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更新時間: 2013-07-13

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代謝是生物體內所發生的用於維持生命的一系列有序的化學反應的總稱。這些反應進程使得生物體能夠生長和繁殖、保持它們的結構以及對外界環境做出反應。代謝通常被分為兩類:分解代謝可以對大的分子進行分解以獲得能量(如細胞呼吸);合成代謝則可以利用能量來合成細胞中的各個組分,如蛋白質和核酸等。代謝可以被認為是生物體不斷進行物質和能量交換的過程,一旦物質和能量的交換停止,生物體的結構和系統就會解體。

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輔酶三磷酸腺苷的結構

代謝是生物體內所發生的用於維持生命的一系列有序的化學反應的總稱。這些反應進程使得生物體能夠生長和繁殖、保持它們的結構以及對外界環境做出反應。代謝通常被分為兩類:分解代謝可以對大的分子進行分解以獲得能量(如細胞呼吸);合成代謝則可以利用能量來合成細胞中的各個組分,如蛋白質和核酸等。代謝可以被認為是生物體不斷進行物質和能量交換的過程,一旦物質和能量的交換停止,生物體的結構和系統就會解體。

代謝中的化學反應可以被歸納為代謝途徑,通過一系列酶的作用將一種化學物質轉化為另一種化學物質。酶對於代謝來說是至關重要的,因為它們的催化作用使得生物體可以進行熱力學上難以發生的反應。當外界環境發生變化或接受來自其他細胞的信號時,細胞也需要通過酶來實現對代謝途徑的調控,從而對這些變化和信號做出反應。

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一個生物體的代謝機制決定了哪些物質對於此生物體是有營養的,而哪些是有毒的。例如,一些原核生物利用硫化氫作為營養物質,但這種氣體對於動物來說卻是致命的。代謝速度,或者說代謝率,也影響了一個生物體對於食物的需求量。

代謝的一個很大的特點是:即使是差異巨大的不同物種,它們之間的基本代謝途徑也還是相似的。例如,羧酸,作為檸檬酸循環(又被稱為「三羧酸循環」)中的最為人們所知的中間產物,存在於所有的生物體中,無論是單細胞的細菌還是巨大的多細胞生物如大象。代謝中所存在的這樣的相似性很可能是由於相關代謝途徑的高效率以及這些途徑在進化史早期就出現而形成的結果。

1 代謝 -歷史

代謝桑托里奧
對於代謝的科學研究已經跨越了數個世紀,從早期對於動物整體代謝的研究一直到現代生物化學中對於單個代謝反應機制的探索。代謝的概念的出現可以追溯到13世紀,阿拉伯醫學家伊本·納菲斯(Ibn al-Nafis)提出「身體和它的各個部分是處於一個分解和接受營養的連續狀態,因此它們不可避免地一直發生著變化」。第一個關於人體代謝的實驗由義大利人桑托里奧·桑托里奧(Santorio Santorio)於1614年完成並發表在他的著作《醫學統計方法》(Ars de statica medecina)中。在書中,他描述了他如何在進食、睡覺、工作、性生活、齋戒、飲酒以及排泄等各項活動前後對自己的體重進行秤量;他發現大多數他所攝入的食物最終都通過他所稱的「無知覺排汗」被消耗掉了。

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在這些早期研究中,代謝進程的機制還沒有被揭示,人們普遍認為存在一種「活力」可以活化器官。到了19世紀,在對糖被酵母酵解為酒精的研究中,法國科學家路易斯·巴斯德總結出酵解過程是由酵母細胞內他稱為「酵素」的物質來催化的。他寫道:「酒精酵解是一種與生命以及酵母細胞的組織相關的,而與細胞的死亡和腐化無關的一種行為。」這一發現與弗里德里希·維勒在1828年發表的關於尿素的化學合成證明了細胞中發現的化學反應和有機物與其他化學無異,都遵循化學的基本原則。

