代谢

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新陈代谢(metabolism),生命物质的新旧更替和生物体内能量转化诸般过程的总称,简称代谢。狭义的代谢仅指化学过程。广义的代谢包括代谢物质的转运过程,由细胞内外的跨膜转运直到生物体同环境间的物质交换。在药理学,外源物质在体内的转化分解也称为代谢。在医学生态学,代谢概念更推广到群体间的物质转移。一个地区的一切生物组成一个交互作用的整体,称生物群落。生物群落及其自然环境构成一个生态系统。生物群落内,植物(生产者)吸收无机物借助阳光能合成有机物,动物(消费者)以植物或其他动物为食,微生物(分解者)分解动植物的排遗和死体再以无机物形式归还自然界。在生态系统内,物质可以循环使用,但能量却只能沿食物链单向流动,最后以热能形式散失。这个物质循环和能量流是生态系统代谢的基本形式。

高度有序的生物结构有赖活跃的代谢过程来维持,一切生命活动都由代谢过程释放的能量来驱动。反过来说,日常生命活动也大都是为代谢服务的,例如呼吸、消化和循环无非都是代谢物质的转运。代谢活动的紊乱会产生病状,甚至影响生命,而较大的创伤感染或手术都可能影响全身代谢。在药物中,营养药物为代谢提供原料,内分泌制剂则用来调节机体代谢。许多杀菌和杀虫药物都是利用细菌寄生虫的代谢同人体代谢间的差别,例如四环素族抗生素可抑制细菌的蛋白质合成代谢却不伤及人体。20世纪下半叶生态观点进入医学,人们认识到不仅病原体与人之间存在寄生的生态关系,在人体的皮肤鼻腔口腔、肠腔及阴道里还存在着所谓的正常菌丛。这些菌与人体之间存在着复杂的代谢关系,正常菌丛的紊乱可导致人体的病态。于是群体层次的代谢开始受到重视;不过本文着重介绍的是个体层次的代谢。

目录

代谢途径和酶

新陈代谢可分为物质代谢和能量代谢两方面,但两者实际上是偶合在一起的。能量是以化学能的形式流通于生物间及生物体内。动物从食物中的能源物质(主要为糖和脂肪)摄取能量。能源物质在体内分解释放的能量又转移到三磷酸腺苷(ATP)分子中。ATP储能密度高,而且便于利用;生物合成肌肉收缩、跨膜转运,总之体内一切需能过程都直接或间接地从ATP取得能量。

新陈代谢又可分为合成代谢分解代谢两类过程。合成常需外界供能才能进行,分解却往往是放能的自发反应。不过所谓自发反应,在生物体内的理化条件下也很难进行。体内代谢反应需要酶的催化才能实现,因此酶的有无、多少以及酶的活性就决定了反应是否进行及进行的速率。在这种意义上,酶是代谢的基本调节者。

机体内合成或分解有机物质的过程常由一系列酶促反应组成,这称为代谢途径,如嘌呤嘧啶的合成途径及糖酵解途径等。一个途径常包含许多中间产物和催化各中间反应的特异性酶。大部分反应是可逆的;酶催化一个反应的双向进行,任一端反应物浓度高就有利于反应向另一端进行,酶本身并不决定反应方向。但许多途径里都有一两个反应是放能的,要它向反方向进行便必须供能,所以这个反方向反应实际上是不可逆的。这样的环节有利于代谢途径的单向进行。相应的酶起“开关”作用,常是代谢调节的主要控制点。

同一有机物的合成和分解途径有所不同,其区别即在于这些放能而不可逆的环节。在这些关键部位,合成酶不同于分解酶,而且合成反应要同ATP水解反应偶合在一起,利用ATP水解释放的能量来驱动这个需能反应。至于蛋白质核酸的合成途径还存在其他问题。蛋白质的结构高度复杂,要按照一定的“蓝图”来合成。这个蓝图是核酸构成的模板。模板本身也常要整体复制或部分转录,这就是核酸的合成代谢。在这些过程里存在更多的可以调节的环节。

大多数代谢反应是在细胞基质内进行的,一部分在细胞器(如线粒体)内进行。不同的分室浓集不同的酶,有些酶就结合在膜上,另一些串连的酶系可能结合成复合体;这都提高了酶的工作效率。反应物可借助转运蛋白进入细胞或结合特异受体后经内吞入胞。在细胞器上也有特殊的转运系统。这些机制提供了另一类调节环节。

上面处处提到代谢调节,这是因为各个代谢途径必须紧密配合。例如机体某部位需要某个有机物就要启动该物质的合成途径。合成途径需要能量供应,如果现有能量储备(ATP等)不足,就还要启动能源物质分解放能的途径。当产物满足需要时还要及时关闭各有关途径。在途径内部也要前后协调,否则任一反应发生障碍必然造成下游产物的不足和上游反应物的积累。临床所见的许多代谢紊乱都是这种情况。

个体水平,食物的摄入可说是全身代谢的第一个调节关口。但这里着重讨论细胞层次的代谢。一个代谢途径的原料可能来自外源营养或体内储备。在体液中的运输可能要靠特殊的运输蛋白,进入细胞可能需要特殊的受体或转运蛋白。机体可通过这些环节调节代谢,但更重要的调节部位还是酶。例如许多合成途径的产物可以反过来抑制途径开始部位的酶,从而避免产物积累过多(反馈抑制);产物直接作用于酶蛋白,通过“别构效应”降低酶的活性。还有一种调节方式是通过酶蛋白的磷酸化或脱磷酸作用(分别由蛋白激酶磷蛋白磷酸酶催化)而迅速改变酶活性。这种对酶蛋白的共价修饰作用较上述产物抑制合成酶的别构作用更为持久。这常是激素作用的一个环节:激素通过第二信使激活细胞内蛋白激酶,再通过磷酸化作用激活或去活待调节的酶。因此这种方式不是局部调节,而是全身调节的一部分。再一种调节是增减酶蛋白的产生或降解过程。细胞内蛋白质总在周转中;一方面产生,另一方面降解。酶蛋白产生超过降解便可提高酶浓度,反之则降低酶浓度。固醇激素就是通过这种方式调节代谢:激素作用于染色体,使编码酶蛋白的基因得以表达。至于酶蛋白降解的调节机制,目前所知不多。

