代谢

基本释义

基本信息

词目：代谢　　英文：(v.) metabolize; (n.) metabolism　　拼音：dài xiè

基本解释

[动]交替，更替：四时~|新陈~

详细解释

1. 指新旧更迭，交替。　　《文子·自然》：“﹝道﹞轮转无穷，象日月之运行，若春秋之代谢。”　　《文选·干宝<晋纪论晋武帝革命>》：“帝王之兴，必俟天命，苟有代谢，非人事也。”　　李善 注：“《淮南子》曰：‘二者代谢舛驰。’高诱曰：‘代，更也；谢，次也。’”　　唐·孟浩然 《与诸子登岘山》诗：“人事有代谢，往来成古今。” 　　林如稷 《将过去》一：“离 上海 一月，暮春时来的，而今，已是夏的初令，转眼炎威季，四时正在淹忽的代谢呢。”　　

2. 【生物】“新陈代谢”的简称。为生物体内发生的所有化学反应的总称，包括物质代谢和能量代谢两个方面的内容。

基本简介

代谢是生物体维持生命的化学反应总称。这些反应使得生物体能够生长和繁殖、保持它们的结构以及对环境作出反应。代谢通常被分为两类：分解代谢可以对大的分子进行分解以获得能量（如细胞呼吸）；合成代谢则可以利用能量来合成细胞中的各个组分，如蛋白质和核酸等。代谢是生物体不断进行物质和能量的交换过程，一旦物质和能量交换停止，生物体的生命就会结束。

代谢中的化学反应可以归纳为代谢途径，通过一系列酶的作用将一种化学物质转化为另一种化学物质。酶对于代谢反应来说是非常重要的，因为酶可以通过一个热力学上易于发生的反应来驱动另一个难以进行的反应，使之变得可行；例如，利用ATP的水解所产生的能量来驱动其他化学反应。一个生物体的代谢机製决定了哪些物质对于此生物体是有营养的，而哪些是有毒的。例如，一些原核生物利用硫化氢作为营养物质，但这种气体对于动物来说却是致命的。[1] 代谢速度，或者说代谢率，也影响了一个生物体对于食物的需求量。

发展历程

对于代谢的科学研究已经跨越了数个世纪，从早期对于动物整体代谢的研究一直到现代生物化学中对于单个代谢反应机製的探索。代谢的概念的出现可以追溯到13世纪，阿拉伯医学家伊本·纳菲斯（Ibn al-Nafis）提出“身体和它的各个部分是处于一个分解和接受营养的连续状态，因此它们不可避免地一直发生着变化”。第一个关于人体代谢的实验由义大利人桑托裏奥·桑托裏奥（Santorio Santorio）于1614年完成并发表在他的着作《医学统计方法》（Ars de statica medecina）中。在书中，他描述了他如何在进食、睡觉、工作、性生活、斋戒、饮酒以及排泄等各项活动前后对自己的体重进行秤量；他发现大多数他所摄入的食物最终都通过他所称的“无知觉排汗”被消耗掉了。 在这些早期研究中，代谢进程的机製还没有被揭示，人们普遍认为存在一种“活力”可以活化器官。到了19世纪，在对糖被酵母酵解为酒精的研究中，法国科学家路易斯·巴斯德总结出酵解过程是由酵母细胞内他称为“酵素”的物质来催化的。他写道：“酒精酵解是一种与生命以及酵母细胞的组织相关的，而与细胞的死亡和腐化无关的一种行为。”这一发现与弗裏德裏希·维勒在1828年发表的关于尿素的化学合成证明了细胞中发现的化学反应和有机物与其他化学无异，都遵循化学的基本原则。　　20世纪初，酶首次被爱德华·比希纳所发现，这一发现使得对代谢中化学反应的研究从对细胞的生物学研究中独立出来，同时这也标志着生物化学研究的开始。从20世纪初开始，人们对于生物化学的了解迅速增加。在现代生物化学家中，汉斯·克雷布斯是最多产的研究者之一，他对代谢的研究做出了重大的贡献：他发现了尿素迴圈，随后又与汉斯·科恩伯格（Hans Kornberg）合作发现了三羧酸迴圈和乙醛酸迴圈。现代生物化学研究受益于大量新技术的套用，诸如色谱分析、X射线晶体学、核磁共振、电子显微学、同位素标记、质谱分析和分子动力学模拟等。这些技术使得研究者可以发现并具体分析细胞中与代谢途径相关的分子。

