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主要内容

新陈代谢概述

代谢途径概述,细胞内的能量流动,合成代谢和分解代谢。

介绍

你的身体里正在发生什么?你的第一个答案也许是你感到饿了,或者你的肌肉正因为跑完步而酸痛,或者你感到疲倦。但是让我们来更深入一些,穿过你层层的自我意识,来看一看你细胞里正在发生着什么。
如果你能看一下体内的任何细胞内部,你会发现它是一个了不起的活动中心,与一个安静的房间想必,它更像是一个繁忙的露天市场。无论你是醒着的还是睡着的,正在跑步还是在看电视,能量都在你的细胞内改变着形式,随着分子进行相互关联的化学反应,让你保持活力和功能性。

新陈代谢概述

细胞不断地进行数千种化学反应,来满足维持细胞和你的整个身体的生命和健康的需要。 这些化学反应通常像链子联系在一起,成为反应途径。所有发生在细胞内的化学反应都被统称为细胞的 代谢
为了了解新陈代谢的复杂性,让我们看一下下面的代谢图。对我来说,这一团线条看起来像是一个非常大的地铁系统的地图,或者可能是一个花哨的电路板。事实上,它是真核细胞(比如构成人体的细胞)中核心代谢途径的示意图。每条线都是一个反应,每个圆圈都是一个反应物或产物。
代表核心真核生物代谢网络的抽象图。该图的要点是表明新陈代谢是复杂的和高度相互关联的,也就是有许多不同的途径相互供应。
图片来源:Zlir'a (公共领域)的 “代谢示意图”。
在细胞的代谢网络中,一些化学反应释放能量并且可以自发发生( 不用能量输入)。然而,另一些反应需要额外的能量才能发生。就像你必须不断地吃食物来更换你的身体使用了的东西一样,细胞也需要一个持续的能量输入来为它们需要能量的化学反应提供动力。其实,你吃的食物就是你的细胞所使用的能量来源!
为了让这个新陈代谢的意思更加具体,让我们来看看对地球上的生命至关重要的两个代谢过程:制造糖分和分解糖分的代谢过程。

分解葡萄糖:细胞呼吸

作为释放能量途径的一个例子,让我们看看你的一个细胞是如何分解糖分子的 (比如来自你甜点时吃到的糖果)。
包括你体内的大多数细胞的许多细胞从葡萄糖 (start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript) 中获得能量,这个过程被称为 细胞呼吸。其中,葡萄糖分子通过许多小步骤逐渐分解。不过,这一进程的总体反应是:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + start text, 能, 量, end text
分解葡萄糖释放能量,而这些能量被细胞以 三磷酸腺苷 ,也就是 ATP 的形式被捕获。 ATP 是一个小分子,它为细胞提供了一种短暂储存能量的捷径。
一旦制造出来,ATP 就可以被细胞中的其他反应用作能量来源。就像我们人类使用金钱是因为这比以物易物更简单,细胞使用 ATP 作为一个标准化的方式来进行能量转移。正因为如此,ATP 有时被描述为细胞的“能量货币” 。

制作葡萄糖:光合作用

作为需要能量的代谢途径的一个例子,让我们揭开最后一个例子,看看一个糖分子是怎么制作出来的。
像葡萄糖这样的糖是由植物通过一个被称为 光合作用 的过程中制作的。在光合作用中,植物利用阳光的能量来将二氧化碳气体转化为糖分子。光合作用也通过许多小步骤发生,但它的整体反应只是反转过来的细胞呼吸反应:
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和我们一样,植物也需要能量来为它们的细胞过程提供动力, 所以有些糖被植物本身使用。它们还可以作为食物来源提供给食用植物的动物,就像下面的松鼠一样。在这两种情况下,葡萄糖都会通过细胞呼吸来分解,产生 ATP 以保持细胞的运行。
左图:一棵树上生长着橡果。右图:松鼠吃橡果的样子。
图片来源:OpenStax Biology。“橡果”,Noel Reynolds修改;“松鼠”,Dawn Huczek修改。

合成代谢和分解代谢途径

制造和分解葡萄糖分子的过程都是代谢途径的例子。一条 代谢途径 是一系列相互连接、相互供应的化学反应。该途径吸收一个或多个起始分子,然后通过一系列中间体将其转化为产品。
代谢途径可根据其影响大致分为两类。光合作用从较小的分子中制造糖,是一种 "积累",或者说 合成代谢 途径。相反,细胞呼吸将糖分解为较小的分子,是一种 "分解",或 分解代谢 途径。
合成代谢途径:小分子被组装成更大的分子。通常需要能量。
分解代谢途径:大分子被分解成小分子。通常释放能量。
图片来源:OpenStax生物学。
合成代谢通路 是从简单的过程中构建复杂的分子,并且通常需要输入能量。从二氧化碳中制造葡萄糖就是一个例子。其他例子包括从氨基酸合成蛋白质,或从核酸“积木” (核苷酸) 中合成 DNA 链。这些不断发生的生物合成过程对细胞的生命至关重要,并且使用 ATP 和其他短期储能分子携带的能量。
分解代谢通路 涉及复杂分子分解成更简单的分子,并且通常释放能量。储存在复杂分子(如葡萄糖和脂肪)化学键中的能量在分解代谢途径中释放。然后这些能量被能够为细胞的工作提供动力的形式 (例如ATP 的合成)而收获。
最后一个重要的注意事项:代谢途径中的化学反应不会没有指导地自动发生。相反,途径中的每个反应步骤都是由一种叫做 的蛋白质来促进,或者说催化的。你可以在 这里学习到更多关于酶和它们是如何控制生化反应的。