能量代謝（energy metabolism）指隨著生命現象或作為其原因的能量的出入或轉換（energy transduction）。也就是從能量方面來觀察物質代謝。在能量代謝方面，在化學鍵能（呼吸、發酵）或光能（光合成）直接轉化成熱量前，轉換成ATP等的高能鍵是其顯著的特征之一。(在ATP分解為ADP時，伴隨能量的放出，也屬于能量代謝。)但是轉化的效率為30—60％，轉化成熱能的一部分用于維持體溫，或補償由于蒸發而散失的熱量等。捕獲和貯藏的化學能根據需要而轉換成力學能（肌肉、纖毛、鞭毛的運動、細胞分裂活動），電能（生物發電器官、神經細胞），光能（生物發光）等。生物體的能量代謝也服從于熱力學第二定律。如果對生物界能量代謝的能流追根問底的話，那么太陽能幾乎是一切能的來源。
影響能量代謝的主要因素有①肌肉活動：勞動、運動都可提高能量代謝。②精神活動：精神緊張、情緒激動時，可使肌緊張加強，并引起促進產物的激素的釋放（如腎上腺茹、去甲腎上腺素、糖皮質激素、甲狀腺激素等），使能量代謝顯著提高。③食物的特殊動力效應：各種食物中，蛋白質的特殊動力作用量大。④環境溫度：在20℃～30℃的環境中，能量代謝最為穩定，環境溫度低于20℃或高于30℃時能量代謝均可提高。
生物體的生長發育、組織細胞的更新、維持基本的生命活動（如心跳、呼吸、體溫和保持大腦的清醒狀態等）以及勞動等均需要從外環境中獲取必需的營養素。這些必需營養素包括糖類、脂類、蛋白質、水、無機鹽和維生素。其中糖、脂肪和蛋白質在生物體內氧化分解的過程中可逐步釋放維持基本生命活動和勞動所需要的能量，所以糖、脂肪和蛋白質又被稱為三大能源物質。糖、脂肪和蛋白質三大能源物質在體內氧化分解產能具有共同規律，可區分為三個階段，依次為：①分解為各自的組成單位：葡萄糖、甘油、脂肪酸、氨基酸等。在此階段中以熱能形式約釋出總能量的1%；②各組成單位經不同過程生成活性二碳化合物——乙酰輔酶A；約釋出總能量的1/3；③乙酰輔酶A進入三羧酸循環脫氫脫羧；脫下的氫經電子傳遞鏈(呼吸鏈)傳遞，最后與氧結合成水。所釋能量約占總能量的2/3 。
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| 糖、脂肪、蛋白質氧化分解的三個階段 |
乙酰輔酶A是能源物質代謝的重要中間代謝產物，在體內能源物質代謝中是一個樞紐性的物質。糖、脂肪、蛋白質三大營養物質通過乙酰輔酶A匯聚成一條共同的代謝通路——三羧酸循環和氧化磷酸化，經過這條通路徹底氧化生成二氧化碳和水，釋放能量用以ATP的合成。乙酰輔酶A是合成脂肪酸、酮體等能源物質的前體物質，也是合成膽固醇及其衍生物等生理活性物質的前體物質。
一、葡萄糖分解代謝生成乙酰輔酶A
糖是多羥基醛和多羥基酮及其衍生物的總稱。人體最重要的單糖是葡萄糖(glucose)，葡萄糖是糖在體內的運輸形式；人體最重要的多糖是糖原(glycogen)，糖原是葡萄糖在體內的儲存形式；食物中的多糖主要是淀粉(starch)，淀粉由淀粉酶水解為葡萄糖后才能吸收，經血液運往全身各組織被利用或儲存。糖的主要生理功能是氧化供能，每克糖徹底氧化可釋能16.7 kJ(4kcal)，一般由糖氧化供給的能量約占人體所需總能量的50％～70％。
糖在體內主要的代謝途徑包括：
【糖的有氧氧化】葡萄糖→丙酮酸→乙酰輔酶A→CO2+H2O。此過程在只能有線粒體的細胞中進行，并且必須要有氧氣供應。糖的有氧氧化是機體獲得ATP的主要途徑，1分子葡萄糖徹底氧化為二氧化碳和水可合成30或32分子ATP（過去的理論值為36或38分子ATP）。
【糖的無氧氧化】葡萄糖→丙酮酸→乳酸。在細胞無線粒體或缺乏氧氣時進行，1分子葡萄糖氧化產生2分子乳酸，凈合成2分子ATP。此過程產生的乳酸如果積累過多會導致乳酸酸中毒。
【糖的磷酸戊糖途徑】葡萄糖→5-磷酸核糖、NADPH。此過程的產物5-磷酸核糖是合成核苷的原料之一，NADPH是細胞內良好的還原劑，為加氫反應提供氫。
【糖原合成】葡萄糖→肝糖原、肌糖原。糖原是機體糖的貯存形式，但由于糖原的貯存需要水的存在，因此貯存量較小，也正因為糖原親水，所以糖原的利用速度比脂肪快。
【糖轉化為脂肪】葡萄糖→乙酰輔酶A→脂肪酸→脂肪。這是糖轉化為脂肪的途徑，脂肪是機體高度還原的能源貯存形式，疏水，可以大量貯存，但利用速度較慢。
①糖的有氧氧化，如果缺乏氧氣或線粒體，則氧化至丙酮酸時還原為乳酸，稱糖的無氧氧化（糖酵解）
②磷酸戊糖途徑，產物5-磷酸核糖是合成核苷的原料
③由乙酰輔酶A合成脂肪酸、脂肪和膽固醇
④肝臟中葡萄糖輸出為血糖
⑤肝臟中糖原的合成和分解
（一） 糖酵解：葡萄糖→丙酮酸
葡萄糖或糖原的葡萄糖單位通過糖酵解途徑分解為丙酮酸，這個過程稱為糖的無氧分解。由于此過程與酵母菌使糖生醇發酵的過程基本相似，故又稱糖酵解。反應在胞液中進行，不需要氧氣。
①己糖激酶或葡萄糖激酶 ②磷酸己糖異構酶 ③5-磷酸果糖激酶-1 ④醛縮酶
⑤磷酸丙糖異構酶 ⑥3-磷酸甘油醛脫氫酶 ⑦磷酸甘油酸激酶
⑧磷酸甘油酸變位酶 ⑨烯醇化酶 ⑩丙酮酸激酶
縮寫符號：G葡萄糖 G6P 6-磷酸葡萄糖 F-1,6-BP 1,6-二磷酸果糖 G3P（GAP）3-磷酸甘油醛
DHAP 磷酸二羥丙酮 G-1,3-BP 1,3-二磷酸甘油酸 3PG 3-磷酸甘油酸
2PG 2-磷酸甘油酸 PEP磷酸烯醇式丙酮酸
糖酵解的反應過程可分兩個階段：①活化吸能階段，通過消耗2分子ATP使1分子葡萄糖裂解為2分子3碳糖。②3碳糖氧化釋放能量階段，產生2分子丙酮酸、2分子NADH和4分子ATP。糖酵解過程凈產生ATP2分子。
在糖酵解進行過程中，有三種酶催化的反應不可逆，這三個酶稱為關鍵酶，它們使糖酵解由葡萄糖向丙酮酸方向進行。
【己糖激酶】或肝中【葡萄糖激酶】催化葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，由ATP提供能量和磷酸基團。這一步反應不僅活化了葡萄糖，使其能進入各種代謝途徑，還能捕獲進入細胞內的葡萄糖，使之不再透出細胞膜。反應不可逆，反應過程中消耗1分子ATP。己糖激酶或葡萄糖激酶是糖酵解途徑的第一個限速酶。
【磷酸果糖激酶-1】催化6-磷酸果糖轉變為1,6-二磷酸果糖，這是酵解途徑中的第二個磷酸化反應，需要ATP和Mg2+，反應不可逆。磷酸果糖激酶-1是糖酵解過程中最重要的限速酶。此酶為變構酶。檸檬酸、ATP為變構抑制劑，ADP、AMP和 F-1,6-BP等為變構激活劑。胰島素誘導其生成。
【丙酮酸激酶】催化磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸，磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸鍵在催化下轉移給ADP生成ATP，自身生成烯醇式丙酮酸后自發轉變為丙酮酸。反應不可逆。是糖酵解途徑中第二個以底物水平磷酸化方式生成ATP的反應。丙酮酸激酶是糖酵解途徑中的又一個限速酶，具有別構酶特性，ATP是其別構抑制劑，ADP是別構激活劑。
在糖酵解過程中有2步反應生成ATP，其一是在磷酸甘油酸激酶催化下將1,3-二磷酸甘油酸分子上的1個高能磷酸鍵轉移給ADP生成ATP；另1個是丙酮酸激酶催化使磷酸烯醇式丙酮酸的高能磷酸鍵轉移給ADP生成ATP。這兩步反應的共同點是底物分子都具有高能鍵，底物分子的高能鍵轉移給ADP生成ATP的方式稱為【底物水平磷酸化】。底物水平磷酸化是ATP的生成方式之一，另一種ATP的生成方式是氧化過程中脫下的氫（以NADH和FADH2形式存在）在線粒體中氧化成水的過程中，釋放的能量推動ADP與磷酸合成為ATP，這種方式稱為【氧化磷酸化】。
（二）丙酮酸的去路
糖酵解過程的產物丙酮酸有多種分支去路：
1．生成乙酰輔酶A：丙酮酸在有氧氣和線粒體存在時進入線粒體，經丙酮酸脫氫酶復合體催化氧化脫羧產生NADH、CO2和乙酰輔酶A，乙酰輔酶A進入三羧酸循環和氧化磷酸化徹底氧化為CO2和H2O，釋放的能量在此過程中可產生大量ATP。這是糖的有氧氧化過程。糖的有氧氧化是機體獲得ATP的主要途徑。丙酮酸生成乙酰輔酶A的反應是糖有氧氧化過程中重要的不可逆反應。丙酮酸脫氫產生NADH+H+，釋放的自由能則貯于乙酰輔酶A中。乙酰輔酶A可參與多種代謝途徑。
丙酮酸脫氫酶系的多種輔酶中均含有維生素，TPP中含有維生素B1，輔酶A（HSCoA）中含有泛酸，FAD含有維生素B2，NAD+含尼克酰胺（維生素PP）。所以，當這些維生素缺乏，特別是維生素B1缺乏時，丙酮酸及乳酸堆積，能量生成減少，可發生多發性末梢神經炎，嚴重時可引起典型腳氣病。
2．丙酮酸在無氧或無線粒體條件下加氫還原為乳酸。糖酵解過程生成的產物有3個：NADH、ATP和丙酮酸。NADH、ATP的生成必將導致底物NAD+和ADP的顯著減少，而這兩種底物的減少將嚴重抑制糖酵解的繼續進行。ATP在體內會很快被消耗而生成ADP和磷酸，因此ATP的抑制作用幾乎可以忽略不計。NADH在有氧氣存在的條件下在線粒體中被氧化為水而重新生成NAD+，但在無氧或無線粒體的細胞中是無法進行這個過程的，因此NAD+的減少和NADH的增多在無氧或無線粒體的細胞中對糖酵解的抑制非常顯著。在這些細胞中解決的辦法是，產物丙酮酸作為受氫體將NADH的氫接受重新生成NAD+， 丙酮酸加氫還原為乳酸。
乳酸的生成使NAD+再生，能在一定時間內暫時解除糖酵解的抑制，但是如果乳酸進一步增多，乳酸的抑制作用將增強，最后糖酵解被完全抑制。同時乳酸解離產生的H+也增多，體液pH下降。這些綜合結果被稱為【乳酸酸中毒】。在缺氧和劇烈運動時最容易產生乳酸中毒現象。乳酸中毒的解除需依賴氧氣的充分供應，此時，乳酸可脫氫生成丙酮酸通過有氧氧化代謝或進入肝臟進行糖異生。