上述是正常的代谢调节机制。如果这些调节环节先天有缺陷或后天因病受损,就会导致代谢紊乱。主要因代谢反应紊乱而引起的疾病,习称代谢病。已查明许多代谢病是因一种分子(酶蛋白或膜转运蛋白)的缺陷造成的,这些疾病又称分子病。许多代谢病还是遗传的,故称先天性代谢缺陷。这些病的发病机制可大致分为四个层次:基因缺陷;所编码的蛋白质(如酶或转运蛋白)的缺陷;代谢途径障碍;临床症状。例如酶的缺陷可以导致产物不足或缺如;如酪氨酸酶的缺陷影响黑素的生物合成,导致白化病。酶缺陷还可造成上游代谢物质的储积,如溶酶体特异水解酶的缺陷造成的种种溶酶体贮积症。有关的代谢物贮积在溶酶体中,患者出现进行性神经系统功能障碍内脏肿大、骨发育障碍等。再如肾小管上皮的膜转运蛋白缺陷可影响氨基酸重吸收而造成种种高氨基酸尿症。在最常见的胱氨酸尿症中,难溶的胱氨酸在泌尿道中形成结石而引起症状。

代谢调节与激素

在较高等的动物体内,不同的组织器官之间还存在复杂的代谢分工。以人体的肝脏为例,吸收的营养素首先入肝。肝细胞膜可任葡萄糖自由出入。进入的糖中,一部分化为肝糖原在原地储存起来;一部分在肝内转化为脂肪酸后再运到脂肪组织,以甘油三酯的形式储存。其余的葡萄糖则循环于血液中。血糖的浓度经常保持在一定范围内。这点很重要,因为脑组织全靠葡萄糖维持营养,脑细胞中缺乏糖原或脂肪等储备。红细胞也主要依靠葡萄糖供能。脂肪组织中的甘油三酯经常有分解,分解出的脂肪酸作为能源供应肌肉等组织。但分解出的甘油不能直接再用于合成甘油三酯。合成甘油三酯需要甘油变为3-磷酸甘油,但脂肪组织缺乏催化这个步骤的酶。脂肪组织中的甘油返回肝脏再合成为葡萄糖,葡萄糖再回脂肪组织并在酵解过程中放出3-磷酸甘油供合成甘油三酯之用。静止的肌肉利用脂肪酸作燃料。运动时,肌细胞还要利用血糖和自身的肌糖原储备。不同于肝细胞,肌细胞膜的通透性受激素调节,而且葡萄糖进入肌细胞就被磷酸化而不能再流出。但无氧代谢产物──乳酸可流出,于是乳酸又返回肝脏再合成葡萄糖,葡萄糖可再返回供应肌肉。运动时,肌肉组织还可以分解蛋白质,利用氨基酸的碳链供能。分解出的氨基经转氨作用转到葡萄糖代谢产物丙酮酸上形成丙氨酸。丙氨酸返回肝脏,经转氨作用形成的丙酮酸用于合成葡萄糖,氨基则进入尿素循环。这样就以肝脏为中心形成三个循环:自肝脏释出的都是葡萄糖,但由脂肪组织返回的是甘油,由肌肉返回的是乳酸和丙氨酸,这些返回的代谢物又都用于再合成葡萄糖(糖异生作用)。

上述这些复杂变化主要靠激素调节,而且内分泌系统神经系统是偶合在一起的,这就使机体代谢能针对环境变化作出适应性反应。有的激素作用徐缓持久,主要调节大时间尺度的生命过程,如生长、发育和生殖。这类激素包括生长激素甲状腺素性激素等。另一些激素则主要调节日常代谢活动,如胰岛素肾上腺髓质皮质激素等。激素可作用于多器官,且对不同器官的作用不同,但完成的生物功能是统一的。例如胰岛素促进肝内糖原及脂肪酸的合成;促进脂肪酸进入脂肪细胞并抑制甘油三酯的分解;促进血糖进入肌细胞和肌糖原的合成;促进血氨基酸进入肌细胞和肌组织蛋白质的合成,同时抑制肌组织蛋白质的分解。这些作用的一个明显后果是降低血糖;进食后大量涌入血中的葡萄糖可因此被控制在一定的限度内,不至超过肾阈而流失。胰岛素的分泌也主要是受血糖浓度的影响;神经作用不大。总的看,胰岛素是个促进合成增加储备的激素。与胰岛素相反,肾上腺髓质分泌的儿茶酚胺主要是个分解激素。首先它可抑制胰岛素的分泌。它的直接作用大都同胰岛素相反:刺激肝糖原分解,刺激脂肪分解,减少肌肉组织对糖的吸收同时刺激肌糖原的分解。肾上腺皮质分泌的糖皮质激素则增加组织对髓质激素的反应性,抑制脂肪细胞和肌细胞摄入血糖,刺激蛋白质分解从而增加糖异生作用。这些分解作用为机体提供能量以应急需,其具体表现是提高血糖。肾上腺髓质可视为是一个扩大的交感神经节,是中枢神经系统的延伸,它的产物同一般交感神经节后纤维的产物相同或同源。因此它的反应最快。中枢神经系统还通过垂体分泌的ACTP间接控制肾上腺皮质,但因固醇激素要通过基因表达过程发挥作用,生效较慢。

