代谢的合成代谢

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、单糖、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。
不同的生物体所需要合成的各类复杂分子也互不相同。自养生物，如植物，可以在细胞中利用简单的小分子，如二氧化碳和水，来合成复杂的有机分子如多糖和蛋白质。异养生物则需要更复杂的物质来源，如单糖和氨基酸，来生产对应的复杂分子。生物体还可以根据它们所获得的能量来源的不同而被细分为：获取光能的光能自养生物和光能异养生物，以及从无机物氧化过程或的能量的化能自养生物和化能异养生物。 植物细胞（其周围环绕的为紫色的细胞壁）中充满了光合作用的“工厂”──叶绿体（绿色）。
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-本森循环的一部分，由RuBisCO酶来进行催化。[发生在植物中的光合作用分为三种：C3碳固定、C4碳固定和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。
在光合型原核生物中，碳固定的机制只见差异性更大。例如，二氧化碳可以经由卡尔文-本森循环（一种反式柠檬酸循环）[或者乙酰辅酶A的羧化作用而被固定。此外，原核的化能自养菌也可以通过卡尔文-本森循环来固定CO2，但却使用来自无机化合物的能量来驱动反应。 糖类的合成代谢中，简单的有机酸可以被转化为单糖（如葡萄糖），然后单糖再聚合在一起形成多糖（如淀粉）。从包括丙酮酸盐、乳酸盐、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。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无效循环（futile cycle）。
虽然脂肪是通用的储存能量的方式，但在脊椎动物，如人类中，储存的脂肪酸不能通过糖异生作用而被转化为葡萄糖，因为这些生物体无法将乙酰辅酶A转变为丙酮酸盐（植物具有必要的酶，而动物则没有）。 因此，在长期饥饿后，脊椎动物需要从脂肪酸来制造酮体来代替组织中的葡萄糖，因为像脑这样的组织不能够代谢脂肪酸。在其它生物体，如植物和细菌中，由于存在乙醛酸循环，可以跳过柠檬酸循环中的脱羧反应，使得乙酰辅酶A可以被转化为草酰乙酸盐，而草酰乙酸盐可以被用于葡萄糖的生产，因此解决了脊椎动物中存在的这一代谢问题。
多糖和聚糖是通过逐步加入单糖来合成的，加入单糖的过程是由糖基转移酶将糖基从一个活化的糖-磷酸供体（如尿苷二磷酸葡萄糖）上转移到作为受体的羟基（位于延长中的多糖链）上。由于糖环上的任一羟基都可以作为受体，因此多糖链可以是直链结构，也可以含有多个支链。这些生成的多糖自身可以具有结构或代谢功能，或者可以在寡糖链转移酶的作用下被转接到脂类和蛋白质上（即糖基化作用）。
脂肪酸、萜类化合物和类固醇
类固醇代谢途径的简化图。其中包括了中间物异戊烯焦磷酸（IPP）、二甲基烯丙焦磷酸酯（DMAPP）、焦磷酸香叶酯（GPP）和鲨烯。有一些中间物被省略。产物为羊毛甾醇。
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型脂肪酸合成酶来完成；[而在植物质体和细菌中，有多个不同的酶分别催化每一个反应，这些酶统称为I型脂肪酸合成酶。
萜烯和异戊二烯类化合物（包括类胡萝卜素在内）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。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。[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；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。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的生物合成。其中，异戊二烯单位连接在一起聚成角鲨烯，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。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。
蛋白质
生物体之间合成20种基本氨基酸的能力各不相同。大多数的细菌和植物可以合成所有这20种氨基酸，而哺乳动物只能合成10种非必需氨基酸。因此对于包括人在内的哺乳动物，获取必需氨基酸的途径只能是摄入富含这些氨基酸的食物。所有氨基酸都可以从糖酵解、柠檬酸循环或磷酸戊糖循环中的中间产物生成。其中，合成过程所需的氮由谷氨酸和谷氨酰胺来提供。氨基酸合成需要先有适当的α－酮酸形成，然后通过转氨作用形成氨基酸。
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。[然后，以信使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。
核苷酸
核苷酸是由氨基酸、二氧化碳以及甲酸来合成的。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。嘌呤是以核苷（即碱基连接上核糖）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、谷氨酰胺和谷氨酰胺的原子以及从辅酶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盐合成的，乳清酸盐则由谷氨酰胺和谷氨酰胺转化而来。
异型生物质代谢和氧化还原代谢
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异型生物质（xenobiotic）。[异型生物质包括合成药物、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、尿苷二磷酸葡醛酸转移酶（UDP-glucuronosyltransferases）和谷胱苷肽转移酶（glutathione S-transferase）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。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。
