第2章
新陈代谢如何进行

今天我们积累了大量关于新陈代谢的知识。为了理解这些知识，我们构建了复杂的流程图。从下面的中心代谢反应图中可以看出其复杂性，但这也仅代表了我们今天所知道的知识只是冰山一角而已。

如图2-1所示，你可能会注意到显示的化学反应是相互关联的。因为一个化学反应的产物是下一个化学反应的反应物。这种分子的逐步修饰就是新陈代谢的工作原理。将初始分子转化为最终物质的串联反应便形成了我们所说的代谢途径。基于形成的路线，显示代谢反应组织方式的插图，就被称为代谢图，这再恰当不过了。

如果对比新陈代谢组织和运输系统组织，两者都以地图形式展现，新陈代谢结构与城市交通系统结构有许多相似之处。例如，在新陈代谢中，一些反应途径非常常用，许多分子一直通过这些反应进行处理。它们充当了“代谢高速公路”的角色，处理大量分子。“代谢高速公路”的一个例子是糖酵解途径，即处理所有糖和其他碳水化合物的途径。

另一方面，一些代谢途径不经常使用，且处理的分子数量较少，其功能类似于“小型道路”。尽管通行量较低，但这些途径对于它们处理的少数分子至关重要。例如，在一种被称为苯丙酮尿症的疾病中，代谢苯丙氨酸（一种氨基酸）的能力缺陷会导致无法加工含有该氨基酸的蛋白质（包括几乎所有的动物蛋白质）。婴儿在出生时会定期接受这种疾病的筛查，因为摄入母乳中的苯丙氨酸会对这些婴儿造成非常严重的脑损伤。当这些婴儿体内积累苯丙氨酸时，由于缺乏分解（代谢）的途径而无法分解（代谢）它们，导致苯丙氨酸及其酮酸在体内大量蓄积。事实证明，对代谢途径中这种缺陷的认识和检测能力，确保了全世界数十万儿童的大脑发育正常，否则他们将伴有严重的智力残疾。

新陈代谢和运输系统之间也有另一个相似之处。新陈代谢既有双向反应又有单向反应，其方式类似于双行道或单行道。这意味着新陈代谢中的一些化学反应可以双向发生（物质A可以转化为物质B，物质B也可以转化为物质A）。而在其他反应中，分子A可以产生分子B，但是分子A不能由分子B产生——这些是分子单行道，或称为不可逆的代谢转化。

单向代谢途径之所以很重要，是因为它们解释了我们是如何处理分子的。例如，蛋白质可以在我们体内产生碳水化合物和脂肪。当你摄入过量蛋白质时，你的身体会将其中至少一部分蛋白质储存为脂肪。然而，人类既不能从储存的脂肪分子中产生蛋白质，也不能从他们食用的碳水化合物分子中产生蛋白质。原因在于脂肪和碳水化合物中缺乏对蛋白质结构至关重要的原子——氮。蛋白质可以变成脂肪或碳水化合物——只要它们摆脱氮。总之，这说明我们只能从其他蛋白质中获取蛋白质。这种方式也解释了如果饮食中缺乏足够的蛋白质，就会导致严重的健康问题。

再如，人类可以从碳水化合物中产生脂肪，但不能从脂肪中产生碳水化合物。人类的碳水化合物到脂肪的转化途径是单向的。有趣的是，许多微生物和植物可以做到我们做不到的事情：它们能将脂肪转化为碳水化合物，它们有一条我们没有的途径（乙醛酸循环途径）。

是的，你没有看错。蛋白质可以变成脂肪，但脂肪不能变成蛋白质。碳水化合物可以变成脂肪，但脂肪不能变成碳水化合物。也就是说，人类过量摄入的所有食物都可能被储存起来成为脂肪。可悲的现实是，我们在新陈代谢方面已经做好了充分的准备，可以通过储存脂肪分子来增加体重！

在我们对新陈代谢的描述中，我们需要简要介绍所有这些代谢化学反应（由我们之前在代谢图上的箭头所示）实际发生的机制。这些化学反应是由一组被称为酶的高度专业化的蛋白质进行协调的。它们几乎负责我们体内的每一个化学转化。酶是一种大分子，具有复杂的三维结构，既有用又非常漂亮，如图2-2所示，这是一些参与新陈代谢的酶的放大结构图。

酶不仅仅有美丽的结构，外表还有点像分子雕塑，它在其中创造了具有特定化学和物理特性的空间。这些空间为我们细胞中的化学物质提供了栖身之所，让它们能在静止状态下代谢，同时也可以促进化学反应的极大加速，即催化作用。在酶的环境中，化学变化可以更快地发生。当化学物质聚集在一起时，酶内部空间的特性就会催化这些变化的发生。