关键物质

氨基酸和蛋白质

蛋白质是由线性排列氨基酸所组成，氨基酸之间通过肽键相互连线。酶是最常见的蛋白质，它们催化代谢中的各类化学反应。一些蛋白质具有结构或机械功能，如参与形成细胞骨架以维持细胞形态。还有许多蛋白质在细胞信号传导、免疫反应、细胞黏附和细胞周期调控中扮演重要角色。　　脂类　　脂类是类别最多的生物分子。它们主要的结构用途是形成生物膜，如细胞膜；此外，它们也可以作为机体能量来源。脂类通常被定义为疏水性或两性生物分子，可溶于诸如苯或氯仿等有机溶剂中。脂肪是由脂肪酸基团和甘油基团所组成的一大类脂类化合物；其结构为一个甘油分子上以酯键连线了三个脂肪酸分子形成甘油三酯。在此基本结构基础上，还存在有多种变型，包括不同大小长度的疏水骨架（如鞘脂类中的神经鞘氨醇基团）和不同类型的亲水基团（如磷脂中的磷酸盐基团）。类固醇（如胆固醇）是另一类由细胞合成的主要的脂类分子。　　糖类　　糖类为多羟基的醛或酮，可以以直链或环的形式存在。糖类是含量最为丰富的生物分子，具有多种功能，如储存和运输能量（例如淀粉、糖原）以及作为结构性组分（植物中的纤维素和动物中的几丁质）。糖类的基本组成单位为单糖，包括半乳糖、果糖以及十分重要的葡萄糖。单糖可以通过糖苷键连线在一起形成多糖，而连线的方式极为多样，也就造成了多糖种类的多样性。　　核苷酸和核酸　　DNA和RNA是主要的两类核酸，它们都是由核苷酸连线形成的直链分子。核酸分子对于遗传信息的储存和利用是必不可少的，通过转录和翻译来完成从遗传信息到蛋白质的过程。这些遗传信息由DNA修复机製来进行保护，并通过DNA复製来进行扩增。一些病毒（如HIV）含有RNA基因组，它们可以利用逆转录来从病毒RNA合成DNA模板。核酶（如剪下体和核糖体）中的RNA还具有类似酶的特徵，可以催化化学反应。单个核苷酸是由一个核糖分子连线上一个硷基来形成。其中，硷基是含氮的杂环，可以被分为两类：嘌呤和嘧啶。核苷酸也可以作为辅酶参与代谢基团的转移反应。　　辅酶　　代谢中包含了种类广泛的化学反应，但其中大多数反应都属于几类基本的含有功能性基团的转移的反应类型。[这些反应中，细胞利用一系列小分子代谢中间物来在不同的反应之间携带化学基团。[这些基团转移的中间物被称为辅酶。每一类基团转移反应都由一个特定的辅酶来执行，辅酶同时是合成它和消耗它的一系列酶的底物。这些辅酶不断地被生成、消耗、再被回收利用。　　三磷酸腺苷（ATP）是生命体中最重要的辅酶之一，它是细胞中能量流通的普遍形式。ATP被用于在不同的化学反应之间进行化学能的传递。虽然细胞中只有少量的ATP存在，但它被不断地合成，人体一天所消耗的ATP的量积累起来可以达到自身的体重。ATP是连线合成代谢和分解代谢的桥梁：分解代谢反应生成ATP，而合成代谢反应消耗ATP。它也可以作为磷酸基团的携带者参与磷酸化反应。　　维生素是一类生命所需的微量有机化合物，但细胞自身无法合成。在人类营养学中，大多数的维生素可以在被修饰后发挥辅酶的功能；例如，细胞所利用的所有的水溶性维生素都是被磷酸化或偶联到核苷酸上的。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD，还原形式为NADH）是维生素B3（俗称烟酸）的一种衍生物，它也是一种重要的辅酶，可以作为氢受体。数百种不同类型的脱氢酶可以从它们的底物上移去电子，同时将NAD+还原为NADH。而后，这种还原形式便可以作为任何一个还原酶的辅酶，用于为酶底物的还原提供电子。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸在细胞中存在两种不同的形式：NADH和NADPH。NAD+/NADH多在分解代谢反应中发挥重要作用，而NADP+/NADPH则多用于合成代谢反应中。　　血红蛋白的结构。蛋白质亚基显示为红色和蓝色，结合铁的血红素显示为绿色。来自PDB1GZX。

