6.1: 能量和新陈代谢

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培养技能

解释什么是代谢途径并描述两种主要的代谢途径
讨论化学反应如何在能量传递中发挥作用

科学家使用生物能量学一词来讨论通过生命系统（如细胞\(\PageIndex{1}\)）的能量流的概念（图）。诸如复杂分子的生成和分解之类的细胞过程是通过逐步化学反应发生的。其中一些化学反应是自发的并释放能量，而另一些则需要能量才能进行。正如生物必须持续消耗食物以补充已使用的食物一样，细胞也必须不断产生更多的能量来补充不断发生的许多需要能量的化学反应所消耗的能量。细胞内部发生的所有化学反应，包括消耗能量的化学反应和释放能量的化学反应，都是细胞的新陈代谢。

该图显示了来自太阳的能量被转移到生产者（例如植物）以及释放的热量。生产者反过来将能量转移给消费者和分解者，从而释放热量。动物也会将能量传递给分解者。 — 图\(\PageIndex{1}\)：地球上大多数生命形式的能量都来自太阳。植物利用光合作用来捕捉阳光，食草动物吃掉这些植物来获取能量。食肉动物吃食草动物，分解者消化动植物物质。

碳水化合物的代谢

糖（一种简单的碳水化合物）的代谢是许多使用和产生能量的细胞过程的典型例子。生物消耗糖作为主要能量来源，因为糖分子的键中储存了大量的能量。葡萄糖（一种简单的糖）的分解由以下方程式描述：

\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + (energy)} \nonumber\]

食用的碳水化合物起源于植物等光合作用生物（图6.1.2）。在光合作用过程中，植物利用阳光的能量将二氧化碳气体（CO ₂）转化为糖分子，例如葡萄糖（C ₆ H ₁₂ O ₆）。由于这个过程涉及合成一个更大的能量储存分子，因此需要输入能量才能继续。葡萄糖的合成由以下方程式描述（请注意，它与前一个方程相反）：

\[\ce{6CO_2 + 6H_2O + (energy) \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber\]

在光合作用的化学反应中，能量以一种叫做 ATP 或三磷酸腺苷的高能分子的形式提供，三磷酸腺苷是所有细胞的主要能量货币。就像美元被用作购买商品的货币一样，细胞使用ATP分子作为能量货币来立即发挥作用。糖（葡萄糖）以淀粉或糖原的形式储存。像这样的储能聚合物被分解成葡萄糖以供应 ATP 分子。

在光合作用反应过程中，合成葡萄糖分子需要太阳能。在光合作用中，来自太阳的光能最初转化为化学能，暂时储存在能量载体分子 ATP 和 NADPH（烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸）中。然后，ATP 和 NADPH 中储存的能量随后用于光合作用，从六个 CO ₂ 分子中生成一个葡萄糖分子。这个过程类似于早上吃早餐来为身体获取能量，这些能量可以在当天晚些时候使用。在理想条件下，在光合作用反应过程中，合成一个葡萄糖分子需要来自18个ATP分子的能量。葡萄糖分子也可以与其他类型的糖结合并转化为其他类型的糖。当糖被消耗时，葡萄糖分子最终会进入生物体的每个活细胞。在细胞内部，每个糖分子都会通过一系列复杂的化学反应分解。这些反应的目标是收集储存在糖分子内的能量。收集的能量用于制造高能 ATP 分子，这些分子可用于发挥作用，为细胞中的许多化学反应提供动力。用六个二氧化碳分子制造一个葡萄糖分子所需的能量是18个ATP分子和12个NADPH分子（每个分子在能量上等同于三个ATP分子），或者合成一个葡萄糖分子所需的总共54个分子当量。这个过程是细胞产生所需分子能量的基本而有效的方法。

左边的照片显示橡子生长在橡树上。右边的照片显示了一只松鼠在吃东西。 — 图\(\PageIndex{2}\)：植物，比如这棵橡树和橡子，利用来自阳光的能量制造糖和其他有机分子。植物和动物（比如这只松鼠）都利用细胞呼吸从最初由植物产生的有机分子中获取能量。（来源 “橡子”：对诺埃尔·雷诺兹作品的修改；来源 “松鼠”：Dawn Huczek 对作品的修改）