紅細胞缺乏線粒體，因此，紅細胞只能依賴糖的無氧氧化（酵解）獲得能量，所釋放的乳酸經血液循環至肝臟代謝（糖異生）。某些組織細胞如視網膜、睪丸、白細胞、腫瘤細胞等，即使在有氧條件下仍以糖酵解為其主要供能方式。
機體在缺氧情況下，尤其在劇烈運動時肌肉的氧分得不到足夠供應（盡管此時氣喘吁吁），糖的無氧氧化（葡萄糖→乳酸）是機體獲得能量的一種有效方式，但無法維持很長時間，如果導致嚴重的乳酸中毒，又不能恢復氧氣供應，糖酵解被完全抑制，ATP消耗不能再生，生命過程將終止。
3．丙酮酸經轉氨基作用生成丙氨酸，作為蛋白質合成的原料。
4．在植物和酵母菌細胞內，無氧情況下丙酮酸脫羧產生乙醛，乙醛由NADH還原為乙醇（乙醇發酵）。乙醇發酵有很大的經濟意義，在發面、制作面包和饅頭，以及釀酒工業中起著關鍵性的作用。在釀醋工業上，微生物也是先在不需氧條件下形成乙醛而后在有氧條件下氧化為乙酸（醋酸）。
（三）糖酵解的調節
正常生理條件下，人體內的各種代謝過程受到嚴格而精細的調節，以保持內環境穩定，適應機體生理活動的需要。這種調節控制主要是通過改變酶的活性來實現的。己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶是糖酵解的關鍵酶，它們的活性大小，直接影響著整個代謝途徑的速度和方向，其中以磷酸果糖激酶-1最為重要。
1．激素的調節 胰島素可誘導GK、PFK-1、PK的合成，因而使糖酵解過程增強。
2．代謝物對限速酶的變構調節 磷酸果糖激酶-1（PFK-1）是三個限速酶中催化效率最低的，故而是糖酵解途徑中最重要的調節點。該酶分子為四聚體。分子中不僅具有與底物結合的部位，還具有與變構激活劑和變構抑制劑結合的部位。F-1,6-BP、ADP、AMP等是其變構激活劑，而ATP、檸檬酸等為其變構抑制劑。在這些代謝物的共同調節下，機體可根據能量需求調整糖分解速度。當細胞內能量消耗增多，ATP濃度降低，AMP、ADP濃度增加，則磷酸果糖激酶-1被激活，糖分解速度加快，使ATP生成量增加；當細胞內有足夠的ATP儲備時，ATP濃度增加，AMP、ADP濃度下降，磷酸果糖激酶-1被抑制，糖分解速度減慢，減少ATP生成量，避免能量的浪費；當饑餓時，機體動員儲存脂肪分解氧化，生成大量乙酰CoA，乙酰CoA可與草酰乙酸縮合成檸檬酸，抑制磷酸果糖激酶-1的活性，從而減少糖的分解，以維持饑餓狀態下血糖濃度。
（四）糖酵解的分支旁路：磷酸戊糖途徑
磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway）由6-磷酸葡萄糖開始，全過程可分為二個階段：第一階段是6-磷酸葡萄糖脫氫氧化生成NADPH+H+ 、CO2和5-磷酸核糖。第二階段為一系列基團轉移反應。
1．反應過程
（1）5-磷酸核糖生成 6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶相繼催化下，經2次脫氫和1次脫羧，生成2分子NADPH+H+ 和1分子CO2后生成5-磷酸核酮糖，5-磷酸核酮糖經異構酶催化轉變為5-磷酸核糖。
（2）基團移換反應 此階段由4分子5-磷酸木酮糖和2分子5-磷酸核糖在轉酮基酶、轉醛基酶催化下，通過一系列反應，最后生成4分子6-磷酸果糖和2 分子3-磷酸甘油醛。2分子3-磷酸甘油醛可縮合成1分子6-磷酸果糖。綜上所述，1分子6-磷酸葡萄糖經磷酸戊糖途徑氧化，需5 分子6-磷酸葡萄糖伴行，最后又生成5分子6-磷酸葡萄糖，實際消耗1分子6-磷酸葡萄糖。
磷酸戊糖途徑中的限速酶是6-磷酸葡萄糖脫氫酶，此酶活性受NADPH+H+濃度影響，NADPH+H+ 濃度增高時抑制該酶活性，因此磷酸戊糖途徑的代謝速度主要受細胞內NADPH+H+ 需求量的調節。
2．磷酸戊糖途徑的生理意義
磷酸戊糖途徑的主要生理意義是產生5-磷酸核糖和NADPH+H+。
（1）生成5-磷酸核糖（R-5-P）： 磷酸戊糖途徑是體內利用葡萄糖生成5-磷酸核糖的唯一途徑。5-磷酸核糖是合成核酸和核苷酸輔酶的重要原料。對于缺乏6-磷酸葡萄糖脫氫酶的組織如肌肉，也可利用糖酵解中間產物3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖經轉酮基酶和轉醛基酶催化的逆反應生成。故損傷后修復的再生組織、更新旺盛的組織，此途徑都比較活躍。
（2）生成NADPH+H+ ：①NADPH+H+是體內許多合成代謝中氫原子的供體，如脂肪酸、膽固醇和類固醇激素等化合物的合成，都需要大量NADPH，因此在脂肪、固醇類化合物合成旺盛的組織，如肝臟、哺乳期乳腺、脂肪組織、腎上腺皮質及睪丸等組織中，磷酸戊糖途徑特別活躍。②NADPH+H+是谷胱甘肽（GSH）還原酶的輔酶，對于維持細胞中谷胱甘肽于還原狀態起重要作用。GSH是細胞中重要的抗氧化物質，有清除H2O2和過氧化物，保護細胞中含巰基的酶和蛋白質免遭氧化破壞的作用，以維持細胞結構和功能的完整。紅細胞中如發生H2O2和過氧化物的積累，將使紅細胞的壽命縮短并增加血紅蛋白氧化為高鐵血紅蛋白的速率，后者沒有運氧功能。遺傳性6-磷酸葡萄糖脫氫酶缺陷的患者，磷酸戊糖途徑不能正常進行，NADPH+H+缺乏，GSH含量減少，常在進食蠶豆或使用某些藥物后誘發急性溶血性黃疸。③NADPH+H+是加單氧酶系的組成成分，參與激素、藥物、毒物的生物轉化過程。
二、脂肪氧化分解產生乙酰輔酶A
脂肪（三脂酰甘油或甘油三酯）在體內主要功能是氧化分解,為機體提供生命活動所需要的能量。儲存于脂肪組織中的三脂酰甘油 (triglyceride)，被脂肪酶逐步水解為游離脂肪酸（free fatty acid, FFA）及甘油釋放入血，供給全身各組織氧化利用的過程，稱為三脂酰甘油動員。脂肪組織中含有的脂肪酶，一種是對激素敏感的三脂酰甘油脂肪酶，稱激素敏感脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase , HSL) ，也是三脂酰甘油動員的限速酶。另外還有二脂酰甘油脂肪酶和一脂酰甘油脂肪酶，這兩種酶活性較高，對激素不敏感。 胰高血糖素、腎上腺素、去甲腎上腺素等能激活三脂酰甘油脂肪酶，促進脂肪分解，故稱為脂解激素；胰島素的作用則與之相反，使三脂酰甘油脂肪酶活性降低，拮抗脂解激素的脂解作用，故稱抗脂解激素。一分子脂肪被脂肪酶水解為1分子甘油和3分子脂肪酸后，分別進入各自的代謝途徑。
（一）甘油的氧化分解
甘油主要由心、肝、骨骼肌等組織攝取利用，在細胞內經甘油激酶（glycerokinase）的作用，生成α-磷酸甘油（3-磷酸甘油），后者在α-磷酸甘油脫氫酶的催化下生成磷酸二羥丙酮，磷酸二羥丙酮可循糖代謝途徑氧化分解釋放能量，1分子甘油徹底氧化可凈生成17.5~19.5分子ATP。也可以在肝臟循糖異生途徑轉變為糖原和葡萄糖。
（二）肪肪酸的β-氧化分解
在氧供給充足的條件下，脂肪酸可在體內分解成二氧化碳和水，釋出大量能量。除腦組織和成熟紅細胞外，大多數組織均能氧化脂肪酸，但以肝及肌肉組織最活躍。
1．脂肪酸的活化——脂酰CoA的生成
脂肪酸的活化反應在胞液中進行，脂肪酸在脂酰CoA合成酶(acyl-CoA synthetase)催化下，在ATP、CoA-SH、Mg2+ 存在的條件下，活化為脂酰CoA。脂酰CoA含有高能硫酯鍵，而且水溶性增大，使脂酰基的代謝活性明顯增加。分子中的CoA是脂酰基的載體。由于反應過程中生成的焦磷酸（PPi），迅速被細胞內的焦磷酸酶水解，阻止了逆向反應的發生，因此1分子脂肪酸活化成脂酰CoA，實際上消耗了2個高能磷酸鍵。
2.脂酰CoA進入線粒體
脂肪酸的活化在胞液中進行，而催化脂肪酸氧化分解的酶系存在于線粒體基質，因此活化的脂酰CoA必須進入線粒體才能分解。脂酰CoA不能直接透過線粒體內膜，其脂酰基需經肉（毒）堿轉運才能進入基質。線粒體內膜的兩側存在著肉毒堿脂酰轉移酶Ⅰ及Ⅱ，在位于線粒體內膜外側面的酶Ⅰ的催化下，脂酰CoA轉化為脂肪酰肉毒堿，而移到膜內側，進入膜內側的脂肪酰肉毒堿又經酶Ⅱ的催化而重新轉變成脂酰CoA，并釋放出肉毒堿(圖5-1-8)。 肉毒堿脂酰轉移酶Ⅰ是限速酶，脂酰CoA進入線粒體是脂肪酸氧化的限速步驟，當饑餓、高脂低糖膳食或糖尿病時，體內糖利用發生障礙，需要脂肪酸供能，這時肉毒堿脂酰轉移酶Ⅰ活性增加，脂肪酸氧化增強。
3.脂酰基的β-氧化
脂酰基進入線粒體基質后，從脂酰基的β-碳原子開始，經過脫氫、加水、再脫氫及硫解四步連續的反應，脂酰基斷裂產生1分子乙酰CoA和1分子比原來少兩個碳原子的脂酰CoA（圖5-1-9）。催化這些反應的酶彼此結合形成多酶復合體，稱脂肪酸氧化酶系。
（1）脫氫：脂酰CoA在脂酰CoA脫氫酶的催化下，α、β碳原子各脫去一個氫原子，生成α,β-烯脂酰CoA，脫下的2H由FAD接受生成FADH2。一分子FADH2進入呼吸鏈通過氧化磷酸化產生1.5分子ATP。
（2）加水：在水化酶催化下，烯脂酰CoA加水生成β-羥脂酰CoA。
（3）再脫氫：在β-羥脂酰CoA脫氫酶催化下，β-羥脂酰CoA脫下2H，生成β-酮脂酰CoA，脫下的2H由NAD+接受，生成NADH+H+。一分子NADH+H+進入呼吸鏈通過氧化磷酸化產生2.5分子ATP（過去的理論值為3分子ATP）。
（4）硫解（加CoASH分解）：β-酮脂酰CoA在硫解酶的催化下，加入CoASH使α、β碳原子之間化學鍵斷裂，生成1分子乙酰CoA和1分子比原來少兩個碳原子的脂酰CoA。
以上生成的比原來少2個碳原子的脂酰CoA可再進行脫氫、加水、再脫氫及硫解反應，如此反復進行，直至最后生成丁酰CoA，后者再進行一次β-氧化，即完成脂肪酸的β-氧化。
