1、代谢总论代谢(metabolism)，活细胞中所有化学变化的总称。每一变化均由酶催化。以下将分述代谢研究的具体对象；物质代谢和能量代谢；中间代谢；代谢的研究方法；代谢动态；代谢和生命发展。第一节 代谢研究的具体对象代谢研究活细胞中所有化学变化，这里所说的活细胞是概括的说法；这活细胞来自单细胞生物，也来自多细胞生物；并且还包括病毒(virus)、噬菌体(bacteriophage)，它们介于生物和非生物之间，只有寄生于生物细胞中，才能表现代谢等生命现象。以下列举一些较常见的代谢研究的具体对象，并附拉丁学名：(1)大肠杆菌(Escherichia ecli)(3)大肠杆菌噬菌体 T4(Baoter
2、iophage T4)(4)枯草杆菌(Bacillus sbslitis)(5)四膜虫(Tetrahymena thermophila)(6)酒酵母(Saccharomyces cererisiae)(7)红色面包霉(Neurcspora crassa)(8)小球藻(Chlerella vulgaris)(9)玉米(Zea mays)(10)果蝇(Drosophila melanogaster)(11)海胆(Arbacia punctulata)(12)爪蟾(Xenopus laevis)(13)鸽(Clumba livia)(14)小鼠(Mus musculus)(15)大鼠(Rattus
3、nsrcegicus)(16)兔(Lepus californieus)(17)黑猩猩(Pan troglodytes)小球藻是绿色单细胞，是光合作用的经典材料。玉米既是光合作用研究材料，也是遗传研究材料。从玉米的遗传研究中发现转座子(transposons)。红色面包霉是生化遗传的研究材料。小鼠和兔是免疫生化常用的实验动物。大鼠和鸽是代谢研究常用的实验动物。其余所列代谢研究对象，在以后各章中将有所叙述，这里不一一介绍了。第二节 物质代谢和能量代谢有机体的物质代谢和能量代谢是密切联系在一起的。用实例来说明：一、光合作用(Photosynthesis)的总公式具有叶绿素的细胞吸收光能，这光能将无
4、机化合物，二氧化碳和水转化为有机化合物，己糖，这是同化作用(anabolism)。这个光合作用的总公式，可分写为如下的几个公式：6CO2+12NADPH+12H+18ATP1hexose+18ADP+18Pi+12NADP+(己糖)光能在叶绿体作用下合成 NADPH 和 ATP；光能转化为化学能。这清楚地表明能量代谢和物质代谢密切联系。CO 2 转化为己糖，这是同化作用。而 H2O 分子在叶绿体和光能存在的条件下分解为氧；氢则为 NADP+所接受，形成 NADPH+H+。二、酒酵母的酒精发醇(alcoholic fermentation)葡萄糖在酒酵母的作用下分解为乙醇和二氧化碳，这是异化作用
5、(catabolism)。酒精发酵是在缺氧条件下进行的，称为酵解(glycolysis)。酵解涉及到氢的转移和能量的变化。氢由 NAD+转移。最终有 ATP 的释放。酵解过程中物质代谢和能量代谢密切联系。现在小结如下：第三节 中间代谢中间代谢(intermediary metabolism)指代谢中的一系列的酶促反应。通过这些反应，营养物质发生转变，释放出细胞或机体生长和维持所需的能量。代谢途径(metabolic pathway)或代谢的化学途径(Chemical pathways of metabolism)将叙述和讨论糖、脂类、蛋白质、核酸，以及水盐等代谢的一系列的化学途径。代谢反应中任