酶的作用类似于细胞啦啦队或媒人。它们将分子聚集在一起并鼓励它们发生改变。通过这种方式，它们使化学反应发生得更快。大多数酶可使反应速度加快1万至100万倍！就像媒人一样，酶可以将分子聚集在一起，大大加快反应的速度。这一点也非常重要。如果一开始酶不直接参与化学反应，那么酶就无法使化学反应发生。它们是媒人、啦啦队，但不是奇迹创造者。例如，普通食糖（蔗糖）可以被空气中的氧气氧化，变成水和二氧化碳，二氧化碳是一种气体，很容易飘到空气中。然而，这样的反应非常缓慢。你可以在食品储藏室中将糖放置多年，但不会注意到糖的重量有任何明显减少，因为糖分子反应后以气体的形式飘走了。当你食用这些糖时，你细胞内的酶极大地加速了这种化学上的反应（通过前面我们将看到的途径）。仅仅几分钟之内你就分解了糖并呼出由此产生的二氧化碳。而空气和水中的二氧化碳不能自发地产生糖。这种反应既不会自行发生，也不会在酶存在的情况下发生。

简而言之，我们体内发生的每一个化学反应都是由一种叫作酶的物质引导而发生的。它创造了一个适合该反应发生的环境。通过这种方式，酶本质上为我们提供了代谢途径并铺平了道路，才使得我们体内的分子能够反应得更快。

酶不仅是化学反应的效应器，更是代谢调节的效应器。想象一下，如果一座城市的交通完全自由，每辆车都认为可以自由行驶——那会多么混乱！就像城市有包括交通灯、限速雷达在内的控制交通的机制一样，新陈代谢也有通过其分子途径控制分子流动的系统。

在我们体内的每一个细胞内（这些细胞通过细胞膜与其他细胞分开，就像中世纪的城市被围墙包围一样形成封闭体系）。新陈代谢是由细胞自身的能量水平调节的。当我们谈论细胞内的能量水平时，我们基本上指的是一种被称为三磷酸腺苷（ATP）的特定分子的数量，ATP是需要能量投入时被用作能量来源的主要分子。ATP是一种小分子，具有3个磷酸基团（ATP分子底部的黑色和白色结构，如图2-3所示）。断开最后一个磷酸基团会生成二磷酸腺苷（ADP）和游离磷酸分子，并释放能量，为细胞提供代谢过程中所需的能量。

当然，这种能量不会像某种实体或闪电一样，突然流向需要使用它的某个位置或分子。ATP在新陈代谢中的美妙之处在于，生命已经发展到可以利用磷酸盐和ADP组合产生化学能。实际上，这种能量是通过使ATP中的磷酸盐与其他分子发生反应，将该化学基团转移给它们（使它们磷酸化）来使用的。这些新分子从磷酸盐接收到额外的能量，被激活（或磷酸化），随后可以轻松地摆脱这种磷酸盐，并利用它所提供的能量进行反应，这种反应以前是不可能进行的。

通过从ATP中去除磷酸盐而形成的ADP分子，随后再次与磷酸盐连接，重新形成ATP（细胞可以轻松使用的一种提供能量的化学物质），在代谢途径中从我们的食物和储存的能量来源（如脂肪）中获取能量。从本质上讲，ATP是细胞的能量货币：保存能量的代谢途径将这种能量转化为ATP，而需要能量的途径则可以使用ATP中已经储存的能量。

当细胞消耗大量能量来执行某些任务，如生长、分裂、收缩（如肌肉细胞一样）或处理信息（就像大脑中的神经元一样）时，ATP被分解并释放能量，为这些细胞提供“燃料”。结果是细胞内的ATP水平下降，ADP水平上升，表明细胞可以使用的能量出现暂时短缺。

这种较低水平的ATP状态不会持续很长时间，因为这种低水平的ATP状态也会改变细胞的新陈代谢。确保我们生存的代谢途径的特征之一是它们可以进行调节，而ATP除了由新陈代谢产生外，其自身还是一种代谢调节器。代谢途径中的某些过程会释放能量（形成ATP）。ATP水平较高时，能量释放就会受到抑制。因此，当ATP水平由于细胞中的能量消耗活动而下降时，这些途径将不受抑制并被激活。结果，ATP再次迅速产生，并恢复到理想水平。ADP和其他在能量水平较低时积累的分子也有助于细胞的代谢调节。当它们的水平增加时，表明能量水平较低，它们会被激活并产生更多ATP，直到恢复细胞能量水平达到理想状态。

能量水平代谢调节的结果是，健康细胞内的ATP不会长时间保持在低水平。由于容易使用的能量（反映为ATP水平）的增加和减少而激活和抑制了代谢通路，因此能量水平只在几分之一秒内上下波动。这维持了细胞利用能量实现必要功能的能力。它还确保在不需要补充ATP水平时，食物和储备分子中储存的能量不会被浪费。

此时，你可能会问自己，为什么细胞会储存富含能量的分子（如脂肪），而不是储存ATP（最终由脂肪储存产生并用于需要能量的过程的分子）。原因是因为ATP虽然是一种优秀且简单的能量来源，但并不是储存这种能量的实用方法。甘油三酯，是我们储存的作为能量来源的主要脂肪分子，能够产生数百个ATP分子。它还可以被储存在细胞内，不让水进入其中，这既减少了存储所需的空间和重量，也减少了分子与其他分子发生不良反应和改变其结构并破坏其活性的概率。众所周知，不含水的脂质分子（如脂肪）可以被很好地保存：你可以将未冷藏的油在厨房中放置数月，而不会看到它们变质（改变其结构）。

