代謝
代謝は膨大な数の化学反応から構成されているが、そのほとんどは、分子内の官能基や原子間の結合の移動させるという、いくつかの基本的な種類の反応に分類される。この共通の化学的反応により、細胞は少数の代謝中間体の集まりを使って、異なる反応間で化学基を移動させることができる。これらの基転移中間体は補酵素と呼ばれる。基転移反応はそれぞれの種類ごとに特定の補酵素によって行われ、補酵素は、それを生成する一連の酵素の基質となるとともに、それを消費する一連の酵素の基質となる。このように、補酵素は絶えず生産、消費、そして再利用されている。
アデノシン三リン酸(ATP)は中心的な補酵素で、細胞の普遍的なエネルギー通貨として機能する。このヌクレオチドは、異なる化学反応間で化学エネルギーを伝達するために使用される。細胞内に存在するATPは微量であるが、常に再生されているため、人体は1日に自分の体重と同程度のATPを使うことができる。ATPは異化作用と同化作用の橋渡しをする。異化作用は分子を分解し、同化作用は分子を再構築する。
入門
The Chemistry of Life.. Penguin Press Science. (1999). ISBN 0-14-027273-9
Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics, and Life.. University of Chicago Press. (2005). ISBN 0-226-73936-8
Oxygen: The Molecule that Made the World.. USA: Oxford University Press. (2004). ISBN 0-19-860783-0
高度
『ストライヤー生化学第8版』東京化学同人2018年8月28日
Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins.. Oxford University Press. (1999). ISBN 0-19-850229-X
Biochemistry. W. H. Freeman and Company. (2002). ISBN 0-7167-4955-6
「metabolism(代謝)」という言葉は、フランス語の「métabolisme」または古代ギリシャ語の「μεταβολή」(metabolē)に由来し、「変化」を意味している。これは、「μεταβάλή」(metaballein)から派生したもので、「変化する」という意味である。
生物によって、20種類のアミノ酸を合成する能力において違いがある。ほとんどの細菌や植物では20種類すべてを合成することができるが、哺乳類は11種類の非必須アミノ酸しか合成できないため、残る9種類の必須アミノ酸は食物から摂取しなければならない。細菌の肺炎マイコプラズマ(Mycoplasma pneumoniae)のような単純な寄生生物は、アミノ酸合成ができないため、宿主から直接アミノ酸を摂取している。すべてのアミノ酸は、解糖、クエン酸回路、またはペントースリン酸経路の中間体から合成される。窒素はグルタミン酸とグルタミンから供給される。非必須アミノ酸の合成は、適切なα-ケト酸の形成に依存しており、そのα-ケト酸がアミノ基転移によってアミノ酸を形成する。
タンパク質は、アミノ酸がペプチド結合で直鎖状に結合してできている。さまざまなタンパク質は、固有のアミノ酸残基の並びがあり、その一次構造を決定している。アルファベットを組み合わせて無数の単語ができるのと同様に、アミノ酸をさまざまな配列で組み合わせると、膨大な数のタンパク質ができあがる。タンパク質の合成は、まずアミノ酸をエステル結合で転移RNA(トランスファーRNA)分子に結合させ、活性化することから始まる。これは、アミノアシルtRNA合成酵素によるATP依存的な反応によって行われる。こうしてできたアミノアシルtRNAは、リボソーム酵素の基質となり、リボソームは、伝令RNA(メッセンジャーRNA)の配列情報を利用して、伸長するタンパク質鎖にアミノ酸を順次結合する。
代謝の科学的研究には長い歴史があり、初期の動物全体を調べる研究から、現代の生化学における個々の代謝反応の研究へと、数世紀にもわたって発展してきた。ヒトの代謝に関する最初の対照実験は、1614年にサントーリオ・サントーリオが著書『Ars de statica medicina』の中で発表したものである。彼は、食事、睡眠、仕事、セックス、絶食、飲酒、排泄の前後の体重を記録した。彼は、摂取した食物の大部分が、「不感蒸泄(英語版)」と名付けた過程で失われることを発見した。
こうした初期の研究では、代謝過程の機構は解明されておらず、生体組織を活性化しているのは生命力という特別な力によると考えられていた。しかし、19世紀、ルイ・パスツールは、酵母による糖のエタノール発酵の研究から、この過程は酵母細胞内の物質が触媒になっていることを突き止め、「発酵体(ferments)」と名付けた。彼は、『アルコール発酵は、細胞の死や腐敗ではなく、酵母細胞の生命や組織化の結果として起こる作用である。