6、一反应物、中间物或产物，都称为代谢物(metabolite)。例如乙醇发酵约有十余个中间代谢步骤，涉及到十余种酶类和数种辅酶，有许多中间代谢物，同时也有能量的消耗和释放。第四节 代谢的研究方法代谢的研究方法主要是中间代谢的研究方法。最有效和最常用的方法是同位素示踪法(jsotopic tracer technique)。一、苯环化合物示踪法是在同位素被应用以前，1904 年，德国的弗朗茨克诺普(Franz Knoop)用动物不能利用的苯甲酸和苯乙酸(benzoicacid and phenyl acetic acid)作示踪，从而发现脂肪酸从羧基末端开始，每两个碳链断裂，并提出了脂肪酸 -氧化
7、学说。苯甲酸和苯乙酸在动物体内跟甘氨酸结合，分别在尿中排泄出马尿酸(hippuric acid)和苯乙尿酸(phenylacetic acid)。以下列出化学反应式，表明脂肪酸的 -氧化过程。当饲犬以苯丁酸，经 -氧化后得苯乙酸，跟体内甘氨酸结合后，排泄苯乙尿酸。二、稳定同位素示踪法同位素是指原子序数相同，在元素周期表上地位相同，因而化学性质相同，但质量不同的元素；它们是质子数目相同，而中子数目不相同的原子。这种元素称某元素的同位素。天然的同位素都是稳定同位素。常用的稳定的同位素有重氢(deuterium，符号为 2H 或 D)、15N、13C和 18O。这些稳定同位素在自然界跟同位的元素的比
8、例如下：1H/2H=99.98/0.0214N/15N=99.63/0.3712C/13C=98.9/1.116O/18O=99.8/0.2我们首先需要浓缩这些比例微小的稳定同位素，并用以标记化合物。例如 -氨基酸的 -氨基，用 15N 标记为 -15NH2。测定含有 15N 的代谢物，须用质谱测定计(mass spectrometer)，氮转化为气体，质量28(14N14N)和质量 29(15N14N)被测定，至于重氢的测定比较方便些，将含有重氢的代谢物燃烧后，测定重水，D2O。三、放射性同位素示踪法放射性同位素要比稳定同位素更便于应用。放射性同位素可用人工方法制得。它们有一定的半衰期，是不
9、稳定的同位素。常用的放射性同位素有氚(tritium3T 或 8H)碳 14(14C)、磷 32(32p)、硫 34(34S)和碘131(131I)。可以列出一些反应式，说明用人工方法制得放射性同位素。例一 放射性碳 14(14C6)，用中子轰击氮获得。14N7+1n0=14C6+1H1这个反应式表明用中子 1n0，轰击氮，14N7，得到氢核，1H1 即质子，p，和碳 14，14C6。这个反应式的两边原子量之和为 14+1=14+1，原子序数之和为 7 +0=6+1，二者都是相等的。这个反应式简化为：14N7(n，p)14C6表明从 14N7 可获得 14C6；条件是用中子，n，轰击，同时产生
10、质子，p，即氢核。例二 放射性磷 32(32P15)，用中子轰击氯取得。35Cl17(n，)32P15 ( 粒子为氦核 4He2)例三 放射性氢 3(3H1，3T1)用中子轰击锂取得。6Li3(n，)3H1以下将一些常用放射性同位素、半衰期和放射线形式列表，以资参考。放射性同位素被广泛应用于中间代谢的研究，举例如下：例一 柠檬酸的三个羧基的来源问题，可用 14C 来标记乙酸。具体的反应式如下：上式表明柠檬酸有一个羧基来自乙酸，这标记的羧基在 位置上。例二 三磷酸腺苷在中间代谢中供能和贮能很迅速。ATP ADP+Pi可用 32P 来标记一个高能磷酸键。在代谢过程中，32P 标记的 -高能磷酸键很
11、快为无标记的磷酸所替换。放射性同位素的测量 使用脉冲探测器，常用的有盖革计数管(Geiger-Mller counter)体和闪烁计数器(scintillation counter)。前者利用气体对射线的电离作用，后者利用晶体、液或气体对于射线的闪光作用。三、整体、组织切片、组织匀浆和提取液中间代谢研究时用生物整体进行研究，这类研究称为体内研究，用一个拉丁语，in vivo，意即“在体内”表示。整体器官，或微生物细胞群的研究亦称 in vivo。至于切片、匀浆、提取液作为研究材料，进行研究时则称为 in vitro，意即“在体外”、“在试管内”。克诺普(Knoop)用整体活的动物犬，作为研究对