4．乙酰CoA的去路：脂肪酸β-氧化的終產物是乙酰CoA，其進一步的代謝變化可進入三羧酸循環徹底氧化為二氧化碳和水，也可轉變為其它物質。
5.脂肪酸徹底氧化時能量的釋放和利用
脂肪酸氧化是體內能量的重要來源。以16個碳原子的軟脂酸為例：一分子軟脂酰CoA需經７次β-氧化，生成8分子乙酰CoA。因此1分子軟脂酸徹底氧化共生成（7×1.5）+（7×2.5）+（8×10）=108分子ATP。減去軟脂酸活化時消耗的兩個高能磷酸鍵,凈生成106分子ATP。
三、酮體的生成和利用
脂肪酸在肝外組織（如心肌、骨骼肌等）經β-氧化生成的乙酰CoA，能徹底氧化生成二氧化碳和水，而在肝細胞中因為具有活性較強的合成酮體的酶系，β-氧化反應生成的乙酰CoA，大多轉變為乙酰乙酸（acetoacetate），β-羥丁酸(β-hydroxybutyrate)和丙酮（acetone），這三種中間產物統稱酮體（ketone bodies）。由于肝內缺乏氧化利用酮體的酶系，所以酮體不能在肝內氧化，必須透過細胞膜進入血液循環運輸到肝外組織才能進一步氧化分解供能。
（一）酮體的生成
酮體生成的部位是在肝細胞線粒體內。脂肪酸β-氧化生成的乙酰CoA是合成酮體的原料。其合成過程分三步進行。
1．兩分子乙酰CoA在硫解酶(thiolase)催化下縮合成1分子乙酰乙酰CoA。
2．乙酰乙酰CoA再與1分子乙酰CoA縮合成β-羥-β-甲基戊二酸單酰CoA（HMG-CoA），催化這一反應的酶為HMG-CoA合成酶，是酮體合成的限速酶。
3．HMG-CoA經裂解酶催化分解成乙酰乙酸和乙酰CoA。乙酰乙酸加氫還原成β-羥丁酸，少量乙酰乙酸自發脫羧生成丙酮。酮體總量中約70%為β-羥丁酸，30%為乙酰乙酸,丙酮只占少量，丙酮可通過腎和肺排出。
（二）酮體的利用
肝外組織（心肌、骨骼肌、大腦）中有活性很強的利用酮體的酶。乙酰乙酸在乙酰乙酸硫激酶或琥珀酰CoA轉硫酶催化下，轉變為乙酰乙酰CoA，然后再被硫解酶分解為兩分子乙酰CoA，乙酰CoA進入三羧酸循環徹底氧化。可見肝內生酮肝外用是脂肪酸在肝中氧化的一個代謝特點。
（三）酮體生成的生理意義
酮體是脂肪酸在肝臟氧化的正常中間產物，是肝臟為肝外組織提供能源物質的一種形式，酮體分子小、溶于水，便于通過血液運輸，也易于通過血腦屏障及肌肉等組織的毛細血管壁，是肌肉，尤其是腦組織的重要能源。腦組織不能氧化脂肪酸，卻能利用酮體。長期饑餓、糖供應不足時，酮體可以代替葡萄糖，成為腦組織的主要能源物質。
正常情況下血中僅含少量酮體。但在饑餓、妊娠嘔吐及糖尿病時，三脂酰甘油動員加強，肝中酮體生成過多，超出肝外組織利用的能力，可引起血中酮體升高，尿中出現酮體，即酮血癥和酮尿癥，可導致酮癥酸中毒，嚴重者危及生命。
四、氨基酸分解代謝
氨基酸的主要功用是作為蛋白質合成的原料；其次可合成其它含氮物質（如嘌呤、嘧啶等）；過多的氨基酸在體內不能貯存，這部分氨基酸可通過各種代謝方式先轉變為三羧酸循環的中間產物，然后經三羧酸循環徹底氧化為CO2和H2O，也可通過糖異生作用轉變為葡萄糖，還可轉變為脂肪貯存。各種氨基酸具有共同的結構特點，故有共同的代謝途徑，但不同的氨基酸由于結構的差異也有不同的代謝方式。
（一）氨基酸進入三羧酸循環
10種氨基酸最后分解產生乙酰CoA ；5種氨基酸轉變成三羧酸循環的中間產物α-酮戊二酸；4種氨基酸轉變成琥珀酰CoA；2種氨基酸轉變為延胡索酸；2種氨基酸轉變為草酰乙酸。然后可經三羧酸循環進一步徹底氧化為CO2和H2O。
氨基酸也可異生為糖或生成酮體。凡是能轉變為丙酮酸、草酰乙酸、琥珀酰CoA、α-酮戊二酸和延胡索酸的氨基酸稱為生糖氨基酸，這是因為三羧酸循環的中間產物和丙酮酸能轉變為磷酸烯醇式丙酮酸，然后很容易循糖異生途徑異生為糖。凡是能分解為乙酰CoA和乙酰乙酰CoA的氨基酸稱為生酮氨基酸，因為乙酰CoA或乙酰乙酰CoA亦可用于合成脂肪。20種氨基酸中，只有亮氨酸和賴氨酸是唯一生酮的氨基酸；異亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸是生酮兼生糖氨基酸；剩余14種是生糖氨基酸。
（二）氨基酸脫氨基作用產生α-酮酸
氨基酸脫氨基作用是氨基酸分解代謝的最主要反應。體內大多數組織細胞均可進行。氨基酸可通過多種方式脫去氨基，如轉氨基、氧化脫氨基、聯合脫氨基等，其中以聯合脫氨基最為重要。
氨基酸脫氨基的產物為α-酮酸和氨.
1．轉氨基作用
大多數氨基酸在進行分解代謝之初，首先通過轉氨基作用將α-氨基轉移給α-酮戊二酸，使其形成谷氨酸和相應的α-酮酸(α-ketoacid)。
轉氨基作用是氨基酸在氨基轉移酶(aminotransferase)或稱轉氨酶(transaminase)催化下，可逆地把α-氨基酸的氨基轉移給α-酮戊二酸，使α-氨基酸轉變為相應的α-酮酸，而原來的α-酮戊二酸接受氨基轉變成相應的谷氨酸。可見，轉氨基作用既是氨基酸的分解代謝過程，又是某些非必需氨基酸合成的重要途徑。轉氨酶的輔酶是維生素B6的磷酸酯磷酸吡哆醛。體內大多數氨基酸均能進行轉氨基反應，轉氨酶的種類很多，專一性強，分布也最廣。以丙氨酸氨基轉移酶（alanine transaminase , ALT；又稱谷丙轉氨酶，GPT）以及天冬氨酸氨基轉移酶（aspartate transaminase ,AST；又稱谷草轉氨酶，GOT）最重要，前者在肝細胞含量最高，后者在心肌細胞含量最高。正常情況下它們在血清中含量都很低，當肝細胞或心肌受損時血清中含量增高，故可用于臨床上肝臟或心肌疾病的輔助診斷。
2．谷氨酸的氧化脫氨基作用
通過以上轉氨基作用生成的谷氨酸由谷氨酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase）催化，脫氫的同時又脫去氨基的反應，稱為氧化脫氨基作用。在體內氨基酸氧化酶種類很多，其中以谷氨酸脫氫酶的作用最重要。谷氨酸脫氫酶是以NAD+或NADP+為輔酶的不需氧脫氫酶，催化谷氨酸脫氫生成亞谷氨酸，然后水解生成α-酮戊二酸和NH3（圖5-1-14）。谷氨酸脫氫酶廣泛存在于肝、腎及腦中，反應可逆，通過還原氨基化作用，α-酮戊二酸和氨可合成谷氨酸，因此，它不僅在氨基酸的分解中起作用，而且在非必需氨基酸合成中也起著重要作用。
3．聯合脫氨基作用
聯合脫氨基作用是體內脫氨基的主要方式，生物體內存在二種聯合脫氨基方式。
（1）轉氨酶與谷氨酸脫氫酶的聯合脫氨基作用（圖5-1-15）：①氨基酸首先與α-酮戊二酸進行轉氨基反應，生成相應的α酮酸和谷氨酸，②谷氨酸在谷氨酸脫氫酶作用下脫去氨基生成α-酮戊二酸。全過程可逆，通過其逆過程可以合成新的非必需氨基酸。此過程主要存在于肝、腎和腦組織中，心肌和骨骼肌中不能進行，因為心肌和骨骼肌中谷氨酸脫氫酶活性低。
（2）嘌呤核苷酸循環形式的聯合脫氨基作用
肌肉組織中-谷氨酸脫氫酶活性不高，難以進行上述聯合脫氨基作用，在肌肉中氨基酸是通過嘌呤核苷酸循環脫去氨基的。過程為：①α-氨基酸首先與α-酮戊二酸轉氨基作用生成谷氨酸，后者再與草酰乙酸轉氨基反應，生成天冬氨酸；②天冬氨酸與次黃嘌呤核苷酸（IMP）由腺苷酸代琥珀酸合成酶催化生成腺苷酸代琥珀酸；③腺苷酸代琥珀酸裂解生成腺苷酸（AMP）和延胡索酸；④AMP在腺苷酸脫氨酶（此酶在肌肉組織中活性較強）催化下脫去氨基生成IMP，完成氨基酸的脫氨基作用。IMP可以再參加循環，延胡索酸經三羧酸循環轉變為草酰乙酸后再次參加轉氨反應。
氨基酸脫氨基作用的終產物是α-酮酸和氨。它們將分別進入各自的代謝途徑。
（三）α-酮酸代謝
氨基酸脫氨后生成的 α-酮酸可進一步代謝。主要有以下三方面：
1．經氨基化生成非必需氨基酸
實驗證明人體不能合成賴、異亮、苯丙、亮、色、纈、蘇、蛋等8種氨基酸相對應的α-酮酸，因而這些氨基酸不能在體內合成，必須從食物攝取，稱為營養必需氨基酸。其它十二種氨基酸則稱為營養非必需氨基酸，所謂非必需氨基酸并不是它們在代謝中的作用不重要，而是可以在人體合成，主要通過聯合脫氨基作用的逆反應生成，故食物不給與一般不會引起缺乏。
2．轉變成糖或脂肪
如前述，在體內可以轉變成糖的氨基酸稱為生糖氨基酸(glucogenic amino acid)，能轉變為酮體者稱為生酮氨基酸(ketogenic amino acid)，二者兼有的則稱為生糖兼生酮氨基酸(glucogenic and ketogenic amino acid)。
3．氧化供能 不同的α-酮酸在體內可以通過三羧酸循環與氧化磷酸化徹底氧化，產生CO2和水，并釋放出能量供生命活動的需要。
（四）氨的代謝
氨是一種劇毒物質，腦組織對氨的作用尤為敏感，需要及時處理以免在組織中堆積。正常人除門靜脈血液外，血液中氨的濃度極低，一般不超過60μmol/L（0.1mg/dl）。
1.體內氨的來源
（1）氨基酸分解產生氨：氨基酸脫氨基作用是氨的主要來源；胺類物質的氧化分解也可產生氨。
（2）腸道吸收：腸道氨主要來自①腸道細菌對未被消化的蛋白質和未被吸收的氨基酸作用（稱腐敗作用）產生的氨；②血中尿素擴散入腸管后在腸道細菌尿素酶作用下水解產生的氨。NH3比NH4+ 容易穿過細胞膜而被吸收，在堿性環境中，NH4+ 轉變為NH3，所以腸管pH偏堿時，氨的吸收增加。臨床上對高血氨病人采用酸性透析液做結腸透析而不用堿性肥皂水灌腸就是這個道理。腸道每日產氨約有4g，腐敗作用增強時，氨的產生更多。
（3）腎臟產生：谷氨酰胺在腎遠曲小管上皮細胞谷氨酰胺酶的催化下，水解生成谷氨酸和NH3，NH3分泌到腎小管腔與尿中H+ 結合生成NH4+ 由尿排出。堿性尿液不利NH3的分泌，NH3被吸收入血，成為血氨的另一個來源。故肝硬化腹水者不宜使用堿性利尿藥以防血氨升高。
