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新陈代谢的演化史  

2016-09-28 21:09:29|  分类: 生物信息 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    随着地球上生命的进化,新陈代谢也发生巨大变化,尤其是与生物体利用光能合成有机物(合成代谢) 和分解有机物获得能重 (分解代谢) 有关的反应。这两个过程将在下两章中讨论,两者是协同进化的。

    1) 降解反应

    最原始的生命形式,被认为通过降解非生物合成的有机物获得能量。

    生命利用化学键能的能力的出现是新陈代谢演化史上的第一座里程碑。从很早的时候。生物体就开始利用ATP 的磷酸键储存这些能量,ATP 已成为今天所有生命使用的能量流通货币。

    2) 糖酵解

    新陈代谢进化中的第二座里程碑是糖酵解——分解糖的起始反应。随着蛋白质发展出各异的催化功能后,通过一系列反应拆断有机物分子的化学健,获取其中大部分能量便成为可能。 比如,细胞通过10 步系列反应,将六碳糖葡萄糖分解成两个三碳化合物,净获取2ATP分子。合成ATP的能来源于断开旧键生成能量较少的新键,能量差转移入ATP,这一生化途径称为糖酵解 (glycolyais).

    3) 厌氧光合作用

糖酵解之后又一件具有进化意义的大事是厌氧光合作用(anaeobic pbotoeyathesis) 的出现。在生命的早期历史中,一些生物发展出另一种产生ATP 的方式。称为为光合作用。与糖酵解中靠重组化学键来获取ATP的能量不同,这些生物利用光能将质子“泵”出细胞外,用造成的质子浓度梯度来产生ATP,这一过程称为化学渗透。

最开始的光合作用是在缺氧环境进化出的,缺氧环境下进行得很好。在大气中没有氧气的情况下,溶解在海洋中的H2S,作为合成有机物所需氢原子的来源,这一反应的副产物是单质硫。

4)固氮作用

固氮作用是新陈代谢发展的第四个主要步骤。蛋白质和核酸这两种关键的生物分子,不可能从光合作用的产物来合成,这是因为他们含有后者缺乏的氮元素。固氮作用就是从N2中获取氮元素的过程,必须经过断开N=N三键这一步。这一重要反应的进化,同样发生在大气中富含氢元素而无氧气存在的时期。氧气对固氮作用是有毒的,所以今天地球上的固氮也仅仅发生在缺氧环境下,或是某些细菌体内没有氧气存在的部位。

5)放氧光合作用

H2O取代H2S进行光合作用是新陈代谢史上第五件大事。产生氧气的光合作用,利用H2O而不是H2S作为氢原子和电子的来源,相应地它产生氧气而不是单质硫。

20多亿年以前,能够进行这种放氧光合作用的小细胞,例如蓝细菌,成为地球上占统治地位的生命形式。氧气开始在大气中积累,这是地球环境发生持续改变的重大转折点。今天的大气中含有20.9%的氧气,它们中的每个分子都来源于这种放氧光合作用。

6)有氧呼吸

有氧呼吸是新陈代谢演化史上第六次也是最后一次事件,它是通过夺取有机物的高能电子来获取能量的细胞过程。有氧呼吸利用的质子泵与光合作用的质子泵一样,所以推测这一过程是对光合作用的基本机制加以修饰后出现的,只不过氢和连带的电子,不是像光合作用那样来自H2SH2O,而是来自有机物的分解。

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