新陳代謝
?新陳代謝 [xīn chén dài xiè]
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審閱專(zhuān)家王建林
新陳代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個(gè)方面。新陳代謝是由同化作用和異化作用這兩個(gè)相反而又同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程組成的。同化作用和異化作用既有明顯的差別，又有密切的聯(lián)系。如果沒(méi)有同化作用，生物體就不能夠產(chǎn)生新的原生質(zhì)，也不能夠儲存能量，異化作用就無(wú)法進(jìn)行；與此相反，如果沒(méi)有異化作用，就不能夠有能量的釋放，生物體內的物質(zhì)合成也就無(wú)法進(jìn)行?？梢?jiàn)，同化作用和異化作用既相互對立又相互統一，共同決定著(zhù)生物體的存在和延續。[1]
中文名：新陳代謝
生物釋義：不斷以新物質(zhì)替換舊物質(zhì)的過(guò)程
類(lèi)型：同化作用，異化作用
物質(zhì)代謝和能量代謝
物質(zhì)代謝的研究方法
加速新陳代謝的方法
類(lèi)型
生物在長(cháng)期的進(jìn)化過(guò)程中，不斷地與它所處的環(huán)境發(fā)生相互作用，逐漸在新陳代謝方式上形成了不同的類(lèi)型。按照自然界中生物體同化和異化過(guò)程的不同，新陳代謝的基本類(lèi)型可以分為同化作用和異化作用兩種。一方面，生物有機體把從環(huán)境中攝取的物質(zhì)，經(jīng)一系列的化學(xué)反應轉變?yōu)樽陨砦镔|(zhì)。這一過(guò)程稱(chēng)為同化作用，即物質(zhì)從外界到體內，從小分子到大分子。因此，同化作用是一個(gè)吸收能量的過(guò)程，如綠色植物利用光合作用，把環(huán)境中的水和二氧化碳等物質(zhì)轉化為淀粉、纖維素等物質(zhì)。與此相反的是異化作用，即從體內到外界環(huán)境，物質(zhì)由大分子轉變?yōu)樾》肿拥倪^(guò)程，這是個(gè)釋放能量的過(guò)程，同時(shí)把生物體不需要或不能利用的物質(zhì)排出體外。
同化和異化是矛盾的兩個(gè)方面，既對立又統一，它們互相制約、互相聯(lián)系、互相依賴(lài)，彼此都以其對立面為存在條件。異化作用為同化作用提供能量，同化作用又為異化作用提供了物質(zhì)基礎。如人體的新陳代謝，在不同年齡階段程度是不同的。幼年和青少年時(shí)期需要更多的營(yíng)養物質(zhì)來(lái)促進(jìn)身體的生長(cháng)，同化作用在這一階段占主導地位，新陳代謝旺盛，反之，到了老年階段，人體機能逐漸衰退，新陳代謝日趨緩慢，此時(shí)異化作用和同化作用的主次關(guān)系也發(fā)生了變化。
同化作用
依同化作用的方式不同，可把生物分成自養型和異養型兩類(lèi)。人們把攝取現成有機物而生活的生物稱(chēng)為異養型生物； 把能從環(huán)境中吸收簡(jiǎn)單無(wú)機物同化為復雜有機物的生物稱(chēng)為自養型生物。根據所需能源和碳源的不同，又可把生物分為四大類(lèi)型。
1.光能自養型
以光為能源， 以CO2或碳酸鹽力主要碳源的生物稱(chēng)為光能自養型生物。這種生物通常具有光合色素，它們以光為能源來(lái)進(jìn)行光合作用，以水或其他無(wú)機物作為供氫體，還原CO2 ，合成細胞物質(zhì)。例如高等植物，藻類(lèi)及某些具有光合色素的細菌均屬于這一類(lèi)型。 這類(lèi)生物同化CO2的方式，可用一通式概括。通式中A在高等植物和藻類(lèi)中是氧，在細茵中則是硫或其他無(wú)機硫化物。高等植物在光合作用過(guò)程中，吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有機物質(zhì)，并放出氧氣。
