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科學(xué)網(wǎng)—細(xì)胞的基本生命活動(dòng)——新陳代謝

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年11月25日 06:49

科學(xué)家從最基本的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)出發(fā)，認(rèn)為生命體這種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是處于一種有序的組織和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理系統(tǒng)。生命體是一種耗散系統(tǒng)，它必須與周圍環(huán)境進(jìn)行能量交換才能夠維持系統(tǒng)的有序運(yùn)動(dòng)。一旦這個(gè)能量交換過程停止，系統(tǒng)的有序組織和運(yùn)動(dòng)就會(huì)自動(dòng)停止，生命就死亡了，逐漸形成無(wú)序的混亂狀態(tài)。就是生命體失去生命力，變成非生命體而存在了。依據(jù)熱力學(xué)第二定律由于熵的增加，沒有這個(gè)能量交換的已經(jīng)死亡的生命體就會(huì)逐漸變成與周圍環(huán)境一樣的只有無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，如泥土，灰沙一樣。

生命體與外界之間的能量交換是通過新陳代謝過程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。新陳代謝是生命體維持生命的一種基本活動(dòng)。新陳代謝就是生命體不斷地從外界吸收它所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量，同時(shí)排出無(wú)用的廢物的生命活動(dòng)過程。生命體用從外界吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)生成自己的結(jié)構(gòu)組織成分和獲取各種生命運(yùn)動(dòng)所需要的能量。細(xì)胞生命體的新陳代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩種代謝。這個(gè)過程是細(xì)胞生存和運(yùn)作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它保證獲得必要的物質(zhì)開展各種生化活動(dòng)過程，同時(shí)還能使多余或有害物質(zhì)被清除，以保持細(xì)胞的內(nèi)部環(huán)境平衡。不同種類的生物體的不同的細(xì)胞中的新陳代謝過程的具體內(nèi)容可能不相同。也就是說(shuō)，不同種類的細(xì)胞構(gòu)成的生命體吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可能不同，生成的肌體組織結(jié)構(gòu)也會(huì)不一樣。

細(xì)胞作為生命體的基本單位，會(huì)有各種形形色色的細(xì)胞種類。而通過自我調(diào)節(jié)完成新陳代謝過程是所有生命體的一個(gè)基本特征。作為耗散系統(tǒng)的生命系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)看，新陳代謝是生命體存在的必要條件，但不是充分條件。新陳代謝是指機(jī)體與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換以及生物體內(nèi)物質(zhì)和能量的自我更新過程，包括合成代謝（同化作用）和分解代謝（異化作用）。廣義的新陳代謝是生物體內(nèi)全部有序化學(xué)變化的總稱。細(xì)胞作為生命體的基本構(gòu)成單位，每一個(gè)細(xì)胞都能夠自我協(xié)調(diào)地完成新陳代謝任務(wù)，而且不斷地進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)是細(xì)胞活著的必要條件。

細(xì)胞代謝是細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的用于維持生命的一系列有序的化學(xué)反應(yīng)的總稱。目前的科學(xué)研究了解到，生命基本細(xì)胞單元中的細(xì)胞代謝是由一系列的蛋白質(zhì)大分子的化學(xué)反應(yīng)完成的。這些化學(xué)變化過程在有機(jī)酶分子的催化作用下進(jìn)行的一系列蛋白質(zhì)分子的化學(xué)反應(yīng)。也可以認(rèn)為在有機(jī)酶的催化作用下進(jìn)行的這種化學(xué)反應(yīng)是生命活動(dòng)的重要特點(diǎn)。有機(jī)酶的催化作用是使得一般情況下進(jìn)行速度很慢，或者難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，能夠在一般的環(huán)境條件下很快地在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行。這種有機(jī)酶分子的催化作用是細(xì)胞能夠完成生命活動(dòng)所必需的，是那些復(fù)雜的有機(jī)分子之間的化學(xué)反應(yīng)的最重要的反應(yīng)條件。如果沒有這種催化作用，生命力將在地球的環(huán)境中微弱得多。也不可能出現(xiàn)如此豐富多彩的地球生命現(xiàn)象。這一系列的化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)是來(lái)自吸收外界的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，反應(yīng)所需要的能量是通過營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)代謝轉(zhuǎn)換而釋放的，或者直接的吸收能量（光能，熱能等）來(lái)獲得的。這些化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生了一些無(wú)法進(jìn)一步使用，甚至可能會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生破壞作用的分子，如氧氣，二氧化碳分子等會(huì)作為廢料排出細(xì)胞。