20世紀初,酶首次被愛德華·比希納所發現,這一發現使得對代謝中化學反應的研究從對細胞的生物學研究中獨立出來,同時這也標誌著生物化學研究的開始。從20世紀初開始,人們對於生物化學的了解迅速增加。在現代生物化學家中,漢斯·克雷布斯是最多產的研究者之一,他對代謝的研究做出了重大的貢獻:他發現了尿素循環,隨後又與漢斯·科恩伯格(Hans Kornberg)合作發現了三羧酸循環和乙醛酸循環。現代生物化學研究受益於大量新技術的應用,諸如色譜分析、X射線晶體學、核磁共振、電子顯微學、同位素標記、質譜分析和分子動力學模擬等。這些技術使得研究者可以發現並具體分析細胞中與代謝途徑相關的分子。

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2 代謝 -關鍵的生化物質

3 代謝 -分解代謝

分解代謝(又稱為異化作用)是一系列裂解大分子的反應過程的總稱,包括裂解和氧化食物分子。分解代謝反應的目的是為合成代謝反應提供所需的能量和反應物。分解代謝的機制在生物體中不盡相同,如有機營養菌分解有機分子來獲得能量,而無機營養菌利用無機物作為能量來源,光能利用菌則能夠吸收陽光並轉化為可利用的化學能。然而,所有這些代謝形式都需要氧化還原反應的參與,反應主要是將電子從還原性的供體分子(如有機分子、水、氨、硫化氫、亞鐵離子等)轉移到受體分子(如氧氣、硝酸鹽、硫酸鹽等)。在動物中,這些反應還包括將複雜的有機分子分解為簡單分子(如二氧化碳和水)。在光合生物(如植物和藍藻)中,這些電子轉移反應並不釋放能量,而是用作儲存所吸收光能的一種方式。

動物中最普遍的分解代謝反應可以被分為三個主要步驟:首先,大分子有機化合物,如蛋白質、多糖或脂類被消化分解為小分子組分;然後,這些小分子被細胞攝入並被轉化為更小的分子,通常為乙醯輔酶A,此過程中會釋放出部分能量;最後,輔酶A上的乙醯基團通過檸檬酸循環和電子傳遞鏈被氧化為水和二氧化碳,並釋放出能量,這些能量可以通過將煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)還原為NADH而以化學能的形式被儲存起來。

4 代謝 -消化

澱粉、蛋白質和纖維素等大分子多聚體不能很快被細胞所吸收,需要先被分解為小分子單體然後才能被用於細胞代謝。有多種消化性酶能夠降解這些多聚體,如蛋白酶可以將但蛋白質降解為多肽片斷或氨基酸,糖苷水解酶可以將多糖分解為單糖。

微生物只是簡單地分泌消化性酶到周圍環境中,而動物則只能由其消化系統中的特定細胞來分泌這些酶。由這些位於細胞外的酶分解獲得的氨基酸或單糖接著通過主動運輸蛋白被運送到細胞內。

代謝

5 代謝 -來自有機物的能量

糖類的分解代謝即是將糖鏈分解為更小的單位。通常一旦糖鏈被分解為單糖后就可以被細胞所吸收。進入細胞內的糖,如葡萄糖和果糖,就會通過糖酵解途徑被轉化為丙酮酸鹽併產生部分的ATP。丙酮酸鹽是多個代謝途徑的中間物,但其大部分會被轉化為乙醯輔酶A並進入檸檬酸循環。雖然檸檬酸循環能夠產生ATP,但其最重要的產物是NADH——由乙醯輔酶A被氧化來提供電子並由NAD生成,同時釋放出無用的二氧化碳。在無氧條件下,糖酵解過程會生成乳酸鹽,即由乳酸脫氫酶將丙酮酸鹽轉化為乳酸鹽,同時將NADH又氧化為NAD+,使得NAD可以被循環利用於糖酵解中。另一中降解葡萄糖的途徑是磷酸戊糖途徑,該途徑可以將輔酶煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)還原為NADPH,並生成戊糖,如核糖(合成核苷酸的重要組分)。

