代謝

Posted on 2010/09/29 in 化學, 化學技術與應用, 化學與社會 with 尚無留言 22,045 views

代謝(Metabolism)
國立新莊高級中學陳偉民退休教師/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

代謝是生物體為了維持生命所進行的一系列化學反應，這些反應使生物體能成長、繁殖、維持身體結構並對環境做適當的反應。代謝通常分為兩個範疇：異化代謝（catabolism）將有機物質分解，例如利用細胞呼吸以獲取能量；同化代謝（anabolism）消耗能量以建構細胞的成分如蛋白質與胺基酸。

代謝的化學反應被組織成代謝途徑，在代謝途徑中，化合物被一連串的酶催化，經由一系列的步驟轉化為另一種化合物。在代謝過程中，酶十分重要，酶可使生物體進行必要的反應，這些反應因需消耗能量，本身不會自然發生，酶可將這些反應與某些可釋出能量的自發反應結合。以酶作為催化劑，可使這些反應快速而有效的進行，酶也可因應細胞環境的變化及其他細胞發出的信號而調整代謝途徑。

生物體的代謝決定何種物質為營養素，何種物質有毒。例如某些原核生物（prokaryote）使用硫化氫為營養素，然而對動物而言，此種氣體有毒。代謝的速率，又稱代謝率（metabolic rate）也會影響生物體需要多少食物。代謝有一項值得注意的特色，在非常不同的物種間具有相似的代謝途徑及代謝物質。例如作為檸檬酸循環中間物的數種羧酸，在所有生物體中均可發現，其中包含單細胞細菌大腸桿菌及體積龐大的多細胞生物如大象等。可能由於這些代謝途徑的高效率，而且在演化史的早期，這些途徑即已存在，所以不同生物間的代謝才會有如此驚人的相似性。

關鍵性化合物

構成動物、植物與微生物的大部分組織是由三類基本分子組成：胺基酸、醣和脂質（通常稱為脂肪）。因為這些分子是生命不可或缺的，代謝反應主要的工作，即在建構細胞與組織時製造這些分子，或在消化與利用食物時，將這些分子分解，並以其作為能源。許多重要的化合物可以結合在一起，製造如DNA和蛋白質等聚合物。這些巨分子是所有生物體必要的物質，下表中列出了一些最常見的生化聚合物。

胺基酸與蛋白質

蛋白質是由胺基酸構成，胺基酸排列成鏈狀再以肽鍵連接在一起。許多蛋白質是可催化代謝化學反應的酶，其他蛋白質則有結構或機械功能，例如形成細胞骨架（cytoskeleton）的蛋白質，這是一種維持細胞形狀，類以鷹架的系統。蛋白質在細胞信號、免疫反應、細胞吸附（cell adhesion）、穿透細胞膜的主動運輸及細胞循環都非常重要。

脂質

脂質是生化物質中種類最繁雜的一類。脂質主要用途是構成生物膜（如細胞膜）的一部分，或作為能量的來源。脂質通常定義為可溶於有機溶劑（如苯或氯仿）的疏水性或兩親媒性生物分子。脂肪是含脂肪酸與甘油的許多化合物的總稱；甘油與三個脂肪酸構成的酯是三醯甘油（如圖1）。此一基本結構有許多種變化，包括神經脂質中的神經胺醇（sphingosin），連主鏈都與三醯甘油不同。固醇類（如膽固醇）是另一類細胞製造的主要脂質。

圖1　脂質三醯甘油的結構

醣

醣是有許多羥基的直鏈醛或酮，可以直鏈或環狀存在。醣是含量最豐富的生物分子，且扮演多種角色，如貯存並輸送能量（澱粉、肝醣），和結構上的成分（植物的纖維，動物的幾丁質）。醣類最基本的單位稱為單醣，包括半乳糖、果糖和最重要的葡萄糖（如圖2）。單醣幾乎可以無限制的連接形成多醣。

: 圖2　葡萄糖可以鏈狀及環狀形式存在

核苷酸

聚合物DNA和RNA是長鏈的核苷酸，經由轉錄和蛋白質生物合成，這些分子成為儲存及利用遺傳資訊時必要的物質。利用DNA修復可以保護遺傳資訊，利用DNA複製傳遞遺傳資訊。少數病毒，如HIV，有RNA基因體，利用反轉錄由其病毒RNA基因體製造DNA模板。在核糖核酸酵素（ribozyme）（如剪接體（spliceosome）和核糖體）中的RNA與酶相似，可以加速化學反應。鹼基連接在核糖上，形成核苷。這些鹼基是含有氮的雜環，分為嘌呤和嘧啶兩類。在代謝性基轉移（group transfer）反應中，核苷酸也作為輔酶（如圖3）。

圖3 輔酶腺苷三磷酸的構造，此輔酶為能量代謝的重要中間物

輔酶

代謝涉及許多化學反應，但大多可歸類為數種官能基轉移的基本類型。此種化學共通性，使得細胞只用少數幾組代謝中間物，在不同的反應之間轉移化學基團，這些基轉移的中間物稱為輔酶。每一種基轉移反應都有特定的輔酶（如圖4），這些輔酶作為受質，有一組酶製造它，有一組酶消耗它。因此，這些輔酶不停的被製造、被消耗，接著再回收。