用生物化學(xué)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)可以這樣來(lái)描述細(xì)胞新陳代謝。細(xì)胞新陳代謝的基本過程可分為合成代謝和分解代謝兩個(gè)類別。合成代謝是指細(xì)胞利用無(wú)機(jī)物質(zhì)、有機(jī)小分子物質(zhì)和能量，建立更復(fù)雜的有機(jī)大分子，例如蛋白質(zhì)，糖類和脂質(zhì)；而分解代謝則是指細(xì)胞將有機(jī)分子分解成小分子，并釋放提供維持各種生命活動(dòng)所需要的能量。這些過程需要由一個(gè)重要的分子——腺苷三磷酸（ATP）提供能量。ATP的能量通常來(lái)自于葡萄糖分解產(chǎn)生的化學(xué)能。細(xì)胞合成代謝的過程包括基因表達(dá)、蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞分裂等?；虮磉_(dá)是指DNA信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的過程，它被轉(zhuǎn)錄為mRNA分子，然后被翻譯成蛋白質(zhì)分子。這個(gè)過程涉及到許多類型的蛋白質(zhì)和酶，這些酶和蛋白質(zhì)協(xié)同作用，使過程順利進(jìn)行。在分解代謝過程中，細(xì)胞對(duì)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行消化（分解和氧化），通過細(xì)胞色素C氧化酶、線粒體呼吸鏈等機(jī)制使高儲(chǔ)能有機(jī)物降解成低儲(chǔ)能有機(jī)物，逐漸釋放出能量，以供ATP合成。在此過程中，一部分的小分子產(chǎn)生物還會(huì)被再利用于合成代謝，循環(huán)作用。……等等一系列的專業(yè)描述可能非常深?yuàn)W，但是與實(shí)際的細(xì)胞新陳代謝過程相比，可能還僅僅涉及到一點(diǎn)皮毛。那些更加深入的研究還在艱難地進(jìn)行當(dāng)中。

細(xì)胞新陳代謝3.jpg

細(xì)胞的新陳代謝過程的場(chǎng)景示意圖

細(xì)胞的新陳代謝過程的自我調(diào)節(jié)能力，使得細(xì)胞會(huì)識(shí)別哪些物質(zhì)是對(duì)代謝有用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而進(jìn)行吸收。同時(shí)對(duì)那些有毒的物質(zhì)排出體外。從而使得細(xì)胞內(nèi)部的生命活動(dòng)能夠持續(xù)下去。細(xì)胞的新陳代謝的基本調(diào)節(jié)作用是由蛋白質(zhì)大分子的化學(xué)反應(yīng)特性、物質(zhì)微粒的熱運(yùn)動(dòng)、膜的滲透作用等等這些基本的物理化學(xué)規(guī)律的作用，經(jīng)過精妙絕倫的配合完成的。

細(xì)胞生物學(xué)的研究表明細(xì)胞的物質(zhì)代謝功能中生物膜的過濾特性起到非常重要的作用。細(xì)胞的生物膜是維護(hù)細(xì)胞生命體系的細(xì)胞組織成分，它維持著細(xì)胞內(nèi)的生命活動(dòng)空間。可以說(shuō)細(xì)胞膜是細(xì)胞的生命區(qū)域和外界環(huán)境的非生命區(qū)域的分隔，同時(shí)又需要能夠通過細(xì)胞膜在這兩個(gè)區(qū)域之間進(jìn)行有選擇性地物質(zhì)和信息交換。在新陳代謝過程中細(xì)胞膜夠有選擇性地讓營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，將新陳代謝排泄的物質(zhì)排出細(xì)胞。另外外界的一些信號(hào)也可以通過細(xì)胞膜傳送到內(nèi)部。