脂肪是通過水解作用分解為脂肪酸和甘油。甘油可以進入糖酵解途徑,通過β-氧化被分解並釋放出乙醯輔酶A,而乙醯輔酶A如上所述進入檸檬酸循環。脂肪酸同樣通過氧化被分解;在氧化過程中脂肪酸可以釋放出比糖類更多的能量,這是因為糖類結構的含氧比例較高。

氨基酸既可以被用於合成蛋白質或其他生物分子,又可以被氧化為尿素和二氧化碳以提供能量。氧化的第一步是由轉氨酶將氨基酸上的氨基除去,氨基隨後被送入尿素循環,而留下的脫去氨基的碳骨架以酮酸的形式存在。有多種酮酸(如α-酮戊二酸,由脫去氨基的谷氨酸所形成)是檸檬酸循環的中間物。此外,生糖氨基酸(glucogenic amino acid)能夠通過糖異生作用被轉化為葡萄糖(具體內容見下文)。

6 代謝 -能量轉換

7 代謝 -合成代謝

8 代謝 -異型生物質代謝和氧化還原代謝

所有的生物體如果持續攝入非食物類物質而沒有相應的代謝途徑,這些物質就會在細胞中積累並造成危害。這些存在於機體內可能造成損害的物質被稱為異型生物質(xenobiotic)。[異型生物質包括合成藥物、天然毒藥和抗生素,所幸的是它們可以在一系列異型生物質代謝酶的作用下被去毒化。在人體中,細胞色素-P450氧化酶、尿苷二磷酸葡醛酸轉移酶(UDP-glucuronosyltransferases)]和谷胱苷肽轉移酶(glutathione S-transferase)]都屬於這類酶。這一酶系統的功能發揮有三個階段:首先氧化異型生物質,然後在該物質分子上連接一個水溶性基團,最後修飾過的含水溶性基團的異型生物質被運出細胞(在多細胞生物體中,還可以被進一步代謝並被排出體外)。在生態學中,這些反應對於污染物的微生物降解和污染土壤(特別是石油污染)的生物修復具有極為重要的作用。許多這樣的微生物反應在多細胞生物體中也同樣存在,但由於微生物種類的多樣性使得它們能夠代謝的物質比多細胞生物體要廣泛的多,它們甚至可以降解包括有機氯在內的持久性有機污染物。[

在需氧生物中還存在氧化應激的問題。其中,需要對包括氧化磷酸化和蛋白質摺疊中二硫鍵形成所產生的活性氧(如過氧化氫)進行處理。[這些能夠損害機體的氧化活性物質由抗氧化代謝物(如谷胱甘肽)和相關酶(如過氧化氫酶和辣根過氧化物酶)來清除。[

9 代謝 -生物體的熱力學

生物體也必須遵守熱力學定律(描述功和熱之間的轉移關係)。熱力學第二定律指出,在任何封閉系統中,熵值總是趨向於增加。雖然生物體的高度複雜性看起來似乎與這一定律相反,但生物體實際上是開放系統,能夠與周圍環境進行物質和能量交換;因此,生命系統不是處於平衡之中,而是表現為耗散結構來維持它們的高度複雜性,同時增加周圍環境的熵值。[細胞中的代謝則是通過將分解代謝的自發過程和合成代謝的非自發過程偶聯來達到保持複雜性的目的。用熱力學來解釋,代謝實際上就是通過製造無序來保持有序。[