CO2+2H2A→(CH2O)+2A+H20[3]
光合作用的機理比較復雜，包括一系列的光學(xué)步驟和物質(zhì)轉變?？捎孟铝泻?jiǎn)式表示：
6CO2+6H20→C6H12O6+6O2[3]
2.光能異養型
以光為能源，以有機物為主要碳源的生物稱(chēng)為光能異養型主物。有些細菌具有光合色索，能進(jìn)行光合作用。它們以有機物作為供氫體，同化有機物質(zhì)形成自身物質(zhì)，是一種不產(chǎn)氧的光合作用。[3]
3.化能自養型
化能自養型主物的能源是化學(xué)能，主要碳源是CO2這類(lèi)主物能氧化某些無(wú)機物如NH3和H2S%取得化學(xué)能以還原CO2， 合成有機物質(zhì)。例如亞硝酸細菌能將氨氧化為亞硝酸而獲得能量。氨的氧化和CO2的還原在細菌的細胞內是偶聯(lián)進(jìn)行的。
4.化能異養型
這類(lèi)生物的能源來(lái)自有機物質(zhì)的氧化所產(chǎn)生的化學(xué)能，而碳源也主要來(lái)自有機物質(zhì)，如糖類(lèi)、有機酸等，所以，有機碳化物既是碳源又是能源。動(dòng)物、真菌和絕大多數細菌屬于這一類(lèi)型。[3]
異化作用
按生物異化作用的方式 （即呼吸類(lèi)型）的不同可分為需氧生物和厭氧生物兩類(lèi)。[3]
1.需氧生物
大多數生物都要生活在氧充分的環(huán)境中，它們可以從大氣中獲得游離氧來(lái)分解體內的有機物而獲得能量。[3]
2.厭氧生物
這類(lèi)生物不能從大氣中吸收游離氧在體內進(jìn)行氧化而獲得能量。需氧生物行有氧呼吸，使有機物經(jīng)過(guò)一系列反應釋放能量，最后形成CO2和H2O 等物質(zhì)。厭氧生物行無(wú)氧呼吸，由于有機物未徹底分解，其中的能量未完全釋放，因此，比需氧生物行有氧呼吸釋放能量要少得多，而且效率也低。[3]
但是需氧生物與厭氧生物的區分也不是絕對的。需氧生物在某些條件下也可以進(jìn)行厭氧呼吸。例如，人體肌肉在劇烈運動(dòng)時(shí)，若氧供應不足，則可用厭氧呼吸供給能量。又如，酵母菌和一些腸道細茵，在有氧或缺氧的條件下均能生長(cháng)，不過(guò)以不同的氧化方式獲得能量。在缺氧時(shí)，酵母菌迸行乙醇發(fā)酵，積累乙醇和CO2，有氧時(shí)則行有氧呼吸，將有機物徹底氧化成CO2和H2O等。[3]
功能
① 從外界環(huán)境獲取營(yíng)養物，獲得物質(zhì)和能量；[2]
② 將外界攝取獲得的物質(zhì)轉化為自身的組成成分；[2]
③ 將結構元件裝配成蛋白質(zhì)、核酸和脂類(lèi)等自身的大分子；[2]
④ 分解有機營(yíng)養物質(zhì)；[2]
⑤ 提供生物體生命活動(dòng)的一切能量。[2]
物質(zhì)代謝和能量代謝
新陳代謝包括物質(zhì)代謝與能量代謝。物質(zhì)代謝是指生物體與外界環(huán)境之間物質(zhì)的交換和生物體內物質(zhì)的轉變過(guò)程，能量代謝是指生物體與外界環(huán)境之間能量的交換和生物體內能量的轉變過(guò)程，二者是相互聯(lián)系、相互偶聯(lián)的。例如，進(jìn)食后能量攝人過(guò)多時(shí)，脂肪合成增加；而在饑餓時(shí)進(jìn)行脂肪動(dòng)員，釋放出能量供機體使用。[2]
(1)物質(zhì)代謝
生物體內的舊物質(zhì)分解和新物質(zhì)的合成是同時(shí)進(jìn)行的，生物體內一切物質(zhì)的代謝變化統稱(chēng)為物質(zhì)代謝，它包括合成代謝與分解代謝。合成代謝是指生物體內一切物質(zhì)的合成作用，它屬于同化作用的范疇，如氨基酸合成蛋白質(zhì)、核苷酸合成核酸；分解代謝是指生物體內一切物質(zhì)的分解作用，屬于異化作用的范疇，如糖類(lèi)物質(zhì)經(jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)被徹底分解為二氧化碳和水。[2]
