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人体的能量代谢系统是维持生命活动的核心机制。ATP，即三磷酸腺苷，是细胞中最重要的能量货币。它由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基团组成。当ATP水解时，会断裂高能磷酸键，释放出大量能量，转化为ADP和无机磷酸，为细胞的各种生化反应提供动力。
三大营养素通过不同的代谢途径为人体提供能量。糖类通过糖酵解途径分解为丙酮酸，产生ATP和NADH。脂肪酸通过β氧化过程逐步分解，产生大量的乙酰辅酶A。蛋白质首先脱氨基形成氨基酸，然后可以转化为糖类或脂肪进行代谢。这些分解产物最终都会进入共同的代谢途径，高效产生ATP为细胞提供能量。
柠檬酸循环是细胞呼吸的核心环节，也称为三羧酸循环。乙酰辅酶A进入循环后，经过八个连续的酶催化反应，逐步氧化分解。在这个过程中，每轮循环产生三个NADH分子、一个FADH2分子和一个GTP分子，同时释放两个二氧化碳分子。这些载体分子将为下一步的电子传递链提供电子，实现高效的ATP合成。
电子传递链位于线粒体内膜上，由四个蛋白质复合体组成。NADH和FADH2提供的电子依次通过复合体一、三、四，在传递过程中释放的能量用于将质子从基质泵入膜间隙，形成质子梯度。这个电化学梯度驱动ATP合酶旋转，将ADP和无机磷酸结合生成ATP。这个过程称为氧化磷酸化，是细胞产生ATP最高效的方式。
人体能量代谢受到精密的调节机制控制。在酶水平上，通过变构调节和共价修饰调节酶活性。在激素水平上，胰岛素促进葡萄糖合成和储存，胰高血糖素促进糖原分解和糖异生，肾上腺素在应激状态下快速动员能量。反馈调节机制确保代谢平衡，根据细胞能量需求和营养状态，灵活切换合成代谢和分解代谢途径，维持机体能量稳态。