通过疾病中的代谢变化可以更好地了解上述代谢适应性变化。不同于前述酶的先天性缺陷等病,那是代谢机制本身的病态(原发性代谢紊乱),这里要谈的是因为感染、创伤(包括手术),或甚至精神刺激造成的病态(继发性代谢紊乱)。这种代谢紊乱是非特异性的,因为无论什么原因只要强烈到一定程度都会引起类似的变化。以创伤为例,除器官结构破坏及组织损失外可能还伴有体液紊乱和感染,伤病期间营养摄入也遇到障碍,所以代谢紊乱可以很明显。一般可以分为四期:①急性创伤期。机体通过肾上腺髓质激素和皮质糖激素的作用,动员体内储备,分解放能以满足行为适应(斗争、逃逸)和生理适应(循环和呼吸机能的加强)的需要。内源储备中糖原的分量有限,脂肪是最重要的能储。但此时组织蛋白质也发生分解,特别是肌肉蛋白质分解量占其中相当比例。于是出现氮的负平衡。值得注意的是,这个蛋白质分解过程一般不影响伤口骨折的愈合,不影响血浆蛋白血红蛋白的合成。与此同时,机体通过肾上腺皮质的醛固酮的作用储钠,通过垂体后叶抗利尿激素的作用储水。机体力求保持细胞外液,首先要保证容积,因为此时维持循环防止休克是一个主要矛盾。创伤后常出现短期碱中毒,这可能与醛固酮有关。严重碱中毒时可使氧在组织中不易脱离血红蛋白而出现组织缺氧。此时若出现循环障碍,则因肌肉供血不足乳酸会大量积累,碱中毒很快又会转为酸中毒。创伤时消化功能下降,心肺功能代偿性亢进。肾脏是保障内环境稳态的重要脏器,但休克时因全身血液优先供应心和脑,肾脏可因缺血而发生急性功能衰竭。心肺肾的功能障碍会使代谢情况急剧恶化。在择期手术,于手术开始时即进入急性创伤期,一般持续2~5天。但在战伤或事故创伤,这期始于创伤发生时,而手术则意在减短本期。但如果伤口持续开放或伴有感染,或体液紊乱未能纠正,则这期可以延长很久。②转折期。病人体温、脉率下降。血中肾上腺髓质激素下降,胰岛素上升。食欲恢复,病人开始对周围事物表现兴趣。出现自动利尿现象,尿氮明显减少。③合成代谢期。由此才可说进入真正的康复。蛋白质的合成使患者体力恢复。本期的长短由原创伤的大小而定,可能要几周。本期中体重可无明显增加,初时因水盐外排体重甚至会表现下降。④脂肪增加期。当损失的蛋白质得到基本修复后,病人体内开始积累脂肪,恢复原有的能量储备。至此期体重才明显增加。在大创伤后,此期可延续几个月。

代谢与疾病

代谢紊乱可见于多种疾病。代谢病一词通常仅指代谢(化学)反应障碍导致的疾病,已查明的大部分是酶分子的遗传缺陷。这些都是全身性疾病,但因酶在组织间的不均分布和不同器官间的代谢分工,明显的症状和体征可能只见于某些器官系统。习惯上归于营养病和内分泌病类的疾病,事实上也都是代谢病。因为无论是外源代谢物质的缺乏还是代谢调节因子的紊乱,其后果都是代谢障碍消化系统呼吸系统和排泄系统经管代谢物质的体内外交换而循环系统则负责代谢物质在体内的运输,它们的功能紊乱当然要影响全身代谢。这些系统的一些疾病也可视为广义的代谢病。

由另外一个角度来看,疾病可大致分为遗传因子和环境因子造成的两大类。在遗传病中已查明发病机理的大部分是代谢病。这并不奇怪,因为基因编码产物主要是蛋白质大分子,而许多这样的大分子正是细胞代谢机制的成分。环境致病因子又可分为物理、化学、生物及社会心理等几类。其中化学因子造成的中毒病,已查明机制的多是作用于酶蛋白分子,其后果也多是代谢障碍。根据前述,物理因子(创伤)、生物因子(感染)和社会心理因子(精神刺激)也都可以直接或通过神经内分泌机制引起种种代谢反应和紊乱。因此某种程度的代谢障碍可能存在于一切全身性疾病中。

原发性代谢障碍一般缺乏根治的方法。原则上讲,基因疗法较为理想。但我们虽然已知道不少编码功能蛋白的基因区段,却不清楚有关的控制区段,因此制备的基因引入培养细胞后常不能发挥功能。我们更不知道如何才能把外源基因引入人体患病的细胞中并让它们在那里稳定地工作。因此目前主要是在蛋白质这个层次上想办法。对于某些血清蛋白质的缺陷,可以直接用正常蛋白来补充,如对血友病患者可补充第Ⅷ因子。但酶蛋白通常是在细胞内工作,因此难以用正常酶蛋白去替换细胞中的缺陷酶蛋白。但它们造成的异常代谢后果却可设法纠正。下游产物的缺乏可以直接补充,如因甲状腺素合障碍造成的甲状腺肿可用甲状腺激素来治疗。针对上游代谢物的积累或其毒副作用也有一些办法,如对苯丙酮酸尿症患儿在生后须限制饮食中的苯丙氨酸含量可以防止发生生长和智力障碍。有的代谢产物过量时可致病,也可用药物抑制有关途径上游的酶,如在痛风症中使用别嘌呤醇抑制黄嘌呤氧化酶以减少尿酸的产生。

对于继发性代谢紊乱,首要的是纠正原发病因,如修复创伤、控制感染、纠正器官功能障碍等。其次便是纠正代谢紊乱本身,这可能包括给氧、输血输液以纠正体液容积、成分、酸碱度渗透压的异常,以及保证充足且平衡的营养供应等等。机体代谢变化迅速,各项生物化学和生理指标必须随时监测,处理更要果断及时。


基本概念

细胞内发生的各种化学反应的总称,主要有分解代谢和合成代谢两个过程组成。

新陈代谢(metabolism)的概念

新陈代谢是生物体内全部有序化学变化的总称。它包括物质代谢和能量代谢两个方面。

物质代谢:是指生物体与外界环境之间物质的交换和生物体内物质的转变过程。

能量代谢:是指生物体与外界环境之间能量的交换和生物体内能量的转变过程。

在新陈代谢过程中,既有同化作用,又有异化作用。

同化作用:又叫做合成代谢)是指生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质,并且储存能量的变化过程。

