代谢：修订间差异

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'''代谢'''（{{lang-en|Metabolism}} {{IPAc-en|m|ə|ˈ|t|æ|b|ə|l|ɪ|z|ə|m}}，来自{{lang-el|μεταβολή}} / ''metabolē'' “改变”），亦称'''新陈代谢'''，是生物体内维持生命的化学反应的集合。代谢是[[生物体]]维持[[生命]]的[[化学反应]]总称。这些反应使得生物体能够生长和[[繁殖]]、保持它们的结构以及对环境作出反应。代谢通常被分为两类：[[异化作用|分解代谢]]可以对大的分子进行分解以获得能量（如[[呼吸作用|细胞呼吸]]）；[[同化作用|合成代谢]]则可以利用能量来合成细胞中的各个组分，如[[蛋白质]]和[[核酸]]等。代谢是[[生物|生物体]]不断进行[[物质]]和[[能量]]的交换过程，一旦物质和能量交换停止，生物体的生命就会结束。

代谢中的化学反应可以归纳为[[代谢途径]]，通过[[酶]]的作用将一种化学物质转化成另一种化学物质。酶可以通过一个[[热力学]]上易于发生的反应来驅动另一个难以进行的反应，使之变得可行；例如，利用[[三磷酸腺苷|ATP]]的水解所产生的能量来驱动其他化学反应。一个生物体的代谢机制决定了哪些物质对于此生物体是有[[营养]]的，而哪些是[[毒物|有毒的]]。例如，一些[[原核生物]]利用[[硫化氫|硫化氢]]作为营养物质，但这种气体对于一些[[生物]]来说却是致命的。<ref name="Friedrich C 1998 235-89">{{en}}{{Cite journal |title=Physiology and genetics of sulfur-oxidizing bacteria |author=Friedrich C |date=1998 |journal=Adv Microb Physiol |volume=39 |pages=235-289 |pmid=9328649}}</ref>代谢速度，或者说[[代谢率]]，也影响了一个生物体对于食物的需求量。

代谢有一个特点：无论是任何大小的物种，基本代谢途径也是相似的。例如，[[羧酸]]，作为[[三羧酸循环|柠檬酸循环]]（又称为“三羧酸循环”）中的最为人们所知的中间产物，存在于所有的生物体，无论是微小的[[微生物|单细胞]][[细菌]]还是巨大的[[多细胞生物|多细胞]]生物如[[象|大象]]。<ref name="SmithE">{{en}}{{Cite journal |title=Universality in intermediary metabolism |author=Smith E, Morowitz H |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=15340153 |date=2004 |journal=Proc Natl Acad Sci U S A |issue=36 |volume=101 |pages=13168-73 |pmid=15340153}}</ref>代谢中所存在的这样的相似性很可能是由于相关代谢途径的高效率以及这些途径在演化史早期就出现而形成的结果。<ref name="Ebenhoh">{{en}}{{Cite journal |title=Evolutionary optimization of metabolic pathways. Theoretical reconstruction of the stoichiometry of ATP and NADH producing systems |author=Ebenhöh O, Heinrich R |date=2001 |journal=Bull Math Biol |issue=1 |volume=63 |pages=21–55 |pmid=11146883}}</ref><ref name="Cascante">{{en}}{{Cite journal |title=The puzzle of the Krebs citric acid cycle: assembling the pieces of chemically feasible reactions, and opportunism in the design of metabolic pathways during evolution |url=https://archive.org/details/sim_journal-of-molecular-evolution_1996-09_43_3/page/293 |author=Meléndez-Hevia E, Waddell T, Cascante M |date=1996 |journal=J Mol Evol |issue=3 |volume=43 |pages=293–303 |pmid=8703096}}</ref>

动植物和[[微生物]]的大部分组成结构是由三类基本生物分子所构成，这3类分子是[[氨基酸]]、[[糖|糖类]]和[[脂类]]（通常为称为[[脂肪]]）。由于这些分子是维持生命所必需的，代谢既制造这些分子以用于构建细胞和组织，又在摄入食物后将食物中的这些分子消化降解以提供维持生命所需的能量。许多重要的生化物质可以聚合在一起形成[[多聚体]]，如[[脱氧核糖核酸|DNA]]和[[蛋白质]]。这些[[生物大分子]]对于所有的生物体都是必要的组分。下表中列出了一些最常见的生物大分子。

| style="text-align:center;"|[[单醣|单糖]]

[[蛋白质]]是由线性排列[[氨基酸]]所组成，氨基酸之间通过[[肽键]]相互连接。酶是最常见的蛋白质，它们[[催化]]代谢中的各类化学反应。一些蛋白质具有结构或机械功能，如参与形成[[细胞骨架]]以维持细胞形态。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Dynamic filaments of the bacterial cytoskeleton |author=Michie K, Löwe J |date=2006 |journal=Annu Rev Biochem |volume=75 |pages=467-92 |pmid=16756499}}</ref>还有许多蛋白质在[[讯息传递 (生物)|细胞信号传导]]、[[免疫反应]]、{{le|细胞黏附|Cell adhesion}}和[[細胞周期|细胞周期调控]]中扮演重要角色。<ref name="Nelson">{{en}}{{Cite book |title=Lehninger Principles of Biochemistry |url=https://archive.org/details/lehningerprincip00davi_080 |last=Nelson |first=David L. |date=2005 |publisher=W. H. Freeman and company |isbn=0-7167-4339-6 |location=New York |pages=[https://archive.org/details/lehningerprincip00davi_080/page/841 841] |coauthors=Michael M. Cox}}</ref>

