相互连接的反应网络
代谢(Metabolism,亦称新陈代谢)涵盖细胞内的化学反应。一个底物经过连续转化形成产物,可称为代谢通路;多条通路又通过共同的中间物、能量载体和调节机制相互联系。糖酵解是这种网络中的一条通路,不能代替代谢整体。
反应网络同时处理物质和能量。碳、氮等元素进入细胞后可被重新组合,成为蛋白质、核酸及其他细胞成分,也可在分解过程中成为较小的产物。追踪原子的去向与测量能量收支是不同的问题:知道一种物质减少,并不能单凭这一点判断全部能量流向。
参考:[1]
合成与分解相互依存
合成代谢以较简单的原料构建复杂分子,通常需要能量和还原力。例如细胞由氨基酸合成蛋白质,由核苷酸构建核酸,光合生物还可把二氧化碳转化为有机物。分解代谢则逐步降解分子,使其中一部分自由能能够被细胞利用,同时为其他反应提供原料。
二者不是分别发生在两类生物中的孤立过程。植物既合成有机物,也通过呼吸等过程利用有机物;动物也不断合成自身成分。分解并不意味着每一步都释放可利用能量,某些通路需要先投入ATP,后续才获得净收益。分析时应区分单步反应与整条通路的总收支。
ATP连接供能和耗能活动
细胞并非把所有放能反应产生的能量作为热量再用于合成。常见方式是反应耦合:一个有利过程与另一个耗能过程通过共同中间步骤连接,使总体反应能够进行。ATP水解和磷酸基团转移是其中的重要机制,ATP随后还须利用其他过程提供的能量再生。
钠钾泵提供了具体例子。ATP参与泵蛋白的磷酸化和构象改变,使离子得以逆着相应梯度运输。这里ATP把代谢供能与细胞膜功能联系起来,而不是独立创造能量。不同反应还使用NADH、NADPH等电子载体,不能把所有载体笼统当成同一份ATP储备。
酶催化、反馈与空间组织
多数酶是蛋白质,它们降低反应达到过渡态所需的活化能,加快反应,却不改变该反应的自由能差。因而酶催化与能量耦合不能混为一谈:催化剂不能把原本不利的孤立反应变成无需代价的供能过程。底物供应、酶数量和活性共同影响实际反应速率。
细胞可用终产物抑制上游酶,减少不必要的继续合成;也可通过改变酶的位置,把某些过程限制在特定细胞器中。温度、酸碱度和辅助因子还会影响催化。由此,“代谢快慢”只能是针对某一测量对象和条件的概括,不能用来替代对具体通路、组织或反应的分析。基础代谢等整体能量测量也不是代谢全部内容。