那么，为什么不使用脂肪作为满足细胞需求的直接能源呢？为什么要将它们转化为ATP呢？虽然脂肪是极好的储存分子，但释放其中的化学能并不是一个容易的过程，这是一个需要进行多种化学反应和许多不同细胞参与的完整的代谢途径。相比之下，ATP中的能量可以通过一组专门的酶一步释放，这些酶被恰如其分地称为激酶（源自希腊语“kinesis”，运动）。总的来说，将能量储存为大分子（如脂肪），然后将其转化为易于分解的小分子（如ATP），对于细胞代谢组织来说效果最为理想。这就是为什么这种形式的能量管理被选择并保留在不同的生物群体中的原因。

事实上，ATP是我们所知的生命分子，地球上的每一种生物都用它作为能量来源，地球上的每个生物都会合成它，而且在无法补充ATP时就会死亡。我们体内的ATP每天分解，重新合成数千次。ATP的稳定性甚至定义了地球上生命的极限，即生物可以在水的沸点以上的温度下生存，但不能在ATP分子自发降解的温度下生存。生命需要ATP，生命需要源源不断的ATP流入和ATP流出。

虽然ATP既是细胞活动过程的能量来源，也是细胞能量代谢的重要控制器，然而，像我们这样的多细胞生物（具有许多细胞的生物）必须有一个系统以协调的方式控制所有组织之间的能量代谢，而不仅仅是在单个细胞中进行调控。同样，这类似于交通控制：在一个小城镇中，你所需要的只是几个交通信号灯；相反，在大城市中，你需要由中央控制室协调这些交通信号灯和交通检测系统。中央控制室可以调整每个交通信号灯和交通检测系统，解决影响不同区间的问题。

ATP控制着每个细胞的代谢过程，但它通常不会离开细胞，而是停留在产生它的单个细胞内。这意味着它无法作为协调不同细胞之间代谢的指标。我们有专门的分子来协调整个身体的代谢过程，同时作用于许多细胞。新陈代谢也会受到激素或化学信使的控制。这些激素或化学信使产生于身体的某个部位，在体内循环（通常在血液中），并改变体内工作的其他细胞的数量。

我们体内控制新陈代谢的激素有很多种，稍后我们会详细讨论这些激素。你以前可能至少听说过其中一种激素——胰岛素。胰岛素是由胰腺中的胰岛细胞产生的，胰腺是腹部内一长而扁平的器官。我们进食后，胰岛素会被释放到血液中，并向整个身体表明，它应该利用我们所吃食物中的营养物质来重新制造需要重建的物质（如分解的蛋白质），并为以后储备能量，可以增加肌肉蛋白质、糖原（碳水化合物的储存形式）和脂肪的产生。

那么，如果我们没有胰岛素，我们就不会发胖吗？事实上，1型糖尿病患者（通常是儿童和青少年）无法产生胰岛素，体重也会减轻很多；但这绝对不是一件好事，因为他们的血液中葡萄糖含量会升高到危险的水平。如果他们得不到所需的胰岛素，就会出现严重的健康问题，甚至死亡。相反，如果胰岛素分泌过多，他们的血糖水平可能会降低到危险的程度，导致健康问题（主要是大脑出现问题）和死亡。与许多其他激素一样，胰岛素是一种“恰到好处”的分子——过多或过少都不好。你需要适量的胰岛素，而健康人完全有能力维持这一数量。胰腺中释放这种激素的细胞是以受调节的方式来分泌的。

胰岛素是控制多细胞生物体能量代谢的核心分子，出现在许多细胞的早期进化阶段（考虑到单细胞生物体中的一些证据，可能甚至更早）。秀丽隐杆线虫有胰岛素， 尽管它是一种非常小的扁平蠕虫，大约只有印刷纸上的句号那么大。它大约有1000个细胞（与我们的37万亿个细胞相比，屈指可数 ）。这种蠕虫不仅含有胰岛素，而且其作用方式与人类胰岛素相同，其可以帮助蠕虫储存能量分子以供以后使用。苍蝇分泌胰岛素，蜗牛、鱼、牛和猪也分泌胰岛素（早期就从这些动物中分离出的胰岛素来治疗糖尿病）。这恰恰表明，将新陈代谢整合到动物的整个身体中是至关重要的，而这是通过胰岛素等激素来完成的。

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我们已经了解了新陈代谢的基本原理，即我们体内由于大量的分子转化而产生的化学反应，以及它在体内是如何工作的。

现在，让我们看看我们吃下去的分子被新陈代谢转化时会发生什么。我们将跟随体内的每一种主要营养分子（碳水化合物、蛋白质和脂质），看看它们是如何进行代谢和转化的。 RNsOCtCwkOPm/188QSrFQtHj3pFASYtGhCLnfMPATsyK7IIRZIMdUoRsun6zOFYS