代谢途径

糖分子的制造和分解过程说明了两种类型的代谢途径。代谢途径是一系列相互关联的生化反应，这些反应通过一系列代谢中间体逐步转化一个或多个底物分子，最终产生一个或多个最终产物。就糖代谢而言，第一种代谢途径从较小的分子中合成糖，而另一种途径将糖分解成较小的分子。这两个相反的过程——第一个需要能量和第二个产生能量——分别被称为合成代谢（建筑）和分解代谢（分解）途径。因此，新陈代谢由构建（合成代谢）和降解（分解代谢）组成。

进化连接：代谢途径的演变

进化树的底部是原核生物的祖先。这个祖先催生了古细菌、真菌和 Protista，这反过来又催生了植物、真菌和动物。 — 图\(\PageIndex{3}\)：这棵树显示了生命各个分支的演变。垂直维度是时间。蓝色的早期生命形式利用厌氧代谢从周围环境中获取能量。

新陈代谢的复杂性不仅仅是了解代谢途径。代谢复杂性因生物而异。光合作用是植物等光合生物（全球合成的大部分由浮游藻类完成）收集太阳能量并将其转化为碳水化合物的主要途径。光合作用的副产品是氧气，某些细胞需要氧气进行细胞呼吸。在细胞呼吸过程中，氧气有助于碳水化合物（如碳水化合物）的分解代谢分解。这种分解代谢的产物包括二氧化碳和三磷酸酯。此外，一些真核生物在没有氧气的情况下进行分解代谢过程（发酵）；也就是说，它们进行或使用厌氧代谢。

生物可能为了生存而进化出厌氧代谢（大约38亿年前，当大气缺氧时，活生物体诞生了）。尽管生物之间存在差异和新陈代谢的复杂性，但研究人员发现，生命的所有分支都有一些相同的代谢途径，这表明所有生物都是从同一个古老的共同祖先进化而来的（图\(\PageIndex{3}\)）。有证据表明，随着时间的推移，途径各不相同，增加了特殊的酶，使生物能够更好地适应环境，从而增加了它们的生存机会。但是，基本原则仍然是，所有生物都必须从环境中收集能量并将其转化为ATP才能发挥细胞功能。

合成代谢和分解代谢途径

合成代谢途径需要输入能量才能从较简单的分子中合成复杂分子。从 CO ₂ 中合成糖就是一个例子。其他例子包括从氨基酸构建基块中合成大型蛋白质，以及从核酸构建基块中合成新的DNA链。这些生物合成过程对细胞的生命至关重要，持续发生，需要由ATP和其他高能分子提供的能量，例如NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADPH（图\(\PageIndex{4}\)）。

ATP 是细胞在任何时候都有充足供应的重要分子。糖的分解说明了单个葡萄糖分子如何储存足够的能量来产生大量的ATP，36到38个分子。这是一种分解代谢途径。分解代谢途径涉及将复杂分子降解（或分解）为更简单的分子。储存在复杂分子键中的分子能量通过分解代谢途径释放，并以可用于产生 ATP 的方式收集。其他储能分子，例如脂肪，也会通过类似的分解代谢反应进行分解，从而释放能量并产生 ATP（图\(\PageIndex{4}\)）。

重要的是要知道代谢途径的化学反应不是自发发生的。每个反应步骤都由一种叫做酶的蛋白质促进或催化。酶对于催化所有类型的生物反应都很重要，包括需要能量的生物反应和释放能量的反应。

显示了合成代谢和分解代谢途径。在合成代谢途径（上）中，四个小分子添加了能量以形成一个大分子。在分解代谢途径（下图）中，一个大分子被分解成两个成分：四个小分子加上能量。 — 图\(\PageIndex{4}\)：合成代谢途径是那些需要能量才能合成更大分子的途径。分解代谢途径是那些通过分解较大分子来产生能量的途径。这两种途径都是维持细胞能量平衡所必需的。

摘要

细胞通过各种化学反应发挥生命功能。细胞的新陈代谢是指其内部发生的化学反应。有些代谢反应涉及将复杂的化学物质分解成更简单的化学物质，例如大分子的分解。这个过程被称为分解代谢，这种反应与能量释放有关。另一方面，合成代谢是指用更简单的分子（例如大分子的合成）生成复杂分子的代谢过程。合成代谢过程需要能量。葡萄糖合成和葡萄糖分解分别是合成代谢和分解代谢途径的例子。

词汇表

合成代谢的: （也是合成代谢）途径，需要输入能量才能从较简单的分子中合成复杂分子

生物能量学: 研究流经生命系统的能量

分解代谢的: （也是分解代谢）将复杂分子分解成更简单分子的途径

新陈代谢: 细胞内部发生的所有化学反应，包括合成代谢和分解代谢