10 代謝 -調控機制

由於生物體的外界環境處於不斷的變化之中,因此代謝反應必須能夠被精確的調控,以保持細胞內各組分的穩定,即體內平衡。[代謝調控也使得生物體能夠對外界信號產生反饋並能夠與其周圍環境進行互動。其中,兩個緊密聯繫的概念對於了解代謝途徑的調控機制非常重要:其一,一個酶在代謝途徑中的調節就是它的酶活性是如何根據信號來增加或降低的;其二,由這個酶所施加的控制即是它的活性的變化對於代謝途徑整體速率(途徑的通量)的影響。]例如,一個酶可以在活性上發生很大的變化(比如被高度調控),但如果這些變化對於其所在的代謝途徑的通量基本沒有影響,那麼這個酶就不能夠對於這一途徑發揮控制作用

代謝

代謝調控可分為多個層次。在自身調節中,代謝途徑可以自調節以對底物或產物水平的變化做出反應;例如,產物量降低可以引起途徑通量的增加,從而使產物量得到補償。這種類型的調節包含對於途徑中多個酶的活性的變構調節。多細胞生物中,細胞在接收到來自其他細胞的信號後作出反應來改變它的代謝情況,而這就屬於外部調控。這些信號通常是通過可溶性分子(「信使」)來傳遞的,如激素和生長因子,它們能夠特異性地與細胞表面特定的受體分子結合。在與受體結合之後,信號就會通過第二信使系統被傳遞到細胞內部,此過程中通常含有蛋白質的磷酸化。

由胰島素調節的葡萄糖代謝是一個研究得比較透徹的外部調控的例子。[機體合成胰島素是用於對血液中葡萄糖水平的升高做出反應。胰島素與細胞表面的胰島素受體結合,然後激活一系列蛋白激酶級聯反應,使細胞能夠攝入葡萄糖並將其轉化為能量儲存分子,如脂肪酸和糖原。糖原的代謝是由磷酸化酶和糖原合成酶來控制的,前者可以降解糖原,而後者可以合成糖原。這些酶是相互調控的:磷酸化作用可以抑製糖原合成酶的活性,卻激活磷酸化酶的活性。胰島素通過激活蛋白磷酸酶而降低酶的磷酸化,從而使糖原得以合成。

11 代謝 -進化

代謝
進化樹顯示所有來自生物三域中的生物體有著共同的祖先。細菌顯示為藍色,真核生物顯示為紅色,而古菌顯示為綠色。一些生物門的相對位置也都在進化樹周圍標示出來

如前所述,代謝的中心途徑,如糖酵解和三羧酸循環,存在於三域中的所有生物體中,也曾存在於「最後的共同祖先」中。[共同祖先細胞是原核生物,並且很可能是一種具有廣泛的氨基酸、糖類和脂類代謝的產甲烷菌。這些古老的代謝途徑之所以沒有進一步進化,其原因可能是途徑中的反應對於特定的代謝問題已經是一個優化的解決辦法,可以以很少的步驟達而到很高的效率。第一個基於酶的代謝途徑(現在可能已經成為嘌呤核苷酸代謝中的一部分)和之前的代謝途徑是原始的RNA世界的組成部分。

研究者們提出了多種模型來描述新的代謝途徑是如何進化而來的:如添加新的酶到一個較短的原始途徑,或是複製而後分化整個途徑,並將已存在的酶和它們的複合體帶入新的反應途徑中。[這些進化機制中,哪一種更為重要目前還不清楚,但基因組研究顯示在同一個途徑中的酶可能具有一個共同「祖先」,這就提示許多途徑是通過一步接一步的演化方式利用已存在的反應步驟來獲得新的功能。[另一種較為合理的模型來自於對代謝網路中蛋白質結構的演化研究,其結果提示酶具有普適性,同樣的酶能夠在不同的代謝途徑中被利用併發揮相似的作用。[這些利用的進程就導致進化,酶在途徑中以類似於馬賽克排列的方式進行拼接。]第三種可能性是代謝中的一些部分可以以「模塊」的方式存在,而模塊可以被用於不同的途徑並對不同的分子執行相似的功能。[

