代謝細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱,主要有分解代謝和合成代謝兩個(gè)過(guò)程組成.
新陳代謝(metabolism)的概念
新陳代謝是生物體內(nèi)全部有序化學(xué)變化的總稱.它包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個(gè)方面.
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(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)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(nèi)能量的轉(zhuǎn)變過(guò)程.
在新陳代謝過(guò)程中,既有同化作用,又有異化作用.
同化作用：又叫做合成代謝)是指生物體把從外界環(huán)境中獲取的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì),并且儲(chǔ)存能量的變化過(guò)程.
異化作用：(又叫做分解代謝)是指生物體能夠把自身的一部分組成物質(zhì)加以分解,釋放出其中的能量,并且把分解的終產(chǎn)物排出體外的變化過(guò)程.
新陳代謝中的同化作用、異化作用、物質(zhì)代謝和能量代謝之間的關(guān)系,可以用左面的表解來(lái)概括：
新陳代謝的基本類型
生物在長(zhǎng)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,逐漸在新陳代謝的方式上形成了不同的類型.按照自然界中生物體同化作用和異化作用方式的不同,新陳代謝的基本類型可以分為以下幾種.
同化作用的兩種類型
根據(jù)生物體在同化作用過(guò)程中能不能利用無(wú)機(jī)物制造有機(jī)物,新陳代謝可以分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩種.
自養(yǎng)型 綠色植物直接從外界環(huán)境攝取無(wú)機(jī)物,通過(guò)光合作用,將無(wú)機(jī)物制造成復(fù)雜的有機(jī)物,并且儲(chǔ)存能量,來(lái)維持自身生命活動(dòng)的進(jìn)行,這樣的新陳代謝類型屬于自養(yǎng)型.少數(shù)種類的細(xì)菌,不能夠進(jìn)行光合作用,而能夠利用體外環(huán)境中的某些無(wú)機(jī)物氧化時(shí)所釋放出的能量來(lái)制造有機(jī)物,并且依靠這些有機(jī)物氧化分解時(shí)所釋放出的能量來(lái)維持自身的生命活動(dòng),這種合成作用叫做化能合成作用.例如,硝化細(xì)菌能夠?qū)⑼寥乐械陌?NH3)轉(zhuǎn)化成亞硝酸(HNO2)和硝酸(HNO3),并且利用這個(gè)氧化過(guò)程所釋放出的能量來(lái)合成有機(jī)物. 總之,生物體在同化作用的過(guò)程中,能夠把從外界環(huán)境中攝取的無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變成為自身的組成物質(zhì),并且儲(chǔ)存能量,這種新陳代謝類型叫做自養(yǎng)型.
異養(yǎng)型 人和動(dòng)物不能像綠色植物那樣進(jìn)行光合作用,也不能像硝化細(xì)菌那樣進(jìn)行化能合成作用,它們只能依靠攝取外界環(huán)境中現(xiàn)成的有機(jī)物來(lái)維持自身的生命活動(dòng),這樣的新陳代謝類型屬于異養(yǎng)型.此外,營(yíng)腐生或寄生生活的真菌、大多數(shù)種類的細(xì)菌,它們的新陳代謝類型也屬于異養(yǎng)型.總之,生物體在同化作用的過(guò)程中,把從外界環(huán)境中攝取的現(xiàn)成的有機(jī)物轉(zhuǎn)變成為自身的組成物質(zhì),并且儲(chǔ)存能量,這種新陳代謝類型叫做異養(yǎng)型.
異化作用的兩種類型 根據(jù)生物體在異化作用過(guò)程中對(duì)氧的需求情況,新陳代謝的基本類型可以分為需氧型和厭氧型兩種.
需氧型 絕大多數(shù)的動(dòng)物和植物都需要生活在氧充足的環(huán)境中.它們?cè)诋惢饔玫倪^(guò)程中,必須不斷地從外界環(huán)境中攝取氧來(lái)氧化分解體內(nèi)的有機(jī)物,釋放出其中的能量,以便維持自身各項(xiàng)生命活動(dòng)的進(jìn)行.這種新陳代謝類型叫做需氧型,也叫做有氧呼吸型.
厭氧型 這一類型的生物有乳酸菌和寄生在動(dòng)物體內(nèi)的寄生蟲等少數(shù)動(dòng)物,它們?cè)谌毖醯臈l件下,仍能夠?qū)Ⅲw內(nèi)的有機(jī)物氧化,從中獲得維持自身生命活動(dòng)所需要的能量.這種新陳代謝類型叫做厭氧型,也叫做無(wú)氧呼吸型.
兼性厭氧型生物（典型：酵母菌 ）
酵母菌是單細(xì)胞真菌,通常分布在含糖量較高和偏酸性的環(huán)境中,如蔬菜、水果的表面和菜園、果園的土壤中.酵母菌是兼性厭氧微生物,在有氧的條件下,將糖類物質(zhì)分解成二氧化碳和水；在缺氧的條件下,將糖類物質(zhì)分解成二氧化碳和酒精.酵母菌在生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛,除了熟知的釀酒、發(fā)面外,還能用于生產(chǎn)有機(jī)酸、提取多種酶等.
任何活著的生物都必須不斷地吃進(jìn)東西,不斷地積累能量；還必須不斷地排泄廢物,不斷地消耗能量.這種生物體內(nèi)同外界不斷進(jìn)行的物質(zhì)和能量交換的過(guò)程,就是新陳代謝.新陳代謝是生命現(xiàn)象的最基本特征,它由兩個(gè)相反而又同一的過(guò)程組成,一個(gè)是同化作用過(guò)程,另一個(gè)是異化作用的過(guò)程.