异化作用:(又叫做分解代谢)是指生物体能够把自身原有的一部分组成物质加以分解,释放出其中的能量,并且把分解的终产物排出体外的变化过程。

新陈代谢中的同化作用、异化作用、物质代谢和能量代谢之间的关系,可以用左面的表解来概括:

新陈代谢的基本类型

生物在长期的进化过程中,不断地与它所处的环境发生相互作用,逐渐在新陈代谢的方式上形成了不同的类型。按照自然界中生物体同化作用和异化作用方式的不同,新陈代谢的基本类型可以分为以下几种。

同化作用的三种类型
代谢

根据生物体在同化作用过程中能不能利用无机物制造有机物,新陈代谢可以分为自养型和异养型和兼性营养型三种。

自养型 绿色植物直接从外界环境摄取无机物,通过光合作用,将无机物制造成复杂的有机物,并且储存能量,来维持自身生命活动的进行,这样的新陈代谢类型属于自养型。少数种类的细菌,不能够进行光合作用,而能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放出的能量来制造有机物,并且依靠这些有机物氧化分解时所释放出的能量来维持自身的生命活动,这种合成作用叫做化能合成作用。例如,硝化细菌能够将土壤中的氨(NH3)转化成亚硝酸(HNO2)和硝酸(HNO3),并且利用这个氧化过程所释放出的能量来合成有机物。 总之,生物体在同化作用的过程中,能够把从外界环境中摄取的无机物转变成为自身的组成物质,并且储存能量,这种新陈代谢类型叫做自养型。

异养型 人和动物不能像绿色植物那样进行光合作用,也不能像硝化细菌那样进行化能合成作用,它们只能依靠摄取外界环境中现成的有机物来维持自身的生命活动,这样的新陈代谢类型属于异养型。此外,营腐生或寄生生活的真菌、大多数种类的细菌,它们的新陈代谢类型也属于异养型。总之,生物体在同化作用的过程中,把从外界环境中摄取的现成的有机物转变成为自身的组成物质,并且储存能量,这种新陈代谢类型叫做异养型。

兼性营养型 有些生物(如红螺菌)在没有有机物的条件下能够利用光能固定二氧化碳并以此合成有机物,从而满足自己的生长发育需要;在有现成的有机物的时候这些生物就会利用现成的有机物来满足自己的生长发育的需要。

异化作用的三种类型 根据生物体在异化作用过程中对氧的需求情况,新陈代谢的基本类型可以分为需氧型、厌氧型和兼性厌氧型三种。

需氧型 绝大多数的动物和植物都需要生活在氧充足的环境中。它们在异化作用的过程中,必须不断地从外界环境中摄取氧来氧化分解体内的有机物,释放出其中的能量,以便维持自身各项生命活动的进行。这种新陈代谢类型叫做需氧型,也叫做有氧呼吸型。

厌氧型 这一类型的生物有乳酸菌和寄生在动物体内的寄生虫等少数动物,它们在缺氧的条件下,仍能够将体内的有机物氧化,从中获得维持自身生命活动所需要的能量。这种新陈代谢类型叫做厌氧型,也叫做无氧呼吸型。

兼性厌氧型 这一类生物在氧气充足的条件下进行有氧呼吸,把有机物彻底的分解为二氧化碳和水,在缺氧的条件下巴有机物不彻底的分解为乳酸酒精和水。典型的兼性厌氧型生物就是酵母菌。下面我就来给你们介绍一下酵母菌。

兼性厌氧型生物——酵母菌

酵母菌是单细胞真菌,通常分布在含糖量较高和偏酸性的环境中,如蔬菜、水果的表面和菜园、果园的土壤中。酵母菌是兼性厌氧微生物,在有氧的条件下,将糖类物质分解成二氧化碳和水;在缺氧的条件下,将糖类物质分解成二氧化碳和酒精。酵母菌在生产中的应用十分广泛,除了熟知的酿酒、发面外,还能用于生产有机酸、提取多种酶等。任何活着的生物都必须不断地吃进东西,不断地积累能量;还必须不断地排泄废物,不断地消耗能量。这种生物体内同外界不断进行的物质和能量交换的过程,就是新陈代谢。新陈代谢是生命现象的最基本特征,它由两个相反而又同一的过程组成,一个是同化作用过程,另一个是异化作用的过程。

人和动物吃了外界的物质(食物)以后,通过消化、吸收,把可利用的物质转化、合成自身的物质;同时把食物转化过程中释放出的能量储存起来,这就是同化作用。绿色植物利用光合作用,把从外界吸收进来的水和二氧化碳等物质转化成淀粉、纤维素等物质,并把能量储存起来,也是同化作用。异化作用是在同化作用进行的同时,生物体自身的物质不断地分解变化,并把储存的能量释放出去,供生命活动使用,同时把不需要和不能利用的物质排出体外。

同化作用与异化作用的平衡 各种生物的新陈代谢,在生长、发育和衰老阶段是不同的。幼婴儿、青少年正在长身体的过程中,需要更多的物质来建造自身的机体,因此新陈代谢旺盛,同化作用占主导位置。到了老年、晚年,人体机能日趋退化,新陈代谢就逐渐缓慢,同化作用与异化作用都有所下降,但始终保持平衡(前提是健康)。当患上消耗性疾病时,异化作用将大于同化作用,如:肿瘤结核、严重创伤烧伤、大手术后体液引流、慢性化脓性感染、慢性失血等。

动物冬眠时,虽然不吃不喝,但是新陈代谢并未停止,只不过变得非常缓慢。

新陈代谢是生命体不断进行自我更新的过程,也是判断生物与非生物的重要因素,如果新陈代谢停止了,生命也就结束了。

历史

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制的探索。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意大利人桑托里奥.桑托里奥(Santorio Santorio)于1614年完成并发表在他的著作《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,代谢进程的机制还没有被揭示,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。”这一发现与弗里德里希.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:他发现了尿素循环,随后又与汉斯.科恩伯格(Hans Kornberg)合作发现了三羧酸循环乙醛酸循环。现代生物化学研究受益于大量新技术的应用,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。


