ATP[2]
糖异生
大部分过程是糖酵解的反演。
这里用到的步骤主要是PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）的再生。
**丙酮酸（Pyr）在丙酮酸羧化酶的作用下生成OAA，消耗了一分子ATP及CO2。
**接着，OAA在PEP羧激酶的作用下转化为PEP，消耗一分子GTP
结论：OAA转化为Pyr相当于消耗了一分子GTP（PEP羧激酶）又生成了一分子ATP（丙酮酸激酶），因此可以在计算中将OAA与Pyr同等看待。
1.葡萄糖（30~32[3]）
2.5×2+2（糖酵解[4]）+（2.5（乙酰辅酶A的生成[5]）+1+2.5×3+1.5（TCA循环[6]））×2=32.
注意糖酵解中产生的NADH进入线粒体有两种穿梭方式，其中较为简单的α-磷酸甘油穿梭相当于把NADH转化为了FADH2，故有1ATP的损失
所以一分子葡萄糖应该是32，31或30个ATP。
2.丙酮酸（12.5）
就是取上述步骤的后半段。
2.5+1+2.5×3+1.5=12.5 ATP.
3.乙酰辅酶A（10）
在上述基础上减去2.5（生成乙酰辅酶A伴随的NADH）即可。
12.5-2.5=10 ATP.
4.乳酸（14~15）
先在乳酸脱氢酶的作用下生成一分子的丙酮酸（相当于生成乳酸的逆反应）产生1 NADH
丙酮酸前文已分析
2.5(1.5)+12.5=15(14) ATP.
5.草酰乙酸（12.5）[7]
在“糖异生”板块已分析，看到OAA将其视为Pyr即可
（-1+1）[8]+2.5+1+2.5×3+1.5=12.5 ATP
6.琥珀酸（16.5）
先在TCA中转化为OAA（琥珀酸→苹果酸→OAA）1.5+2.5[9]=4 ATP.
OAA前文已分析。
4+12.5=16.5 ATP
二.含氮废物：尿素循环与蛋白质代谢
尿素循环的基本步骤可总结为右图，从图中可以看出，每有一分子的尿素生成，就有4个ATP的消耗
这也决定了蛋白质代谢含氮产物（尿素或铵）的不同，能量的产生也不同，这里认为每有一个铵转化为尿素（半个尿素）就有2 ATP的消耗。
据此，可分析一些简单的氨基酸产能（这里默认氧化为尿素）。
7.丙氨酸（13[10]）
丙氨酸经氧化脱氨作用产生丙酮酸与NAD(P)H[11]，同时有一分子铵的生成。
2.5+12.5-2=13 ATP.
*由于氨基酸氧化方式过多，易生歧义，这里只整理简单的丙氨酸。
三.成双成对：β-氧化及脂肪酸代谢
需要的知识：
1.生物体中的脂肪酸大多为偶数（2n）碳的
2.脂肪酸的β-氧化发生前必须进行活化反应，活化一分子脂肪酸需要将一分子ATP转化为一分子AMP，辅因子含CoA，相当于消耗了2分子ATP.
3.脂肪酸发生β-氧化包含四个基本的重复步骤，即脱氢、加水，再脱氢及硫解。其中「脱氢」步骤生成一分子FADH2（与三羧酸循环中琥珀酸的脱氢），「再脱氢」步骤生成一分子NADH（与三羧酸循环中苹果酸的脱氢类似）。
4.如果在β-氧化中遇到了不饱和双键，则不发生「脱氢」步骤，少生成了一分子FADH2即1.5 ATP.
5.每发生一次β-氧化，相当于将原脂肪酸的α，β碳转化为乙酰辅酶A。直至剩两个碳（乙酰辅酶A）（或三个，此时为丙酰辅酶A）为止。
6.丙酰辅酶A的命运（计算奇数碳脂肪酸氧化时需要）：丙酰辅酶A进行一次羧化反应，消耗一分子ATP生成D-甲基丙二酸单酰辅酶A先后后经消旋酶、L-甲基丙二酸单酰辅酶A的异构作用生成了一分子琥珀酰CoA。琥珀酰辅酶A产能数显而易见（1 GTP[12]+16.5 ATP[13]=17.5 ATP），从而一分子丙酰辅酶A产生16.5 ATP.
据此，可做如下推导：
8.偶数碳（2n）饱和脂肪酸（14n-6）[14]
-2+n×10+（n-1）×（1.5+2.5）=14n-6 ATP.
解析：
-2：活化消耗；
n×10：n个乙酰辅酶A；
（n-1）×（1.5+2.5）：n-1 次β-氧化。
若有m个不饱和双键，则在上面的数的基础上减去1.5m[15].
9.奇数碳（2n+1）饱和脂肪酸（14n+0.5）[16]
-2+（n-1）×10+（n-1）×（1.5+2.5）+16.5=14n+0.5 ATP.
解析：
-2：活化消耗；
（n-1）×10：n-1 个乙酰辅酶A；
（n-1）×（1.5+2.5）：n-1 次β-氧化；
16.5：一分子丙酰辅酶A。
10：一种例外：亚油酸（18:2Δ9c,12c）的完全氧化(116≠14×9-6-1.5×2=117)
可以参见笔者在知乎的一篇回答
右图是第六版Lehninger生物化学原理第678页的Fig.17-11
由该图不难看出,亚油酸因其双键位置的特殊性(共轭双键), 需要发生一次1,4-加成反应减少一个双键,这步加成反应由2,4烯酰CoA还原酶催化, 消耗了一分子NADPH. 而新生成的单键经「脱氢」步骤生成了一分子FADH2, 如此算下来有-2.5+1.5=-1的ATP损耗
这也就解释了按照公式计算的117恰比实际情况的116多1.
(基本完成)
作者-Tsusha
- ↑ 柠檬酸，异柠檬酸，α-酮戊二酸，琥珀酰-CoA，琥珀酸，延胡索酸，草酰乙酸。
- ↑ 旧观点认为1NADH~3ATP，1FADH2~2ATP，这是对c亚基数目估计的不同导致的。请不要使用旧算法。
- ↑ 省流版
- ↑ 2NADH+2ATP
- ↑ 1NADH
- ↑ 1GTP+3NADH+1FADH2
- ↑ 一些初学者或许会放到TCA中分析，但是TCA的碳在每一轮循环后的变化太过复杂，不易分析。
- ↑ 见糖异生板块。
- ↑ 1 FADH2+1 NADH
- ↑ 大部分考研题给出的是13 ATP，实际上脱氨基方式的不同产能也就不同，这里给出算得13 ATP的情况。其他情况可见一篇知乎回答。
- ↑ NADPH先转化为NADH再进入呼吸链
- ↑ 琥珀酸硫激酶的作用，生成一分子琥珀酸及GTP
- ↑ 琥珀酸的产能前文已分析。
- ↑ 有的地方写成了「7n-6」，这里的n代表脂肪酸的碳原子个数。笔者认为这个写法不妥，无法明确地区分奇数碳与偶数碳。若想采用这种写法，需作赋值2*n→n，即7（2n）-6.
- ↑ 有例外，见下文10。
- ↑ 有的资料为7n-6.5，理由同注释[15]，需作赋值2n+1→n，即7（2n+1）-6.5.