人和動(dòng)物吃了外界的物質(zhì)(食物)以后,通過(guò)消化、吸收,把可利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、合成自身的物質(zhì)；同時(shí)把食物轉(zhuǎn)化過(guò)程中釋放出的能量?jī)?chǔ)存起來(lái),這就是同化作用.綠色植物利用光合作用,把從外界吸收進(jìn)來(lái)的水和二氧化碳等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成淀粉、纖維素等物質(zhì),并把能量?jī)?chǔ)存起來(lái),也是同化作用.異化作用是在同化作用進(jìn)行的同時(shí),生物體自身的物質(zhì)不斷地分解變化,并把儲(chǔ)存的能量釋放出去,供生命活動(dòng)使用,同時(shí)把不需要和不能利用的物質(zhì)排出體外.
同化作用與異化作用的平衡 各種生物的新陳代謝,在生長(zhǎng)、發(fā)育和衰老階段是不同的.幼嬰兒、青少年正在長(zhǎng)身體的過(guò)程中,需要更多的物質(zhì)來(lái)建造自身的機(jī)體,因此新陳代謝旺盛,同化作用占主導(dǎo)位置.到了老年、晚年,人體機(jī)能日趨退化,新陳代謝就逐漸緩慢,同化作用與異化作用都有所下降,但始終保持平衡(前提是健康）.當(dāng)患上消耗性疾病時(shí),異化作用將大于同化作用,如：腫瘤、結(jié)核、嚴(yán)重創(chuàng)傷、燒傷、大手術(shù)后體液引流、慢性化膿性感染、慢性失血等.
動(dòng)物冬眠時(shí),雖然不吃不喝,但是新陳代謝并未停止,只不過(guò)變得非常緩慢.
新陳代謝是生命體不斷進(jìn)行自我更新的過(guò)程,也是判斷生物與非生物的重要因素,如果新陳代謝停止了,生命也就結(jié)束了.
歷史
對(duì)于代謝的科學(xué)研究已經(jīng)跨越了數(shù)個(gè)世紀(jì),從早期對(duì)于動(dòng)物整體代謝的研究一直到現(xiàn)代生物化學(xué)中對(duì)于單個(gè)代謝反應(yīng)機(jī)制的探索.代謝的概念的出現(xiàn)可以追溯到13世紀(jì),阿拉伯醫(yī)學(xué)家伊本·納菲斯（Ibn al-Nafis）提出“身體和它的各個(gè)部分是處于一個(gè)分解和接受營(yíng)養(yǎng)的連續(xù)狀態(tài),因此它們不可避免地一直發(fā)生著變化”.第一個(gè)關(guān)于人體代謝的實(shí)驗(yàn)由意大利人桑托里奧·桑托里奧（Santorio Santorio）于1614年完成并發(fā)表在他的著作《醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法》（Ars de statica medecina）中.在書中,他描述了他如何在進(jìn)食、睡覺、工作、性生活、齋戒、飲酒以及排泄等各項(xiàng)活動(dòng)前后對(duì)自己的體重進(jìn)行秤量；他發(fā)現(xiàn)大多數(shù)他所攝入的食物最終都通過(guò)他所稱的“無(wú)知覺排汗”被消耗掉了.
在這些早期研究中,代謝進(jìn)程的機(jī)制還沒有被揭示,人們普遍認(rèn)為存在一種“活力”可以活化器官.到了19世紀(jì),在對(duì)糖被酵母酵解為酒精的研究中,法國(guó)科學(xué)家路易斯·巴斯德總結(jié)出酵解過(guò)程是由酵母細(xì)胞內(nèi)他稱為“酵素”的物質(zhì)來(lái)催化的.他寫道：“酒精酵解是一種與生命以及酵母細(xì)胞的組織相關(guān)的,而與細(xì)胞的死亡和腐化無(wú)關(guān)的一種行為.”這一發(fā)現(xiàn)與弗里德里?！ぞS勒在1828年發(fā)表的關(guān)于尿素的化學(xué)合成證明了細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)和有機(jī)物與其他化學(xué)無(wú)異,都遵循化學(xué)的基本原則.
20世紀(jì)初,酶首次被愛德華·比希納所發(fā)現(xiàn),這一發(fā)現(xiàn)使得對(duì)代謝中化學(xué)反應(yīng)的研究從對(duì)細(xì)胞的生物學(xué)研究中獨(dú)立出來(lái),同時(shí)這也標(biāo)志著生物化學(xué)研究的開始.從20世紀(jì)初開始,人們對(duì)于生物化學(xué)的了解迅速增加.在現(xiàn)代生物化學(xué)家中,漢斯·克雷布斯是最多產(chǎn)的研究者之一,他對(duì)代謝的研究做出了重大的貢獻(xiàn)：他發(fā)現(xiàn)了尿素循環(huán),隨后又與漢斯·科恩伯格（Hans Kornberg）合作發(fā)現(xiàn)了三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán).現(xiàn)代生物化學(xué)研究受益于大量新技術(shù)的應(yīng)用,諸如色譜分析、X射線晶體學(xué)、核磁共振、電子顯微學(xué)、同位素標(biāo)記、質(zhì)譜分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬等.這些技術(shù)使得研究者可以發(fā)現(xiàn)并具體分析細(xì)胞中與代謝途徑相關(guān)的分子.