影响新陈代谢的因素

新陈代谢是在无知觉情况下时刻不停的进行得体内活动,包括心脏的跳动、保持体温和呼吸。新陈代谢受下列因素影响:

年龄

一个人越年轻,新陈代谢的速度就越快。这是由于身体在生长造成的,尤其在婴幼儿时间和青少年时期速度更快。

身体表皮

身体表皮面积越大,新陈代谢就越快。两个体重相同体现不同的人,个矮的会比个高的新陈代谢慢一些。

个高的人因为表皮面积大,身体撒热快,所以需要加快新陈代谢的谢速度而而产生热量。

性别

男性通常比女性的新陈代谢速度快。普遍认为这是由于男性身体里的肌肉组织的比例更大。肌肉组织即使在人休息的时候也在活动,而脂肪组织却不活动。

运动

距离的体育运动过程中和活动结束后的几个小时内都会加速身体的新陈代谢。

历史

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制的探索。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意大利人桑托里奥.桑托里奥(Santorio Santorio)于1614年完成并发表在他的著作《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,代谢进程的机制还没有被揭示,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。”这一发现与弗里德里希.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:他发现了尿素循环,随后又与汉斯.科恩伯格(Hans Kornberg)合作发现了三羧酸循环和乙醛酸循环。现代生物化学研究受益于大量新技术的应用,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。

辅酶三磷酸腺苷的结构

代谢是生物体内所发生的用于维持生命的一系列有序的化学反应的总称。这些反应进程使得生物体能够生长和繁殖、保持它们的结构以及对外界环境做出反应。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。代谢可以被认为是生物体不断进行物质和能量交换的过程,一旦物质和能量的交换停止,生物体的结构和系统就会解体。

代谢中的化学反应可以被归纳为代谢途径,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。酶对于代谢来说是至关重要的,因为它们的催化作用使得生物体可以进行热力学上难以发生的反应。当外界环境发生变化或接受来自其他细胞的信号时,细胞也需要通过酶来实现对代谢途径的调控,从而对这些变化和信号做出反应。

一个生物体的代谢机制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。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。

代谢的一个很大的特点是:即使是差异巨大的不同物种,它们之间的基本代谢途径也还是相似的。例如,羧酸,作为柠檬酸循环(又被称为“三羧酸循环”)中的最为人们所知的中间产物,存在于所有的生物体中,无论是单细胞的细菌还是巨大的多细胞生物如大象。代谢中所存在的这样的相似性很可能是由于相关代谢途径的高效率以及这些途径在进化史早期就出现而形成的结果。  

关键的生化物质

动植物和微生物的大部分组成结构是由三类基本生物分子所构成,这三类分子是氨基酸、糖类和脂类(通常为称为脂肪)。由于这些分子是维持生命所必需的,代谢既制造这些分子以用于构建细胞和组织,又在摄入食物后将食物中的这些分子消化降解以提供维持生命所需的能量。许多重要的生化物质可以聚合在一起形成多聚体,如DNA和蛋白质。这些生物大分子对于所有的生物体都是必要的组分。下表中列出了一些最常见的生物大分子。

分子类型单体形式的名称多聚体形式的名称多聚体形式的例子
氨基酸蛋白质(或多肽纤维蛋白球蛋白
糖类单糖多糖淀粉、糖原和纤维素
核酸核苷酸多聚核苷酸DNA和RNA

人源I型乙二醛酶的结构。  

氨基酸和蛋白质

蛋白质是由线性排列氨基酸所组成,氨基酸之间通过键相互连接。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。

三酸甘油酯的结构。

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接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。

葡萄糖可以以直线型和环形两种形式存在。

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接在一起形成多糖,而连接的方式极为多样,也就造成了多糖种类的多样性。

DNA双螺旋结构

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接形成的直链分子。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修复机制来进行保护,并通过DNA复制来进行扩增。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(如剪切体和核糖体)中的RNA还具有类似酶的特性,可以催化化学反应。单个核苷酸是由一个核糖分子连接上一个碱基来形成。其中,碱基是含氮的杂环,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。

乙酰辅酶A的结构。可以被转移的乙酰基结合在最左端的硫原子上。

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是连接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PDB 1GZX。  

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准确的离子梯度,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制。

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。分解代谢的机制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循环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。  

消化

淀粉、蛋白质和纤维素等大分子多聚体不能很快被细胞所吸收,需要先被分解为小分子单体然后才能被用于细胞代谢。有多种消化性酶能够降解这些多聚体,如蛋白酶可以将但蛋白质降解为多肽片断或氨基酸,糖苷水解酶可以将多糖分解为单糖。

微生物只是简单地分泌消化性酶到周围环境中,而动物则只能由其消化系统中的特定细胞来分泌这些酶。由这些位于细胞外的酶分解获得的氨基酸或单糖接着通过主动运输蛋白被运送到细胞内。  

来自有机物的能量

糖类的分解代谢即是将糖链分解为更小的单位。通常一旦糖链被分解为单糖后就可以被细胞所吸收。进入细胞内的糖,如葡萄糖和果糖,就会通过糖酵解途径被转化为丙酮酸盐并产生部分的ATP。丙酮酸盐是多个代谢途径的中间物,但其大部分会被转化为乙酰辅酶A并进入柠檬酸循环。虽然柠檬酸循环能够产生ATP,但其最重要的产物是NADH——由乙酰辅酶A被氧化来提供电子并由NAD生成,同时释放出无用的二氧化碳。在无氧条件下,糖酵解过程会生成乳酸盐,即由乳酸脱氢酶将丙酮酸盐转化为乳酸盐,同时将NADH又氧化为NAD+,使得NAD可以被循环利用于糖酵解中。另一中降解葡萄糖的途径是磷酸戊糖途径,该途径可以将辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)还原为NADPH,并生成戊糖,如核糖(合成核苷酸的重要组分)。