[[脂类]]是类别最多的生物分子。它们主要的结构用途是形成[[生物膜]]，如[[细胞壁]]；此外，它们也可以作为机体能量来源。<ref name=Nelson/>脂类通常被定义为[[疏水性]]或[[两亲分子|两亲]]生物分子，可溶于诸如[[苯]]或[[三氯甲烷|氯仿]]等有机[[溶剂]]中。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=A comprehensive classification system for lipids |author=Fahy E, Subramaniam S, Brown H, Glass C, Merrill A, Murphy R, Raetz C, Russell D, Seyama Y, Shaw W, Shimizu T, Spener F, van Meer G, VanNieuwenhze M, White S, Witztum J, Dennis E |url=http://www.jlr.org/cgi/content/full/46/5/839 |date=2005 |journal=J Lipid Res |issue=5 |volume=46 |pages=839-61 |pmid=15722563 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20090107121619/http://www.jlr.org/cgi/content/full/46/5/839 |archivedate=2009-01-07 |deadurl=no |access-date=2008-07-24 }}</ref>[[脂肪]]是由[[脂肪酸]]基团和[[丙三醇|甘油]]基团所组成的一大类脂类化合物；其结构为一个甘油分子上以[[酯]]键连接了3个脂肪酸分子形成[[三酸甘油酯|甘油三酯]]。<ref>{{en}}{{Cite web |title=Nomenclature of Lipids |url=http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/lipid/ |accessdate=2007-03-08 |publisher=IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN) |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070216024541/http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/lipid/ |archivedate=2007-02-16 |deadurl=no }}</ref>在此基本结构基础上，还存在有多种变型，包括不同大小长度的疏水骨架（如[[鞘脂]]中的[[鞘氨醇]]基团）和不同类型的[[亲水性]]基团（如[[磷脂]]中的[[磷酸鹽|磷酸盐]]基团）。[[类固醇]]（如[[胆固醇]]）是另一类由细胞合成的主要的脂类分子。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Mitochondrial 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase: a control enzyme in ketogenesis |author=Hegardt F |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=1220089&blobtype=pdf |date=1999 |journal=Biochem J |volume=338 (Pt 3） |pages=569-82 |pmid=10051425}}</ref>

[[糖|糖类]]为多[[羟基]]的[[醛]]或[[酮]]，可以以直链或环的形式存在。糖类是含量最为丰富的生物分子，具有多种功能，如储存和运输能量（例如[[淀粉]]、[[糖原]]）以及作为结构性组分（植物中的[[纤维素]]和动物中的[[几丁质]]）。<ref name=Nelson/>糖类的基本组成单位为[[单醣|单糖]]，包括[[半乳糖]]、[[果糖]]以及十分重要的[[葡萄糖]]。单糖可以通过糖苷键连接在一起形成双糖，而连接的方式更多样就变成多糖。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Glycomics: an integrated systems approach to structure-function relationships of glycans |author=Raman R, Raguram S, Venkataraman G, Paulson J, Sasisekharan R |date=2005 |journal=Nat Methods |issue=11 |volume=2 |pages=817-24 |pmid=16278650}}</ref>

[[File:DNA double helix 45.PNG|缩略图|200px|左|[[脱氧核糖核酸|DNA]]双螺旋结构。]]

[[脱氧核糖核酸|DNA]]和[[核糖核酸|RNA]]是主要的两类[[核酸]]，它们都是由[[核苷酸]]连接形成的直链分子。核酸分子对于遗传信息的储存和利用是必不可少的，通过[[转录]]和[[翻译 (遗传学)|翻译]]来完成从遗传信息到蛋白质的过程。<ref name=Nelson/>这些遗传信息由[[DNA修复]]机制来进行保护，并通过[[DNA复制]]来进行扩增。一些[[病毒]]（如[[人类免疫缺陷病毒|HIV]]）含有RNA[[基因组]]，它们可以利用[[逆转录]]来从病毒RNA合成DNA模板。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Basics of the virology of HIV-1 and its replication |author=Sierra S, Kupfer B, Kaiser R |date=2005 |journal=J Clin Virol |issue=4 |volume=34 |pages=233-44 |pmid=16198625}}</ref>[[核酶]]（如[[剪接体]]和[[核糖体]]）中的RNA还具有类似酶的特性，可以催化化学反应。单个核苷酸是由一个[[核糖]]分子连接上一个[[核鹼基|碱基]]来形成。其中，碱基是含氮的[[杂环化合物|杂环]]，可以被分为两类：[[嘌呤]]和[[嘧啶]]。核苷酸也可以作为[[辅酶]]参与代谢基团的转移反应。<ref name="Wimmer">{{en}}{{Cite journal |title=Mechanisms of enzyme-catalyzed group transfer reactions |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_1978_47/page/1031 |author=Wimmer M, Rose I |date=1978 |journal=Annu Rev Biochem |volume=47 |pages=1031–78 |pmid=354490}}</ref>

[[三磷酸腺苷]]（ATP）是生命体中最重要的辅酶之一，它是细胞中能量流通的普遍形式。ATP被用于在不同的化学反应之间进行[[化学能]]的传递。虽然细胞中只有少量的ATP存在，但它被不断地合成，人体一天所消耗的ATP的量积累起来可以达到自身的体重。<ref name=Dimroth/>ATP是连接[[同化作用|合成代谢]]和[[异化作用|分解代谢]]的桥梁：分解代谢反应生成ATP，而合成代谢反应消耗ATP。它也可以作为磷酸基团的携带者参与[[磷酸化]]反应。

[[File:1GZX Haemoglobin.png|缩略图|300px|左|[[血红蛋白]]的结构。[[蛋白质亚基]]显示为红色和蓝色，结合铁的[[血基质]]显示为绿色。来自{{PDB|1GZX}}。]]

无机元素在代谢中也发挥着重要的作用；其中一些在机体内含量丰富（如[[钠]]和[[钾]]），而另一些则为微量元素。大约99%的哺乳动物的质量为[[碳]]、[[氮]]、[[钙]]、[[钠]]、[[氯]]、[[钾]]、[[氢]]、[[磷]]、[[氧]]和[[硫]]元素。<ref name="Heymsfield">{{en}}{{Cite journal |title=Chemical and elemental analysis of humans in vivo using improved body composition models |author=Heymsfield S, Waki M, Kehayias J, Lichtman S, Dilmanian F, Kamen Y, Wang J, Pierson R |date=1991 |journal=Am J Physiol |issue=2 Pt 1 |volume=261 |pages=E190-8 |pmid=1872381}}</ref>绝大多数的碳和氮存在于有机物（如蛋白质、脂类和糖类）中，而氢和氧则主要存在于空气。<ref name=Heymsfield/>

