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高质量生物学细胞代谢课程辅导,提升学术成绩!

作者:海马 发布时间:2023-10-10 10:13:56

细胞代谢是生物学的必修课之一。细胞的日常操作是通过细胞内发生的生化反应完成的。反应根据细胞的即时需求和整体功能而打开和关闭,或加速和减缓。在任何给定时刻,涉及构建和分解细胞组分的众多途径必须以协调的方式进行监控和平衡。为了实现这一目标,细胞将反应组织成各种由酶驱动的途径。细胞代谢

一、酶的作用是什么?

酶是蛋白质催化剂,通过促进分子重排来加速生化反应,以支持细胞功能。请回想一下,化学反应通常通过将化学基团附加到底物上或从底物上分离化学基团来将底物转化为产物。例如,在糖酵解的最后一步中,一种名为丙酮酸激酶的酶将一个底物(磷酸烯醇丙酮酸)的磷酸基团转移到另一个底物(ADP),从而生成丙酮和ATP作为产物(图1)。

酶是灵活的蛋白质,它们在与底物分子结合时会改变形状。事实上,这种结合和形状改变的能力是酶如何增加反应速率的方式。在许多情况下,酶通过将两个底物靠近并定位它们以便更容易地进行电子转移来发挥作用。形状或构象的改变也可以起到开关作用。例如,当抑制剂分子结合到酶上与底物位点不同的位点时,它们可以使酶呈现出不活跃的构象,从而防止其催化反应。相反,激活剂分子的结合可以使酶呈现出活跃的构象,基本上将其打开(图2)。

二、代谢途径是什么?

细胞内发生的许多分子转化需要多个步骤才能完成。例如,请回想一下,细胞通过称为糖酵解的十步过程将一个葡萄糖分子分解成两个丙酮酸分子。这一协调的一系列化学反应是代谢途径的一个例子,其中一个反应的产物成为下一个反应的底物。因此,代谢途径的中间产物可能存活时间很短(图3)。

有时,参与特定代谢途径的酶是物理连接的,允许一个反应的产物被有效地引导到途径中的下一个酶。例如,丙酮酸脱氢酶是由三种不同的酶组成的复合物,它们催化从丙酮酸(糖酵解的最终产物)到乙酰辅酶A(柠檬酸循环中的第一个底物)的过程。在这个复合物中,中间产物直接从一个酶传递到下一个酶。

三、细胞如何保持化学反应平衡?

细胞是专家级的再循环者。它们将大分子分解成更简单的构建块,然后使用这些构建块创建它们所需要的新组分。通过分解复杂有机分子来释放能量通常是通过分解途径实现的。通过分解途径,诸如蛋白质、核酸和多糖等聚合物会被还原为它们的组成部分:氨基酸、核苷酸和糖分别。相反,合成新的大分子通常需要能量输入(图4)。

细胞必须平衡其分解和合成途径,以控制关键代谢物的水平——这些代谢物是通过酶活性创建的——并确保有足够的能量可用。例如,如果葡萄糖供应开始减少,比如在饥饿的情况下可能会发生,细胞将从其他物质合成葡萄糖,或开始将脂肪酸送入柠檬酸循环以生成ATP。相反,在富裕的时候,多余的葡萄糖会被转化为储存形式,如糖原、淀粉和脂肪。

四、细胞如何管理它们的所有化学反应?

细胞不仅需要平衡分解途径和合成途径,还必须监测所有不同代谢途径的需求和剩余物。为了加强特定途径,细胞可以增加所需的(限速的)酶的数量,或者使用激活剂将该酶转化为活性构象。相反,为了减缓或停止一个途径,细胞可以减少酶的数量,或者使用抑制剂使酶失去活性。

对代谢途径的这种上调和下调通常是对细胞内关键代谢物浓度的变化的响应。例如,细胞可能会检查其中间代谢产物的水平,并相应地调整糖酵解途径和葡萄糖合成。在某些情况下,代谢途径的产物实际上可以作为它们自身合成的抑制剂,这个过程被称为反馈抑制(图5)。例如,在糖酵解的第一个中间产物葡萄糖-6-磷酸就能抑制产生它的酶——己糖激酶。

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