2.氨的轉運
氨是有毒物質，各組織中產生的氨必須以無毒形式經血液運輸至肝合成尿素或以銨鹽形式隨尿排出。氨在血液中有兩種運輸形式：
（1）丙氨酸運氨作用：主要將肌肉氨基酸脫下的氨經血液運輸到肝。過程為：①肌肉中的氨基酸經轉氨基作用將氨基轉移給丙酮酸生成丙氨酸，經血液運輸至肝；②在肝中，丙氨酸經聯合脫氨基作用釋放出氨，氨用于合成尿素，生成的丙酮酸則異生為葡萄糖；③葡萄糖經血液運送到肌肉，在肌肉活動供能的過程中又可分解為丙酮酸，再次接受氨基生成丙氨酸輸送到肝臟。如此通過丙氨酸和葡萄糖的互變把氨從肌肉運輸到肝臟的循環稱丙氨酸-葡萄糖循環（alanine glucose cycle）。
（2）谷氨酰胺的運氨作用：氨與谷氨酸在ATP供能和谷氨酰胺合成酶催化下合成谷氨酰胺，經血液輸送到肝或腎，經谷氨酰胺酶水解為谷氨酸及氨，在肝可合成尿素，在腎則以銨鹽形式由尿排出。谷氨酰胺生成的意義：①肝外組織解除氨毒；②是從腦、肌肉等組織向肝或腎運輸氨的主要形式；③氨的儲存形式，為某些含氮化合物的合成提供原料，如嘌呤及嘧啶的合成。臨床上對肝性腦病患者可服用或輸入谷氨酸鹽以降低血氨濃度。
3.氨的主要去路
氨在體內的主要去路是在肝內通過鳥氨酸循環（尿素循環）生成無毒的尿素，然后由腎排出體外。
（1）氨基甲酰磷酸的合成： 氨由丙氨酸與谷氨酰胺轉運入肝細胞線粒體在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ（carbamoyl phosphate synthetaseⅠ，CPS-Ⅰ）催化下，與CO2和H2O分子結合，消耗2分子ATP，合成氨基甲酰磷酸。反應不可逆。
（2）瓜氨酸的合成：在鳥氨酸氨甲酰轉移酶（ornithine carbamoyl transferase,OCT）催化下，將氨基甲酰磷酸的氨甲酰基轉移至鳥氨酸的δ-NH2上生成瓜氨酸。反應不可逆。所需的鳥氨酸是由胞液經線粒體內膜上的載體轉運進入線粒體的。合成的瓜氨酸又由線粒體內膜上的載體轉運進入胞液。
（3）精氨酸的合成:在胞液內，瓜氨酸與天冬氨酸在精氨酸代琥珀酸合成酶(argninosuccinate synthetase)的催化下，由ATP供能合成精氨酸代琥珀酸并生成AMP+PPi，精氨酸代琥珀酸在精氨酸代琥珀酸裂解酶(argninosuccinate lyase)催化下，分解成為精氨酸和延胡索酸。在此過程中，天冬氨酸起著供給氨基的作用；生成的延胡索酸經三羧酸循環轉變為草酰乙酸后可與α-氨基酸經轉氨作用轉變為天冬氨酸。由此可見，鳥氨酸循環與三羧酸循環可聯系在一起。
（4）精氨酸水解生成尿素： 精氨酸在胞液中精氨酸酶（arginase）的作用下，水解生成尿素和鳥氨酸。鳥氨酸再進入線粒體參與瓜氨酸的合成，反復循環，不斷合成尿素。
尿素分子中的兩個-NH2，一個由丙氨酸或谷氨酰胺轉運入肝細胞線粒體的NH3，另一個由天冬氨酸提供，碳原子來自CO2，天冬氨酸和谷氨酸均是氨的載體。另外，尿素合成是耗能過程，每合成1分子尿素需消耗3分子ATP（消耗4個高能磷酸鍵）。
尿素主要通過腎臟排泄。如腎排泄功能障礙，必然導致血尿素增高。故臨床常測定血尿素氮（blood urea nitrogen,BUN）來反映腎功能。
4．高血氨與氨中毒
正常情況下血氨濃度維持在較低水平。肝臟幾乎是體內唯一能合成尿素的器官，當肝功能嚴重損傷時，尿素合成障礙，血氨濃度升高，稱為高氨血癥。一般認為，氨進入腦組織可與α-酮戊二酸結合生成谷氨酸，氨與谷氨酸再進一步結合生成谷氨酰胺。因此，腦中氨的增加，可消耗腦組織中α-酮戊二酸，導致三羧酸循環速度減弱， ATP生成減少，引起大腦功能障礙，嚴重時可產生昏迷，即氨中毒（肝性腦病）。
乙酰CoA是生化代謝中的一個樞紐性物質，如前所述，糖、脂肪、氨基酸分解代謝都能產生乙酰輔酶A；乙酰輔酶A有多種代謝去路，可以合成脂肪酸、膽固醇、酮體等，乙酰輔酶A徹底氧化釋放能量的途徑是三羧酸循環。通過三羧酸循環和氧化磷酸化，乙酰CoA氧化產生CO2、H2O，釋放能量推動ATP合成。在營養物質產能代謝中，三羧酸循環和氧化磷酸化是釋放能量最多的環節，是營養物質產能代謝和相互轉化的樞紐。
一、三羧酸循環（檸檬酸循環）
三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)是由Hans Adolf Krebs于1937年首先提出，故又稱為Krebs循環（尿素循環也是Krebs提出的）。此循環是從活性二碳化合物—乙酰輔酶A和四碳草酰乙酸在線粒體內縮合成含三個羧基的檸檬酸開始，經過一系列脫氫脫羧反應，最后重新生成草酰乙酸而成為循環。此反應過程是由含有三個羧基的檸檬酸作為第一個中間產物的循環反應，故稱為三羧酸循環，也稱檸檬酸循環。三羧酸循環在線粒體內進行。
（一）三羧酸循環的反應過程
1．乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合為檸檬酸
此反應為三羧酸循環的關鍵反應之一，是由檸檬酸合成酶催化的不可逆反應，所需能量來自乙酰CoA的高能硫酯鍵水解供應。
2． 檸檬酸轉變為異檸檬酸
檸檬酸本身不易氧化，在順烏頭酸酶作用下，通過脫水與加水反應，使羥基由β碳原子轉移到α碳原子上，生成易于脫氫氧化的異檸檬酸，為進一步的氧化脫羧反應作準備。
3．異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸
異檸檬酸在異檸檬酸脫氫酶的催化下，氧化脫羧生成α-酮戊二酸，反應脫下的氫由NAD+接受生成NADH+H+，脫羧使6碳化合物變為5碳化合物。這是三羧酸循環中第一次氧化脫羧生成CO2的反應。此反應不可逆，是三羧酸循環中的限速步驟。
4．α-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酰輔酶A
這是三羧酸循環的第二次氧化脫羧反應，此反應類似于丙酮酸的氧化脫羧，也是不可逆反應，生成的琥珀酰CoA含有高能硫酯鍵。催化此反應的α-酮戊二酸脫氫酶復合體是三羧酸循環的限速酶，它由三個酶(α-酮戊二酸脫氫酶、琥珀酰基轉移酶、二氫硫辛酸脫氫酶)和五個輔助因子(TPP、硫辛酸、HSCoA、NAD+、FAD)組成（原理見圖4-1-14）。
5．琥珀酰輔酶A生成琥珀酸
琥珀酰CoA在琥珀酸硫激酶的作用下，高能硫酯鍵水解，能量轉移給GDP生成GTP和琥珀酸。生成的GTP可直接利用，也可將其高能磷酸基團轉移給ADP生成ATP。這是三羧酸循環中唯一的一次底物磷酸化反應。
6．琥珀酸脫氫
琥珀酸在琥珀酸脫氫酶的催化下脫氫生成延胡索酸，脫下的氫由FAD接受生成FADH2。
7．蘋果酸生成
延胡索酸在延胡索酸酶催化下，加水生成蘋果酸。
8．草酰乙酸再生
蘋果酸在蘋果酸脫氫酶催化下脫氫生成草酰乙酸，脫下的氫由NAD+接受生成NADH+H+。再生的草酰乙酸可再次進入三羧酸循環用于檸檬酸的合成。
（二）三羧酸循環的深入討論
1．三羧酸循環是在有氧的條件下，在線粒體內進行的循環反應過程。
三羧酸循環的產物有NADH+H+、FADH2、ATP、CO2，這些產物對三羧酸循環的抑制效果不同。CO2經血循環至肺排出濃度降低，ATP快速消耗再生出ADP，因此在正常情況下這兩種產物對三羧酸循環的抑制可以忽略不計。NADH、FADH2的受氫體主要是氧，因此在缺氧情況下NADH和FADH2無法將氫傳遞出去，致使NAD+和FAD無法再生，三羧酸循環因此被抑制。這就是為什么三羧酸循環不消耗氧氣但卻只能在有氧條件下進行的原因。
2．三羧酸循環是機體主要的產能途徑。
每循環一周，1分子的乙酰輔酶A被氧化，三羧酸循環直接消耗的底物是乙酰基。循環中有兩次脫羧和四次脫氫反應，兩次脫羧反應生成兩分子CO2；四次脫氫反應，有三次由NAD+接受共生成3分子NADH+H+，有一次由FAD接受生成1分子FADH2。每個NADH+H+經氧化磷酸化產生2.5個ATP共7.5個ATP，每個FADH2經氧化磷酸化產生1.5ATP共1.5個ATP，循環一周以此種方式可生成9分子ATP；加上一次底物磷酸化生成的GTP，三羧酸循環一周共可生成10分子ATP。
3． 三羧酸循環是單向反應體系。
三羧酸循環中的檸檬酸合成酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶復合體是該代謝途徑的限速酶，所催化的是單向不可逆反應，所以三羧酸循環是不能逆轉的，這保證了線粒體供能系統的穩定性。
4．三羧酸循環必須不斷補充中間產物。
三羧酸循環的中間產物，從理論上講，可以循環不消耗，但是由于體內各代謝途徑的相互交匯和轉化，三羧酸循環的中間產物常移出循環而參與其它代謝途徑，如草酰乙酸可轉變為天冬氨酸而參與蛋白質合成，琥珀酰輔酶A可用于血紅素的合成，α-酮戊二酸可轉變為谷氨酸等。
所以為了維持三羧酸循環中間產物的一定濃度，保證三羧酸循環的正常運轉，就必須補充消耗的中間產物，稱為回補反應。草酰乙酸的濃度，直接與乙酰輔酶A進入三羧酸循環的速度有關，因此不斷補充草酰乙酸是使三羧酸循環得以順利進行的關鍵，因而由丙酮酸形成草酰乙酸是最重要的回補反應。
草酰乙酸可以脫羧生成磷酸烯醇式丙酮酸，后者可以在肝臟和腎臟中逆糖酵解而生成葡萄糖或糖原，這就是非糖物質轉化為糖的途徑，稱為【糖異生】，因此，三羧酸循環中所有的中間產物都能異生成糖。注意，乙酰CoA是無法異生成糖的，為什么？
5．三羧酸循環是三大營養物質徹底氧化的共同通路，是氧化釋放能量產生ATP最多的階段。糖、脂肪、蛋白質在體內氧化分解都將產生乙酰輔酶A，然后進入三羧酸循環進行降解，因此三羧酸循環是三大營養素在體內氧化的最終代謝通路。循環中脫下的四對氫，可進入呼吸鏈氧化磷酸化生成ATP，是體內ATP生成最多的反應階段。
