科学网—细胞的基本生命活动——新陈代谢

科学家从最基本的物质运动的认识出发，认为生命体这种物质运动系统是处于一种有序的组织和运动状态的物理系统。生命体是一种耗散系统，它必须与周围环境进行能量交换才能够维持系统的有序运动。一旦这个能量交换过程停止，系统的有序组织和运动就会自动停止，生命就死亡了，逐渐形成无序的混乱状态。就是生命体失去生命力，变成非生命体而存在了。依据热力学第二定律由于熵的增加，没有这个能量交换的已经死亡的生命体就会逐渐变成与周围环境一样的只有无序热运动的物质，如泥土，灰沙一样。

生命体与外界之间的能量交换是通过新陈代谢过程来实现的。新陈代谢是生命体维持生命的一种基本活动。新陈代谢就是生命体不断地从外界吸收它所需要的营养物质和能量，同时排出无用的废物的生命活动过程。生命体用从外界吸收的营养物质来生成自己的结构组织成分和获取各种生命运动所需要的能量。细胞生命体的新陈代谢包括物质代谢和能量代谢两种代谢。这个过程是细胞生存和运作的关键环节，它保证获得必要的物质开展各种生化活动过程，同时还能使多余或有害物质被清除，以保持细胞的内部环境平衡。不同种类的生物体的不同的细胞中的新陈代谢过程的具体内容可能不相同。也就是说，不同种类的细胞构成的生命体吸收的营养物质可能不同，生成的肌体组织结构也会不一样。

细胞作为生命体的基本单位，会有各种形形色色的细胞种类。而通过自我调节完成新陈代谢过程是所有生命体的一个基本特征。作为耗散系统的生命系统运动规律来看，新陈代谢是生命体存在的必要条件，但不是充分条件。新陈代谢是指机体与环境之间的物质和能量交换以及生物体内物质和能量的自我更新过程，包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）。广义的新陈代谢是生物体内全部有序化学变化的总称。细胞作为生命体的基本构成单位，每一个细胞都能够自我协调地完成新陈代谢任务，而且不断地进行新陈代谢活动是细胞活着的必要条件。

细胞代谢是细胞内所发生的用于维持生命的一系列有序的化学反应的总称。目前的科学研究了解到，生命基本细胞单元中的细胞代谢是由一系列的蛋白质大分子的化学反应完成的。这些化学变化过程在有机酶分子的催化作用下进行的一系列蛋白质分子的化学反应。也可以认为在有机酶的催化作用下进行的这种化学反应是生命活动的重要特点。有机酶的催化作用是使得一般情况下进行速度很慢，或者难以进行的化学反应，能够在一般的环境条件下很快地在细胞内进行。这种有机酶分子的催化作用是细胞能够完成生命活动所必需的，是那些复杂的有机分子之间的化学反应的最重要的反应条件。如果没有这种催化作用，生命力将在地球的环境中微弱得多。也不可能出现如此丰富多彩的地球生命现象。这一系列的化学反应的物质是来自吸收外界的营养物质，反应所需要的能量是通过营养物质的内部结构代谢转换而释放的，或者直接的吸收能量（光能，热能等）来获得的。这些化学反应中产生了一些无法进一步使用，甚至可能会对细胞产生破坏作用的分子，如氧气，二氧化碳分子等会作为廢料排出细胞。

用生物化学的专业术语可以这样来描述细胞新陈代谢。细胞新陈代谢的基本过程可分为合成代谢和分解代谢两个类别。合成代谢是指细胞利用无机物质、有机小分子物质和能量，建立更复杂的有机大分子，例如蛋白质，糖类和脂质；而分解代谢则是指细胞将有机分子分解成小分子，并释放提供维持各种生命活动所需要的能量。这些过程需要由一个重要的分子——腺苷三磷酸（ATP）提供能量。ATP的能量通常来自于葡萄糖分解产生的化学能。细胞合成代谢的过程包括基因表达、蛋白质合成和细胞分裂等。基因表达是指DNA信息转化为蛋白质的过程，它被转录为mRNA分子，然后被翻译成蛋白质分子。这个过程涉及到许多类型的蛋白质和酶，这些酶和蛋白质协同作用，使过程顺利进行。在分解代谢过程中，细胞对所需的营养物质进行消化（分解和氧化），通过细胞色素C氧化酶、线粒体呼吸链等机制使高储能有机物降解成低储能有机物，逐渐释放出能量，以供ATP合成。在此过程中，一部分的小分子产生物还会被再利用于合成代谢，循环作用。……等等一系列的专业描述可能非常深奥，但是与实际的细胞新陈代谢过程相比，可能还仅仅涉及到一点皮毛。那些更加深入的研究还在艰难地进行当中。

细胞的新陈代谢过程的场景示意图

细胞的新陈代谢过程的自我调节能力，使得细胞会识别哪些物质是对代谢有用的营养物质，而进行吸收。同时对那些有毒的物质排出体外。从而使得细胞内部的生命活动能够持续下去。细胞的新陈代谢的基本调节作用是由蛋白质大分子的化学反应特性、物质微粒的热运动、膜的渗透作用等等这些基本的物理化学规律的作用，经过精妙绝伦的配合完成的。

细胞生物学的研究表明细胞的物质代谢功能中生物膜的过滤特性起到非常重要的作用。细胞的生物膜是维护细胞生命体系的细胞组织成分，它维持着细胞内的生命活动空间。可以说细胞膜是细胞的生命区域和外界环境的非生命区域的分隔，同时又需要能够通过细胞膜在这两个区域之间进行有选择性地物质和信息交换。在新陈代谢过程中细胞膜够有选择性地让营养物质进入细胞，将新陈代谢排泄的物质排出细胞。另外外界的一些信号也可以通过细胞膜传送到内部。