[[过渡金属]]在生物体体内通常是作为[[微量营养素#微量元素|微量元素]]存在的，其中[[锌]]和[[铁]]的含量最为丰富。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Macro- and micromineral composition of pigs from birth to 145 kilograms of body weight |author=Mahan D, Shields R |url=http://jas.fass.org/cgi/reprint/76/2/506 |date=1998 |journal=J Anim Sci |issue=2 |volume=76 |pages=506-12 |pmid=9498359 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20110430042613/http://jas.fass.org/cgi/reprint/76/2/506 |archivedate=2011-04-30 |deadurl=yes |access-date=2008-07-24 }}</ref><ref name="Husted">{{en}}{{Cite journal |title=Elemental fingerprint analysis of barley （Hordeum vulgare）using inductively coupled plasma mass spectrometry, isotope-ratio mass spectrometry, and multivariate statistics |author=Husted S, Mikkelsen B, Jensen J, Nielsen N |date=2004 |journal=Anal Bioanal Chem |issue=1 |volume=378 |pages=171-82 |pmid=14551660}}</ref>这些金属元素被一些蛋白质用作[[辅因子]]或者对于酶活性的发挥具有关键作用，例如携氧的[[血红蛋白]]和[[过氧化氢酶]]。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Transition metal speciation in the cell: insights from the chemistry of metal ion receptors |author=Finney L, O'Halloran T |date=2003 |journal=Science |issue=5621 |volume=300 |pages=931-6 |pmid=12738850}}</ref>这些辅因子可以与特定蛋白质紧密结合；酶的辅因子会在催化过程中被转化，这些辅因子总是能够在催化完成后回到起始状态。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Mammalian zinc transport, trafficking, and signals |author=Cousins R, Liuzzi J, Lichten L |url=http://www.jbc.org/cgi/content/full/281/34/24085 |date=2006 |journal=J Biol Chem |issue=34 |volume=281 |pages=24085-9 |pmid=16793761 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20081105204722/http://www.jbc.org/cgi/content/full/281/34/24085 |archivedate=2008-11-05 |deadurl=yes |access-date=2008-07-24 }}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Iron uptake and metabolism in the new millennium |author=Dunn L, Rahmanto Y, Richardson D |date=2007 |journal=Trends Cell Biol |issue=2 |volume=17 |pages=93–100 |pmid=17194590}}</ref>

'''分解代谢'''（又称为'''异化作用'''）是一系列裂解大分子的反应过程的总称，包括裂解和氧化食物分子。分解代谢反应的目的是为合成代谢反应提供所需的能量和反应物。分解代谢的机制在生物体中不尽相同，如[[有机营养菌]]分解[[有机化合物|有机分子]]来获得能量，而[[无机营养菌]]利用[[无机化合物|无机物]]作为能量来源，[[光能利用菌]]则能够吸收[[太阳光|阳光]]并转化为可利用的[[化学能]]。然而，所有这些代谢形式都需要[[氧化还原反应|氧化还原]]反应的参与，反应主要是将[[电子]]从还原性的供体分子（如有机分子、[[水]]、[[氨]]、[[硫化氫|硫化氢]]、[[铁|亚铁离子]]等）转移到受体分子（如[[氧气]]、[[硝酸盐]]、[[硫酸鹽|硫酸盐]]等）。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Life: past, present and future |author=Nealson K, Conrad P |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=10670014 |date=1999 |journal=Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci |issue=1392 |volume=354 |pages=1923–39 |pmid=10670014}}</ref>在动物中，这些反应还包括将复杂的有机分子分解为简单分子（如[[二氧化碳]]和水）。在[[光合作用|光合]]生物（如植物和[[蓝菌|蓝藻]]）中，这些电子转移反应并不释放能量，而是用作储存所吸收光能的一种方式。<ref name=Nelson/>

动物中最普遍的分解代谢反应可以被分为三个主要步骤：首先，大分子有机化合物，如蛋白质、多糖或脂类被消化分解为小分子组分；然后，这些小分子被细胞摄入并被转化为更小的分子，通常为[[乙酰辅酶A]]，此过程中会释放出部分能量；最后，辅酶A上的[[乙酰]]基团通过[[三羧酸循环|柠檬酸循环]]和[[电子传递链]]被氧化为水和二氧化碳，并释放出能量，这些能量可以通过将[[烟酰胺腺嘌呤二核苷酸]]（NAD⁺）还原为NADH而以化学能的形式被储存起来。

微生物只是简单地分泌消化性酶到周围环境中，<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Bacterial extracellular zinc-containing metalloproteases |author=Häse C, Finkelstein R |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=8302217 |date=1993 |journal=Microbiol Rev |issue=4 |volume=57 |pages=823-37 |pmid=8302217}}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Bacterial lipases: an overview of production, purification and biochemical properties |author=Gupta R, Gupta N, Rathi P |date=2004 |journal=Appl Microbiol Biotechnol |issue=6 |volume=64 |pages=763-81 |pmid=14966663}}</ref>而动物则只能由其[[消化系统]]中的特定细胞来分泌这些酶。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=The digestive system: linking theory and practice |author=Hoyle T |date=1997 |journal=Br J Nurs |issue=22 |volume=6 |pages=1285–91 |pmid=9470654}}</ref>由这些位于细胞外的酶分解获得的氨基酸或单糖接着通过[[血液]]将蛋白被运送到细胞内。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=How amino acids get into cells: mechanisms, models, menus, and mediators |author=Souba W, Pacitti A |date=1992 |journal=JPEN J Parenter Enteral Nutr |issue=6 |volume=16 |pages=569-78 |pmid=1494216}}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Structure and function of facilitative sugar transporters |author=Barrett M, Walmsley A, Gould G |date=1999 |journal=Curr Opin Cell Biol |issue=4 |volume=11 |pages=496–502 |pmid=10449337}}</ref>

氧化磷酸化中，通过如柠檬酸循环等代谢途径，电子从被消化吸收的食物分子上转移到氧气上，并将产生的能量以ATP的方式储存起来。在[[真核生物]]中，这一过程是由位于[[线粒体]]膜上的一系列[[膜蛋白]]来完成的，被称为[[电子传递链]]。而在[[原核生物]]中，对应的蛋白质则位于细胞内膜上。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Energy transduction: proton transfer through the respiratory complexes |author=Hosler J, Ferguson-Miller S, Mills D |date=2006 |journal=Annu Rev Biochem |volume=75 |pages=165-87 |pmid=16756489}}</ref>这些蛋白质利用从电子还原性分子（如[[NADH]]）传递到氧气的反应所产生的能量将[[质子]]进行跨膜运输。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Structures and proton-pumping strategies of mitochondrial respiratory enzymes |author=Schultz B, Chan S |date=2001 |journal=Annu Rev Biophys Biomol Struct |volume=30 |pages=23–65 |pmid=11340051}}</ref>将质子泵出线粒体的结果就会在线粒体膜的两边产生质子的浓度差，从而在膜的两边形成一个[[电化学梯度]]。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Mechanism of the F（1）F(0)-type ATP synthase, a biological rotary motor |author=Capaldi R, Aggeler R |date=2002 |journal=Trends Biochem Sci |issue=3 |volume=27 |pages=154-60 |pmid=11893513}}</ref>通过电化学梯度所产生的驱动力使得质子通过线粒体膜上的[[三磷酸腺苷合酶]]重新进入线粒体。这样的一个质子流会促使ATP合酶的stalk[[蛋白质亚基|亚基]]发生转动，并进一步带动合酶[[结构域]]上的[[活化位置|活性位点]]发生形变并将[[二磷酸腺苷|腺苷二磷酸]]（ADP）磷酸化，最终产生ATP。<ref name=Dimroth/>