脂肪是通过水解作用分解为脂肪酸和甘油。甘油可以进入糖酵解途径,通过β-氧化被分解并释放出乙酰辅酶A,而乙酰辅酶A如上所述进入柠檬酸循环。脂肪酸同样通过氧化被分解;在氧化过程中脂肪酸可以释放出比糖类更多的能量,这是因为糖类结构的含氧比例较高。

氨基酸既可以被用于合成蛋白质或其他生物分子,又可以被氧化为尿素和二氧化碳以提供能量。氧化的第一步是由转氨酶将氨基酸上的氨基除去,氨基随后被送入尿素循环,而留下的脱去氨基的碳骨架以酮酸的形式存在。有多种酮酸(如α-酮戊二酸,由脱去氨基的谷氨酸所形成)是柠檬酸循环的中间物。此外,生糖氨基酸(glucogenic amino acid)能够通过糖异生作用被转化为葡萄糖(具体内容见下文)。  

能量转换

氧化磷酸化

ATP合成酶的结构。其质子通道和转动轴显示为蓝色,合成酶亚基显示为红色,固定亚基显示为黄色。氧化磷酸化中,通过如柠檬酸循环等代谢途径,电子从被消化吸收的食物分子上转移到氧气上,并将产生的能量以ATP的方式储存起来。在真核生物中,这一过程是由位于线粒体膜上的一系列膜蛋白来完成的,被称为电子传递链。而在原核生物中,对应的蛋白质则位于细胞内膜上。[这些蛋白质利用从电子还原性分子(如NADH)传递到氧气的反应所产生的能量将质子进行跨膜运输。将质子泵出线粒体的结果就会在线粒体膜的两边产生质子的浓度差,从而在膜的两边形成一个电化学梯度。通过电化学梯度所产生的驱动力使得质子通过线粒体膜上的ATP合成酶重新进入线粒体。这样的一个质子流会促使ATP合成酶的stalk亚基发生转动,并进一步带动合成酶结构域上的活性位点发生形变并将腺苷二磷酸(ADP)磷酸化,最终产生ATP  

来自无机物的能量

化能无机营养是一种发现于一些原核生物中的代谢类型,这些原核生物通过氧化无机物来获得能量。它们能够利用氢气,还原性的含硫化合物(如硫化物、硫化氢和硫代硫酸盐),二价铁化合物[或氨[作为还原能的来源;这些还原性物质氧化过程的电子受体常常为氧气或亚硝酸盐。这些进程对于整体的生物地质化学循环,如乙酸生成作用(acetogenesis)以及硝化和反硝化作用都很重要,并且对土壤的肥沃十分关键。  

来自光的能量

太阳光中的能量可以被植物、蓝藻、紫细菌、绿菌和一些原生生物所捕获。这一获取光能的进程常常与二氧化碳转化为有机物(即“碳固定”)相偶联,成为光合作用的一部分。光能获取和碳固定系统在原核生物中却能够分开运行的,因为紫细菌和绿菌无论在碳固定或是在有机物酵解之时,都可以利用阳光作为能量来源。

捕获太阳能的过程与氧化磷酸化在本质上是相似的,因为两者都包括了能量以质子浓度梯度形式存在以及这种浓度差所驱动的ATP的合成。[用于驱动电子传递链的电子是来自于被称为光合反应中心的捕光蛋白。根据所含的光合色素类型的不同,可以将反应中心体分为两类:去镁叶绿素-醌型和铁-硫型;大多数的光合细菌只含有一类反应中心体,而植物和蓝藻则含有两类。

此外,光系统是在光合作用中发挥主要作用的蛋白质复合物,包括光系统I和II。在植物中,光系统II可以利用光能从水中获得电子,并释放出氧气。电子随后流入细胞色素b6f复合物,该复合物用能量将质子泵出类囊体(位于叶绿体中)膜。被泵出的质子又通过膜回到类囊体内,从而驱动ATP的合成(类似于氧化磷酸化中的ATP的合成)。当电子继续流过光系统I时,它们可以被用于还原辅酶NADP+、用于卡尔文循环或回收后用于合成更多的ATP。  

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。  

碳固定

植物细胞(其周围环绕的为紫色的细胞壁)中充满了光合作用的“工厂”──叶绿体(绿色)。

光合作用是利用阳光、二氧化碳(CO2)和水来合成糖类并释放出氧气的过程。这一过程利用光合反应中心所产生的ATP和NADPH将CO2转化为3-磷酸甘油酸,并继续将3-磷酸甘油酸转化为生物体所需的葡萄糖,因此该过程被称为碳固定。碳固定反应作为卡尔文-本森循环的一部分,由RuBisCO酶来进行催化。[发生在植物中的光合作用分为三种:C3碳固定、C4碳固定和CAM光合作用。这些光合作用种类之间的差异在于当二氧化碳进入卡尔文循环的途径不同:C3型植物可以直接对CO2进行固定;而C4和CAM型则先将CO2合并到其他化合物上,这是对强光照和干旱环境的一种适应。

在光合型原核生物中,碳固定的机制只见差异性更大。例如,二氧化碳可以经由卡尔文-本森循环(一种反式柠檬酸循环)[或者乙酰辅酶A的羧化作用而被固定。此外,原核化能自养菌也可以通过卡尔文-本森循环来固定CO2,但却使用来自无机化合物的能量来驱动反应。  

糖类和聚糖

糖类的合成代谢中,简单的有机酸可以被转化为单糖(如葡萄糖),然后单糖再聚合在一起形成多糖(如淀粉)。从包括丙酮酸盐、乳酸盐、甘油、3-磷酸甘油酸和氨基酸在内的化合物来生成葡萄糖的过程被称为糖异生。糖异生将丙酮酸盐通过一系列的中间物转化为葡萄糖-6-磷酸,其中的许多中间物可以与糖酵解过程共享。然而,糖异生过程不是简单的糖酵解过程的逆反应,其中多个步骤是由不在糖酵解中发挥作用的酶来催化的。这样就使得葡萄糖的合成和分解可以被分别调控,以防止这两个途径进入无效循环(futile cycle)。

