九章 代谢总论

第九章  代谢总论,代谢：发生在活细胞内的所有化学反应，是由酶催化的高度协调的、有目的的化学反应。代谢主要起着这样几个方面的作用：将太阳能或者将来自环境的富含能量的营养物质转变成可利用的化学能；将营养分子转变成细胞自身特有的分子，包括大分子的前体；将小分子的前体聚合成蛋白质、核酸、多糖、脂质以及细胞其他成分；合成和降解其他特定细胞功能的生物分子。在任何一种活细胞中所发生的化学反应都是十分复杂的。指导代谢的原理在所有生物中都是相同。许多主要代谢途径在生物中是相同的，其差别主要是支撑它们的能量来源。,第一节 生物圈构筑了生物间的依存关系,一、代谢的多样性虽然大多数生物细胞主要代谢途径是相同的，但是不同的细胞被它们选择的途径所特化。这些途径授予了代谢的多样性。根据对碳的需要可将生物分为自养生物和异养生物。  自养生物：利用CO2作为它们唯一碳源的生物。  异养生物：利用有机碳（例如葡萄糖）合成其他必需的含碳化合物的生物。根据能量的来源将生物分为光养生物和化养生物。  光养生物：利用光作为能源。  化养生物：利用有机物作为能源。原核生物表现出比真核生物较大的代谢多样性。,二、氧在代谢中的作用,在生物之间进一步区分是根据是否利用氧作为产生能量的电子受体，能够利用的是需氧生物，不能利用的是厌氧生物。对氧绝对必需的叫做专性需氧生物。某些生物是兼性厌氧的，在无氧条件下能利用其他物质代替 O2 作为产生能量的电子受体。完全不能利用O2、甚至O2对它是有毒的生物称为专性厌氧生物。,三、生物圈中能量的流动与碳和氧的循环是密切相关的,生命的基本能量来源是太阳。光能自养生物利用光能推动有机分子由大气中的 CO2 和 H2O 合成（图91）。异养生物或细胞利用光合细胞合成的这些有机产物作为燃料和作为合成它们自身特有的生物分子的前体。作为异养生物的碳代谢的末端产物返回到大气中，被光能自养生物重新利用。实际上，太阳能被光能自养生物转化成有机物分子的化学能，异养生物代谢这些有机物以获取能量。因此，推动这种循环的原动力是光能。,四、氮循环,氮对生物来说是关键元素，因为是蛋白质和核酸的组分。碳和氧一样，氮通过生物圈发生循环（图92）。在无生命的环境中，氮以 N2 形式出现在大气中，以硝酸盐离子（NO3-）形式存在于土壤中和海洋中。氮还原为铵离子，然后参入到碳架中，转变成有机氮而被生物所利用。由 N2 合成 NH4 叫做固氮作用。固氮作用是一种原核生物过程，虽然与某些绿色植物共生结合的细菌也能在这类植物根瘤中完成固氮作用。 NO3- 还原 NH4 发生在绿色植物以及许多真菌中。动物完全依赖于植物和微生物合成的含氮有机化合物，以满足它们对这种必需元素的需要。,四、氮循环,动物以还原性的 NH4 或含氮的有机化合物（如尿素）形式释放出氮。许多细菌能将还原的氮氧化，使其返回到环境中。氧化成 NO3- 是由消化细菌完成的。这是一类化能自养生物，能利用这一过程为它们的生命活动提供唯一的化学能来源。硝态氮经过反消化细菌的代谢活性转变成 N2，重新返回到大气中。这些细菌在产生能量的途径中用NO3-和类似的氧化型无机氮代替氧作为电子受体，  NO3-  最终还原成  N2。像氮和氧循环一样，氮循环涉及各种各样的生物参与，它们彼此依赖，使循环和必需资源的回收平稳运行。这些循环的内涵是生命形式的相互依存一群代谢活性为另一群提供营养物质。在这种方式中，实际上所有生物结成彼此依赖的群体或生态系统。,第二节 分解代谢和合成代谢,一、分解代谢分解代谢涉及到从环境或细胞储存库获得的复杂的营养分子（糖类、脂质和蛋白质）的氧化性降解。分解代谢的一个显著特点是众多不同的底物通过不同的分解途径转变成少数共同的中间物，然后进入到一个共同的代谢途径（图93）。分解代谢反应通常是放能的，所释放的化学能往往以 ATP 的形式捕获。由于分解代谢大多数是氧化性的，因此，当富含能量的电子转移给 NAD+ 和 NADP+ 时，部分化学能可以被保存。NADH 的氧化释放出来的能量与需氧细胞 ADP 的磷酸化相偶联。NADPH 是还原力的来源，它推动还原性的生物合成反应。