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代谢
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'''代謝'''（Metabolism），亦稱'''新陳代謝'''，是生物體內維持生命的化學反應的集合。代謝是[[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：[[异化作用|分解代谢]]可以对大的分子进行分解以获得能量（如[[呼吸作用|细胞呼吸]]）；[[同化作用|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|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，生物体的生命就會結束。 代谢中的化学反应可以归纳为[[代謝途徑]]，通过[[酶]]的作用将一种化学物质转化成另一種化學物質。酶可以通过一個[[热力学|熱力學]]上易於發生的反應來驅動另一個難以進行的反應，使之變得可行；例如，利用[[三磷酸腺苷|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制决定了哪些物质对于此生物体是有[[营养]]的，而哪些是[[毒物|有毒的]]。例如，一些[[原核生物]]利用[[硫化氫|硫化氢]]作为营养物质，但这种气体对于一些[[生物]]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。代谢有一個特点：無論是任何大小的物种，基本代谢途径也是相似的。例如，[[羧酸]]，作为[[三羧酸循环|柠檬酸循环]]（又称为“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，无论是微小的[[微生物|单细胞]][[细菌]]还是巨大的[[多细胞生物|多细胞]]生物如[[象|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演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3类分子是[[氨基酸]]、[[糖|糖类]]和[[脂類|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[[脱氧核糖核酸|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。{| class="wikitable" style="margin-left: auto; margin-right: auto;"|-!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|- style="text-align:center;" ||[[氨基酸]]||氨基酸||[[蛋白质]]（或[[多肽]]）||[[纤维蛋白]]和[[球蛋白]]|-| style="text-align:center;"|[[糖|糖类]]| style="text-align:center;"|[[單醣|单糖]]| style="text-align:center;"|[[多糖]]| style="text-align:center;"|[[淀粉]]、[[糖原]]和[[纤维素]]|-| style="text-align:center;"|[[核酸]]| style="text-align:center;"|[[核苷酸]]| style="text-align:center;"|[[多聚核苷酸]]| style="text-align:center;"|[[脱氧核糖核酸|DNA]]和[[核糖核酸|RNA]]|} === 新陈 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[[訊息傳遞 (生物)|细胞信号传导]]、[[免疫反应]]、[[细胞黏附]]和[[細胞週期|细胞周期调控]]中扮演重要角色。=== 脂类 === [[脂類|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[[细胞壁]]；此外，它们也可以作为机体能量来源。<ref name=Nelson/>脂类通常被定义为[[疏水性]]或[[两性分子|两性]]生物分子，可溶于诸如[[苯]]或[[三氯甲烷|氯仿]]等有机[[溶剂]]中。 [[脂肪]]是由[[脂肪酸]]基团和[[丙三醇|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3个脂肪酸分子形成[[三酸甘油酯|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[[親水性|親水性]]基团（如[[磷脂]]中的[[磷酸鹽|磷酸盐]]基团）。[[類固醇|类固醇]]（如[[膽固醇|胆固醇]]）是另一类由细胞合成的主要的脂类分子。 === 糖类 ===[[糖|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]]）。<ref name=Nelson/>糖类的基本组成单位为[[單醣|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雙糖，而连接的方式更多样就變成多糖。=== 核苷酸和核酸 === [[脱氧核糖核酸|DNA]]和[[核糖核酸|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 (遗传学)|翻译]]来完成从遗传信息到蛋白质的过程。<ref name=Nelson/>这些遗传信息由[[DNA修復]]机制来进行保护，并通过[[DNA复制]]来进行扩增。一些[[病毒]]（如[[人類免疫缺陷病毒|HIV]]）含有RNA[[基因組|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[[剪接体]]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[[核鹼基|碱基]]来形成。其中，碱基是含氮的[[杂环化合物|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[[化學能|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。<ref name=Dimroth/> ATP是连接[[同化作用|合成代谢]]和[[异化作用|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<sup>+</sup>，还原形式为NADH）是维生素B<sub>3</sub>（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<sup>+</sup>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<sup>+</sup>/NADH多在分解代谢反应中发挥重要作用，而NADP<sup>+</sup>/NADPH则多用于合成代谢反应中。 === 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空氣。 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、[[磷酸鹽|磷酸根]]离子以及[[碳酸氢盐|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|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；酶的辅因子会在催化过程中被轉化，这些辅因子总是能够在催化完成后回到起始状态。 == 参考文献 ==