氧化还原生物学与细胞代谢

Redox Biology and Cellular Metabolism

作者：Maninder Singh, Daniel Charles

出版社：Westbury Publishing

索书号：Q251/R319/2020/Y

ISBN：9781913229290

藏书地点：武大外教中心

氧化还原反应是生物能量学的核心，但它们的生物学作用并不局限于新陈代谢。当前氧化还原生物学的一个特殊焦点是研究蛋白质的折叠、稳定性、活性和相互作用如何受氧化还原控制。关键问题涉及生理性氧化还原变化的化学性质及其在细胞内的确切位置，蛋白质氧化还原修饰的性质和分布，以及它们对细胞生理学的意义。近年来，氧化还原生物学发展了新的方法学方向，如蛋白质氧化还原修饰的蛋白质组学研究和体内氧化还原过程的非侵入性监测。

在最广泛的意义上，氧化还原生物学的目标是了解电子梯度和生物体整体组织之间的耦合和协调。在这两者之间，在电子流和细胞功能的交界处，是细胞成分的氧化还原修饰。因此，氧化还原生物学是一个非常广泛的领域，涵盖新陈代谢、自由基和氧化应激生物学，硫和硒化学以及许多其他方面。考虑到蛋白质作为催化剂和氧化还原过程的靶标的核心作用，这里我们关注氧化还原生物学中的一个特定部分，即研究蛋白质的折叠、稳定性、活性和相互作用如何受到氧化还原控制的影响。在此，我们将重点放在氧化还原生物学的一个特定部分，即研究蛋白质的折叠、稳定性、活性和相互作用如何受到氧化还原控制。近年来，这一领域发展了一些关键概念和新的方法论方向。

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。这些反应进程使得生物体能够生长和繁殖、保持它们的结构以及对外界环境做出反应。代谢通常被分为两类：分解代谢可以对大的分子进行分解以获得能量(如细胞呼吸)；合成代谢则可以利用能量来合成细胞中的各个组分，如蛋白质和核酸等。细胞代谢需要围绕酶催化和自发化学反应的大型网络组织。这些反应涉及一组不同的代谢物，所有反应共同作用以产生和回收用于细胞维持和生长的材料（例如氨基酸、脂质、ATP）、信号分子、废物和影响周围生物体生长的分子（例如，抗生素、群体感应分子、激素等）。代谢在大多数细胞和生物体表型中很重要。例如，它被认为是导致糖尿病与癌症等类疾病的重要因素。细胞代谢中的化学反应可以归纳为代谢途径，通过一系列酶的作用将一种化学物质转化为另一种化学物质。酶对于细胞代谢反应来说是非常重要的，因为酶可以通过一个热力学上易于发生的反应来驱动另一个难以进行的反应，使之变得可行。

细胞生物能量学的测量将为理解细胞表型和生理的变化提供更直观的展示。细胞的生物能量学是通过测量细胞外通量和培养基中氧和质子浓度的变化来量化的。线粒体呼吸指标耗氧率(OCR)和糖酵解代谢过程中乳酸生成量(ECAR)是决定细胞生理及其代谢状态的参数。同时测量OCR和ECAR可提供因培养条件或特定处理而产生的独特生物能量分布。环境生长条件影响细胞生物能量学。研究表明，在非生理性氧气水平下培养干细胞对细胞活性和遗传稳定性都是有害的。随着氧气水平的提高，干细胞的生物能量机制已经从糖酵解转变为线粒体呼吸(氧化磷酸化)。因此，氧气消耗的增加导致活性氧物种(ROS)的产生，这与促进细胞衰老、细胞死亡和遗传不稳定性有关。在干细胞的长期培养中，生理氧水平被证明可以增强细胞的干性，因此强调了重述细胞微环境的必要性。除了增加茎的数量外，低氧水平还导致干细胞增殖增加和细胞寿命延长。在体内，细胞生物能量学依赖于细胞的微环境，如组织的有效血管化和氧分压。大多数干细胞生活在低氧环境中，这使它们能够利用糖酵解作为其首选的能源生产方式。因此，通过评估长时间扩增后的胞外通量来确认感兴趣的细胞是否保留了它们的代谢表型是相对简单的。

对于代谢的科学研究已经跨越了数个世纪，从早期对于动物整体代谢的研究一直到现代生物化学中对于单个代谢反应机制的探索。代谢的概念的出现可以追溯到13世纪，阿拉伯医学家伊本·纳菲斯提出“身体和它的各个部分是处于一个分解和接受营养的连续状态，因此它们不可避免地一直发生着变化”。第一个关于人体代谢的实验由意大利人桑托里奥·桑托里奥于1614年完成并发表在他的著作《医学统计方法》中。在书中，他描述了他如何在进食、睡觉、工作、性生活、斋戒、饮酒以及排泄等各项活动前后对自己的体重进行秤量；他发现大多数他所摄入的食物最终都通过他所称的“无知觉排汗”被消耗掉了。在这些早期研究中，代谢进程的机制还没有被揭示，人们普遍认为存在一种“活力”可以活化器官。到了19世纪，在糖被酵母酵解为酒精的研究中，法国科学家路易斯·巴斯德总结出酵解过程是由酵母细胞内一种被他称为“酵素”的物质来催化的。他写道：“酒精酵解是一种与生命以及酵母细胞的组织相关的，而与细胞的死亡和腐化无关的一种行为。”

20世纪初，酶首次被爱德华·比希纳所发现，这一发现使得对代谢中化学反应的研究从对细胞的生物学研究中独立出来，同时这也标志着生物化学研究的开始。从20世纪初开始，人们对于生物化学的了解迅速增加。在现代生物化学家中，汉斯·克雷布斯是最多产的研究者之一，他对代谢的研究做出了重大的贡献：他发现了尿素循环，随后又与汉斯·科恩伯格合作发现了三羧酸循环和乙醛酸循环。现代生物化学研究受益于大量新技术的应用，诸如色谱分析、X射线晶体学、核磁共振、电子显微学、同位素标记、质谱分析和分子动力学模拟等。这些技术使得研究者可以发现并具体分析细胞中与代谢途径相关的分子。

《氧化还原生物学与细胞代谢》一书于2020年由Westbury Publishing出版社出版，作者是Maninder Singh与Daniel Charles。

本书作为研究氧化还原生物学与细胞代谢相关技术的专业书记，内容专业详实，语言浅显易懂，除此之外还有以下特点：

1、本书不仅介绍了氧化还原生物学的基础知识，还详细介绍了其在细胞代谢中演化过程，并结合具体实例的应用，使读者能够更加全面的了解氧化还原生物学最新研究进展。

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本书目录

1. 氧化还原生物学

2. 神经功能、功能障碍和衰老中的氧化还原生物学

3. 细胞代谢

4. 细胞生物学

5. 癌症与细胞代谢

6. 细胞代谢的生命周期

7. 细胞生物学工具

8. 生物学与细胞功能

兰天 武汉大学生命科学学院 硕士研究生