[[化能自养菌|化能无机营养]]是一种发现于一些原核生物中的代谢类型，这些原核生物通过氧化[[无机化合物|无机物]]来获得能量。它们能够利用[[氢气]]，<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Molecular biology of hydrogen utilization in aerobic chemolithotrophs |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-microbiology_1993_47/page/351 |author=Friedrich B, Schwartz E |date=1993 |journal=Annu Rev Microbiol |volume=47 |pages=351-83 |pmid=8257102}}</ref>还原性的含硫化合物（如[[硫化物]]、[[硫化氫|硫化氢]]和[[硫代硫酸盐]]）<ref name="Friedrich C 1998 235-89" />，[[氧化亚铁|二价铁化合物]]<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Microorganisms pumping iron: anaerobic microbial iron oxidation and reduction |author=Weber K, Achenbach L, Coates J |date=2006 |journal=Nat Rev Microbiol |issue=10 |volume=4 |pages=752-64 |pmid=16980937}}</ref>或[[氨]]<ref>{{en}}{{Cite journal |title=The anaerobic oxidation of ammonium |author=Jetten M, Strous M, van de Pas-Schoonen K, Schalk J, van Dongen U, van de Graaf A, Logemann S, Muyzer G, van Loosdrecht M, Kuenen J |date=1998 |journal=FEMS Microbiol Rev |issue=5 |volume=22 |pages=421-37 |pmid=9990725}}</ref>作为还原能的来源；这些还原性物质氧化过程的电子受体常常为氧气或[[亚硝酸盐]]。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Enzymology and bioenergetics of respiratory nitrite ammonification |author=Simon J |date=2002 |journal=FEMS Microbiol Rev |issue=3 |volume=26 |pages=285–309 |pmid=12165429}}</ref>这些进程对于整体的[[生物地质化学循环]]，如[[乙酸生成作用]]（acetogenesis）以及[[硝化反应|硝化]]和[[反硝化反应|反硝化作用]]都很重要，并且对土壤的肥沃十分关键。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO） |author=Conrad R |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=8987358 |date=1996 |journal=Microbiol Rev |issue=4 |volume=60 |pages=609-40 |pmid=8987358}}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Microbial co-operation in the rhizosphere |author=Barea J, Pozo M, Azcón R, Azcón-Aguilar C |url=http://jxb.oxfordjournals.org/cgi/content/full/56/417/1761 |date=2005 |journal=J Exp Bot |issue=417 |volume=56 |pages=1761–78 |pmid=15911555 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070216133241/http://jxb.oxfordjournals.org/cgi/content/full/56/417/1761 |archivedate=2007-02-16 |deadurl=yes |access-date=2008-07-24 }}</ref>

{{See also|光合细菌|电子传递链|叶绿体}}

太阳光中的能量可以被[[植物]]、[[蓝菌|蓝藻]]、[[紫细菌]]、[[绿菌门|绿菌]]和一些[[原生生物]]所捕获。这一获取光能的进程常常与二氧化碳转化为有机物（即“[[碳固定]]”）相偶联，成为[[光合作用]]的一部分。光能获取和碳固定系统在原核生物中却能够分开运行的，因为紫细菌和绿菌无论在碳固定或是在有机物酵解之时，都可以利用阳光作为能量来源。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Diel variations in carbon metabolism by green nonsulfur-like bacteria in alkaline siliceous hot spring microbial mats from Yellowstone National Park |author=van der Meer M, Schouten S, Bateson M, Nübel U, Wieland A, Kühl M, de Leeuw J, Sinninghe Damsté J, Ward D |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=16000812 |date=2005 |journal=Appl Environ Microbiol |issue=7 |volume=71 |pages=3978–86 |pmid=16000812}}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Interactive control of Rhodobacter capsulatus redox-balancing systems during phototrophic metabolism |author=Tichi M, Tabita F |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=11591679 |date=2001 |journal=J Bacteriol |issue=21 |volume=183 |pages=6344–54 |pmid=11591679}}</ref>

捕获太阳能的过程与氧化磷酸化在本质上是相似的，因为两者都包括了能量以质子浓度梯度形式存在以及这种浓度差所驱动的ATP的合成。<ref name=Dimroth/>用于驱动电子传递链的电子是来自于被称为[[光合反应中心]]的蛋白质。根据所含的[[光合色素]]类型的不同，可以将反应中心体分为两类：[[叶绿素|去镁叶绿素]]-[[醌]]型和铁-硫型；大多数的光合细菌只含有一类反应中心体，而植物和蓝藻则含有两类。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Photosynthetic reaction centers |author=Allen J, Williams J |date=1998 |journal=FEBS Lett |issue=1–2 |volume=438 |pages=5–9 |pmid=9821949}}</ref>

此外，[[光系统]]是在光合作用中发挥主要作用的[[蛋白质复合物]]，包括光系统I和II。在植物中，光系统II可以利用光能从水中获得电子，并释放出氧气。电子随后流入[[细胞色素b6f复合物]]，该复合物用能量将质子泵出[[类囊体]]（位于[[叶绿体]]中）膜。<ref name="Nelson" />被泵出的质子又通过膜回到类囊体内，从而驱动ATP的合成（类似于氧化磷酸化中的ATP的合成）。当电子继续流过光系统I时，它们可以被用于还原辅酶NADP⁺、用于[[卡尔文循环]]或回收后用于合成更多的ATP。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Cyclic electron flow around photosystem I is essential for photosynthesis |author=Munekage Y, Hashimoto M, Miyake C, Tomizawa K, Endo T, Tasaka M, Shikanai T |date=2004 |journal=Nature |issue=6991 |volume=429 |pages=579-82 |pmid=15175756}}</ref>

'''合成代谢'''（又称为'''同化作用'''）是一系列合成型代谢进程（即利用分解代谢所释放的能量来合成复杂分子）的总称。一般而言，用于组成细胞结构的复杂分子都是从小且简单的前体一步一步地构建而来。合成代谢包括三个基本阶段：首先生成前体分子，如[[氨基酸]]、[[单醣|单糖]]、[[类萜|类异戊二烯]]和[[核苷酸]]；其次，利用ATP水解所提供的能量，这些分子被激活而形成活性形式；最后，它们被组装成复杂的分子，如[[蛋白质]]、[[多糖]]、[[脂类]]和[[核酸]]。

