Metabolism

Japanese: 代謝 - たいしゃ（英語表記）metabolism

A general term for all biochemical reactions that occur in living organisms to obtain energy essential for life-sustaining activities and to synthesize organic materials necessary for growth. There are two types of metabolism: decomposition metabolism or catabolism, in which energy is obtained by breaking down complex molecules into simpler ones, and synthesis metabolism or anabolism, in which energy is consumed to build complex molecules from simpler ones. All the energy that living organisms need to maintain their own life ultimately comes from the sun, but most of it is in the form of heat, which cannot be directly used biologically. Living organisms use this energy through metabolism to obtain the energy they need for their activities or to synthesize it into substances necessary for building their own bodies. Plants, which are photosynthetic organisms, directly use solar energy to synthesize organic compounds from inorganic components such as carbon dioxide, water, and ammonia. Animals ingest plants as food and indirectly obtain solar energy in the form of nutrients such as proteins, carbohydrates, and lipids.
Chemical reactions involved in energy metabolism in the body are mediated by adenosine triphosphate (ATP), a high-energy carrying compound. In catabolic reactions, energy is produced and ATP is synthesized. In anabolic reactions, energy is required and ATP is reduced. Reduction here refers to the removal of a phosphate group to form first adenosine diphosphate (ADP) and then adenosine monophosphate. The first step in obtaining chemical energy from food begins in the digestive tract with the breakdown of large and complex food molecules ingested into many smaller molecules. Proteins are broken down into amino acid fragments, carbohydrates into monosaccharides, and lipids into fatty acids and glycerin. In the second step, these smaller molecules are incompletely oxidized within the cell. The third and final step is a series of chemical reactions called the TCA cycle. The product of the second step, pyruvate, becomes acetyl coenzyme A, which is then condensed with oxaloacetate (→ glyoxylate cycle) to form citric acid. Citric acid is resynthesized again to oxaloacetate via α-ketoglutaric acid and other processes, producing carbon dioxide. The hydrogen atoms separated during this process are passed on to a series of coenzymes and hydrogen acceptors, and finally combine with oxygen to become water. The energy gained during this oxidation process is used to phosphorylate ADP and synthesize ATP. This ATP synthesis method, which requires oxygen, is called oxidative phosphorylation. ATP synthesis methods that do not require oxygen include fermentation in yeast and microorganisms, photophosphorylation associated with photosynthesis in plants, and glycolysis in animal muscle and liver cells when the oxygen supply for oxidative phosphorylation is insufficient. Proteins, carbohydrates, lipids, sugars, nucleic acids, and other substances that make up biological tissues are produced using intermediate products generated during catabolic reactions and energy stored as ATP. In addition, ATP is reduced and the released energy is consumed during the activity of living organisms. Certain chemical reactions and intermediate products such as acetyl coenzyme A in metabolism exist in both catabolism and anabolism, but the catabolism and assimilation of a single compound do not occur by reversing the same chemical reaction pathway. Most chemical reactions in metabolism are mediated by specific enzymes, and catabolic and anabolic reactions are regulated by the availability of these enzymes. In addition, there are special enzymes called pacemaker enzymes that bind to specific molecules other than the substrates that normal enzymes bind to, and these enzymes provide fine control over metabolism. These specific molecules, also called inhibitors, bind to sites other than the active site of the enzyme, and can be ATP, other products of the metabolic process in which the enzyme acts, or substances that are incorporated into other metabolic processes. In all cases, the effective amount of inhibitors is determined by whether or not the catalytic reactions are sufficient to maintain metabolic balance in the organism.
Research on metabolic processes and pathways has been conducted in various ways. When metabolic balance is disturbed by stress or disease, certain chemicals involved in that metabolism may accumulate abnormally, and one method is to study these accumulated substances. Another method is to study the metabolic process in the body by giving a living organism a compound containing an isotope (→isotope) and monitoring the passage of the isotope through the body and its excretion. Research using this isotope has revealed the lifespan of various human cell tissues. It has been found that while the lifespan of liver cells themselves is several months, the proteins in liver cells are replaced every five days, and that the proteins in muscle tissue and brain tissue have a much longer lifespan than the proteins in liver cells. Animal mutants that cannot synthesize certain metabolic enzymes due to genetic reasons accumulate substrates that serve as partners for the defective enzymes within the cells. The combinations of metabolic enzymes and their binding substrates have been revealed by studying such animals. Metabolic diseases caused by impaired intake of vitamins and proteins develop in conjunction with endocrine system diseases such as those of the liver and kidneys, or as a result of genetic disorders.