在進化出新的代謝途徑的同時,進化也可能造成代謝功能的降低或喪失。例如,一些寄生物失去了對於生存非關鍵的代謝進程,代之以直接從宿主體內獲取氨基酸、核苷酸和糖類。類似的代謝能力退化的現象在一些內共生生物體中也被觀察到。

12 代謝 -相關的研究分析

擬南芥(Arabidopsisthaliana)中三羧酸循環的代謝網路。酶和代謝物用紅色方塊來表示,它們之間的相互作用用黑線來表示。
代謝的經典研究方法是還原法,即對單個代謝途徑進行研究。放射性示蹤是一個非常有用的研究手段,它通過定位放射性標記的中間物和產物來追蹤代謝過程,從而可以在整個生物體、組織或細胞等不同水平上對代謝進行研究。隨後,對催化這些化學反應的酶進行純化,並鑒定它們的動力學性質和對應的抑製劑。另一種研究方法是在一個細胞或組織中鑒定代謝相關的小分子,其中所有的這些小分子被稱為一個代謝組(Metabolome)。綜上,這些研究給出了單個代謝途徑的組成結構和功能;但這些方法卻無法有效應用於更為複雜的系統,如一個完整細胞中的所有代謝。

細胞中代謝網路(含有數千種不同的酶)的複雜性由右圖(圖中僅僅只含有43個蛋白質和40個代謝物之間的相互作用)可知是極高的。但現在,利用基因組數據來構建完整的代謝化學反應網路並生成更整體化的數學模型來解釋和預測各種代謝行為已經成為可能。特別是將從經典研究方法中所獲得的代謝途徑和代謝物的數據以及從蛋白質組學和DNA微陣列研究中獲得的數據整合到這些數學模型中,則可以極大地完善這些模型。利用所有這些技術,一個人體代謝模型已經被提出,這一模型將對未來的藥物和生物化學研究提供指導。

代謝信息的一項主要的技術應用是代謝工程。在代謝工程中,諸如酵母、植物和細菌等生物體被遺傳工程改造為生物技術中的高效工具,用於包括抗生素在內的藥物或工業用化學品(如1,3-丙二醇和莽草酸)的生產。[[這些改造通常有助於降低產物合成中的能量消耗,增加產量和減少廢物的產生。[

13 代謝 - 

14 代謝 - 

15 代謝 -延伸閱讀

入門級

  • (英文)Rose, S.andMileusnic, R.,The Chemistry of Life. (Penguin Press Science, 1999), ISBN 0-14027-273-9
  • (英文)Schneider, E. D.andSagan, D.,Into the Cool: Energy Flow, thermodynamics, and Life. (University Of Chicago Press, 2005), ISBN 0-22673-936-8
  • (英文)Lane, N.,Oxygen: The Molecule that Made the World. (Oxford University Press, USA, 2004), ISBN 0-19860-783-0

進階級

  • (中文)王希成(2005年).《生物化學》.清華大學出版社.ISBN 7302117489. 
  • (英文)Price, N.andStevens, L.,Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins. (Oxford University Press, 1999), ISBN 0-19850-229-X
  • (英文)Berg, J.Tymoczko, J.andStryer, L.,Biochemistry. (W. H. Freeman and Company, 2002), ISBN 0-71674-955-6
  • (英文)Cox, M.andNelson, D. L.,Lehninger Principles of Biochemistry. (Palgrave Macmillan, 2004), ISBN 0-71674-339-6
  • (英文)Brock, T. D.Madigan, M. T.Martinko, J.andParker J.,Brock's Biology of Microorganisms. (Benjamin Cummings, 2002), ISBN 0-13066-271-2
  • (英文)Da Silva, J.J.R.F.andWilliams, R. J. P.,The Biological Chemistry of the Elements: The Inorganic Chemistry of Life. (Clarendon Press, 1991), ISBN 0-19855-598-9
  • (英文)Nicholls, D. G.andFerguson, S. J.,Bioenergetics. (Academic Press Inc., 2002), ISBN 0-12518-121-3

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