在需氧生物中还存在氧化应激的问题。其中，需要对包括氧化磷酸化和蛋白质折叠中二硫键形成所产生的活性氧（如过氧化氢）进行处理。[这些能够损害机体的氧化活性物质由抗氧化代谢物（如谷胱甘肽）和相关酶（如过氧化氢酶和辣根过氧化物酶）来清除。
生物体的热力学
生物体也必须遵守热力学定律（描述功和热之间的转移关系）。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，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。[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。用热力学来解释，代谢实际上就是通过制造无序来保持有序。
调控机制
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。[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。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：其一，一个酶在代谢途径中的调节就是它的酶活性是如何根据信号来增加或降低的；其二，由这个酶所施加的控制即是它的活性的变化对于代谢途径整体速率（途径的通量）的影响。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。
代谢调控可分为多个层次。在自身调节中，代谢途径可以自调节以对底物或产物水平的变化做出反应；例如，产物量降低可以引起途径通量的增加，从而使产物量得到补偿。这种类型的调节包含对于途径中多个酶的活性的变构调节。多细胞生物中，细胞在接收到来自其他细胞的信号后作出反应来改变它的代谢情况，而这就属于外部调控。这些信号通常是通过可溶性分子（“信使”）来传递的，如激素和生长因子，它们能够特异性地与细胞表面特定的受体分子结合。在与受体结合之后，信号就会通过第二信使系统被传递到细胞内部，此过程中通常含有蛋白质的磷酸化。
由胰岛素调节的葡萄糖代谢是一个研究得比较透彻的外部调控的例子。[机体合成胰岛素是用于对血液中葡萄糖水平的升高做出反应。胰岛素与细胞表面的胰岛素受体结合，然后激活一系列蛋白激酶级联反应，使细胞能够摄入葡萄糖并将其转化为能量储存分子，如脂肪酸和糖原。糖原的代谢是由磷酸化酶和糖原合成酶来控制的，前者可以降解糖原，而后者可以合成糖原。这些酶是相互调控的：磷酸化作用可以抑制糖原合成酶的活性，却激活磷酸化酶的活性。胰岛素通过激活蛋白磷酸酶而降低酶的磷酸化，从而使糖原得以合成。
进化
进化树显示所有来自生物三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，存在于三域中的所有生物体中，也曾存在于“最后的共同祖先”中。[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。这些古老的代谢途径之所以没有进一步进化，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。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世界的组成部分。
研究者们提出了多种模型来描述新的代谢途径是如何进化而来的：如添加新的酶到一个较短的原始途径，或是复制而后分化整个途径，并将已存在的酶和它们的复合体带入新的反应途径中。[这些进化机制中，哪一种更为重要目前还不清楚，但基因组研究显示在同一个途径中的酶可能具有一个共同“祖先”，这就提示许多途径是通过一步接一步的演化方式利用已存在的反应步骤来获得新的功能。[另一种较为合理的模型来自于对代谢网络中蛋白质结构的演化研究，其结果提示酶具有普适性，同样的酶能够在不同的代谢途径中被利用并发挥相似的作用。这些利用的进程就导致进化，酶在途径中以类似于马赛克排列的方式进行拼接。第三种可能性是代谢中的一些部分可以以“模块”的方式存在，而模块可以被用于不同的途径并对不同的分子执行相似的功能。
在进化出新的代谢途径的同时，进化也可能造成代谢功能的降低或丧失。例如，一些寄生物失去了对于生存非关键的代谢进程，代之以直接从宿主体内获取氨基酸、核苷酸和糖类。类似的代谢能力退化的现象在一些内共生生物体中也被观察到。
相关的研究分析
拟南芥（Arabidopsisthaliana）中三羧酸循环的代谢网络。酶和代谢物用红色方块来表示，它们之间的相互作用用黑线来表示。
代谢的经典研究方法是还原法，即对单个代谢途径进行研究。放射性示踪是一个非常有用的研究手段，它通过定位放射性标记的中间物和产物来追踪代谢过程，从而可以在整个生物体、组织或细胞等不同水平上对代谢进行研究。随后，对催化这些化学反应的酶进行纯化，并鉴定它们的动力学性质和对应的抑制剂。另一种研究方法是在一个细胞或组织中鉴定代谢相关的小分子，其中所有的这些小分子被称为一个代谢组（Metabolome）。综上，这些研究给出了单个代谢途径的组成结构和功能；但这些方法却无法有效应用于更为复杂的系统，如一个完整细胞中的所有代谢。
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。但可以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化的数学模型来解释和预测各种代谢行为已经成为可能。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。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。
代谢信息的一项主要的技术应用是代谢工程。在代谢工程中，诸如酵母、植物和细菌等生物体被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。[[这些改造通常有助于降低产物合成中的能量消耗，增加产量和减少废物的产生。