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新陈代谢

1 拼音

xīn chén dài xiè

2 英文参考

metabolism

(saying) to replace the old with the new

3 注解

新陈代谢是生物体生命活动过程中化学变化的总称,简称代谢。指各种物质在细胞发生的一切化学反应能量变化,也可泛指生物在其生命活动过程中与外界环境所进行的物质交换和能量交换。代谢中的化学反应,几乎都是在酶的催化下进行的,即为酶促反应。而且许多酶连续地、按顺序地起作用,形成多酶系统,使第一个酶促反应的产物变成第二个酶促反应的底物,以此类推。习惯上,把这种连续的变化叫做代谢途径,把途径中的物质叫做代谢中间物或代谢物。途径中的每一步骤都是不大的化学变化,如去掉、转移或添加一个特殊的原子分子功能基。通过有次序地、一步一步地变化,使生物分子转化成某种物质或代谢的终产物。

可以把代谢作用分成分解代谢(异化作用)和合成代谢(同化作用)两个过程。分解代谢是由复杂的物质分解比较简单的物质,而合成代谢则是从简单的物质生成更复杂的物质。细胞中的各种物质,不断合成又不断分解,就在细胞物质这种“动态平衡”的过程中,生物得以维持生命。分解代谢是一种释放能量的过程,而合成代谢则是一种吸收能量的过程。这种能量的变化主要表现为三磷酸腺苷ATP)的消耗与生成。生物对能量的需要主要是靠葡萄糖的氧化分解来得到满足的。葡萄糖氧化供能的总方程式是:C6H12O6 6O2→6CO2 6H2O 能 这个过程包含数十步化学反应,其中多数是释能反应。所释放的能量有很大一部分被细胞“捕获”,并转化到ATP分子中,因此在整个葡萄糖分解代谢途径中有ATP的净合成。在氧气供应充分时,细胞中其他含有碳、氢、氧元素有机物(如脂肪酸甘油等),大多数能氧化分解,最终生成CO2、水和ATP,只是在生物总能量的供应中,其他物质的分解一般不如葡萄糖氧化那么重要。细胞中含氮有机物(如氨基酸)的分解要复杂得多。分子中的碳氢部分的分解大多与葡萄糖或脂肪酸的分解汇合。分子中的含氮部分,常转变成不同的含氮终产物排出体外。人尿中的尿素就是由氨基酸的氨基部分变成的。不同动物的含氮终产物并不相同。活细胞能合成多种特有的物质。合成代谢十分复杂和重要,尤其是在生物生长或受伤复原的时候。各种生物的合成代谢也比分解代谢有更多的差异。合成代谢是消耗能量的过程,一种物质的生成往往也要经过数十步化学反应。+,是由成百上千的氨基酸组成的。各种氨基酸必须通过消耗ATP的某种方式预先“活化”,方能按照一定顺序聚合生成特定的蛋白质。又如重要遗传物质脱氧核糖核酸DNA)含有多个脱氧核苷酸单位。各种脱氧核苷酸也必须先消耗ATP转变成具有较高能量的脱氧核苷磷酸化合物,才可作为DNA的直接合成原料。生物细胞中其他物质合成时,也几乎都要消耗ATP。动物总是利用食物中现成的有机材料转化成自身需要的有机物质。但是,动物不能合成某几种氨基酸、某几种脂肪酸和几乎所有的维生素。因而这些必要的物质都直接取自食物。植物种子贮存大量有机养料,在萌发前和萌发时,种子中的代谢活动与动物细胞中的代谢活动有很多相似之处。植物只需要空气、水、无机盐,以及简单的无机氮源(常是氨或硝酸盐)就可生存。通过光合作用,植物能“捕捉”太阳辐射能,将CO2和水合成葡萄糖,再由葡萄糖合成自身所需的一切物质。人和动物的食物直接或间接(通过其他动物)来自植物。合成代谢和分解代谢同时进行,而且密切相关。许多合成代谢的原料来自分解代谢的中间产物,动物合成代谢所需的能量也取自分解代谢。但某物质与其特定产物间的分解代谢途径和相应的、方向相反的合成途径并不相同。分解途径和合成途径可能具有不同的反应中间物或在中间步骤中利用不同的酶促反应。如葡萄糖在肝脏中通过10步连续的酶促反应分解成丙酮酸,而在丙酮酸转变成葡萄糖的合成途径中只有8步反应为相应酶促反应的逆反应,有2步反应则被另外完全不同的酶促反应所代替。同样,从氨基酸合成蛋白质,以及从乙酰辅酶A合成脂肪酸,也不是蛋白质分解产生氨基酸和脂肪酸分解成乙酰辅酶A途径的逆行。在两种物质间具有不同的合成和分解代谢途径,看起来是浪费,但从能量角度看,合成代谢途径(耗能)必与分解代谢途径(产能)不同;合成代谢与分解代谢分别、独立地进行有利于生物对代谢的调节控制。细胞代谢遵循最经济的原则进行。产能的分解代谢总速度并不是简单地被细胞能源物质的可用率或浓度控制,而是被细胞对能(ATP)的需要调节。因此,细胞适应任何时候能量利用的速度,仅消耗刚够用的营养物。分解代谢对能量需要的变化十分敏感,能很快适应细胞的需求。如蝇飞行时,由于飞行肌对ATP的突然需要,在不到1秒钟内,氧气和能源物质的消耗速度增加了100倍。又如,生长中的细胞合成氨基酸的速度和比例正好满足某一时刻组装新生蛋白质的需要;在20种基本氨基酸中,没有一种超产或不足。许多动物和植物可以贮存供能和供碳的营养物如脂肪糖类,但一般不能贮存蛋白质、核酸或简单的前体物质。这些物质在细胞需要时才合成,而且只合成所需要的量。植物种子和卵细胞是例外,它们常贮存大量蛋白质作为胚生长时的氨基酸来源。

