代谢途径是细胞内发生的酶催化化学反应的序列。这些途径将底物转化为产物，产生能量，并合成细胞生长和维持所需的构建模块。

代谢途径的类型

分解代谢

分解代谢途径将大分子分解成小分子，释放能量。通过糖酵解 和柠檬酸循环 分解葡萄糖就是一个典型的例子。释放的能量以 ATP 和还原电子载体（如 NADH 和 FADH2）的形式捕获。

合成代谢

合成代谢途径利用能量从简单的分子构建复杂的分子。例子包括从氨基酸合成蛋白质、从核苷酸合成核酸以及从乙酰辅酶A合成脂肪酸。这些途径需要 ATP 的输入和 NADPH 的还原能量。

两栖途径

一些途径同时具有分解代谢和合成代谢功能。例如，柠檬酸循环氧化乙酰辅酶A以产生能量，同时还为氨基酸和核苷酸合成提供中间体。

代谢途径的主要特征

酶调节

通路受到严格调节以满足细胞的需求。关键酶通过反馈抑制、变构调节和共价修饰进行控制。途径的限速酶通常是第一个关键步骤。

区隔化

在真核细胞中，代谢途径通常划分在特定的细胞器中。糖酵解发生在细胞质中，柠檬酸循环发生在线粒体中，脂肪酸合成发生在细胞质中。这种分离允许独立监管。

能源货币

ATP 是细胞的通用能量货币。 NADH 和 FADH2 携带用于氧化磷酸化的电子，而 NADPH 为生物合成反应提供还原力。这些分子的平衡决定了细胞的代谢状态。

实用路径图谱和示踪剂研究

使用 KEGG Mapper (www.kegg.jp/kegg/mapper.html) 绘制代谢途径图 — 输入酶委员会编号或基因标识符列表，以可视化数据集中富集的途径。对于细菌，BioCyc 数据库提供基因组规模的通路图谱。对于 13C 标记底物的示踪研究，将细胞在含有 [U-13C] 葡萄糖 (25 mM) 或 [U-13C] 谷氨酰胺 (4 mM) 的培养基中培养 6-24 小时。通过吸取培养基并添加冰冷的 80% 甲醇来淬灭代谢。按照 TCA 循环分析所述提取极性代谢物，并通过 GC-MS 或 LC-MS 进行分析。关键标记模式：来自[U-13C]葡萄糖的M+3柠檬酸表明葡萄糖衍生的丙酮酸通过丙酮酸脱氢酶进入TCA循环； M+4 柠檬酸盐表示通过丙酮酸羧化酶（回补）进入。 M+2 与 M+3 琥珀酸的比率揭示了正向 TCA 循环与反向还原羧化途径的相对贡献。对于通过戊糖磷酸途径的通量，测量核糖 5-磷酸（来自 [1,2-13C] 葡萄糖的 M+5）的标记以及与 [6-13C] 葡萄糖相比从 [1-13C] 葡萄糖释放 13CO2 — C1 位置的较高速率表明 PPP 活性。使用通量平衡分析软件（例如 OpenFLUX、Metran）通过将标记数据拟合到中心碳代谢的化学计量模型来计算代谢通量。

实际应用

在一项胶质母细胞瘤肿瘤球中癌症代谢的研究中，[U-13C]葡萄糖示踪显示，65% 的 TCA 循环柠檬酸盐源自葡萄糖（M+2 标记），而 35% 来自谷氨酰胺（M+4 标记）。用 CB-839 抑制谷氨酰胺酶可将谷氨酰胺的贡献降低至 15%，证明代谢可塑性并确定谷氨酰胺成瘾癌症的潜在治疗脆弱性。