光合作用是利用阳光、二氧化碳（CO₂）和水来合成糖类并释放出氧气的过程。这一过程利用[[光合反应中心]]所产生的ATP和NADPH将CO₂转化为[[3-磷酸甘油酸]]，并继续将3-磷酸甘油酸转化为生物体所需的葡萄糖，因此该过程被称为[[碳固定]]。碳固定反应作为[[卡尔文循环|卡尔文-本森循环]]的一部分，由[[1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶|RuBisCO]]酶来进行催化。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_1983_52_annual/page/507 |author=Miziorko H, Lorimer G |date=1983 |journal=Annu Rev Biochem |volume=52 |pages=507-35 |pmid=6351728}}</ref>发生在植物中的光合作用分为三种：[[C3类二氧化碳固定|C3碳固定]]、[[C4类二氧化碳固定|C4碳固定]]和[[景天酸代谢|CAM光合作用]]。这些光合作用种类之间的差异在于当二氧化碳进入卡尔文循环的途径不同：C3型植物可以直接对CO₂进行固定；而C4和CAM型则先将CO₂合并到其他化合物上，这是对强光照和干旱环境的一种适应。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Crassulacean acid metabolism: plastic, fantastic |author=Dodd A, Borland A, Haslam R, Griffiths H, Maxwell K |url=http://jxb.oxfordjournals.org/cgi/content/full/53/369/569 |date=2002 |journal=J Exp Bot |issue=369 |volume=53 |pages=569-80 |pmid=11886877 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20090125161155/http://jxb.oxfordjournals.org/cgi/content/full/53/369/569 |archivedate=2009-01-25 |deadurl=yes |access-date=2008-07-24 }}</ref>

糖类的合成代谢中，简单的有机酸可以被转化为[[单醣|单糖]]（如葡萄糖），然后单糖再聚合在一起形成[[多糖]]（如[[淀粉]]）。从包括[[丙酮酸|丙酮酸盐]]、[[乳酸|乳酸盐]]、[[丙三醇|甘油]]、[[3-磷酸甘油酸]]和[[氨基酸]]在内的化合物来生成葡萄糖的过程被称为[[糖异生]]。糖异生将丙酮酸盐通过一系列的中间物转化为[[葡萄糖-6-磷酸]]，其中的许多中间物可以与[[糖酵解]]过程共享。<ref name=Bouche/>然而，糖异生过程不是简单的糖酵解过程的逆反应，其中多个步骤是由不在糖酵解中发挥作用的酶来催化的。这样就使得葡萄糖的合成和分解可以被分别调控，以防止这两个途径进入{{tsl|en|futile cycle|无效循环}}。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Design of glycolysis |author=Boiteux A, Hess B |date=1981 |journal=Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci |issue=1063 |volume=293 |pages=5–22 |pmid=6115423}}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Fructose-2,6-bisphosphate in control of hepatic gluconeogenesis. From metabolites to molecular genetics |author=Pilkis S, el-Maghrabi M, Claus T |date=1990 |journal=Diabetes Care |issue=6 |volume=13 |pages=582-99 |pmid=2162755}}</ref>

[[脂肪酸合成]]是一个将乙酰辅酶A多聚化并还原的过程。脂肪酸上的乙酰基链是通过一个反应循环来延伸的，包括加入[[乙酰]]基、将其还原为[[乙醇]]和继续还原为[[烷烃]]的过程。在脂肪酸的生物合成中发挥作用的酶可以被分为两类：动物和真菌中，所有的脂肪酸合成反应由一个单一的多功能酶，I型脂肪酸合酶来完成；<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Structure and function of animal fatty acid synthase |author=Chirala S, Wakil S |date=2004 |journal=Lipids |issue=11 |volume=39 |pages=1045–53 |pmid=15726818}}</ref>而在植物[[色素体|质体]]和细菌中，有多个不同的酶分别催化每一个反应，这些酶统称为I型脂肪酸合酶。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=The structural biology of type II fatty acid biosynthesis |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_2005_74/page/791 |author=White S, Zheng J, Zhang Y |date=2005 |journal=Annu Rev Biochem |volume=74 |pages=791–831 |pmid=15952903}}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Regulation of fatty acid synthesis |author=Ohlrogge J, Jaworski J |date=1997 |journal=Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol |volume=48 |pages=109–136 |pmid=15012259}}</ref>

[[萜烯]]和[[萜烯|异戊二烯类]]化合物（包括[[类胡萝蔔素|类胡萝卜素]]在内）是脂类中的一个大家族，它们组成了植物[[天然化合物]]中的最大的一类。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=An overview of the non-mevalonate pathway for terpenoid biosynthesis in plants |author=Dubey V, Bhalla R, Luthra R |url=http://www.ias.ac.in/jbiosci/sep2003/637.pdf |date=2003 |journal=J Biosci |issue=5 |volume=28 |pages=637-46 |pmid=14517367 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070415213325/http://www.ias.ac.in/jbiosci/sep2003/637.pdf |archivedate=2007-04-15 |deadurl=no |access-date=2008-07-24 }}</ref>这些化合物是以[[异戊二烯]]为单位，聚合和修饰而成的；其中，异戊二烯是由具反应活性的前体，[[异戊烯焦磷酸]]和[[二甲烯丙基焦磷酸]]提供的。<ref name="Kuzuyama">{{en}}{{Cite journal |title=Diversity of the biosynthesis of the isoprene units |author=Kuzuyama T, Seto H |date=2003 |journal=Nat Prod Rep |issue=2 |volume=20 |pages=171-83 |pmid=12735695}}</ref>这两个前体可以在不同的途径中被合成。动物和古菌利用[[甲瓦龙酸途径]]来从乙酰辅酶A生产这两个化合物；<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Methanocaldococcus jannaschii uses a modified mevalonate pathway for biosynthesis of isopentenyl diphosphate |author=Grochowski L, Xu H, White R |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=16621811 |date=2006 |journal=J Bacteriol |issue=9 |volume=188 |pages=3192–8 |pmid=16621811}}</ref>而植物和细菌则通过[[非甲瓦龙酸途径]]利用丙酮酸和[[甘油醛-3-磷酸]]作为底物来生产它们。<ref name=Kuzuyama/><ref>{{en}}{{Cite journal |title=The 1-Ddeoxy-D-xylulose-5-phosphate pathway of isoprenoid biosynthesis in plants |author=Lichtenthaler H |date=1999 |journal=Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol |volume=50 |pages=47–65 |pmid=15012203}}</ref>另一个利用这些活化的异戊二烯供体的重要反应是[[类固醇生物合成|类固醇的生物合成]]。其中，异戊二烯单位连接在一起聚成[[鲨烯|角鲨烯]]，然后折叠起来，经过一个质子引发的连续成环反应得到[[羊毛脂甾醇]]。<ref name="Schroepfer">{{en}}{{Cite journal |title=Sterol biosynthesis |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-biochemistry_1981_50_annual/page/585 |author=Schroepfer G |date=1981 |journal=Annu Rev Biochem |volume=50 |pages=585–621 |pmid=7023367}}</ref>而羊毛脂甾醇能够被继续转化为其他类固醇，如[[胆固醇]]和[[麦角甾醇]]。<ref name=Schroepfer/><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Cloning of the late genes in the ergosterol biosynthetic pathway of Saccharomyces cerevisiae—a review |author=Lees N, Skaggs B, Kirsch D, Bard M |date=1995 |journal=Lipids |issue=3 |volume=30 |pages=221-6 |pmid=7791529}}</ref>

