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

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

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

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

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

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