(2)能量代謝
① 能量代謝的變化
在物質(zhì)交換的過(guò)程中同時(shí)伴有能量的交換稱(chēng)為能量代謝。機體從外界環(huán)境中攝取營(yíng)養物進(jìn)行合成代謝的同時(shí)也從外界攝取能量，這部分能量主要來(lái)源于營(yíng)養物質(zhì)所含的化學(xué)能。當這些營(yíng)養物質(zhì)在機體內進(jìn)行分解代謝時(shí)又將化學(xué)能釋放出來(lái)，以供生命活動(dòng)的需要?；瘜W(xué)能除一部分用于合成機體內其他成分外，還用于各種生命活動(dòng)。但化學(xué)能不能全部轉化為可做功的能，必定有一部分不可避免地以熱的形式釋放，成為散發(fā)熱(q)。用于做功的能量稱(chēng)為自由能 (?F)，轉變的總能量稱(chēng)為反應熱 (?H)。根據能量守恒定律，反應熱等于轉變的自由能與散發(fā)熱之和，即?H=?F+q[2]
② 基礎代謝
基礎代謝是指人體所有器官維持生命所需要的最低能量。即人體在清醒又極端安靜的狀態(tài)下，不受肌肉活動(dòng)、環(huán)境溫度、食物及精神緊張等因素影響時(shí)維持心跳、呼吸等基本生命活動(dòng)所需的最低的能量代謝情況。為了比較不同個(gè)體的能量代謝水平，可用機體每小時(shí)每平方米體表面積散發(fā)的熱量 [kJ/(h·m2)]，即基礎代謝率來(lái)表示?；A代謝率隨著(zhù)性別、年齡等不同生理情況會(huì )有變動(dòng)，男子的基礎代謝率平均高于女子的代謝率；幼兒的基礎代謝率平均高于成人的代謝率；年齡越大，基礎代謝率越低。正常人的基礎代謝每天約為5900~7500kJ。[2]
③ 呼吸商與食物的卡價(jià)
a.呼吸商
營(yíng)養物質(zhì)在體內氧化分解時(shí)需要消耗氧，同時(shí)釋放出二氧化碳，二者的比值稱(chēng)為呼吸商。呼吸商是一個(gè)重要的代謝概念。各種營(yíng)養物質(zhì)因結構不同，其物質(zhì)組成不同，碳氫氧含量比例也就不同，所以呼吸商不同。糖、蛋白質(zhì)和脂肪的呼吸商分別是1.0、0.8和0.7，正常人混合膳食的呼吸商平均為0.85，通過(guò)呼吸商的測定可以預判不同生理和病理狀態(tài)下能量消耗的情況。[2]
b.食物的卡價(jià)
人體所需要的能量來(lái)源于動(dòng)物性和植物性食物中的糖類(lèi)、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)三種產(chǎn)能營(yíng)養素。每克產(chǎn)能營(yíng)養素在體內氧化所產(chǎn)生的能量值稱(chēng)為 “食物的熱價(jià)”或 “食物的卡價(jià)”，亦稱(chēng) “能量系數”。在代謝研究中，人們常使用食物的卡價(jià)來(lái)衡量食物供能方面的情況。每克糖、脂肪和蛋白質(zhì)的卡價(jià)分別為4kcal、9kcal、4kcal，若換算成目前國際常用的熱量計算單位焦耳 (J)，則每克糖、脂肪和蛋白質(zhì)的卡價(jià)分別為17kJ、38kJ和17kJ。[2]
體內新陳代謝的途徑不止一種，而途徑中的化學(xué)反應更是多且復雜，甚至很多代謝過(guò)程在微小細胞中同時(shí)進(jìn)行，因此需要合適的研究方法對代謝過(guò)程進(jìn)行追蹤。[2]