{{See also|蛋白质生物合成|氨基酸合成}}

氨基酸是通过[[肽键]]连接在一起并进一步形成蛋白质。每种不同的蛋白质都对应着自己独特的氨基酸序列（又被称为[[一级结构]]）。如同20多个字母就能排列组合成数以万计的单词一般，不同的氨基酸连接在一起能够形成数量庞大的蛋白质种类。氨基酸通过连接到对应[[转运RNA]]（tRNA）分子上形成[[氨酰tRNA]]而被激活，然后才可以被连接在一起。这种氨酰tRNA前体是通过一个ATP依赖的反应（将tRNA与正确的氨基酸相连接）来合成，该反应由[[氨酰tRNA合成酶]]进行催化。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=The renaissance of aminoacyl-tRNA synthesis |author=Ibba M, Söll D |url=http://www.molcells.org/home/journal/include/downloadPdf.asp?articleuid={A158E3B4-2423-4806-9A30-4B93CDA76DA0} |date=2001 |journal=EMBO Rep |issue=5 |volume=2 |pages=382-7 |pmid=11375928 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20110501181419/http://www.molcells.org/home/journal/include/downloadPdf.asp?articleuid=%7BA158E3B4-2423-4806-9A30-4B93CDA76DA0%7D |archivedate=2011-05-01 |deadurl=yes}}</ref>然后，以[[mRNA|信使RNA]]中的序列信息为指导，带有正确氨基酸的氨酰tRNA分子就可以结合到[[核糖体]]的对应位置，在核糖体的作用下将氨基酸连接到正在延长的蛋白质链上。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Mechanism of protein biosynthesis |author=Lengyel P, Söll D |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=378322&blobtype=pdf |date=1969 |journal=Bacteriol Rev |issue=2 |volume=33 |pages=264–301 |pmid=4896351}}</ref>

[[核苷酸]]是由氨基酸、二氧化碳以及[[甲酸]]来合成的。<ref name="Rudolph">{{en}}{{Cite journal|author=Rudolph F |title=The biochemistry and physiology of nucleotides |journal=J Nutr |volume=124 |issue=1 Suppl |pages=124S-127S |pmid=8283301|date=1994}} {{Cite journal |title=Pyrimidine and purine biosynthesis and degradation in plants |url=https://archive.org/details/sim_annual-review-of-plant-biology_2006_57/page/805 |author=Zrenner R, Stitt M, Sonnewald U, Boldt R |date=2006 |journal=Annu Rev Plant Biol |volume=57 |pages=805-36 |pmid=16669783}}</ref>由于其合成途径需要消耗大量的代谢能量，大多数的生物体内都有有效的系统来进行[[核苷酸补救]]。<ref name=Rudolph/><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Purine and pyrimidine nucleotide metabolism in higher plants |author=Stasolla C, Katahira R, Thorpe T, Ashihara H |date=2003 |journal=J Plant Physiol |issue=11 |volume=160 |pages=1271–95 |pmid=14658380}}</ref>[[嘌呤]]是以[[核苷]]（即[[核鹼基|碱基]]连接上[[核糖]]）为基础合成的。[[腺嘌呤]]和[[鸟嘌呤]]是由前体核苷分子[[肌苷]]单磷酸（即[[次黄苷酸]]）衍生而来，而次黄苷酸则是由来自[[甘氨酸]]、[[穀氨醯胺|谷氨酰胺]]和[[穀氨醯胺|谷氨酰胺]]的原子以及从辅酶[[四氢叶酸|四氢叶酸盐]]上转移来的[[甲酸]]基来合成的。[[嘧啶]]是由碱基[[乳清酸|乳清酸盐]]合成的，乳清酸盐则由谷氨酰胺和谷氨酰胺转化而来。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Enzymes of nucleotide synthesis |author=Smith J |date=1995 |journal=Curr Opin Struct Biol |issue=6 |volume=5 |pages=752-7 |pmid=8749362}}</ref>

所有的生物体如果持续摄入非食物类物质而没有相应的代谢途径，这些物质就会在细胞中积累并造成危害。这些存在于机体内可能造成损害的物质被称为{{tsl|en|xenobiotic|异生物质}}。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=The biochemistry of drug metabolism—an introduction: part 1. Principles and overview |author=Testa B, Krämer S |date=2006 |journal=Chem Biodivers |issue=10 |volume=3 |pages=1053-101 |pmid=17193224}}</ref>异型生物质包括[[药物|合成药物]]、[[毒物|天然毒药]]和[[抗生素]]，所幸的是它们可以在一系列异型生物质代谢酶的作用下被去毒化。在人体中，[[细胞色素P450]]氧化酶<ref>{{en}}{{Cite journal |title=The cytochrome P450 superfamily: biochemistry, evolution and drug metabolism in humans |author=Danielson P |date=2002 |journal=Curr Drug Metab |issue=6 |volume=3 |pages=561-97 |pmid=12369887}}</ref>、尿苷二磷酸葡醛酸转移酶（UDP-glucuronosyl transferases）<ref>{{en}}{{Cite journal |title=UDP-glucuronosyltransferases |author=King C, Rios G, Green M, Tephly T |date=2000 |journal=Curr Drug Metab |issue=2 |volume=1 |pages=143-61 |pmid=11465080}}</ref>和[[谷胱甘肽S-转移酶]]（Glutathione S-transferase）<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Structure, function and evolution of glutathione transferases: implications for classification of non-mammalian members of an ancient enzyme superfamily |author=Sheehan D, Meade G, Foley V, Dowd C |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=11695986 |date=2001 |journal=Biochem J |issue=Pt 1 |volume=360 |pages=1–16 |pmid=11695986}}</ref>都属于这类酶。这一酶系统的功能发挥有三个阶段：首先氧化异型生物质，然后在该物质分子上连接一个水溶性基团，最后修饰过的含水溶性基团的异型生物质被运出细胞（在多细胞生物体中，还可以被进一步代谢并被排出体外）。在[[生态学]]中，这些反应对于污染物的[[生物降解|微生物降解]]和污染土壤（特别是石油污染）的[[生物修复]]具有极为重要的作用。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Exploring the microbial biodegradation and biotransformation gene pool |author=Galvão T, Mohn W, de Lorenzo V |date=2005 |journal=Trends Biotechnol |issue=10 |volume=23 |pages=497–506 |pmid=16125262}}</ref>许多这样的微生物反应在多细胞生物体中也同样存在，但由于微生物种类的多样性使得它们能够代谢的物质比多细胞生物体要广泛的多，它们甚至可以降解包括[[有机氯]]在内的[[持久性有机污染物]]。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Bacterial degradation of xenobiotic compounds: evolution and distribution of novel enzyme activities |author=Janssen D, Dinkla I, Poelarends G, Terpstra P |date=2005 |journal=Environ Microbiol |issue=12 |volume=7 |pages=1868–82 |pmid=16309386}}</ref>