6．三羧酸循環是體內三大物質互變的樞紐
三羧酸循環是糖、脂肪、氨基酸代謝聯系的樞紐。如葡萄糖氧化分解可生成乙酰CoA和NADPH+H+，而乙酰CoA和NADPH+H+可合成脂肪酸，進而合成脂肪；糖和甘油在體內代謝可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循環的中間產物，這些中間產物可以轉變成為某些氨基酸；而有些氨基酸又可通過脫氨基作用生成α-酮酸，再經糖異生的途徑生成糖或轉變成甘油，因此三羧酸循環不僅是三大營養物質分解代謝的最終共同途徑，而且也是它們互變的樞紐。
二、氫的燃燒：呼吸鏈與ATP的生成
三大營養物質在體內的氧化可以分為三個階段，首先是糖、脂肪、蛋白質經過分解代謝生成乙酰輔酶A；接著乙酰輔酶A進入三羧酸循環脫羧脫氫，生成CO2并使NAD+和FAD還原成NADH+H+和FADH2；第三階段是NADH+H+和FADH2中的氫經呼吸鏈傳給氧生成水，氧化過程中釋放出來的能量合成ATP。前兩個階段已在前講述，本節主要討論第三階段，即代謝物脫下的氫是如何通過呼吸鏈傳遞給氧生成水，細胞通過什么方式將氧化過程中釋放的能量轉變成ATP分子中的高能鍵。
（一）呼吸鏈（電子傳遞鏈）
代謝物脫下的氫通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水，由于此過程與細胞利用O2生成CO2的呼吸有關，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈(respiratory chain)。在呼吸鏈中，酶和輔酶按一定的順序排列在線粒體內膜上，其中傳遞氫的稱為遞氫體，傳遞電子的稱為遞電子體。
呼吸鏈由線粒體內膜上的5種復合體（復合蛋白）組成，它們是復合體I（NADH-Q還原酶，又稱NADH氧化酶，輔基為FMN和Fe-S）、復合體II（琥珀酸-Q還原酶，輔基為FAD和Fe-S）、復合體III（細胞色素還原酶，輔基為血紅素b、血紅素c1和Fe-S）、復合體IV（細胞色素氧化酶，輔基血紅素a、血紅素a3和Cu）、復合體V（ATP合酶）。輔基傳遞氫和電子的有NAD+、FMN、FAD、CoQ，傳遞電子的有Fe-S和血紅素Fe、Cu，Fe、Cu通過得失電子來傳遞電子。
復合體I（NADH-Q還原酶）、CoQ、復合體III（細胞色素還原酶）和復合體IV（細胞色素氧化酶）組成NADH氧化呼吸鏈，復合體II（琥珀酸-Q還原酶）、復合體III（細胞色素還原酶）和復合體IV（細胞色素氧化酶）組成琥珀酸氧化呼吸鏈。
（二）電子傳遞與線粒體內膜兩側質子梯度的形成
【NADH氧化呼吸鏈的電子（氫）傳遞】線粒體內大多數脫氫酶都以NAD+作為輔酶，在脫氫酶催化下底物SH2脫下的氫交給NAD+生成NADH+H+。NADH在NADH-Q還原酶（復合體I）作用下，NADH+H+將氫原子傳遞給FMN生成FMNH2，后者再將氫傳遞給Q生成QH2，此時兩個氫原子解離成2個質子和2個電子, 2個質子游離于介質中，2個電子經由細胞色素還原酶（復合體III）傳遞至細胞色素C，然后細胞色素氧化酶（復合體IV）將細胞色素C上的2個電子傳遞給氧生成O2-，O2-與2H+結合生成水。
【琥珀酸氧化呼吸鏈的電子（氫）傳遞】琥珀酸-Q還原酶使琥珀酸脫氫生成FADH2，然后將FADH2上的氫傳遞給Q生成QH2，其后的傳遞過程如NADH呼吸鏈。
電子傳遞的氧化勢能使線粒體基質的氫離子H+泵出到膜間腔（內膜外側），從而形成內膜兩側的質子梯度差（內正外負），這個梯度差是合成ATP的勢能所在。
復合體I（NADH-Q還原酶）、復合體III（細胞色素還原酶）、復合體IV（細胞色素氧化酶）具有質子泵作用，復合體II（琥珀酸-Q還原酶）傳遞電子的氧化勢能太小，不能將質子泵出。
（三）ATP的合成
ATP合酶（復合體V）由FO和F1等蛋白復合而成，有質子通道，當質子由膜間腔經質子通道回流時，ATP合酶被活化而驅動ATP的合成（圖5-2-11）。這種合成ATP的方式稱做【氧化磷酸化】，即在呼吸鏈中伴隨電子（質子）傳遞的氧化還原反應產生的電化學勢能，推動ADP磷酸化為ATP的過程。氧化磷酸化是細胞合成ATP的主要方式，合成ATP的另一種方式是【底物磷酸化】。注意：ATP合酶的FO中的O是字母O，不是零。
新近的研究表明，NADH經呼吸鏈氧化可合成2.5個ATP分子，FADH2經呼吸鏈氧化可生成1.5個ATP分子。注意，這與傳統的數字是不同的！
ATP是人體各種生命活動能量的直接供給者，它是食物中蘊藏的能量和機體利用的能量之間的紐帶。糖、脂類及蛋白質等能源物質氧化分解釋放的能量約有40%以化學能貯存在高能化合物中，ATP是體內最重要的高能化合物。但是ATP在細胞中的含量很低，在哺乳動物的腦和肌肉中約為3～8mmol/kg，這么微的含量只能供給肌肉劇烈活動1s左右的消耗，因此肌肉和腦中存在著一類貯存能量的高能化合物，這個化合物就是磷酸肌酸。
ATP將～P轉移給肌酸（CP）生成磷酸肌酸（CP～P），作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。磷酸肌酸在腦中的含量是ATP的1.5倍，肌肉中相當于ATP的5倍。受過良好訓練的運動員肌肉中的磷酸肌酸含量可高達30mmol/kg。當機體消耗ATP過多時，磷酸肌酸將～P轉移給ADP，生成ATP，供生理活動之用。磷酸肌酸是細胞內首先供應ADP使之再合成ATP的能源物質。ATP是體內的能量使者，是生物體內能量的儲存和利用的中心分子。
（四）氧化磷酸化的影響因素
1．ADP/ATP比值的影響
氧化磷酸化主要受細胞對能量需求的影響。細胞能量供應缺乏時，即ATP減少，ADP增加，ADP/ATP比值增大，氧化磷酸化速率加快，NADH迅速減少而NAD+增多，促進三羧酸循環；反之，細胞內能量供應充足時，即ATP增加，ADP減少，ADP/ATP比值減少，氧化磷酸化速率減慢，NADH消耗減少，三羧酸循環減緩。ADP/ATP比值是調節氧化磷酸化的基本因素，這種反饋調節可使機體適應生理需要，合理利用能源。
2．甲狀腺素的調節
甲狀腺素能誘導細胞膜上Na+-K+-ATP酶的生成，使ATP分解為ADP的速度加快，線粒體中ADP/ATP比值增大，導致氧化磷酸化加強。由于ATP的合成和分解都增加，使機體耗氧量和產熱量都增加。所以甲狀腺功能亢進患者常出現基礎代謝率增高。
3．抑制劑的作用
一些化合物對氧化磷酸化有抑制作用，根據其作用部位不同分為兩類：
⑴ 呼吸鏈抑制劑：
這類抑制劑阻斷呼吸鏈上某一環節的電子傳遞。由于電子傳遞受阻，磷酸化反應也無法正常進行。如安眠藥異戊巴比妥（阿米妥）、植物毒素魚藤酮（常用作殺蟲劑）能阻斷NADH到Q之間的電子傳遞；一氧化碳和氰化物能與細胞色素氧化酶分子中的鐵離子結合，使其失去電子傳遞能力。
⑵ 解偶聯劑：
這類抑制劑不影響呼吸鏈的電子傳遞，而是解除氧化與磷酸化的偶聯作用，使氧化過程產生的能量不能生成ATP，而是以熱能的形式散發。如2，4-二硝基酚、雙香豆素等屬于解偶聯劑，感冒或患某些傳染病時體溫升高，是由于細菌或病毒產生的解偶聯劑所致。
三、線粒體外NADH的氧化
體內很多物質氧化分解產生NADH，線粒體內生成的NADH可直接通過呼吸鏈進行氧化磷酸化，而胞液中生成的NADH由于不能自由透過線粒體內膜，故需通過某種轉運機制，將氫轉移到線粒體內，重新生成NADH或FADH2后再參加氧化磷酸化。這種轉運機制主要有α-磷酸甘油穿梭和蘋果酸穿梭。
（一）3-磷酸甘油（α-磷酸甘油）穿梭系統
該穿梭系統主要存在于肌肉和神經組織，它是通過α-磷酸甘油將胞液中NADH的氫帶入線粒體內。當胞液中NADH濃度升高時，磷酸二羥丙酮在胞液α-磷酸甘油脫氫酶（輔酶為NAD+）催化下由NADH+H+供氫生成α-磷酸甘油，后者進入線粒體后在線粒體內α-磷酸甘油脫氫酶（輔酶為FAD）的催化下重新生成磷酸二羥丙酮和FADH2。磷酸二羥丙酮穿出線粒體外可繼續利用。生成的FADH2經呼吸鏈氧化磷酸化，這種穿梭作用可生成1.5分子ATP。
（二）蘋果酸穿梭系統
又稱蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統，主要存在于肝、腎、心。是指通過蘋果酸將胞液中NADH的氫帶進線粒體內。
當胞液中NADH濃度升高時，首先由蘋果酸脫氫酶（輔酶NAD+）催化，使草酰乙酸還原成蘋果酸。蘋果酸在線粒體內膜轉位酶的催化下穿過線粒體內膜，進入線粒體的蘋果酸，在蘋果酸脫氫酶作用下脫氫生成草酰乙酸，并生成NADH+H+。生成的NADH+H+通過呼吸鏈傳遞進行氧化磷酸化，生成2.5分子ATP。
草酰乙酸不能直接透過線粒體內膜返回胞液，但它可在天冬氨酸轉氨酶作用下從谷氨酸接受氨基生成天冬氨酸，谷氨酸轉出氨基后生成α酮戊二酸，α酮戊二酸、天冬氨酸都能在膜上轉位酶的作用下穿過線粒體內膜而進入胞液，在胞液中天冬氨酸和α酮戊二酸在天冬氨酸轉氨酶的作用下又重新生成草酰乙酸和谷氨酸，草酰乙酸又可重新參與蘋果酸穿梭作用。
四、葡萄糖與軟脂酸徹底氧化產生ATP的總結算
（一）葡萄糖徹底氧化產生ATP結算
關于葡萄糖徹底氧化為水和二氧化碳究竟產生多少ATP分子的問題一直受到人們的關注。葡萄糖分解通過糖酵解和檸檬酸循環的底物磷酸化作用產生ATP的分子數，根據化學計算可以得到明確的答復。但是氧化磷酸化產生的ATP分子數并不十分準確。因為質子泵、ATP合成以及代謝物的轉運過程并不需要是完整的數值甚至不需要固定值。根據最新測定計算，一對NADH傳至O2，所產生的ATP分子數是2.5個，琥珀酸及脂肪酸氧化產生的FADH2傳遞至O2，產生的ATP是1.5個。這樣，當一分子葡萄糖徹底氧化徹底氧化為CO2和H2O所得到的ATP分子數和過去傳統的統計數（36或38個ATP）少了6個ATP分子，成為30個或32個。全部的統計列于表5-2-1。在30或32個ATP分子中，氧化磷酸化產生26或28個，底物磷酸化產生6個，葡萄糖活化共消耗2個。