矿物质和辅因子

无机元素在代谢中也发挥着重要的作用；其中一些在机体内含量丰富（如钠和钾），而另一些则为微量元素。大约99%的哺乳动物的质量为碳、氮、钙、钠、氯、钾、氢、磷、氧和硫元素。绝大多数的碳和氮存在于有机物（如蛋白质、脂类和糖类）中，而氢和氧则主要存在于水中。　　含量丰富的无机元素都是作为电解质的离子。体内最重要的离子有钠、钾、钙、镁等金属离子和氯离子、磷酸根离子以及碳酸氢根离子。在细胞膜的内外维持準确的离子梯度，可以保持渗透压和pH值的稳定。离子对于神经和肌肉组织也同样不可缺少，这是因为这些组织中的动作电位（可以引起神经信号和肌肉收缩）是由细胞外液和细胞原生质之间的电解质交换来产生的。电解质进入和离开细胞是通过细胞膜上的离子通道蛋白来完成的。例如，肌肉收缩依赖于位于细胞膜和横行小管（T-tubule）上的离子通道对于钙离子、钾离子和钠离子的流动的控製。　　过渡金属在生物体体内通常是作为微量元素存在的，其中锌和铁的含量最为丰富。[这些金属元素被一些蛋白质用作辅因子或者对于酶活性的发挥具有关键作用，例如携氧的血红蛋白和过氧化氢酶。这些辅因子可以与特定蛋白质紧密结合；虽然酶的辅因子会在催化过程中被修饰，这些辅因子总是能够在催化完成后回到起始状态。

分解代谢

分解代谢（又称为异化作用）是一系列裂解大分子的反应过程的总称，包括裂解和氧化食物分子。分解代谢反应的目的是为合成代谢反应提供所需的能量和反应物。分解代谢的机製在生物体中不尽相同，如有机营养菌分解有机分子来获得能量，而无机营养菌利用无机物作为能量来源，光能利用菌则能够吸收阳光并转化为可利用的化学能。然而，所有这些代谢形式都需要氧化还原反应的参与，反应主要是将电子从还原性的供体分子（如有机分子、水、氨、硫化氢、亚铁离子等）转移到受体分子（如氧气、硝酸盐、硫酸盐等）。在动物中，这些反应还包括将复杂的有机分子分解为简单分子（如二氧化碳和水）。在光合生物（如植物和蓝藻）中，这些电子转移反应并不释放能量，而是用作储存所吸收光能的一种方式。

动物中最普遍的分解代谢反应可以被分为三个主要步骤：首先，大分子有机化合物，如蛋白质、多糖或脂类被消化分解为小分子组分；然后，这些小分子被细胞摄入并被转化为更小的分子，通常为乙酰辅酶A，此过程中会释放出部分能量；最后，辅酶A上的乙酰基团通过柠檬酸迴圈和电子传递链被氧化为水和二氧化碳，并释放出能量，这些能量可以通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）还原为NADH而以化学能的形式被储存起来。

合成代谢

合成代谢（又称为同化作用）是一系列合成型代谢进程（即利用分解代谢所释放的能量来合成复杂分子）的总称。一般而言，用于组成细胞结构的复杂分子都是从小且简单的前体一步一步地构建而来。合成代谢包括三个基本阶段：首先生成前体分子，如氨基酸、单糖、类异戊二烯和核苷酸；其次，利用ATP水解所提供的能量，这些分子被激活而形成活性形式；最后，它们被组装成复杂的分子，如蛋白质、多糖、脂类和核酸。

不同的生物体所需要合成的各类复杂分子也互不相同。自养生物，如植物，可以在细胞中利用简单的小分子，如二氧化碳和水，来合成复杂的有机分子如多糖和蛋白质。异养生物则需要更复杂的物质来源，如单糖和氨基酸，来生产对应的复杂分子。生物体还可以根据它们所获得的能量来源的不同而被细分为：获取光能的光能自养生物和光能异养生物，以及从无机物氧化过程或的能量的化能自养生物和化能异养生物。