生物体也必须遵守[[热力学定律]]（描述[[功]]和[[内能|热]]之间的转移关系）。[[热力学第二定律]]指出，在任何[[封闭系统]]中，[[熵]]值总是趋向于增加。虽然生物体的高度复杂性看起来似乎与这一定律相反，但生物体实际上是[[开放系统 (热力学)|开放系统]]，能够与周围环境进行物质和能量交换；因此，生命系统不是处于[[热平衡|平衡]]之中，而是表现为[[耗散结构]]来维持它们的高度复杂性，同时增加周围环境的熵值。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Does microbial life always feed on negative entropy? Thermodynamic analysis of microbial growth |author=von Stockar U, Liu J |date=1999 |journal=Biochim Biophys Acta |issue=3 |volume=1412 |pages=191–211 |pmid=10482783}}</ref>细胞中的代谢则是通过将分解代谢的[[自发过程]]和合成代谢的非自发过程偶联来达到保持复杂性的目的。用[[非平衡态热力学|热力学]]来解释，代谢实际上就是通过制造无序来保持有序。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Thermodynamics and bioenergetics |author=Demirel Y, Sandler S |date=2002 |journal=Biophys Chem |issue=2–3 |volume=97 |pages=87–111 |pmid=12050002}}</ref>

{{See also|代谢途径|代谢控制分析|荷尔蒙|讯息传递 (生物)}}

由于生物体的外界环境处于不断的变化之中，因此代谢反应必须能够被精确的调控，以保持细胞内各组分的稳定，即[[体内平衡]]。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Scale-free networks in cell biology |author=Albert R |url=http://jcs.biologists.org/cgi/content/full/118/21/4947 |date=2005 |journal=J Cell Sci |issue=Pt 21 |volume=118 |pages=4947–57 |pmid=16254242 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070412214753/http://jcs.biologists.org/cgi/content/full/118/21/4947 |archivedate=2007-04-12 |deadurl=yes |access-date=2008-07-24 }}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Regulation analysis of energy metabolism |author=Brand M |url=http://jeb.biologists.org/cgi/reprint/200/2/193 |date=1997 |journal=J Exp Biol |issue=Pt 2 |volume=200 |pages=193–202 |pmid=9050227 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20070329202116/http://jeb.biologists.org/cgi/reprint/200/2/193 |archivedate=2007-03-29 |deadurl=no |access-date=2008-07-24 }}</ref>代谢调控也使得生物体能够对外界信号产生反馈并能够与其周围环境进行互动。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Signal transduction networks: topology, response and biochemical processes |author=Soyer O, Salathé M, Bonhoeffer S |date=2006 |journal=J Theor Biol |issue=2 |volume=238 |pages=416-25 |pmid=16045939}}</ref>其中，两个紧密联系的概念对于了解代谢途径的调控机制非常重要：第一，酶在代谢途径中的'''调节'''，就相当于其活性是如何根据信号来升高或降低的；第二，由该酶所施加的'''控制'''，即其活性的变化对于代谢途径整体速率（途径的[[通量]]）的影响。<ref name="Salter">{{en}}{{Cite journal |title=Metabolic control |author=Salter M, Knowles R, Pogson C |date=1994 |journal=Essays Biochem |volume=28 |pages=1–12 |pmid=7925313}}</ref>例如，一个酶可以在活性上发生很大的变化（比如被高度调控），但如果这些变化对于其所在的代谢途径的通量基本没有影响，那么这个酶就不能够对于这一途径发挥控制作用。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Modern theories of metabolic control and their applications （review） |author=Westerhoff H, Groen A, Wanders R |date=1984 |journal=Biosci Rep |issue=1 |volume=4 |pages=1–22 |pmid=6365197}}</ref>

[[File:Tree of life int zh.svg|缩略图|左|500px|[[系统发生树|进化树]]显示所有来自生物三[[域 (生物)|域]]中的生物体有着共同的祖先。[[细菌]]显示为蓝色，[[真核生物]]显示为红色，而[[古菌]]显示为绿色。一些生物[[门 (生物)|门]]的相对位置也都在进化树周围标示出来。]]

如前所述，代谢的中心途径，如糖酵解和三羧酸循环，存在于[[三域系统|三域]]中的所有生物体中，也曾存在于“[[最后的共同祖先]]”中。<ref name="SmithE" /><ref>{{en}}{{Cite journal |title=Evolution of carbohydrate metabolic pathways |author=Romano A, Conway T |date=1996 |journal=Res Microbiol |issue=6–7 |volume=147 |pages=448-55 |pmid=9084754}}</ref>共同祖先细胞是[[原核生物]]，并且很可能是一种具有广泛的氨基酸、糖类和脂类代谢的[[产甲烷菌]]。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=How did bacteria come to be? |author=Koch A |date=1998 |journal=Adv Microb Physiol |volume=40 |pages=353-99 |pmid=9889982}}</ref><ref>{{en}}{{Cite journal |title=The emergence of major cellular processes in evolution |author=Ouzounis C, Kyrpides N |date=1996 |journal=FEBS Lett |issue=2 |volume=390 |pages=119-23 |pmid=8706840}}</ref>这些古老的代谢途径之所以没有进一步[[演化|进化]]，其原因可能是途径中的反应对于特定的代谢问题已经是一个优化的解决办法，可以以很少的步骤达而到很高的效率。<ref name=Ebenhoh/><ref name=Cascante/>第一个基于酶的代谢途径（现在可能已经成为嘌呤核苷酸代谢中的一部分）和之前的代谢途径是原始的[[RNA世界学说|RNA世界]]的组成部分。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=The origin of modern metabolic networks inferred from phylogenomic analysis of protein architecture |author=Caetano-Anolles G, Kim HS, Mittenthal JE |date=2007 |journal=Proc Natl Acad Sci USA |issue=22 |volume=104 |pages=9358-63 |pmid=17517598}}</ref>