那么细胞膜是如何能够完成这些工作的呢？细胞膜是一种嵌有蛋白质和糖等大分子的磷脂分子膜。磷脂分子的亲水端向外排列，而疏水尾部向内互连构成坚实的细胞膜。磷脂分子之间的胆固醇分子可以进一步加固细胞膜的分子链接，增加膜的稳定性。镶嵌在膜上的蛋白质和糖等大分子成为有选择性地代谢物质通道。这些新陈代谢通道的具体工作情况有很多复杂的机理，通过这些工作机理细胞可以顺利地完成新陈代谢的各种物质在细胞内和外部环境之间的交换。

动物细胞根据组织分工的不同，细胞膜的具体结构可能也有很大的不同。动物细胞分化成为上皮细胞、肌肉组织细胞、神经细胞、结缔组织细胞等不同类型。各个不同类型的细胞的具体形状和结构可能有很大的不同，新陈代谢的具体情况也会各不相同。

植物细胞除了细胞膜以外还有由纤维素构成的比较坚实的细胞壁。这样植物细胞可以支撑起比较固定的植物枝叶。在植物的生长过程中，有些细胞壁还可以木质化成为更加坚实的枝干。

而单细胞生物如细菌在细胞膜和细胞壁外部还有更加坚固的荚膜来保护细胞生命的新陈代谢空间。

所以为了保护完整的生命体新陈代谢空间，生物进化出了不同的细胞结构。特别是外层的保护层是维护新陈代谢过程顺利进行的重要细胞结构。为了实现不同环境下的新陈代谢，需要有相应的细胞保护结构。

新陈代谢是所有细胞生命的基础，它通过细胞代谢的成分和反应途径来控制和协调细胞上某些特定的生化反应。细胞内部的代谢可以通过正反馈、负反馈和自组织化等形式的反馈机制进行调节，从而可以使得细胞内部与周围环境之间的代谢活动可以持续有效地，在细胞的整个生命周期内进行下去。

细胞新陈代谢的确切机制和调节途径尚不完全清楚，但许多途径已经被发现。其中最重要的途径之一是细胞因子的作用，这些因子可以自主激活或抑制新陈代谢。研究发现一些蛋白质或小分子多肽可以影响细胞内酶分子的结构，从而起到调节细胞新陈代谢的作用。在多细胞生物中为了调节不同器官的细胞协调工作，一些蛋白质或小分子多肽可以在细胞间传递信息，调节不同的细胞的新陈代谢过程。从而使得各个不同的器官细胞能够协调地工作，实现生命体的整体的协调活动。比如各种生长因子、干扰素（IFN）、免疫干扰因子、各种神经递质和激素信号……等等。这些细胞间因子信号交换的途径来控制细胞代谢组活动。

细胞代谢还会受到环境因素的影响，例如环境光照、温度和水分的pH 值等。这种与环境之间的互动可以改变蛋白质的构象和活化程度，从而影响代谢酶的活性。质量控制机制也是细胞代谢的一个重要方面，这种机制涉及蛋白质的正确折叠、选择性降解以及生物学表现的应对能力。等等这些非常复杂的细胞新陈代谢控制机制，使得多细胞生命体的众多器官能够在细胞级别上协调地工作。对于小小的细胞新陈代谢的控制调节机制使得复杂的生命体系统能够协调整体的新陈代谢、繁殖等完整的生命活动。

以上的这些介绍，可能有好多比较难懂的专业术语。可以从中看出：即使是在最简单的细胞中进行的新陈代谢基本活动对于今天的科学水平也是足够复杂。其中的许许多多的活动过程和机理还远未清楚，对于细胞的新陈代谢机制的研究还在进行着。

从目前科学家的研究情况来看，对于细胞的新陈代谢过程的研究不断地有新的发现。比如最新的研究表明，细胞内一种名为溶酶体的结构可以对细胞内部进行清理，它会将损坏、衰老的内部结构、错误的蛋白质以及外来的有毒分子或微生物等送到溶酶体内进行清除和降解，而降解后的产物还可以被细胞给重新利用。这种被称为“细胞自噬”的调节机制是细胞在生长、发育以及维持自身稳定的时候非常重要的一项自我调节能力。1963年，当时在美国洛克菲勒研究所工作的细胞生物学家克里斯汀.德迪夫最先将这种现象给命名为“自噬”。而后在1967年，他连续发表两篇重要的学术论文，成为第一位报道溶酶体参与细胞自噬的科学家。1974年，德迪夫因为溶酶体和过氧化物酶体的发现而获得诺贝尔生理学和医学奖。

针对新的细胞新陈代谢中的细胞自噬现象，研究发现这个细胞的代谢功能就与人体衰老和一些疾病有关系。随着年龄的不断增长，人体正常细胞的自噬降解能力有不断下降的趋势。成年人细胞自噬的活力明显低于儿童和青少年，老年人的细胞自噬活力则更低。而年龄的增加会让细胞内不断聚集损坏的蛋白质、DNA以及陈旧的细胞器等生物垃圾。缺少了细胞自噬对这些垃圾的降解和重新利用，细胞就容易表现出不稳定、衰老还有退化的特征，甚至可能衍生出疾病。

从这些研究情况来看，即使是对最基本的细胞单元的新陈代谢机制问题，还有很多需要深入探讨的地方。

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