细胞能量与饮食（三）：以NAD+、NMN为枢纽，揭秘线粒体生成ATP的完整机制

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细胞是如何将食物中的能量营养素转化成细胞可以利用的能量货币ATP？

食物中的三大能量营养素，碳水化合物，蛋白质和脂肪进入人体后，经过胃肠的消化吸收，在体内是以葡萄糖，氨基酸和脂肪酸的形式开始它们的氧化分解能量代谢之旅。

三类能量营养素的氧化分解代谢过程，为了便于说明，我们人为地把它分为三个阶段：预备期，三羧酸循环期，电子传递和氧化磷酸化期。其中，三羧酸循环与电子传递和氧化磷酸化是三类能量营养素的共同代谢通路。

在预备期，三类能量营养素的代谢途径各不相同。葡萄糖是通过糖酵解，以丙酮酸的形式进入三羧酸循环；氨基酸则是在肝脏中通过脱氨作用和尿素循环，以相应的“碳骨架”形式进入三羧酸循环；脂肪酸是通过β-氧化，以乙酰辅酶A的形式进入三羧酸循环。

 

 

三羧酸循环（TCA），又称柠檬酸循环，它作为能量代谢的枢纽和发动机，是细胞能量代谢中处于核心地位的循环通路。它通过整合各类能量营养素的代谢，将能量营养素中的能量和碳骨架转化为细胞可直接利用的化学能，同时，为体内的生物合成提供必需的原材料。

三羧酸循环是一系列的环状酶促反应。乙酰基（2个碳）与草酰乙酸（4个碳）结合，经过氧化还原、脱羧和水合等系列反应，重新生成草酰乙酸，完成一轮循环。每一轮循环，即消耗1分子的乙酰辅酶A，将产生1GTP、3NADH、1FADH_2、2CO_2，其生物学意义如下：

 

 

1.高能电子载体的生成：

三羧酸循环本身直接产生的能量很少，只1GTP，相当于1ATP，但其真正的能量产品是高还原性的电子载体，3NADH和1FADH₂。这些NADH和FADH₂会进入下游的“电子传递链”进行氧化磷酸化。在这个过程中，它们携带的电子所释放的能量，会驱动合成大量的ATP。因此，三羧酸循环是体内产能过程中的核心环节，为电子传递链提供“燃料”。

2.为生物合成提供前体物质（碳骨架）：

循环中的许多中间产物是合成其他生命物质的起点，如草酰乙酸、α-酮戊二酸通过转氨基作用，生成天冬氨酸、谷氨酸等氨基酸，进而合成蛋白质和其他含氮分子；草酰乙酸通过糖异生代谢途径可转化为葡萄糖；乙酰辅酶A是合成脂肪酸和胆固醇的原料。三羧酸循环是体内分解代谢和合成代谢的交汇点，是细胞能量代谢的枢纽。

3.氧化碳原子，释放二氧化碳

循环通过两次脱羧反应，产生2CO₂，将来自葡萄糖、脂肪酸、氨基酸的碳原子彻底氧化，最终以二氧化碳的形式排出，这是体内碳元素流的重要出口。

三羧酸循环是将乙酰基中的化学能，通过NAD⁺和FAD接受氢（H）及其电子（e-)转化为高能电子载体NADH和FADH₂，从而进入细胞能量代谢的第三阶段，电子转移链和氧化磷酸化，最终驱动合成细胞能量ATP。

电子传递链，又称呼吸链，是细胞有氧呼吸过程中一系列电子传递反应的集合。

它是由四个蛋白复合体（I、II、III、IV)，分别为NADH脱氢酶复合体，琥珀酸脱氢酶复合体，细胞色素bc1复合体，细胞色素c氧化酶复合体，和两个移动电子载体，辅酶Q和细胞色素c构成。

 

 

来自三羧酸循环的NADH和FADH₂在蛋白复合体I和II的作用下转化为NAD⁺和FAD，并释放电子（e-）和质子（H⁺），释放的电子通过呼吸链的传递，驱动质子（H⁺）从线粒体的基质泵入线粒体内膜间隙，形成质子电化学梯度，同时，蛋白复合体IV把呼吸链传递来的电子再传递给受体氧气（O₂）并与质子（H⁺）结合生成水（H₂O），所以电子传递链是在有氧条件下进行的，我们称其为有氧呼吸，有氧代谢。

电子传递链的主要目的是建立质子电化学梯度。然后，利用质子电化学梯度所储存的电化学势能来驱动磷酸化的发生。

氧化磷酸化是氧化（电子传递链）与磷酸化的偶联，其过程为质子（H⁺）通过ATP合酶通道，顺浓度梯度从线粒体膜间隙回流入基质，利用跨膜所储存的能量驱动底物二磷酸腺苷（ADP）和无机磷酸盐（Pi）合成ATP。至此，细胞完成了能量ATP合成的全过程。

三羧酸循环、电子传递链和氧化磷酸化是细胞将饮食中的三大能量营养素彻底氧化分解并转化成细胞可利用的能量ATP的共同代谢通路，其发生的部位是细胞线粒体，其能量转化的枢纽主要为NAD⁺/NADH。接下来我们会聊聊NAD⁺/NADH和细胞线粒体。