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Japanese:

生命維持活動に必須なエネルギーの獲得や，成長に必要な有機材料を合成するために生体内で起るすべての生化学反応の総称。複雑な分子を単純な分子へ分解してゆく過程でエネルギーを獲得する分解代謝または異化 (カタボリズム) と，単純な分子から複雑な分子を構築するためにエネルギーの消費を伴う合成代謝または同化 (アナボリズム) がある。生物が自己の生命を維持するために必要とするすべてのエネルギーは，究極的には太陽に由来するが，その大部分は熱という生物学的には直接利用できない形になっている。生物はこのエネルギーを代謝によって，活動に必要なエネルギーとして確保したり，自己の体の構築に必要な物質に合成したりする。光合成生物である植物は直接太陽エネルギーを利用して，二酸化炭素，水，アンモニアなどの無機成分から有機化合物を合成する。動物は植物を餌として摂取し，太陽エネルギーを蛋白質，炭水化物，脂質といった養分の形で間接的に獲得する。
生体内のエネルギー代謝に関与する化学反応は，アデノシン三リン酸 ATPという高エネルギー運搬化合物を介して行われる。異化反応の過程ではエネルギーが生み出され，ATPが合成される。同化反応の過程では，エネルギーが必要とされ，ATPが還元される。ここで言う還元とはリン酸基が外れて，初めにアデノシン二リン酸 ADPとなり，ついでアデノシン一リン酸となる反応である。食物から化学エネルギーを獲得する第一段階は，消化器官において摂取された巨大で複雑な食物分子を多数の比較的小さい分子へと分解することから始る。蛋白質はアミノ酸の断片へ，炭水化物は単糖へ，脂質は脂肪酸とグリセリンへ分解される。第二段階では低分子化したこれらの物質が細胞内で不完全な酸化を受ける。最終段階の第三段階はTCA回路という一連の化学反応からなっている。第二段階の産物であるピルビン酸がアセチルコエンザイムAとなりオキサロ酢酸 (→グリオキシル酸回路 ) と縮合してクエン酸となる。クエン酸はα-ケトグルタル酸などを経て再びオキサロ酢酸に再合成され，二酸化炭素を生成する。この間に分離された水素原子は一連の補酵素や水素受容体に次々と受渡されて，最終的に酸素と結合して水となる。この酸化の過程で獲得したエネルギーを利用して ADPをリン酸化し，ATPを合成する。酸素を必要とするこの ATP合成法は，酸化的リン酸化と呼ばれる。酸素を必要としない ATP合成法には，酵母や微生物の発酵，植物の光合成に伴う光リン酸化，動物の筋肉や肝細胞内で酸化的リン酸化のための酸素供給が不足した場合の解糖などがある。異化反応の過程で生じた中間産物と ATPとしてたくわえられたエネルギーを使用して，生体組織を構成する蛋白質，炭水化物，脂質，糖，核酸その他の物質がつくられる。また，生物が活動する際にも ATPが還元されて放出されたエネルギーが消費される。代謝におけるある種の化学反応とアセチル・コエンザイムAなどの中間産物は異化と同化のどちらの過程においても存在するが，ひとつの化合物の異化と同化は同一の化学反応経路が逆転して起るのではない。代謝におけるほとんどの化学反応は特異性をもつ酵素で媒介されており，異化および同化の反応はこれらの酵素の供給量により調節される。また，通常の酵素が結びつく基質とは別の特定分子と結びついて触媒活性を緩和するペースメーカー酵素と呼ばれる特殊な酵素があり，この酵素により代謝の微妙な調節が行われる。これらの特定分子は阻害分子とも呼ばれ，酵素の活性部位ではない別の部位と結びつくもので，それは ATP，その酵素が働く代謝過程の別産物，あるいは他の代謝過程に取込まれる物質であったりする。どの場合でも，生体の代謝均衡を保つための触媒反応が十分であるか否かによって阻害分子の有効量が定まる。
代謝の経過や経路に関する研究はいろいろな方法でなされてきた。ストレスや疾病などで代謝の均衡がくずれるとその代謝に関与する特定の化学物質が異常に蓄積されることがあるが，このような蓄積物質を調べることもひとつの方法である。また，生体に同位体 (→アイソトープ ) を含む化合物を与えて同位体元素が体内を通過して排出されるまでを監視することで，体内での代謝の経過について調査する方法もある。ヒトのさまざまな細胞組織の寿命については，この同位体を利用する研究で明らかにされてきた。肝細胞自体の寿命は数カ月であるが，肝細胞中の蛋白質は5日ごとに入替わることや，筋肉組織や脳組織の蛋白質は肝細胞の蛋白質よりもきわめて長い寿命であることなどが判明している。遺伝的な原因で特定の代謝酵素を合成できなくなった動物の突然変異体は，その欠損酵素の相手となる基質を細胞内に蓄積する。代謝酵素とその結びつく基質の組合せについては，このような動物を研究することで明らかにされてきた。ビタミンや蛋白質の摂取障害が原因となる代謝疾患は，肝臓や腎臓などの内分泌系の疾患に伴って発症したり，遺伝的障害の結果として引起される。

出典　ブリタニカ国際大百科事典小項目事典ブリタニカ国際大百科事典小項目事典について　情報

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