從進化角度上講，為什麼大多數生物化學反應都包含眾多的步驟？

01-15

寫這個問題的時候我在複習TCR activation...感覺好多怨念為什麼生物化學反應能牽扯這麼多分子……

午夜科普時間。

推薦今年有志報考生化方向專業的准大一新生閱讀，有助於大家對大學的生化有個基本的了解。

題主能問出這種問題說明生化已經學出哲學了，這需要對生物化學和生理學有個一個整體的認識。

你說的沒錯，生化反應的極其複雜性是其進化選擇壓力下最優性的體現。

今年打算報考生化專業的同學，看一看下面這張圖，三思吧。圍笑。

為啥這麼多?

在矯情啥？

為啥不能一步到位一條龍服務，多快好省呢？

如果嘗試總結一下，生化反應越複雜，其優越性就主要體現在以下四個方面：

原則一. 信號級聯反應的放大。（Cascade Amplification）

細胞膜上最為廣泛的一類受體——G蛋白偶聯受體，擁有七個穿膜蛋白序列，負責信號從荷爾蒙（第一信號）-G蛋白偶聯蛋白-G（s）α（GTPase）-cAMP（第二信號）-PKA，那為什麼荷爾蒙不直接激活PKA，反而要通過許多繁瑣的步驟呢？

因為為了細胞的工作效率。

這種機制可以被比喻成「一傳十，十傳百。」，如果是從荷爾蒙-PKA的話，相當於是一個人跑斷了腿，把消息散播給千家萬戶，還不能保證人人都知道。

酶聯免疫吸附技術（ELISA）也涉及了這樣信號放大的原理。

並且在通常情況下，一個信號分子將受到幾十種調控因子的共作調節。

這涉及的眾多分子不僅為細胞體內酶調節提供了許多底物，保證了機體對外界環境變化應激性的敏感，同時也為新葯設計提供了精準而可供選擇的靶點。

原則二. 反應的可控性和原始材料的穩定性。

這個例子我舉大家耳熟能詳的中心法則。

為什麼DNA不直接翻譯成蛋白質，反而要通過RNA呢？

①. 因為要保證遺傳信息的相對穩定性，避免DNA鏈反覆解螺旋。

②. 符合原則一，一條RNA鏈上可以同時附著多個核糖體，多條肽鏈的合成可以同時進行。

③. RNA的剪接相對可控，存在內含子剪和內含子接的現象。另外，RNA還要經過5"加帽和3"加尾，才能穿過核孔去向細胞基質。

而大門不出二門不邁的DNA怎麼可能屈尊紆貴幹這種事。

兩年前清華施一公團隊就曾解析出RNA 剪接體的三維結構。

簡單理解一下剪接體就是個剪刀+縫紉機的作用，衣服材料是RNA。

原則三. 降低反應發生的難度。

眾所周知，一個反應的正反應如果是吸熱的，副反應就是放熱的；正反應如果是自主發生的，副反應就必需有外力推動。

但體內的反應是很經濟節約的，能少消耗能源就少消耗。反正人體挺摳門的，嗯。

比如在糖酵解（glcolysis）的最後一步，由磷酸烯醇式丙酮酸鹽（PEP）轉化為丙酮酸，而在該過程的逆反應糖質新生（gluconeogenesis）中，由丙酮酸轉化為PEP（直接加上一個磷酸基團P）的反應是highly unfavourable，機體拉倒不幹了。

所以機體就彎彎繞繞把一步反應拆成了兩步。

第一步將丙酮酸轉化為草醯乙酸，第二步將草醯乙酸再轉化為PEP。

仔細觀察一下，你會發現CO2像是過來打醬油的。

對，二氧化碳就是炮灰，這個反應主要是由GTP和ATP賦能，CO2走個過場。

機體就像是本來可以只穿一條褲子，但是它把衣褲都穿上了，再不厭其煩地脫了衣服。

現在光著膀子，只穿褲子。

但就是這麼麻煩的過程，硬生生地把這個反應的ΔG降到了+0.8，終於不是highly unfavorable了。

原則四. 提供特殊生理情況下的旁路徑。（Alternative Pathways）

機體永遠都知道給自己留一條後路，狡兔三窟，這個洞堵了還能走別的。

比如核苷酸的合成過程，機體能從代價昂貴的de novo synthesis途徑，利用5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）從頭合成嘌呤，也能直接利用嘌呤和PRPP進行快速的salvage補救合成。