新陈代谢包括物质代谢能量代谢。物质代谢又分为同化作用和异化作用。同化作用是将外界物质转化为组成生物体的物质并储存能量;异化作用是分解生物体的物质以释放能量并将废物排出体外。能量代谢又分为放能代谢和吸能代谢。物质代谢和能量代谢是密不可分的,在进行物质代谢的同时,必然伴随着能量代谢。生物通过新陈代谢与外界进行着物质交换和能量交换。新陈代谢是生物的主要特征之一。新陈代谢一旦停止,生物就会死亡。

通过新陈代谢研究,人们认识到生物的种类不同,代谢类型也有所不同。特别是微生物有着一般生物所没有的代谢类型。在发酵工业上通过对微生物的培养可得到不同种类的代谢产物,如乙醇乳酸醋酸丙酮、丁醇等。新陈代谢还受各种因素的严格调节。如当生物所需的某种氨基酸的合成过剩时,生物体通过调节,停止合成这种氨基酸。根据这一原理,在发酵工业上,可采用失去相应代谢调节能力的微生物突变体来生产人类所需的产品。如用一种失去抑制赖氨酸。这种突变体在所需赖氨酸的合成过剩时,仍能继续不断地合成这种氨基酸。

物质代谢是泛指生物体与外界不断交换物质的过程,包括从体外吸取养料和物质在体内的变化。狭义的代谢是指物质在细胞中的合成和分解过程,一般称中间代谢。合成代谢一般是将简单物质变成复杂物质,而分解代谢则是将复杂物质变为简单物质。代谢过程是生命现象的基本特征。糖、脂肪和蛋白质的合成途径各有不同,但它们的分解途径的共同点是,氧化成CO2和H2O。新陈代谢是机体生命活动的基本特征,新陈代谢包括物质代谢与相传伴的能量代谢,简称代谢。

糖、脂肪、蛋白质三种营养物质,经消化转变成为可吸收的小分子营养物质而被吸收入血。在细胞中,这些营养物质经过同化作用(合成代谢),构筑机体的组成成分或更新衰老组织;同时经过异化作用(分解代谢)分解为代谢产物。合成代谢和分解代谢是物质代谢过程中互相联系的、不可分割的两个侧面。

在分解代谢过程中,营养物质蕴藏的化学能便释放出来。这些化学能经过转化,便成了机体各种生命活动的能源,所以说分解是代谢的放能反应。而在合成代谢过程中,需要供给能量,因此是吸能反应。可见,在物质代谢过程中,物质的变化与能量的代谢是紧密联系着的。生物体内物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移和利用等,称为能量代谢(energy metabolism)。

机体所需的能量来源于食物中的糖、脂肪和蛋白质。这些能源物质分子结构中的碳氢键蕴藏着化学能,在氧化过程中碳氢键断裂,生成CO2和 H2O,同时释放出蕴藏的能。这些能量的50%以上迅速转化为热能,用于维持体温,并向体外散发。其余不足50%则以高能磷酸键的形式贮存于体内,供机体利用。体内最主要的高能磷酸键化学物是三磷酸腺苷( ATP)。此外,还可有高能硫酯键等。机体利用ATP去合成各种细胞组成分子、各种生物活性物质和其他一些物质;细胞利用ATP去进行各种离子和其它一些物质的主动转运,维持细胞两侧离子浓度差所形成的势能;肌肉还可利用ATP所载荷的自由能进行收缩和舒张,完成多种机械功。总的看来,除骨骼肌运动时所完成的机械功(外功)以外,其余的能量最后都转变为热能。例如心肌收缩所产生的势能(动脉血压)与动能(血液流速),均于血液在血管内流动过程中,因克服血流内、外所产生的阻力而转化为热能。在人体内,热能是最“低级”形式的能,热能不能转化为其它形式的能,不能用来作功。

生物体是通过物质的氧化获得能量的,但物质氧化时所产生的能量一般不能直接被利用。机体利用能量的方式是将生物氧化系统释放的能量,以高能键的形式先贮存在生物体内的ATP中(ATP是核苷酸-三磷酸腺苷英文名称的缩写,其分子是由一分子腺嘌呤,一分子核糖和三分子磷酸连接而成),当需要时再释放出来供各种生理活动和生化反应需用。所以在物质代谢同时也有能量代谢。

生物氧化过程,即是由各种有机物(食物来源)在酶的作用下,氧化生成CO2和H2O,并释放出能量的过程。

由于酶的催化作用,生物氧化得以在比较温和的条件下及有水的环境中进行,并且能量主要是以自由能形式逐步释放直接供给需要能量的过程。

通过食物氧化得到的能量主要用于合成ATP。然后在适当的催化剂存在时,ATP将经历三步水解,其提供的能量可用来引起其他化学反应。各种生物活动,如核酸、蛋白质的生物的合成、糖、脂肪、药物等物质的代谢,以及细胞内外物质的转运等等,都有ATP参与。ATP被称为生物体内的能量使者。

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