（二）軟脂酸徹底氧化產生ATP結算
軟脂酸（16碳飽和脂肪酸）徹底氧化產生ATP數目為106個，其中氧化磷酸化為100個，底物磷酸化為8個，脂肪酸活化消耗2個（消耗1個ATP生成1個AMP，即消耗2個高能鍵）。
體內的糖以血糖的形式進行運輸。全身各組織都需要從血液中攝取葡萄糖供能，尤其是腦組織和紅細胞等細胞中糖原貯存很少，必須隨時供應血糖。當血糖下降到一定程度時，會嚴重妨礙這些組織的能量代謝，從而影響它們的功能。健康人血糖濃度相對恒定，鄰甲苯胺法測定空腹時血糖濃度為3.9~6.1mmol/L（70~110mg/dl）（真實血糖值約為60~100mg/L）。血糖濃度的恒定依賴于糖原合成、糖原分解和糖異生三個過程的協調平衡，由神經-體液因素調節，主要通過肝臟來實現。在調節血糖濃度恒定的體液因素中，胰島素具有降血糖的作用，腎上腺素、胰高血糖素、糖皮質激素、生長素等具有升血糖的作用。神經系統功能紊亂、內分泌失調、先天性的某些酶缺陷及肝臟等器官的功能障礙，能引起糖代謝失調，表現為高血糖、糖尿或低血糖。
一、糖原的合成與分解
糖原是動物體內糖的貯存形式。肝和肌肉是貯存糖原的主要組織器官，但肝糖原和肌糖原的生理意義有很大的不同。肌糖原主要供肌收縮時能量的需要；肝糖原則是血糖的重要來源。這對一些依賴葡萄糖作為能量來源的組織，如腦、紅細胞等尤為重要。糖原是由許多葡萄糖基組成的帶分枝多糖，分子中的葡萄糖基通過α-1，4-糖苷鍵聚合成鏈，而分枝處由α-1，6-糖苷鍵連接。糖原分子中93%為α-1，4-糖苷鍵，7%為α-1，6-糖苷鍵。
糖原合成和分解都是以1-磷酸葡萄糖為中間產物的。
（一）糖原合成
糖原合成使用3種酶催化：UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、糖原合酶和糖原分枝酶，其中糖原合酶是糖原合成過程的限速酶。
1、葡萄糖的活化：由UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化，將1-磷酸葡萄糖與UTP分子合成為UDP-葡萄糖（UDPG）。
2、糖原合成：由糖原合酶催化使UDPG中的葡萄糖基與糖原引物的非還原端分支上的葡萄糖基聚合（圖6-1-4），當支鏈延伸至約12~18個葡萄糖基長度時，由糖原分支酶將非還原端糖鏈端的約6~7個葡萄糖基處的α-1，4-糖苷鍵斷開，轉移到臨近的糖鏈以α-1，6-糖苷鍵連接形成分支。注意：糖原合酶不能從頭合成糖原，只能在現有糖原（糖原引物）上延長糖鏈，即糖原合成的過程是小分子糖原變成大分子糖原的過程。每向糖原分子增加一個葡萄糖基需消耗2分子ATP。
（二）糖原分解
糖原分解需要2種酶催化：糖原磷酸化酶和糖原脫支酶（糖原轉移酶）。磷酸化酶是糖原分解的限速酶。
1、糖原非還原性末端的磷酸解：糖原磷酸化酶催化糖原的磷酸解作用，使糖原分子從非還原端逐個斷開α-1，4-糖苷鍵移去葡萄糖基，釋放1-磷酸葡萄糖，直至臨近糖原分子α-1，6-糖苷鍵分支點前4個葡萄糖基處。
2、糖原脫支：糖原脫支酶使糖原磷酸化酶作用留下的α-1，6-糖苷鍵分支點前4個葡萄糖基的第3和第4個葡萄糖基間的α-1，4-糖苷鍵斷開，將3個葡萄糖基移至另一個非還原端的末端，并以α-1，4-糖苷鍵連接。然后糖原脫支酶使殘留的α-1，6-糖苷鍵連接的葡萄糖水解，釋放1分子葡萄糖。
糖原分解的產物為大量的1-磷酸葡萄糖和少量的葡萄糖。1-磷酸葡萄糖的去路：肌糖原分解的產物1-磷酸葡萄糖在1-磷酸葡萄糖變位酶的作用下異構為6-磷酸葡萄糖直接進入糖酵解途徑。肝糖原形成的1-磷酸葡萄糖異構為6-磷酸葡萄糖后，由肝臟具有的6-磷酸葡萄糖酶催化，水解產生磷酸和葡萄糖。這是肝臟向肝外輸出葡萄糖的重要途徑。6-磷酸葡萄糖酶在肝臟和腎皮質中活性很高，其他組織內含量很小，甚至缺乏。但腎臟中糖原含量很小，因此肝臟在維持血糖恒定方面起著重要的作用。
6-磷酸葡萄糖是糖代謝各種通路的交匯點，在肝臟中它至少有4條去路，在絕大多數肝外組織主要有3條去路。糖原分解的產物在肌肉和肝臟中的去路是不同的，因此，在血糖濃度較高時，肌肉和肝臟中糖原的合成都能降低血糖的濃度，但是肌糖原并不能象肝糖原的分解那樣升高血糖。在血糖濃度降低時，肌肉利用自身貯存的糖原為肌肉細胞提供能量，因此，在血糖濃度降低時，肌肉對血糖的依賴性比腦和紅細胞等組織要小的多。紅細胞由于缺乏線粒體，不能氧化利用脂肪酸和酮體；腦組織內因為血腦屏障的存在使腦細胞很難從血液中吸收脂肪酸，加上腦細胞本身貯存的糖原很少，因而腦細胞和紅細胞依賴的主要能源物質是葡萄糖，腦細胞還能利用酮體作為能源物質。腦所消耗的能量占全身能量消耗的20%，顯而易見，維持血糖濃度的恒定對腦細胞是至關重要的，這可以從低血糖引起休克現象中體會到這一點。低血糖對其他組織器官的影響是不明顯的，因為體內絕大多數組織器官在血糖濃度降低時都可大量利用脂肪酸作為能源物質。
二、糖異生
糖異生作用指的是以非糖物質為前體合成葡萄糖或糖原的過程。非糖物質包括乳酸、丙酮酸、丙酸、甘油以及氨基酸等。糖異生對于人類及其他動物是絕對必須的途徑。例如，人腦以葡萄糖作為主要能源物質，對葡萄糖有高度的依賴性。紅細胞也需要提供葡萄糖。成人腦每日大約需要120g葡萄糖，占人體每日對葡萄糖總需要量中（約為160g）的絕大部分。已知體液中的葡萄糖含量大約為20g，從糖原可隨時提供的葡萄糖大約為190g。因此機體在一般情況下，體內的葡萄糖能提供維持一天的葡萄糖，但是如果機體處于饑餓狀態，則必須由非糖物質轉化成葡萄糖以供急需。當機體處于劇烈運動時，也需要由非糖物質及時提供葡萄糖。機體除腦和紅細胞需直接提供葡萄糖外，腎髓質、睪丸、晶狀體等組織也主要利用葡萄糖提供能量。機體必須將血糖維持在一定水平，才能使這些器官及時得到葡萄糖供應。因此即使每日從攝食得到葡萄糖，并且體內有貯存的糖原，機體仍需要不斷地從非糖物質合成葡萄糖以保證不間斷地將葡萄糖提供給那些主要依賴葡萄糖為能源的組織。
糖異生作用并不是糖酵解作用的直接逆反應。雖然葡萄糖可由丙酮酸生成，其所經歷的途徑絕大部分是糖酵解過程的逆反應，但并不完全是糖酵解過程的逆反應。我們知道，在糖酵解過程中有三步反應是不可逆的，即由己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反應是不可逆的。糖異生作用要利用糖酵解過程的可逆反應步驟必須對上述3個不可逆反應過程采取迂回措施繞道而行。糖異生對糖酵解的不可逆過程采取的迂回過程包括三個步驟。
1、丙酮酸通過羧化為草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸：此過程首先由丙酮酸羧化酶催化，使丙酮酸加上一個羧基成為4碳單位的草酰乙酸，然后草酰乙酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶作用下形成磷酸烯醇式丙酮酸。這個過程是耗能反應，其中第一步反應消耗1個ATP，第2步反應消耗1個GTP。
2、1，6-二磷酸果糖在1，6-二磷酸果糖酶作用下，水解斷開C1位的磷酸酯鍵，形成6-磷酸果糖。這是一步放能反應。
3、6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖酶作用下水解掉最后一個磷酸酯鍵，產生葡萄糖。這也是一步放能反應。
為便于理解糖異生和糖酵解的聯系，用糖酵解途徑的次序和相反的箭頭方向相對比。肝、腸、腎中都含有6-磷酸葡萄糖酶，所以這些器官的6-磷酸葡萄糖都能水解產生葡萄糖釋放入血，這對維持血糖濃度的平衡起著重要的作用。腦和肌肉中缺乏糖異生的酶系，因此這些器官不能進行糖異生。在肝臟中，糖異生的主要原料是骨骼肌活動的產物乳酸和丙酮酸。當肌肉緊張活動時形成的乳酸隨血流進入肝臟加工。這有利于減輕肌肉的繁重負擔。
在糖異生過程中，總共消耗4分子ATP和2分子GTP才能使2分子丙酮酸形成1分子葡萄糖，而糖酵解過程凈產生的ATP只有2個。額外消耗的4個高能磷酸鍵即用于將不可能逆行進行的過程變為可以通行的反應。這種顯然不怎么劃算的糖異生的能量消耗從一個側面說明了血糖濃度對中樞神經系統的重要性。
在激烈運動時，糖酵解作用產生NADH的速度超出通過氧化呼吸鏈再生成NAD+的能力。這時肌肉中酵解過程形成的丙酮酸由乳酸脫氫酶催化轉變為乳酸以使NAD+再生，這使糖酵解作用可以繼續提供ATP。乳酸屬于代謝的一種終產物，除了再轉變為丙酮酸外，別無其他去路。肌肉細胞內的乳酸擴散到血液并隨著血流進入肝臟細胞，在肝臟細胞中通過糖異生途徑轉變為葡萄糖，又回到血液隨血流供應肌肉和腦對葡萄糖的需要。這個循環過程稱為【乳酸循環】。 糖異生的最主要器官是肝臟，其次是腎臟。糖異生的意義在于維持血糖濃度的恒定、補充肝糖原。
脂肪是人及其他動物的主要能量貯存形式，脂類是所有營養物質中單位質量具有最多能量的化合物（38kJ或9.0cal/g），用它們來貯存能量是最有利的。我們把貯存的脂肪稱為貯脂（depot fat）或脂肪組織（adipose tissue）。來自膳食的脂肪必得先轉化為貯存脂肪。脂肪的貯存和運送是相互聯系的過程。當需要脂肪分解代謝提供ATP形式的能量時，脂肪酸自脂肪組織轉移到肝臟以便分解。我們把脂肪倉庫中貯存的脂肪釋出游離脂肪酸，并轉移到肝臟的過程稱為脂肪動員（mobilization）。這個過程需要酶的作用。釋出的游離脂肪酸在線粒體中進行分解代謝，甘油則在細胞漿中降解。脂肪酸一旦從脂肪細胞中游離釋出，它們就滲透穿過膜，與血清蛋白結合，運送到各種組織。