[[File:A thaliana metabolic network.png|缩略图|300px|[[拟南芥]]（''Arabidopsis thaliana''）中[[三羧酸循环]]的[[代谢网络]]。[[酶]]和[[代谢物]]用红色圆来表示，它们之间的相互作用用黑线来表示。]]

细胞中代谢网络（含有数千种不同的酶）的复杂性由右图（图中仅仅只含有43个蛋白质和40个代谢物之间的相互作用）可知是极高的。但现在，利用基因组数据来构建完整的代谢化学反应网络并生成更[[整体论|整体化]]的数学模型来解释和预测各种代谢行为已经成为可能。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=From genomes to in silico cells via metabolic networks |author=Borodina I, Nielsen J |date=2005 |journal=Curr Opin Biotechnol |issue=3 |volume=16 |pages=350-5 |pmid=15961036}}</ref>特别是将从经典研究方法中所获得的代谢途径和代谢物的数据以及从[[蛋白质组学]]和[[DNA微阵列]]研究中获得的数据整合到这些数学模型中，则可以极大地完善这些模型。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Systems analyses characterize integrated functions of biochemical networks |author=Gianchandani E, Brautigan D, Papin J |date=2006 |journal=Trends Biochem Sci |issue=5 |volume=31 |pages=284-291 |pmid=16616498}}</ref>利用所有这些技术，一个人体代谢模型已经被提出，这一模型将对未来的药物和生物化学研究提供指导。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Global reconstruction of the human metabolic network based on genomic and bibliomic data |author=Duarte NC, Becker SA, Jamshidi N, ''et al'' |url=http://www.pnas.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=17267599 |date=2007年2月 |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |issue=6 |doi=10.1073/pnas.0610772104 |volume=104 |pages=1777–82 |pmid=17267599}}</ref>

代谢信息的一项主要的技术应用是[[代谢工程学|代谢工程]]。在代谢工程中，诸如酵母、植物和细菌等生物体被[[基因工程|遗传工程]]改造为[[生物技术]]中的高效工具，用于包括[[抗生素]]在内的药物或工业用化学品（如[[1,3-丙二醇]]和[[莽草酸]]）的生产。<ref>{{en}}{{Cite journal |author=Thykaer J, Nielsen J |title=Metabolic engineering of beta-lactam production |journal=Metab Eng |volume=5 |issue=1 |pages=56–69 |pmid=12749845|date=2003}}

对于代谢的科学研究已经跨越了数个世纪，从早期对于动物整体代谢的研究一直到现代生物化学中对于单个代谢反应机制的探索。代谢的概念的出现可以追溯到13世纪，[[阿拉伯人|阿拉伯]]医学家{{tsl|en|Ibn al-Nafis|伊本·纳菲斯}}提出“身体和它的各个部分是处于一个分解和接受营养的连续状态，因此它们不可避免地一直发生着变化”。<ref name="Roubi">{{en}}Dr. Abu Shadi Al-Roubi（1982）, "Ibn Al-Nafis as a philosopher", ''Symposium on Ibn al Nafis'', Second International Conference on Islamic Medicine: Islamic Medical Organization, Kuwait).</ref>第一个关于人体代谢的实验由意大利人{{tsl|en|Santorio Santorio|桑托里奥·桑托里奥}}于1614年完成并发表在他的著作《医学统计方法》（''Ars de statica medecina''）中。<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Santorio Sanctorius (1561–1636） - founding father of metabolic balance studies |author=Eknoyan G |date=1999 |journal=Am J Nephrol |issue=2 |volume=19 |pages=226-33 |pmid=10213823}}</ref>在书中，他描述了他如何在进食、睡觉、工作、性生活、斋戒、饮酒以及排泄等各项活动前后对自己的体重进行秤量；他发现大多数他所摄入的食物最终都通过他所称的“无知觉排汗”被消耗掉了。

20世纪初，[[酶]]首次被[[爱德华·比希纳]]所发现，这一发现使得对代谢中化学反应的研究从对细胞的生物学研究中独立出来，同时这也标志着生物化学研究的开始。<ref>{{en}}爱德华·比希纳在1907年[http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1907/buchner-lecture.html 诺贝尔颁奖典礼上的演讲] ，2008年6月29日查阅</ref>从20世纪初开始，人们对于生物化学的了解迅速增加。在现代生物化学家中，[[汉斯·阿道夫·克雷布斯|汉斯·克雷布斯]]是研究代谢多次的研究者之一，他对代谢的研究做出了重大的贡献：<ref>{{en}}{{Cite journal |title=Krebs and his trinity of cycles |author=Kornberg H |date=2000 |journal=Nat Rev Mol Cell Biol |issue=3 |volume=1 |pages=225-8 |pmid=11252898}}</ref>他发现了[[尿素循环]]，随后又与{{tsl|en|Hans Kornberg|汉斯·科恩伯格}}合作发现了[[三羧酸循环]]和[[乙醛酸循环]]。<ref name=Kornberg/><ref>{{en}}Krebs H A, Henseleit K (1932) "Untersuchungen über die Harnstoffbildung im tierkorper." ''Z. Physiol. Chem.'' 210, 33 – 66. {{Cite journal |title=Metabolism of ketonic acids in animal tissues |author=Krebs H, Johnson W |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=16746382 |date=1937 |journal=Biochem J |issue=4 |volume=31 |pages=645-60 |pmid=16746382}}</ref>现代生物化学研究受益于大量新技术的应用，诸如[[色谱法|色谱分析]]、[[X射线晶体学]]、[[蛋白质核磁共振谱学|核磁共振]]、[[电子显微镜|电子显微学]]、[[同位素标记]]、[[质谱|质谱分析]]和[[分子动力学]]模拟等。这些技术使得研究者可以发现并具体分析细胞中与代谢途径相关的分子。

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[[Category:内分泌系统]]