碳水化合物代謝的核心議題在於能量轉換的熱力學效率、多層次調控機制以及各代謝路徑間的整合。
糖解作用的熱力學與調控邏輯
糖解作用的整體 ΔG°' ≈ -74 kJ/mol，但這個數字掩蓋了各步驟間的巨大差異。十步反應中只有三步在生理條件下高度不可逆（大負 ΔG）——己糖激酶（ΔG ≈ -33 kJ/mol）、PFK-1（ΔG ≈ -22 kJ/mol）和丙酮酸激酶（ΔG ≈ -17 kJ/mol），其餘七步接近平衡。代謝調控集中在這三個不可逆步驟上，這是代謝調控的普遍原則。
PFK-1 的別構調控堪稱教科書級範例：ATP 作為底物也作為抑制劑（結合在別構位點降低 F6P 的親和力），AMP 解除抑制（反映細胞能量匱乏），檸檬酸增強 ATP 的抑制效果（反映下游充足），果糖-2,6-雙磷酸（F2,6BP）是最強的激活劑。F2,6BP 由雙功能酵素 PFK-2/FBPase-2 調控——胰島素促進 PFK-2 活性（升高 F2,6BP → 加速糖解），升糖素透過 PKA 磷酸化啟動 FBPase-2 活性（降低 F2,6BP → 減緩糖解）。
丙酮酸脫氫酶複合體（PDH Complex）
PDH 是三個酵素（E1: pyruvate dehydrogenase, E2: dihydrolipoyl transacetylase, E3: dihydrolipoyl dehydrogenase）和五個輔因子（TPP, lipoamide, CoA, FAD, NAD⁺）組成的巨大多酵素複合體。反應涉及氧化脫羧、醯基轉移和電子傳遞的偶合。PDH 受磷酸化（PDH kinase 抑制）/去磷酸化（PDH phosphatase 活化）調控，NADH/NAD⁺ 比值和 acetyl-CoA/CoA 比值是關鍵信號。
TCA 循環的雙重角色
TCA 循環不僅是分解代謝的終點，也是合成代謝的原料供應站（cataplerosis/anaplerosis）。α-酮戊二酸可轉胺生成麩胺酸，草醋酸可轉胺生成天冬胺酸或經 PEPCK 進入糖質新生，琥珀醯 CoA 是血基質合成的前驅物。丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）催化 pyruvate → OAA 的補充反應（anaplerotic reaction），被 acetyl-CoA 別構活化——當 acetyl-CoA 充足表示脂肪酸氧化活躍，需要補充 OAA 維持 TCA 循環運轉。
Peter Mitchell（1961）提出的化學滲透假說（chemiosmotic hypothesis, 1978 Nobel）指出，電子傳遞釋放的自由能用於建立跨內膜的質子動力（proton-motive force, Δp = ΔΨ - 2.3RT/F·ΔpH），而非直接合成 ATP。在哺乳動物粒線體中，Δp ≈ 180 mV（ΔΨ 貢獻約 140 mV，ΔpH 貢獻約 40 mV）。
ATP synthase（Complex V）是分子旋轉馬達——F₀ 亞基的 c-ring 受質子流驅動旋轉，帶動 F₁ 亞基的 γ 軸旋轉，依序改變三個 β 亞基的構象（open → loose → tight，Boyer 的 binding change mechanism, 1997 Nobel），每轉 360° 合成 3 個 ATP。哺乳動物 c-ring 有 8 個 c 亞基，因此合成 3 ATP 需要 8 個 H⁺ 通過，再加上 ATP/ADP translocase 消耗 1 H⁺，合計每 ATP 需要 ~2.7 H⁺。
P/O 比的現代修正
傳統 P/O 比（NADH = 3, FADH₂ = 2）已被修正為 NADH ≈ 2.5, FADH₂ ≈ 1.5，因此每分子葡萄糖的淨 ATP 產量為 ~30-32（而非傳統的 36-38），取決於 NADH 穿梭機制（malate-aspartate shuttle: 2.5 ATP/NADH vs. glycerol-3-phosphate shuttle: 1.5 ATP/NADH）。