一、脂肪合成與動員
脂肪合成的直接原料是脂肪酰CoA和α-磷酸甘油，它們是脂肪酸和甘油的活化產物。脂肪酰CoA可由脂肪酸活化產生，脂肪酸的合成原料是乙酰CoA，能量由ATP提供，還原劑是NADPH。α-磷酸甘油可由甘油活化產生或由糖代謝產生的磷酸二羥丙酮還原得到。
（一）脂肪酸的合成
1、乙酰CoA的作用：當有機體需要自膳食獲取能量以貯存時，脂肪酸合成就會發生。合成在細胞漿中進行，包括脂肪酸鏈自乙酰CoA獲得兩個碳原子單元，從而增長鏈長的步驟。隨后在需要時，脂肪酸與甘油分子結合成貯脂。在前一章中，脂肪酸降解的步驟是氧化移去兩個碳原子單位（乙酰CoA）的過程，不難設想脂肪酸合成或許是降解反應簡單的逆反應而已。但是實際情況卻不是這樣。脂肪酸氧化和降解通過不同的途徑，使用不同的酶，發生場所也是在細胞的不同部位，而且合成脂肪時有一個重要的三碳單元中間體即丙二酸單酰CoA，參與脂肪酸的合成，它與脂肪酸降解完全無關。我們知道，乙酰CoA產生在線粒體中。乙酰CoA必須先從線粒體中轉移到細胞漿中，才能參與脂肪酸的合成。然而線粒體內膜對乙酰CoA是不可通透的。乙酰CoA通過三羧酸轉運體系的穿梭機制進入細胞漿。
2、丙二酸單酰CoA的形成：脂肪酸合成起始于乙酰CoA轉化成丙二酸單酰CoA。這步反應是在乙酰CoA羧化酶作用下實現的，羧化酶反應構成脂肪酸合成的重要步驟，是脂肪酸合成的限速酶。乙酰CoA羧化酶是3個蛋白（生物素羧基載體蛋白BCCP、生物素羧化酶和羧基轉移酶）的復合體。
3、由脂肪酸合酶催化的各步反應：在動物體中，脂肪酸合酶復合體包含有7種酶活性和一個酰基載體蛋白（acyl arrieer protein，ACP），所有這些酶全部定位于單一的多功能多肽鏈。動物體的脂肪酸合成包含4個階段反應：啟動、裝載、C鏈延長和釋放。其中C鏈的延長依賴7次縮合、還原、脫水、還原4步反應的循環，最后形成16碳的軟脂酰-ACP，然后水解釋放出軟脂酸
4、軟脂酸C鏈的延長和不飽和脂肪酸的形成：軟脂酸可以通過脂肪酸β-氧化的逆過程加長C鏈以形成更長C鏈的脂肪酸（硬脂酸、花生酸等）。通過β-氧化可使C鏈縮短。動物體具有在C-9位及以下碳位引進雙鍵的去飽和酶，因此可以由軟脂酸生成棕櫚油酸[C16，Δ9]，由硬脂酸生成油酸[C18，Δ9]等。但動物體缺乏在C-9位以上位置引入雙鍵的酶，因此動物體需要的其他不飽和脂肪酸只能由食物提供。人體不能合成的必需脂肪酸為亞油酸[C18，Δ9，10]、亞麻酸[C18，Δ8，9，12]、花生四烯酸[C20，Δ5，8，11，14]。
（二）脂肪及磷脂的合成
在細胞中游離脂肪酸的含量不高，絕大多數脂肪酸以酯化成三脂酰甘油（脂肪）或磷酸甘油酯的形式存在著。這兩種復合脂質的合成主要發生在肝細胞的內質網。前已述及，脂肪合成的直接原料是脂肪酰CoA和α-磷酸甘油（3-磷酸甘油），脂肪酰CoA由脂肪酸活化產生，α-磷酸甘油由甘油活化產生或糖酵解的中間產物磷酸二羥丙酮還原生成。活化的3-磷酸甘油與2分子脂酰CoA先合成為磷脂酸（3-磷酸甘油二酯）。
合成脂肪的原料脂肪酸和甘油都可以從糖代謝得到（乙酰CoA、磷酸二羥丙酮、NADPH、NADH、ATP），所以體內多余的糖分能很順利地轉化合成脂肪以貯存能量。合成脂肪的主要組織器官是肝、脂肪組織和小腸，以肝的合成能力最強。肝能合成脂肪，但不能貯存脂肪。脂肪在肝臟合成后與載脂蛋白、磷脂及膽固醇結合生成極低密度脂蛋白（VLDL），由肝細胞分泌入血而運輸至肝外組織。如果肝細胞合成的脂肪因營養不良、中毒、必須脂肪酸缺乏、膽堿缺乏或蛋白質缺乏不能形成VLDL分泌入血時，則凝集在肝細胞漿內，形成脂肪肝。脂肪組織可以大量貯存脂肪，是機體合成及貯存脂肪的倉庫；機體需要能量時，儲脂分解釋出游離脂肪酸及甘油入血，以滿足心、骨骼肌、肝、腎等的需要。因此脂肪組織在脂肪代謝上具有重要地位。小腸粘膜細胞則主要利用脂肪消化產物再合成脂肪，以乳糜微粒的形式經淋巴進入血液循環。
二、脂類物質的轉運（血漿脂蛋白）
脂類物質是不親水的，在水中呈乳濁液。而正常人血漿含脂類雖多，卻仍呈透明，說明血脂在血漿中不是以自由狀態存在，而是與血漿中的蛋白質結合，以脂蛋白（lipoprotein）的形式而運輸。血脂（疏水）+載脂蛋白（親水）→血漿脂蛋白（親水）。
（一）血脂
即血漿中的脂類物質。包括三脂酰甘油、磷脂、膽固醇及其酯、游離脂肪酸等。磷脂主要有卵磷脂（70%）、神經鞘磷脂（20%）、腦磷脂（10%）。血脂的來源有二：一為外源性，從食物攝取進入血漿；二是內源性，由肝、脂肪細胞以及其他組織合成后釋放入血。血脂的含量不如血糖穩定，受膳食、年齡、性別、職業以及代謝等的影響，波動范圍較大。
（二）血脂蛋白的種類
利用電泳法分離血漿脂蛋白，可將其分為α、前β、β及乳糜微粒（CM）四類；利用超速離心法（密度分類法）可將其分為高密度脂蛋白（HDL）、低密度脂蛋白（LDL）、極低密度脂蛋白（VLDL）和乳糜微粒（CM）四類。
（三）血漿脂蛋白的結構
血漿脂蛋白都是球狀顆粒，由一個疏水脂（三酯酰甘油和膽固醇酯）組成的核心和一個極性脂（磷脂和游離膽固醇）與載脂蛋白參與的外殼層（單分子層）構成。極性脂的定向是，以其極性頭面向外部的水相。外殼層將內部的疏水脂與外部的溶劑水隔離。載脂蛋白常富含疏水氨基酸殘基，構成兩親的α螺旋區，一方面（疏水區）可以與脂質很好地結合，另一方面（親水區）可以與溶劑水相互作用。載脂蛋白的主要作用是作為疏水脂的增溶劑和作為脂蛋白受體的識別信號。載脂蛋白主要在肝和腸中合成并分泌。
（四）血漿脂蛋白的功能
乳糜微粒是由小腸上皮細胞合成的。其核心是三酯酰甘油，它占乳糜微粒重量的85%~95%，因此它是密度最小的脂蛋白。乳糜微粒的主要功能是從小腸轉運三酯酰甘油、膽固醇及其他脂質到血漿和其他組織。乳糜微粒的三酯酰甘油被位于肌肉和脂肪組織的毛細血管內壁上的脂蛋白脂酶（lipoprotein lipase）所水解，水解產物脂肪酸被這些組織用做燃料和合成脂肪的前體。富含膽固醇的殘留物，稱殘留乳糜微粒，它被肝所吸收。
VLDL在肝細胞的內質網中合成。VLDL的功能是從肝臟運載內源性（肝所需之外的多余部分）三酯酰甘油和膽固醇到各靶組織。VLDL和乳糜微粒一樣被那里的毛細血管內壁上的脂酶水解。剩下的顆粒稱殘留VLDL（IDL），然后IDL轉化成LDL。
LDL是血液中膽固醇的主要載體。其核心約由1500個膽固醇酯分子組成。膽固醇酯中最常見的脂酰基是亞油酸。疏水核心外面包圍著磷脂和未酯化的膽固醇殼層和載脂蛋白。LDL的功能是轉運膽固醇到外圍組織，并調節這些部位的膽固醇從頭合成。
HDL的前體被稱為新生HDL，在肝臟中合成，扁圓形，含磷脂和膽固醇，三酯酰甘油很少。分泌后，不斷收集從死細胞、進行更新的膜、降解的乳糜微粒和VLDL釋放到血漿中的膽固醇、磷脂、三酯酰甘油以及載脂蛋白，形狀逐漸改變為球形。HDL主要在肝降解。成熟的HDL可能與肝細胞的HDL受體結合，然后被肝細胞攝取，其中的膽固醇可用以合成膽汁酸或直接通過膽汁排出體外。
臟器或組織對各種能源物質利用的選擇性和利用量取決于多種因素，主要包括：①臟器的解剖特點。如腦有血腦屏障，使體積較大的分子如脂肪酸不能透過利用；而肝有門靜脈系統，使腸道吸收的營養物質和大網膜脂肪動員出來的脂肪酸首先進入肝臟而優先利用。②組織細胞中有關能源代謝的酶系。如成熟紅細胞沒有線粒體，缺乏三羧酸循環酶系和脂肪酸β-氧化酶系，故只能進行糖酵解和磷酸戊糖途徑，而不能利用脂肪酸和氨基酸；而肝臟具有豐富的醇脫氫酶、果糖激酶和半乳糖激酶，所以能氧化乙醇，并能利用果糖和半乳糖。③組織細胞中能源的貯存情況。如肌肉能貯存較多的糖原，可利用糖原為能源，而腦組織則相反，糖原的貯存和利用很少，主要依賴于血糖和酮體供能。
（一）不同組織的能源
就大多數組織而言，主要的能源物質是葡萄糖或脂肪酸。
以葡萄糖為主要能源物質的組織有：成熟紅細胞、白細胞、血小板、骨髓、腎髓質，周圍神經、腦、視網膜、小腸黏膜、睪丸、肺、皮膚、某些胎兒組織和惡性腫瘤。運動早期的骨骼肌主要利用葡萄糖，但運動開始時則主要利用糖原。
以脂肪酸為主要能源物質的有：肝臟、腎皮質、心肌和骨骼肌（休息狀態和運動后期）。
腎皮質、心肌、骨骼肌和腦等組織的轉硫酶活性較強，能氧化酮體。肝臟和腎皮質的甘油激酶活性較強，能利用甘油進行糖異生、轉變為脂肪和直接氧化供能。心肌、腎皮質、肝臟和睪丸組織的丙酮酸脫氫酶系的活性較強，所以能較多地利用乳酸（乳酸的利用與乳酸脫氫酶關系較少，主要取決于丙酮酸脫氫酶系）。乳酸在肝臟中主要作為糖異生的原料。
（二）能源利用的方式
能源物質的有氧分解和無氧分解是體內供能的兩條途徑，前者包括糖、脂肪、氨基酸的有氧氧化，后者一般指糖酵解。不同組織有氧氧化和糖酵解供能的差異取決于組織細胞的氧氣供應情況和能源物質代謝酶系的差異。一般說來，有氧氧化與血流量和氧耗量成正比。
肝、腦、腎、心重量只占體重的5%左右，血流量（ml/m）占全身的62.4%，氧耗量（ml/m）占62.8%，所以，這些器官是機體在休息狀態時主要的有氧氧化場所。骨骼肌重量占體重的50%左右，血流量（ml/m）占全身的12%，氧耗量（ml/m）占全身的18%，也就是說，骨骼肌在休息狀態時能量的需求并不高，主要以有氧氧化為主，但肌肉運動時將旺盛地進行糖酵解。體內主要以糖酵解供能的組織為視網膜、紅細胞、血小板、皮膚、腎乳頭、骨髓、白細胞、胚胎組織、惡性腫瘤。就總量而言，骨骼肌和紅細胞是產生乳酸的主要組織。
1．腦