虽然脂肪是通用的储存能量的方式,但在脊椎动物,如人类中,储存的脂肪酸不能通过糖异生作用而被转化为葡萄糖,因为这些生物体无法将乙酰辅酶A转变为丙酮酸盐(植物具有必要的酶,而动物则没有)。 因此,在长期饥饿后,脊椎动物需要从脂肪酸来制造酮体来代替组织中的葡萄糖,因为像脑这样的组织不能够代谢脂肪酸。在其它生物体,如植物和细菌中,由于存在乙醛酸循环,可以跳过柠檬酸循环中的脱羧反应,使得乙酰辅酶A可以被转化为草酰乙酸盐,而草酰乙酸盐可以被用于葡萄糖的生产,因此解决了脊椎动物中存在的这一代谢问题。

多糖和聚糖是通过逐步加入单糖来合成的,加入单糖的过程是由糖基转移酶糖基从一个活化的糖-磷酸供体(如尿苷二磷酸葡萄糖)上转移到作为受体的羟基(位于延长中的多糖链)上。由于糖环上的任一羟基都可以作为受体,因此多糖链可以是直链结构,也可以含有多个支链。这些生成的多糖自身可以具有结构或代谢功能,或者可以在寡糖转移酶的作用下被转接到脂类和蛋白质上(即糖基化作用)。  

脂肪酸、萜类化合物和类固醇

类固醇代谢途径的简化图。其中包括了中间物异戊烯焦磷酸(IPP)、二甲基烯丙焦磷酸酯(DMAPP)、焦磷酸香叶酯(GPP)和鲨烯。有一些中间物被省略。产物为羊毛甾醇

脂肪酸合成是一个将乙酰辅酶A多聚化并还原的过程。脂肪酸上的乙酰基链是通过一个反应循环来延伸的,包括加入乙酰基、将其还原为乙醇和继续还原为烷烃的过程。在脂肪酸的生物合成中发挥作用的酶可以被分为两类:动物和真菌中,所有的脂肪酸合成反应由一个单一的多功能酶,I型脂肪酸合成酶来完成;[而在植物质体和细菌中,有多个不同的酶分别催化每一个反应,这些酶统称为I型脂肪酸合成酶。

萜烯和异戊二烯类化合物(包括类胡萝卜素在内)是脂类中的一个大家族,它们组成了植物天然化合物中的最大的一类。这些化合物是以异戊二烯为单位,聚合和修饰而成的;其中,异戊二烯是由具反应活性的前体,异戊烯焦磷酸和二甲烯丙基焦磷酸提供的。[这两个前体可以在不同的途径中被合成。动物和古菌利用甲瓦龙酸途径来从乙酰辅酶A生产这两个化合物;而植物和细菌则通过非甲瓦龙酸途径利用丙酮酸和甘油醛-3-磷酸作为底物来生产它们。另一个利用这些活化的异戊二烯供体的重要反应是类固醇的生物合成。其中,异戊二烯单位连接在一起聚成角鲨烯,然后折叠起来,经过一个质子引发的连续成环反应得到羊毛脂甾醇。而羊毛脂甾醇能够被继续转化为其他类固醇,如胆固醇和麦角甾醇。  

蛋白质

生物体之间合成20种基本氨基酸的能力各不相同。大多数的细菌和植物可以合成所有这20种氨基酸,而哺乳动物只能合成10种非必需氨基酸。因此对于包括人在内的哺乳动物,获取必需氨基酸的途径只能是摄入富含这些氨基酸的食物。所有氨基酸都可以从糖酵解、柠檬酸循环或磷酸戊糖循环中的中间产物生成。其中,合成过程所需的氮由谷氨酸和谷氨酰胺来提供。氨基酸合成需要先有适当的α-酮酸形成,然后通过转氨作用形成氨基酸。

氨基酸是通过肽键连接在一起并进一步形成蛋白质。每种不同的蛋白质都对应着自己独特的氨基酸序列(又被称为一级结构)。如同20多个字母就能排列组合成数以万计的单词一般,不同的氨基酸连接在一起能够形成数量庞大的蛋白质种类。氨基酸通过连接到对应转运RNA(tRNA)分子上形成氨酰tRNA而被激活,然后才可以被连接在一起。这种氨酰tRNA前体是通过一个ATP依赖的反应(将tRNA与正确的氨基酸相连接)来合成,该反应由氨酰tRNA合成酶进行催化。[然后,以信使RNA中的序列信息为指导,带有正确氨基酸的氨酰tRNA分子就可以结合到核糖体的对应位置,在核糖体的作用下将氨基酸连接到正在延长的蛋白质链上。  

核苷酸

核苷酸是由氨基酸、二氧化碳以及甲酸来合成的。由于其合成途径需要消耗大量的代谢能量,大多数的生物体内都有有效的系统来进行核苷酸补救。嘌呤是以核苷(即碱基连接上核糖)为基础合成的。腺嘌呤和鸟嘌呤是由前体核苷分子肌苷单磷酸(即次黄苷酸)衍生而来,而次黄苷酸则是由来自甘氨酸、谷氨酰胺和谷氨酰胺的原子以及从辅酶四氢叶酸盐上转移来的甲酸基来合成的。嘧啶是由碱基乳清酸盐合成的,乳清酸盐则由谷氨酰胺和谷氨酰胺转化而来。  