那么細(xì)胞膜是如何能夠完成這些工作的呢？細(xì)胞膜是一種嵌有蛋白質(zhì)和糖等大分子的磷脂分子膜。磷脂分子的親水端向外排列，而疏水尾部向內(nèi)互連構(gòu)成堅(jiān)實(shí)的細(xì)胞膜。磷脂分子之間的膽固醇分子可以進(jìn)一步加固細(xì)胞膜的分子鏈接，增加膜的穩(wěn)定性。鑲嵌在膜上的蛋白質(zhì)和糖等大分子成為有選擇性地代謝物質(zhì)通道。這些新陳代謝通道的具體工作情況有很多復(fù)雜的機(jī)理，通過這些工作機(jī)理細(xì)胞可以順利地完成新陳代謝的各種物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)和外部環(huán)境之間的交換。

細(xì)胞膜.jpg 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu).jpg

動(dòng)物細(xì)胞根據(jù)組織分工的不同，細(xì)胞膜的具體結(jié)構(gòu)可能也有很大的不同。動(dòng)物細(xì)胞分化成為上皮細(xì)胞、肌肉組織細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、結(jié)締組織細(xì)胞等不同類型。各個(gè)不同類型的細(xì)胞的具體形狀和結(jié)構(gòu)可能有很大的不同，新陳代謝的具體情況也會(huì)各不相同。

動(dòng)物細(xì)胞分類.jpg

植物細(xì)胞除了細(xì)胞膜以外還有由纖維素構(gòu)成的比較堅(jiān)實(shí)的細(xì)胞壁。這樣植物細(xì)胞可以支撐起比較固定的植物枝葉。在植物的生長(zhǎng)過程中，有些細(xì)胞壁還可以木質(zhì)化成為更加堅(jiān)實(shí)的枝干。

植物細(xì)胞.jpg

而單細(xì)胞生物如細(xì)菌在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁外部還有更加堅(jiān)固的莢膜來(lái)保護(hù)細(xì)胞生命的新陳代謝空間。

細(xì)菌1.jpg

所以為了保護(hù)完整的生命體新陳代謝空間，生物進(jìn)化出了不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。特別是外層的保護(hù)層是維護(hù)新陳代謝過程順利進(jìn)行的重要細(xì)胞結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的新陳代謝，需要有相應(yīng)的細(xì)胞保護(hù)結(jié)構(gòu)。

新陳代謝是所有細(xì)胞生命的基礎(chǔ)，它通過細(xì)胞代謝的成分和反應(yīng)途徑來(lái)控制和協(xié)調(diào)細(xì)胞上某些特定的生化反應(yīng)。細(xì)胞內(nèi)部的代謝可以通過正反饋、負(fù)反饋和自組織化等形式的反饋機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以使得細(xì)胞內(nèi)部與周圍環(huán)境之間的代謝活動(dòng)可以持續(xù)有效地，在細(xì)胞的整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行下去。

細(xì)胞新陳代謝的確切機(jī)制和調(diào)節(jié)途徑尚不完全清楚，但許多途徑已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。其中最重要的途徑之一是細(xì)胞因子的作用，這些因子可以自主激活或抑制新陳代謝。研究發(fā)現(xiàn)一些蛋白質(zhì)或小分子多肽可以影響細(xì)胞內(nèi)酶分子的結(jié)構(gòu)，從而起到調(diào)節(jié)細(xì)胞新陳代謝的作用。在多細(xì)胞生物中為了調(diào)節(jié)不同器官的細(xì)胞協(xié)調(diào)工作，一些蛋白質(zhì)或小分子多肽可以在細(xì)胞間傳遞信息，調(diào)節(jié)不同的細(xì)胞的新陳代謝過程。從而使得各個(gè)不同的器官細(xì)胞能夠協(xié)調(diào)地工作，實(shí)現(xiàn)生命體的整體的協(xié)調(diào)活動(dòng)。比如各種生長(zhǎng)因子、干擾素（IFN）、免疫干擾因子、各種神經(jīng)遞質(zhì)和激素信號(hào)……等等。這些細(xì)胞間因子信號(hào)交換的途徑來(lái)控制細(xì)胞代謝組活動(dòng)。