,第二节 分解代谢和合成代谢,二、合成代谢合成代谢是指不同的、复杂的生物分子（蛋白质、多糖和脂质等）合成的过程，是由小分子前体装配成大分子的过程。合成代谢可以由相对少的起始物合成众多的各种不同的产物。生物合成涉及新的共价键的形成，需要化学能的输入，以推动需能反应。由分解代谢产生的 ATP 提供这种能量。此外，NADPH 是合成代谢还原反应的一种很好的高能电子供体。尽管合成代谢和分解代谢具有相反的作用，但是两者是相互关联的，即一种过程的产物为一种相反的过程提供底物，许多代谢中间物是为两个过程所共有的，合成代谢所需的前体可以在分解代谢的中间物或产物中找到。,第二节 分解代谢和合成代谢,三、合成代谢和分解代谢不是相互排他的合成代谢和分解代谢在细胞内可以同时发生。若分解代谢和合成代谢产生冲突，可以通过细胞以两种方式进行调整。第一种方式是：细胞对分解代谢和合成代谢保持紧密的和分开的调节，以便以一种直接而有序的方式服务于代谢需要。第二种方式是：相互冲突的代谢途径往往位于不同的细胞间隔（表91）。使相反活性分开在不同的细胞间隔可以避免两者间的相互干扰。,第三节  代谢途径的控制,一、代谢反应速率的热力学考虑代谢途径是不可逆的。一个高度放能的反应（其 G0）是不可逆的，即是说这样的反应能进行到完成。如果这样一个反应是某多步途径中的一部分，那么该反应将授予该途径的方向性。每一个代谢途径都有第一个受约束的反应步骤。虽然一个代谢途径中的大多数反应在近乎平衡状态起作用，但是在该途径的早期反应中通常有一个不可逆（放能）的反应，该反应限制着它的产物继续向下运行（该反应限制着整个代谢途径的运转速度）。分解途径和合成途径是不同的。如果一种代谢物通过放能的过程转变为另一种代谢物，那么后者要想转变成前者必须提供能量。这种消耗能量的过程需要一种不同的途径。,第三节  代谢途径的控制,二、代谢流量的控制生物在热力学上是一个开放的系统，这个系统趋向保持稳态而不是达到平衡。处在稳态下的中间物通过一代谢途径的流量或多或少是恒定的。由于代谢途径是一系列的酶催化的反应，因此，流经该途径的代谢物流量可以通过测定它的单个反应步骤来描述。对于单个反应，代谢物流量（J）可以描述为：                                 J vf vr这里，是指正向反应的速率，代表逆向反应速率。处在平衡时，按定义没有代谢物的净流量（J0），虽然 vf 和 vr也许是很大的。对于远未平衡的反应， vf vr ，那么代谢物的流量基本上相当于正向反应速率（ J vf ）。通过一稳态途径的代谢物流量是恒定的，是由该途径的限速反应步骤调整的。,第三节  代谢途径的控制,二、代谢流量的控制某一代谢途径的限速反应步骤是该途径最慢的步骤。限速反应步骤的产物达到平衡之前被该途径相继发生步骤移走。这样。限速反应步骤行使远未平衡的功能，并释放大量的（负的）自由能。非平衡反应的速率对它的底物浓度的变化是相对不敏感的，允许流经该途径的代谢物确立稳态流量。所以，改变非平衡反应的速率将导致代谢物流经整个代谢途径的流量变化一个或几个数量级。,第三节  代谢途径的控制,二、代谢流量的控制限速反应的控制机制有如下几种：别构调节：许多催化限速反应的步骤的酶的活性可以受不同的效应物调节。这些效应物包括产物、底物或者辅酶。共价修饰调节：控制代谢途径流量可通过特定部位的氨基酸残基酶促共价修饰调节其活性。在大多数情况下是通过酶的磷酸化和去磷酸化进行调节。这样的酶促修饰极大地改变被修饰酶的活性。底物循环：如果vf 和 vr代表两个由不同的酶催化的两个相反的非平衡反应，那么vf 和 vr可以被独立改变（见图）。酶浓度调节：也是酶活性的调节。是通过对酶蛋白合成的调节实现对代谢物的需要的一种调节方式。酶浓度调节涉及到基因表达的控制。,第四节  研究代谢的方法,一个代谢途径的了解需要作这样几个方面的研究：某一营养物转变成最终产物的化学反应顺序以及转变发生时的能量变化；每一种代谢中间物转变成它的产物的机制；控制代谢物通过该途径流量的机制。,一、追踪代谢物的去向通过追踪含有特殊标记的代谢物的去向有助于揭示代谢途径。例如苯环标记脂肪酸，研究脂肪酸的氧化。化学标记存在着不足，被标记代谢物的化学性