12、象，导致脂肪酸 -氧化学说的提出。临床化学研究人(Homo sapiens)体的肝功能、肾功能、内分泌情况时，当然只能是整体的研究，分析血、尿等。至于关于免疫方面的研究“主要的组织相容性复合体”(major， histocompatibility complex； MHC)的研究，从整体中取出 T-淋巴细胞作为研究对象，比较人和黑猩猩的差异，也是整体研究(Nature 335268，1988)。酵解中的一系列酶催化反应，和许多中间代谢产物的发现，是现代生物化学的出色成就；酵解的研究是用酵母提取液、肌肉提取液，在体外试管内进行的，是 in vitro 研究。三羧酸循环、氧化磷酸化、生物氧化、脂肪
13、酸氧化等都用组织匀浆，如猪心脏匀浆、鸽肝脏匀浆等才能发现这类中间代谢的一系列酶催化过程。这是由于这类酶多存在于线粒体中。文献上曾有“环酶-线粒体系统”(cyclophorass-mitochondrial system)的名称；表明组织匀浆中才保存较完整的线粒体结构和环酶系统的功能。又例如辅酶 A 的发现就是以鸽肝脏匀浆作为材料发现的，最后在提取液中确定其化学结构。这类研究也是 in vitro 研究。第五节 代谢动态代谢是活细胞中化学变化的总称，这就表明代谢是动态的。英国剑桥大学生物化学系的鲍德温(Ernest Baldwin)的“动态生物化学”(Dynamic Aspects of Bio
14、chernistry 2nd ed.1952)论述了酶和各类物质的代谢。当动物机体在维持体重情况时，是否有代谢动态？应用什么研究方法和研究途径，才能就这一问题做出答案？舍恩海默(Rudolf Schenheimer 18981941)于 1641 的著作“机体构成部分的动态”(The Dynamic State of Body Constituents)叙述了应用天然同位素标记的营养素喂小鼠的许多实验研究；并发现这些标记氨基酸等进入肝脏、肠壁、肌肉及皮肤。还发现标记的氨基酸进入血清中的球蛋白、抗体、清蛋白等。应用重氢标记的十六烷酸(palmitic acid)饲小鼠，发现这重氢进入到小鼠体内的
15、许多其他脂肪酸，如十八酸(stearic acid)、十四酸(myristic acid)、十二酸(lauric acid)和许多不饱和脂肪酸如棕榈油酸(palmitoleic acid)、油酸(oleic acid)、亚麻酸(linoleic acid)。以上择要叙述舍恩海默的一些示踪试验结果，表明动物的身体虽然在数量上和构造上保持“恒定”，但是在不断地转换着的，是不恒定的，代谢在活跃地进行。第六节 代谢和生命发展生命是发展的。有机体的发展有个体发育和系统发育两大类。个体发育包括胚胎发生和生长。系统发育包括遗传、变异和进化。机体在发育过程中，概括说来，同化作用超过异化作用，代谢是非常活跃的。
16、先从细胞周期(The Cell Cycle)说起：细胞的合成 DNA 时期，(DNA Synthesis)称为 S 期，意即合成期；细胞分裂时期(Mitosis)称为 M 期。S 期和 M 期之间有两个间隙时期(Gap 1 和 Gap 2)称为 G1 期和 G2 期，在这两个时期中有细胞的生长。当 DNA 合成时期，有核酸的各组成部分的合成，有能量代谢，以及 DNA 的复制、蛋白质合成等旺盛的代谢过程。遗传变异包含复杂的代谢过程，有核酸、蛋白质、酶等的代谢。生化进化涉及原核细胞(Prokaryotic cell)进化到真核细胞(Eukaryotic cell)，原始蓝藻的光合作用进化到绿色植物复杂的、更有效的光合作用。此外，DNA 的进化、蛋白质的进化、细胞器的进化，等等，这许多进化过程的代谢还有待更深入探索。
