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論文資訊
- 類型：已發表論文
- 日期：2022-09-02
摘要
新陳代謝建立在有機化學的基礎上，並採用多種尺度的結構和相互作用。儘管有這些複雜性來源，新陳代謝也以模組化和層次結構的形式表現出驚人和強大的規律性，這可以用相對較少的組成原則來緊湊地描述。這些規律性使得代謝結構可以作為一個系統來理解，也暗示了該系統各層存在的順序。此外，新陳代謝也作為其他層次結構的基礎層，至少達到細胞整合的水平，包括生物能量學和分子複製以及營養生態學。在新陳代謝中首次看到的模式在這些更高的水平上的重演，促使我們將新陳代謝解釋為生物圈中許多組織形式的因果關係或限制的來源。新陳代謝所表現出的許多模組化和層次結構形式很容易整合！被描述為生命系統對有機化學的催化控制出現的階段，有時概括或結合地球化學機制。我們將化學物質和反應的子集或功能的子集識別為模組，它們可以在許多情況下以保守的內部結構重複使用。在小分子底物層級上，模組邊界通常與高度保守的酶催化的最複雜的反應機制相關。輔因子在小分子底物上形成生物合成和功能獨特的控制層。輔因子中最複雜的成員通常與底物網絡中模組邊界的反應相關，而較簡單的輔因子則參與廣泛的廣義反應。輔因子的高度調整的化學結構（有時利用元素週期表元素的獨特性質）因此充當將生物化學中的有機反應類別結合起來的“鑰匙”。當我們對代謝表型的現有多樣性進行分類時，模組邊界提供了變化集中的介面。透過許多明確的例子，人們認為組織新陳代謝組成多樣性的相同模組控制著長期演化。核心代謝的早期演化，特別是碳固定的早期演化，似乎只需要很少的創新，並且很少使用保守模組的組成規則，就可以適應環境的簡單化學或能量差異，而無需多樣化的解決方案，也沒有歷史偶然性。我們在幾個層次的每個層次上展示了代謝的這些特徵，從小分子代謝底物和網絡結構開始，繼續輔因子和關鍵保守反應，最終導致細胞中多種不同物理和生化過程的聚集。