下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
新陈代谢常常名声不佳，被认为是导致人们肥胖或者节食的重要原因。然而，新陈代谢对于维持我们的生命至关重要，因为它定义了生命本身。
什么是新陈代谢？它在字典中的定义是：为了维持生命而在生物体内发生的化学反应的组合。尽管我们可能觉得惊讶，但是化学反应一直在我们体内发生。这没有什么可怕的。事实上，化学物质是另一个名声不好的词，绝对不值得拥有它。化学物质构成了人类吃喝用度和呼吸的所有物质，包括人类在内的生物体都是由各种类型、形状、大小和功能的化学分子组成的。这些分子构成了我们的细胞、组织和器官，同时也在我们的细胞、组织和器官中发挥着作用。随着时间的推移，分子不会静止不动，而是在持续的新陈代谢过程中转变为其他分子。毋庸置疑，你的身体内正在发生着数以万计的不同类型的化学反应。根据定义，所有生物必须能够随环境变化改变其内部分子。因此，一切生物体都有新陈代谢。我们活着的人和死去的人（如埃及木乃伊）之间的区别在于，我们有活跃的新陈代谢，且不断地改变我们的分子，而木乃伊在很久以前就停止了新陈代谢，因为它们已经死亡。
我们通过化学反应不断地改变我们的分子，这并不稀奇。毕竟，我们大多数人都吃相当多的“东西”。但是，这些“东西”的外观、原有的行为或功能与我们相差甚远。除非我们吃下去的食物在我们体内神秘消失，否则这就意味着我们以某种方式改变了它们的分子结构。你可以一生安全地吃玉米，而不会有任何变成大玉米棒子的风险。相反，你会代谢玉米中的分子，要么将它们用作能量来源，要么将它们转化为人体分子。其实，我们都知道，虽然适量食用玉米没有什么问题，但食用过量就会在体内积累脂肪分子，这些分子的化学性质与玉米（淀粉）中存在的主要分子不同，我们稍后会作详细介绍。
长久以来，人们一直痴迷于研究新陈代谢。希波克拉底（约公元前460—前370年）无疑是历史上最杰出的医生之一。他认识到适度营养和锻炼对于维持健康的重要性（至少早期传记作家是这样认为的，不幸的是，他们在几个世纪后才写到他的故事）。那时，希波克拉底无法深层次理解饮食、运动和营养之间的关系。在那个时代，考虑身体功能的自然变化是导致疾病的原因，而不是拿迷信或宗教神灵来说事就已经是非常超前的思想了。
大约2000年后，桑托里奥·桑克特留斯（Santorio Sanctorius，1561—1636年）进行的实验使他成为研究代谢的创始人。
他首先在自己身上进行实验，称量自己摄入的所有食物和液体，以及排出的所有尿液和粪便，他困惑地发现他摄入部分的重量似乎消失了。他排出东西的重量永远不会等于他摄入东西的重量。之后，他采取了极端的措施来理解这种现象，他开发了称量汗液的方法（试图找到丢失的体重，但没有成功），创建了一个连接到秤的可移动平台，即人可以在这种秤上待上较长的时间，同时跟踪人在秤上的体重变化。在写给同时代的伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564—1642年）的一封信中，他声称在25年内已经给超过10000人使用了该装置。但是，不知何故，他排出的重量永远不会等于他摄入的重量。人们以“无形的消耗”的形式损失了部分摄入的物质，而他却无法测量这种消耗。
尽管桑托里奥进行了广泛的研究，但在科学史上，桑托里奥的研究还为时过早。安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1743—1794年）后来发现物质可以改变其形式，但不能改变其质量。这证实了摄入的食物和液体不会简单地消失。桑托里奥在解释“无形的消耗”时慢慢地理解了这一点。
当约翰·道尔顿（John Dalton，1766—1844年）提出原子理论时，才开始对生命化学产生了基本理解。因为桑托里奥早在这些开创性的发现之前就已经开始了研究工作，所以他无法想象他所看到的重量差异是由于呼吸造成的原子损失造成的。我们呼吸时，呼出的空气中的二氧化碳含量比吸入的空气多约100倍（反过来，吸入的空气中的氧气含量更高）。他认为，这归因于“无形的消耗”的体重变化。这是由于呼出空气中二氧化碳分子中的碳原子造成的。毫不夸张地说，你减肥时，你是通过呼出碳来减脂。
路易斯·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895年）是一位科学家。他一开始就鲜明地指出我们体内代谢食物的特定化学反应。他通过研究葡萄酒生产过程，
向我们展示研究酿酒帮助我们了解自己的新陈代谢的方法。
答案很简单。生产葡萄酒的微小的生物（微生物）——酿酒酵母，俗称面包师酵母，它们代谢糖的方式与人类几乎相同。巴斯德是第一个认识到正是这种肉眼看不见的微生物的生命活动才导致了葡萄汁发酵成葡萄酒的，他是认识这种化学转化的第一人。因此，巴斯德也是第一个研究新陈代谢促进化学转化的人。（应该注意到的是，酿酒酵母也参与在啤酒和面包的生产过程之中——它确实是一种非常有用的微生物！）
巴斯德证明了糖代谢的两个重要特征。首先，当存在空气时，酵母代谢的糖量要比没有空气时低得多。这是第一个表明有氧代谢（在空气中存在氧气的情况下发生）能够更有效地产生能量的迹象。因此，获得生长相同数量的酵母所需的能量（糖）更少。其次，他发现不同微生物发酵的最终产物可以是乳酸（如酸奶发酵），也可以是乙醇和二氧化碳（如葡萄酒、啤酒和面包发酵）。
今天我们知道，当缺氧时，我们体内的细胞会通过化学反应将糖发酵为乳酸，这与制作酸奶的微生物所产生的化学反应相同。而且，除了最后一个化学反应之外，发酵为乙醇和二氧化碳与发酵为乳酸的化学步骤是相同的。所有的生物体都以非常相似的方式来代谢糖。这并非巧合，而是进化的结果。客观地说，我们都是以这种方式代谢糖的生物体的后代，即我们都由同一种有机体进化而来。这种化学反应的途径至今仍在使用，它能有效地利用糖分子中的能量，帮助生物体茁壮成长。
在巴斯德发现糖代谢之后的几十年里，许多研究人员致力于了解发酵糖的转变过程。20世纪初，人们对代谢途径的理解取得了显著进展。1905年，科学家描述了脂质（脂肪）代谢的原理。1932年，科学家描述了尿素循环（在蛋白质代谢中至关重要，后文将进一步阐述），这是人类认识的第一个循环代谢途径（具有环状构型）。1961年，彼得·米切尔提出“化学渗透假说”，描述了最复杂的中心代谢机制，它不仅涉及化学转化，还涉及电化学梯度的能量存储（就像电池一样）。这一假设解释了营养物质氧化（通过我们呼吸的氧气）释放的能量如何在线粒体内转化为细胞发挥功能所需的能量的方式。我们稍后将讨论这个神奇的过程。
图1-1 时间轴：理解新陈代谢的标志
在发现主要的代谢途径后，研究的重点一直是更微观但重要的代谢途径。此外，科学家们现在专注于了解新陈代谢最复杂的方面：这些化学反应如何协同工作，疾病状态下如何影响新陈代谢，以及我们如何微调出错的代谢过程。