同位素是指原子序數相同而原子量不同的同種元素。當化合物分子中的原子被相同元素的同位素所取代，而取代后的分子性質(zhì)沒(méi)有改變時(shí)，稱(chēng)為 “同位素標記”。同位素標記是研究體內代謝水平的常用方法，將同位素標記的化合物引進(jìn)代謝體系來(lái)觀(guān)察其代謝過(guò)程與結果的方法就是同位素示蹤法。同位素有穩定同位素和放射性同位素兩種，二者都可作為示蹤原子應用于代謝研究，但放射性同位素比穩定同位素應用更為方便，使用也較為廣泛。例如研究氨基酸的脫羧反應，將14C標記在羧基上，只有這種定位標記的氨基酸才能在脫羧后產(chǎn)生14CO2。氚標記的胸腺嘧啶核苷 (3H‐TdR)和尿嘧啶核苷 (3H‐UR)是兩種常用的示蹤劑，前者能有效地結合到DNA中，后者則能摻入到RNA中，它們的輻射分解速度隨放射性的增高及保存時(shí)間的延長(cháng)而增加，在不同溫度和不同溶液中的穩定性也不同。[2]
此法常用于體外代謝研究?；旧纤写x反應都是酶促反應，因此可以通過(guò)使用某種酶的抑制劑或抗代謝物阻斷中間代謝的某一環(huán)節，根據反應被抑制的結果，推測某物質(zhì)在體內的代謝情況。例如，糖酵解過(guò)程中，碘乙酸專(zhuān)一抑制磷酸丙糖脫氫酶的活性，導致磷酸丙糖在肌肉中大量堆積，說(shuō)明磷酸丙糖的代謝受到碘乙酸的抑制。[2]
切除某種動(dòng)物的器官后給予某種物質(zhì)，觀(guān)察其代謝改變，可推知該器官的代謝功能。如在對排尿動(dòng)物的尿素合成部位進(jìn)行研究時(shí)，切除動(dòng)物的肝臟后發(fā)現動(dòng)物血液中氨基酸水平和血氨水平均升高，而尿中尿素含量下降，動(dòng)物存活期很短，但切除動(dòng)物的腎臟卻無(wú)此現象，說(shuō)明肝臟與尿素的合成有關(guān)。[2]
運用超離心、差速離心或密度梯度離心等離心技術(shù)將細胞內的各種細胞器，如細胞核、核糖體、微粒體、線(xiàn)粒體等進(jìn)行分離，再使用其他方法來(lái)研究亞細胞成分的代謝特點(diǎn)與各種代謝過(guò)程在細胞內進(jìn)行的部位。比如，利用該方法我們得知脂類(lèi)物質(zhì)的分解代謝是在線(xiàn)粒體中進(jìn)行，脂肪酸的合成是在胞漿中進(jìn)行，核糖體是合成蛋白質(zhì)的主要場(chǎng)所等。[2]
5.利用正常機體的方法
向動(dòng)物體內灌注、飼喂或注射大量某種代謝物，然后分析血液、組織或排泄物中的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物，可以幫助我們獲得物質(zhì)在體內代謝的信息。比如給予實(shí)驗動(dòng)物不同碳原子數的脂肪酸后，分析其排泄物成分，發(fā)現奇數碳的脂肪酸與偶數碳的脂肪酸代謝產(chǎn)物不同，也是脂肪酸β‐氧化提出的基礎。[2]
加速新陳代謝的方法
(1)喝水。水是人體燃燒熱量的必備物質(zhì)，沒(méi)有水就會(huì )降低人體的新陳代謝水平。每天飲用1.5L的水可以多燃燒近50cal（1cal=4.186J）的熱量。[2]
(2)早餐。早起的時(shí)候恰好是新陳代謝改變的時(shí)段。經(jīng)常吃早餐的人，通常會(huì )比較精力充沛，不容易長(cháng)贅肉。[2]
(3)運動(dòng)。生命在于運動(dòng)，我們可以適當變換運動(dòng)的方式和種類(lèi)，避免單一方式的枯燥感，用最快樂(lè )的方式燃燒更多的脂肪，加速新陳代謝。
參考資料
[1] 王雅珍．生物科學(xué)．吉林大學(xué)出版社，2005：75
[2] 張春玉，王中華．生物化學(xué)．化學(xué)工業(yè)出版社，2017：101-105
[3] 許德新．醫學(xué)生物學(xué)．中國科學(xué)技術(shù)出版社，1989：24-26
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