細(xì)胞代謝還會(huì)受到環(huán)境因素的影響，例如環(huán)境光照、溫度和水分的pH 值等。這種與環(huán)境之間的互動(dòng)可以改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象和活化程度，從而影響代謝酶的活性。質(zhì)量控制機(jī)制也是細(xì)胞代謝的一個(gè)重要方面，這種機(jī)制涉及蛋白質(zhì)的正確折疊、選擇性降解以及生物學(xué)表現(xiàn)的應(yīng)對(duì)能力。等等這些非常復(fù)雜的細(xì)胞新陳代謝控制機(jī)制，使得多細(xì)胞生命體的眾多器官能夠在細(xì)胞級(jí)別上協(xié)調(diào)地工作。對(duì)于小小的細(xì)胞新陳代謝的控制調(diào)節(jié)機(jī)制使得復(fù)雜的生命體系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)整體的新陳代謝、繁殖等完整的生命活動(dòng)。

以上的這些介紹，可能有好多比較難懂的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。可以從中看出：即使是在最簡(jiǎn)單的細(xì)胞中進(jìn)行的新陳代謝基本活動(dòng)對(duì)于今天的科學(xué)水平也是足夠復(fù)雜。其中的許許多多的活動(dòng)過程和機(jī)理還遠(yuǎn)未清楚，對(duì)于細(xì)胞的新陳代謝機(jī)制的研究還在進(jìn)行著。

從目前科學(xué)家的研究情況來(lái)看，對(duì)于細(xì)胞的新陳代謝過程的研究不斷地有新的發(fā)現(xiàn)。比如最新的研究表明，細(xì)胞內(nèi)一種名為溶酶體的結(jié)構(gòu)可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行清理，它會(huì)將損壞、衰老的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)以及外來(lái)的有毒分子或微生物等送到溶酶體內(nèi)進(jìn)行清除和降解，而降解后的產(chǎn)物還可以被細(xì)胞給重新利用。這種被稱為“細(xì)胞自噬”的調(diào)節(jié)機(jī)制是細(xì)胞在生長(zhǎng)、發(fā)育以及維持自身穩(wěn)定的時(shí)候非常重要的一項(xiàng)自我調(diào)節(jié)能力。1963年，當(dāng)時(shí)在美國(guó)洛克菲勒研究所工作的細(xì)胞生物學(xué)家克里斯汀.德迪夫最先將這種現(xiàn)象給命名為“自噬”。而后在1967年，他連續(xù)發(fā)表兩篇重要的學(xué)術(shù)論文，成為第一位報(bào)道溶酶體參與細(xì)胞自噬的科學(xué)家。1974年，德迪夫因?yàn)槿苊阁w和過氧化物酶體的發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

針對(duì)新的細(xì)胞新陳代謝中的細(xì)胞自噬現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)細(xì)胞的代謝功能就與人體衰老和一些疾病有關(guān)系。隨著年齡的不斷增長(zhǎng)，人體正常細(xì)胞的自噬降解能力有不斷下降的趨勢(shì)。成年人細(xì)胞自噬的活力明顯低于兒童和青少年，老年人的細(xì)胞自噬活力則更低。而年齡的增加會(huì)讓細(xì)胞內(nèi)不斷聚集損壞的蛋白質(zhì)、DNA以及陳舊的細(xì)胞器等生物垃圾。缺少了細(xì)胞自噬對(duì)這些垃圾的降解和重新利用，細(xì)胞就容易表現(xiàn)出不穩(wěn)定、衰老還有退化的特征，甚至可能衍生出疾病。

從這些研究情況來(lái)看，即使是對(duì)最基本的細(xì)胞單元的新陳代謝機(jī)制問題，還有很多需要深入探討的地方。

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