生物代谢总论

第一节　生物代谢总论

一、生物代谢的概念

生物代谢，也叫新陈代谢，是维持生物体一切生命活动过程中化学变化的总称，它包含生物体同外界环境的物质交换和能量转移以及生物体内部的物质转变和能量转变两个过程。因此，生物代谢就是生命个体的新陈代谢。生物代谢是生命存在的前提，生物代谢一停止，生命就随之停止。生物代谢是生物最基本的特征。

生物代谢包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。一般说来，生物体从外界摄取营养物质，将其转变成自身物质，并贮存能量，供生物体生命活动利用。这些营养物质是含低能量的较简单的化合物，在生物体内转化成高能量的复杂的细胞结构的化合物。这一过程称为合成代谢或同化作用。与此同时，生物体通过呼吸作用，不断地将自身的组成物质分解以释放能量，并把分解产生的废物排出体外，这一过程称为分解代谢或异化作用。也就是说，在生物代谢所包括的合成代谢与分解代谢中，前者是吸能反应，后者是放能反应，合成与分解代谢既有生物体内物质成分的改变，又有生物体在生命活动中能量的改变。

生物代谢，是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一基础上的，它们之间是相互联系、相互依存，而且是相互制约的。一个合成代谢过程，常包括许多分解反应；一个分解过程也常包括许多合成反应。在能量代谢的放能与吸能两方面上也是相互联系、相互制约的。如腺苷三磷酸（ATP）在反应中能供应能量，而它本身合成时需消耗能量，因此它的合成又受能量供应的限制。总之，合成为分解准备了物质前提，外部物质变为内部物质；同时，分解为合成提供必需的能量，内部物质又能转变为外部物质。可见，生物体通过生物代谢获得它所必需的能量，通过生物代谢建造和修复生物体，生物代谢贯穿于生命始终。

二、生物代谢的特点及其研究方法

1.生物代谢的特点

不同的生物具有不同的代谢类型，其代谢方式决定于遗传，环境条件也有一定的影响。

各种生物代谢过程虽然复杂，但却有共同的特点。生物体内的绝大多数代谢反应是在温和的条件下，由酶所催化进行的；生物体内反应与步骤虽然繁多，但相互配合，有条不紊，彼此协调，有严格的顺序性；生物体对内外环境条件有高度的适应性和灵敏的自动调节。生物代谢实质上就是错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周围环境高度适应而成的一个有规律的总过程。

生物代谢过程包括营养物质的消化吸收、中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段。中间代谢一般仅指物质在细胞中的合成和分解过程，不涉及营养物质的消化吸收与代谢产物的排泄等。

2.生物代谢的研究方法

（1）活体内与活体外实验　活体内实验是利用有活性的生物个体，通过饲喂经过标记的化合物，然后收集排泄物，研究物质代谢的方法。活体内实验结果代表生物体在正常生理条件下，在神经、体液等调节机制下的整体代谢情况，比较接近生物体的实际。活体内实验为搞清许多物质的中间代谢过程提供了有力的实验依据。例如1904年，德国化学家（Knoop）即是根据体内实验提出了脂肪酸的β-氧化学说。

活体外实验是用从生物体分离出来的组织切片，组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物研究代谢过程。体外实验可同时进行多个样本，或进行多次重复实验，曾为代谢过程的研究提供了许多重要的线索和依据。例如糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等反应过程均是从体外实验获得了证据。

（2）同位素示踪法　同位素示踪技术是研究代谢过程的最有效方法。因为用同位素标记的化合物与非标记物的化学性质、生理功能及在体内的代谢途径完全相同。追踪代谢过程中，被标记的中间代谢物、产物及标记位置，可获得代谢途径的丰富资料。例如将¹⁴C标在乙酸的羧基上，同时喂饲动物，如动物呼出的CO₂中发现1⁴C，说明乙酸的羧基转变成CO₂。

同位素示踪法特异性强，灵敏度高，测定方法简便，是现代生物学研究中不可缺少的手段。放射性同位素对人体有毒害。某些同位素的半衰期长，容易造成环境污染，因此应在专门的同位素实验室工作。

（3）代谢途径阻断等方法　在研究物质代谢过程中，还可应用代谢途径阻断法，即用抗代谢物或酶的抑制剂来阻抑中间代谢的某一环节，观察这些反应被抑制或改变以后的结果，以推测代谢情况。近年来应用代谢途径阻断方法对突变体营养缺陷型生物及人类遗传性代谢病的研究，为进一步搞清代谢过程开辟了新的实验途径。

此外，在整体实验动物的代谢研究方面，也可以应用药物来造成异常实验动物，进行代谢研究。例如用根皮苷毒害狗的肾小管，使之不能吸收葡萄糖；或者用四氧嘧啶毒害狗的胰岛，使之不能产生胰岛素，上述两种方法都用于糖尿病的研究。

三、生物体内能量代谢的基本规律

在生物体内进行着各种合成代谢和分解代谢，同时伴随着一系列的能量转变，即有机物氧化分解所释放的能量转移到高能化合物中，用于合成代谢和其他需要消耗能量的生理过程，这就是能量代谢的概念。

生物体能量代谢同整个自然界一样要服从热力学定律。热力学第一定律是能量守恒定律，指能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转变为另一种形式。生命活动所需要的能量来自物质的分解代谢，生命机体内的机械能、电能、辐射能、化学能、热能等可以相互转变，但生物体与环境的总能量将保持不变。

1.自由能变化与氧化还原

为了弄清生物体内能量产生和利用的问题，有必要先弄清楚有关自由能和氧化还原电位的概念及两者之间的相互关系。

（1）自由能的概念　对于任意化学反应←↑AB可用自由能变化△G判断反应进行的方向。

当△G＜O时，表示反应有自由能释放，能自发进行；

当△G＞O时，表示自由能输入，反应不能自发进行，在输入必要的能量后才能进行；

当△G＝0，反应无自由能变化，表示反应处于平衡状态。

对于生物化学反应，化学反应环境pH＝7（其他条件为标准状态）时的自由能变化用△表示；△G与的关系如下：

式中，R为摩尔气体常数，其值为8.315J/（mol·K）；T为热力学温度，K。

如果已知一个生化反应的平衡常数（平衡常数可查得），就可利用上式计算其标准自由能的变化。

△值越小，供电子的倾向越大，即还原能力越强；△值越大，得到电子的倾向越大，即氧化能力越强。因而，电子总是从低的氧化还原电位向高的氧化还原电位流动。

在一个氧化还原反应中，标准自由能变化与标准电极电位变化之问存在下列关系：

式中，n为转移电子数；F为法拉第常数。

从反应物的氧化还原电位△可以计算出化学反应自由能的变化。

2.高能化合物ATP

生化反应中，某些化合物含自由能很高，在其水解反应时或基团转移反应中可放出大量的自由能，能量蕴藏于化学键中，含有高能键的化合物称为高能化合物。高能键以符号“～”表示。高能化合物一般对酸、碱和热不稳定。

机体内存在着各种磷酸化合物，它们所含的自由能多少不等，含自由能特多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。高能磷酸化合物水解时，每摩尔化合物放出的自由能高达30～67kJ，含自由能少的磷酸化合物如6磷酸葡萄糖、甘油磷酸等水解时，每摩尔仅释放出8～20kJ自由能。高能磷酸化合物常用～P或～○P来表示。