异型生物质代谢和氧化还原代谢

所有的生物体如果持续摄入非食物类物质而没有相应的代谢途径,这些物质就会在细胞中积累并造成危害。这些存在于机体内可能造成损害的物质被称为异型生物质(xenobiotic)。[异型生物质包括合成药物、天然毒药和抗生素,所幸的是它们可以在一系列异型生物质代谢酶的作用下被去毒化。在人体中,细胞色素-P450氧化酶、尿苷二磷酸葡醛酸转移酶(UDP-glucuronosyltransferases)和谷胱苷肽转移酶(glutathione S-transferase)都属于这类酶。这一酶系统的功能发挥有三个阶段:首先氧化异型生物质,然后在该物质分子上连接一个水溶性基团,最后修饰过的含水溶性基团的异型生物质被运出细胞(在多细胞生物体中,还可以被进一步代谢并被排出体外)。在生态学中,这些反应对于污染物的微生物降解和污染土壤(特别是石油污染)的生物修复具有极为重要的作用。许多这样的微生物反应在多细胞生物体中也同样存在,但由于微生物种类的多样性使得它们能够代谢的物质比多细胞生物体要广泛的多,它们甚至可以降解包括有机氯在内的持久性有机污染物。

需氧生物中还存在氧化应激的问题。其中,需要对包括氧化磷酸化和蛋白质折叠二硫键形成所产生的活性氧(如过氧化氢)进行处理。[这些能够损害机体的氧化活性物质由抗氧化代谢物(如谷胱甘肽)和相关酶(如过氧化氢酶和辣根过氧化物酶)来清除。  

生物体的热力学

生物体也必须遵守热力学定律(描述功和热之间的转移关系)。热力学第二定律指出,在任何封闭系统中,熵值总是趋向于增加。虽然生物体的高度复杂性看起来似乎与这一定律相反,但生物体实际上是开放系统,能够与周围环境进行物质和能量交换;因此,生命系统不是处于平衡之中,而是表现为耗散结构来维持它们的高度复杂性,同时增加周围环境的熵值。[细胞中的代谢则是通过将分解代谢的自发过程和合成代谢的非自发过程偶联来达到保持复杂性的目的。用热力学来解释,代谢实际上就是通过制造无序来保持有序。  

调控机制

由于生物体的外界环境处于不断的变化之中,因此代谢反应必须能够被精确的调控,以保持细胞内各组分的稳定,即体内平衡。[代谢调控也使得生物体能够对外界信号产生反馈并能够与其周围环境进行互动。其中,两个紧密联系的概念对于了解代谢途径的调控机制非常重要:其一,一个酶在代谢途径中的调节就是它的酶活性是如何根据信号来增加或降低的;其二,由这个酶所施加的控制即是它的活性的变化对于代谢途径整体速率(途径的通量)的影响。例如,一个酶可以在活性上发生很大的变化(比如被高度调控),但如果这些变化对于其所在的代谢途径的通量基本没有影响,那么这个酶就不能够对于这一途径发挥控制作用

代谢调控可分为多个层次。在自身调节中,代谢途径可以自调节以对底物或产物水平的变化做出反应;例如,产物量降低可以引起途径通量的增加,从而使产物量得到补偿。这种类型的调节包含对于途径中多个酶的活性的变构调节。多细胞生物中,细胞在接收到来自其他细胞的信号后作出反应来改变它的代谢情况,而这就属于外部调控。这些信号通常是通过可溶性分子(“信使”)来传递的,如激素生长因子,它们能够特异性地与细胞表面特定的受体分子结合。在与受体结合之后,信号就会通过第二信使系统被传递到细胞内部,此过程中通常含有蛋白质的磷酸化。

胰岛素调节的葡萄糖代谢是一个研究得比较透彻的外部调控的例子。[机体合成胰岛素是用于对血液中葡萄糖水平的升高做出反应。胰岛素与细胞表面的胰岛素受体结合,然后激活一系列蛋白激酶级联反应,使细胞能够摄入葡萄糖并将其转化为能量储存分子,如脂肪酸和糖原。糖原的代谢是由磷酸化酶和糖原合成酶来控制的,前者可以降解糖原,而后者可以合成糖原。这些酶是相互调控的:磷酸化作用可以抑制糖原合成酶的活性,却激活磷酸化酶的活性。胰岛素通过激活蛋白磷酸酶而降低酶的磷酸化,从而使糖原得以合成。  

进化

进化树显示所有来自生物三域中的生物体有着共同的祖先。细菌显示为蓝色,真核生物显示为红色,而古菌显示为绿色。一些生物门的相对位置也都在进化树周围标示出来

如前所述,代谢的中心途径,如糖酵解和三羧酸循环,存在于三域中的所有生物体中,也曾存在于“最后的共同祖先”中。[共同祖先细胞是原核生物,并且很可能是一种具有广泛的氨基酸、糖类和脂类代谢的产甲烷菌。这些古老的代谢途径之所以没有进一步进化,其原因可能是途径中的反应对于特定的代谢问题已经是一个优化的解决办法,可以以很少的步骤达而到很高的效率。第一个基于酶的代谢途径(现在可能已经成为嘌呤核苷酸代谢中的一部分)和之前的代谢途径是原始的RNA世界的组成部分。

研究者们提出了多种模型来描述新的代谢途径是如何进化而来的:如添加新的酶到一个较短的原始途径,或是复制而后分化整个途径,并将已存在的酶和它们的复合体带入新的反应途径中。[这些进化机制中,哪一种更为重要目前还不清楚,但基因组研究显示在同一个途径中的酶可能具有一个共同“祖先”,这就提示许多途径是通过一步接一步的演化方式利用已存在的反应步骤来获得新的功能。[另一种较为合理的模型来自于对代谢网络中蛋白质结构的演化研究,其结果提示酶具有普适性,同样的酶能够在不同的代谢途径中被利用并发挥相似的作用。这些利用的进程就导致进化,酶在途径中以类似于马赛克排列的方式进行拼接。第三种可能性是代谢中的一些部分可以以“模块”的方式存在,而模块可以被用于不同的途径并对不同的分子执行相似的功能。

在进化出新的代谢途径的同时,进化也可能造成代谢功能的降低或丧失。例如,一些寄生物失去了对于生存非关键的代谢进程,代之以直接从宿主体内获取氨基酸、核苷酸和糖类。类似的代谢能力退化的现象在一些内共生生物体中也被观察到。