腦內的糖原含量很少（<2g），休息狀態時，血糖的2/3供應腦組織，1/3提供給紅細胞和骨骼肌等其他組織。所以腦組織對血糖的濃度最為敏感，低血糖使腦的耗氧量明顯下降，并導致昏迷，而對其他組織活動影響很少。由于血腦屏障的存在，腦很難利用脂肪酸和血中的氨基酸，但腦中有高活性的轉硫酶，故在禁食、低血糖和高脂飲食時，酮體成為腦組織的主要能源物質。腦組織氧耗量占全身的20~30%，故其能源以有氧氧化為主。但新生動物的腦組織則以糖酵解為主，可耐受數十分鐘的缺氧。出生后，有關三羧酸循環酶系的活性迅速提高，繼而轉向以有氧氧化為主。成年腦中，氧耗量灰質大于白質，越高級的區域，氧耗量越大。
2．心肌
心肌的能源物質最主要的是脂肪酸，其次是糖原、葡萄糖和乳酸。心肌氧化酮體的酶活性很強，是利用酮體的重要組織。心肌是線粒體最豐富的組織，以單位重量計算，其氧耗量占全身各組織之首位，因此在氧供應充足時，能源物質幾乎全部被完全氧化而不產生乳酸。心肌對脂肪酸等能源物質的高度利用效率，加上脂肪酸氧化時又可產生較多的能量，從而保證了心臟不斷跳動所需的能量供應。
3．肝臟
肝臟是代謝機能最復雜和最全面的器官，從腸道吸收的各種營養物質首先進入肝臟進行轉變，體內能源物質的轉運和互變也以肝臟為重要樞紐。肝臟攝取的物質大多不作為自身的能源，而作為向肝外組織輸出能源物質，如葡萄糖、脂肪和酮體等。肝臟有兩套血液供應，具有豐富的血竇，氧供十分充裕，故以有氧氧化為主，酵解作用很少，其能量的99%來自氧化代謝，僅1%來自酵解。肝臟很少利用乳酸、丙酮酸或成糖氨基酸為能源物質，這些化合物在肝臟中主要用來進行糖異生。肝臟還能氧化乙醇和乙酸。
4．腎臟
腎臟的血流量占心輸出量的20~25%，其中20~35%的血漿經腎小球濾過，而濾過液的98~99%被重吸收。重吸收是一個耗能過程，特別是Na+的吸收占腎臟轉運耗能的70%，腎臟的大部分能量消耗于重吸收。就單位重量而言，腎臟的氧耗僅次于心臟，機能活動極為旺盛，腎臟也能進行糖異生作用，可向其他組織供應部分能源。腎皮質的主要能源物質是脂肪酸，其次是乳酸、α-酮戊二酸和酮體，以有氧氧化為主；腎髓質主要能源物質是葡萄糖，其次是糖原和軟脂酸，以有氧氧化為主，酵解為輔。
5．骨骼肌
骨骼肌的重量占體重的50%左右，其能量的大部分用于肌纖維的收縮，而休止時能量則主要用于合成代謝或離子的轉運過程。脂肪酸和酮體是休止肌肉的主要能源，以有氧氧化為主，乳酸產生量很少，運動時主要的供能物質是糖原和血液中的葡萄糖，糖酵解顯著加強，產生大量乳酸。ATP是肌肉收縮最直接的供能物質，哺乳動物骨骼肌中ATP的濃度約為3~8mmol/kg，而磷酸肌酸約為20~30mmol/kg，平均為ATP的5倍。
（一）運動與體力勞動
不同強度的運動和體力勞動時能量的消耗是不同的。一般輕體力勞動（如掃地、駕車、打字等），其消耗的能量約為基礎代謝的1.5~2.5倍，走路（1.5km/h）約為4.4倍，重體力勞動（如鋸木、鏟土等）可至5倍以上，而負荷爬山（12m/m）的能量消耗則增至20倍左右。
在運動或勞動開始后不同時間的能源利用情況是不同的。
1. 運動早期
在運動開始后，肌糖原首先分解，但骨骼肌中的糖原僅1~2%，在較強的運動開始后不久，可利用的糖原在數分鐘內就很快消耗，此時主要由血糖供應能量。當輕度或中度運動量時，骨骼肌對糖原或血糖的分解仍以有氧氧化為主，但也有較多的乳酸產生，而當強運動時，可因相對缺氧而使乳酸的產生顯著增強，血中乳酸明顯增高。乳酸一部分在肝中重新生成葡萄糖再供給肌肉利用（乳酸循環）；另一部分乳酸則被心肌、腎臟等組織直接利用，這對節約能源有重要意義。與此同時，肌肉中的氨基酸氧化分解也加強，脫下的氨與丙酮酸合成為丙氨酸，血中丙氨酸濃度明顯增高。丙氨酸運輸至肝也經糖異生而合成葡萄糖，成為血糖的另一個重要來源（葡萄糖-丙氨酸循環）。丙氨酸既是糖異生的原料，又把氨從肌肉中運至肝臟合成尿素解毒。
2. 運動后期
在長時間運動的后期，可見血糖濃度逐漸降低，血中脂肪酸和甘油明顯增高，并繼以酮體濃度的上升，所以此時肌肉以脂肪酸為主要能源物質。脂肪酸除很小部分來自肌細胞的內源性脂肪，絕大部分來自脂肪動員。脂肪酸不但被運動的肌肉利用，也用于運動時心肌等組織的供能。脂肪酸和酮體即使在運動停止候仍可持續升高一段時間，特別是酮體，是運動晚期的重要能源物質。事實上，運動開始時，90%的ATP來自糖原，而運動后期，則80%的ATP來自脂肪（包括脂肪酸和酮體）。運動停止后，休息的骨骼肌氧化乳酸和酮體等能源的速度增加，加上其他組織的氧化利用，使血中的乳酸和酮體濃度逐漸降低。
運動員因經常鍛煉，其心臟和呼吸的機能可適應強運動時對氧供和能源物質的需要，糖原和血糖經有氧氧化分解的比例增高，故在運動中產生的乳酸和丙酮酸遠較未經鍛煉的非運動員為低。
（二）饑餓與禁食
在病理狀態（昏迷、食道和幽門梗阻等）或因治療需要的功能特殊情況，病人不能進食，此時若不能及時補充葡萄糖，則可造成饑餓狀態，使體內發生一系列的代謝改變。
1．短期饑餓 當斷食1~3天左右，可利用的肝糖原顯著減少，血糖趨向穩定，這可使胰島素分泌減少和胰高血糖素分泌增加，這兩種激素的不平衡引起體內一系列的代謝轉變。
①肌肉釋放氨基酸加速 激素的平衡失調使骨骼肌的蛋白質分解加強，釋出的氨基酸大部分轉變成丙氨酸和谷氨酰胺，然后進入血循環，成為饑餓時肌肉釋放的主要氨基酸。支鏈氨基酸（如纈氨酸、異亮氨酸）以及天冬氨酸和谷氨酸等是肌肉中丙氨酸和谷氨酰胺的重要來源。
②糖異生作用增強 胰高血糖素可以促進氨基酸的糖異生作用，加速肝臟攝取丙氨酸，并經丙氨酸合成葡萄糖（丙氨酸→丙酮酸→葡萄糖），而胰島素能抑制糖異生，饑餓使胰島素濃度下降，氨基酸特別是丙氨酸的糖異生作用明顯增速。雖然肌肉釋放丙氨酸增多，但血中丙氨酸濃度反見下降。同時，肌肉釋出的谷氨酰胺在尚無酸中毒的情況下，主要被腸粘膜攝取，并且也轉變成丙氨酸而由門靜脈進入肝臟，成為葡萄糖的另一重要來源。
肝臟是饑餓早期糖異生的主要場所，約占糖異生總量的80%，小部分（約20%）在腎皮質中進行。
③脂肪動員加強和酮體生成增多 激素的不平衡還可促進脂肪動員，使血漿中甘油和脂肪酸增高。其中甘油可以成糖，而脂肪酸則不但成為糖異生作用的能量來源，而且還能促進氨基酸、丙酮酸和乳酸的糖異生作用。因為脂肪酸的代謝中間物——乙酰CoA可激活糖異生有關的丙酮酸羧化酶，這是脂肪酸促進糖異生的另一個重要原因。
從脂肪組織釋出的大量脂肪酸中，約有1/4可在肝中轉變為酮體，饑餓時血漿酮體的水平可達吸收后狀態的數百倍。脂肪酸和酮體成為心肌、骨骼肌、腎皮質的重要燃料。一部分酮體也可被大腦利用。
④組織中葡萄糖的利用降低 由于心肌、骨骼肌、腎皮質等組織攝取和氧化脂肪酸和酮體增多，可減少對葡萄糖的攝取和利用，這對饑餓時保障中樞神經系統尤其是大腦的血糖供應是十分必要的。
總之，饑餓時的主要能源是貯存的脂肪和蛋白質，其中脂肪約占能量來源的85%以上。如此時輸入葡萄糖，不但可減少脂肪動員和酮體的生成，降低酸中毒的發生率，且可防止體內蛋白質的消耗。每輸入100g葡萄糖約可節省50g蛋白質，這對不能進食的消耗性疾病尤為重要，可防止呼吸肌衰弱和支氣管炎的發生。正常人24小時內由靜脈滴注350g葡萄糖后，其10%形成肝糖原，30~40%形成肌糖原，25%被氧化，而另25%可合成脂肪。
2．長期饑餓 如因特殊原因長期不能進食，體內能源代謝進一步發生變化，有下列幾方面有短期饑餓不同：
①脂肪動員進一步加強，在肝中大量生成酮體，腦組織利用的酮體明顯增多以至于超過葡萄糖的利用，可占總氧耗量的60%，這對減少氨基酸用于糖異生，從而減少蛋白質分解有一定意義。
②肌肉以脂肪酸代替酮體為燃料，以保證酮體優先供應腦組織。
③血中酮體增高可減少肌肉中支鏈氨基酸的分解，而支鏈氨基酸特別是亮氨酸在肌肉中增高，可促進蛋白質的合成，減少蛋白質的分解。此時肌肉釋放氨基酸減少，而乳酸和丙酮酸成為肝中糖異生的主要原料。
④腎臟的糖異生作用明顯增強，幾乎和肝臟相等。
⑤肌肉釋出的谷氨酰胺進入腸粘膜減少而被腎臟攝取增多，通過糖異生作用而促進合成葡萄糖。同時谷氨酰胺脫下的氨，可以氨排入腎小管腔，有利于促進氫離子的排泄，從而改善酮癥引起的酸中毒。
⑥長期饑餓對身體的嚴重影響主要是蛋白質的大量消耗和酮癥酸中毒。中等身材的人在有足夠水補充的前提下可耐受饑餓達一個月以上而不死亡，但由于氨基酸的消耗和酸中毒，體內代謝紊亂，身體嚴重消瘦直至“皮包骨頭”，意識異常。當體內脂肪消耗殆盡，蛋白質消耗到一臨界點后，生命可隨時終止。
（三）手術與創傷
外科手術，特別是大手術，是一種應激狀態，可引起多種激素的分泌增加，如疼痛和緊張可使腎上腺素和去甲腎上腺素分泌增加，使肝糖原和肌糖原迅速分解，約在手術后8~16小時，體內可利用的糖原幾乎全部分解。此時由于胰高血糖素和皮質醇分泌增多，促使肌蛋白分解和肝中糖異生作用加速，以不斷補充血糖，故在手術后可見蛋白質分解作用亢進，呈負氮平衡，和饑餓時的代謝情況極為相似。脂肪酸是手術后的主要能源物質。脂肪動員加速生成的脂肪酸一部分被組織氧化，一部分進入肝臟合成脂蛋白或酮體而輸出，然后再被外周組織利用。在大手術后1~2天，體內貯存脂的消耗量可達每天200g以上，較饑餓時更多。
創傷時的能源代謝基本上和手術后一樣。但因嚴重創傷時，病變區的毛細血管破壞，血漿中和白蛋白結合的脂肪酸不易流入損傷區域，而病變區的白細胞、成纖維細胞主要利用葡萄糖。在組織修復時期，新生的細胞也常以糖酵解為獲取能量的主要方式，故對血糖的消耗比較明顯，肝中糖異生速度和肌肉等組織蛋白以及血漿白蛋白的分解速度也就較一般的手術后情況更快，生成的氨基酸除消耗于糖異生作用外，尚可用于組織的修復。因此，嚴重燒傷或大手術后給予較大劑量胰島素、葡萄糖和氯化鉀溶液，對減少蛋白質分解、防止負氮平衡有很大好處。