機體的這麼多代謝途徑，說到頭，都是為了留一手，以備不時之需。

但是也不能過度依賴alternative pathways，如果補救途徑的關鍵酶HGPRT活性下降的話，將會導致另一條途徑的負載過重，尿酸積聚。尿酸溶解性差，晶體沉積在關節處。

這就是廣為人知的痛風。

總結一下：

機體在漫長的進化過程中，因為生存壓力，所演變出的種種繁複的生化反應，其目的都是為了加快必要的生理反應速度，提高自身對環境的應激敏感性，以及給自身的穩態買上雙保險。

其實啊，機體比我們會過日子多了。

進化過程傾向於首先生成臃腫，能用的生化反應過程，因為從難看的生化過程到精妙的生化過程的難度非常高，而選擇壓力顯得很低。

學不下去了就去看看核糖體和ATP合成，灌點雞湯：「再重構個幾十億年，這些反應也會變得很漂亮嘛。」

因為並不是所有演化過程都受自然選擇影響。

很多高中老師甚至大學教授在講解細胞生物和生物化學的時候常常會發出類似於「生物系統的複雜性真是太美妙了」的感嘆。但是，真的所有複雜的生物系統都是必要的嗎？

其實，很多演化生物學家也提出了類似的問題，結論是很多複雜性有可能只是遺傳漂變的結果。

Arlin Soltzfus是建設性中性演化理論（簡稱CNE - Constructive Neutral Evolution，中文翻譯不太確定，如有問題請指正）的奠基人之一。很多學習生物的人可能都了解過中性進化論（Neutral Theory of Molecular Evolution）中認為大多數DNA的置換並不影響蛋白質等大分子的表型（phenotype），及功能。Soltzfus的CNE是建立在這個想法上的。

要了解CNE，首先需要對不可複製的複雜性（irremediable complexity）有一定概念。

在這張圖中，酶A催化一個特定的生化反應。接著，因為一個隨機的突變，酶A的表面和酶B連接在了一起（實驗室中已證實這種突變非常常見）。這個突變因為不影響酶A和酶B的功能（表型），所以它是一個中性的突變，也就是說它在自然選擇中不會有任何的影響。然而，酶A和酶B接下來有可能會繼續積累突變，慢慢地酶A+B可以變成一個密不可分的複合體（complex）。也就是說，當突變積累到一定程度時，將酶A和酶B分開的突變會有負的自然選擇價值，因為這時分離A和B意味著這兩個酶都會失去它們的功能。

這裡需要注意的是酶A+B複合體的形成是不受自然選擇影響的，這是一個遺傳漂變（genetic drift）的過程，因為它的表型並沒有任何改變。但是慢慢地，隨著突變的積累，分離酶A+B複合體的突變會被自然選擇淘汰，因為長時間中性的演化（漂變）使得A和B在複合體的表型下才能催化它們原本的反應。接著，這個複合體甚至也有可能演化出獨有地功能。

舉個例子，在轉錄中，原核生物的生化反應相對來說要簡單很多，很多高中和大學課本中的trp operon 和 lac operon都只是存在於原核生物中的。在真核生物中，轉錄的調控，所需的酶複合體和它們的生化反應要複雜很多。

所以說，很多複雜性很有可能只是由中性突變引起的，因為它們沒有任何錶型上的不好的影響，單純地遺傳漂變足已造就無比複雜的生化系統。

（待補充）

將短暫轉化為持久，

將生硬轉化為靈活，

將不可逆轉化為雙向，

將極端轉化為溫和。

——這是符合歷史進程的。

(註：這是我15年的一個回答，突然被翻出來，取匿以備忘)

在草稿箱中偶然發現了這個問題......事實上這是個很深刻的問題。（嗯，很深刻）。我胡扯了幾段，不過小考之下覺得還是可以接受的，姑且發布一下。

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生物體跟人工設計的機械到底有怎樣的不同？你可以列舉出幾點，比如它可以自我複製，可以發生變異，等等。

而更加仔細地觀察你會發現，生物體中的一些過程比想像的要更加繁雜和低效。比如嘌呤的合成過程，基本上是一個原子一個原子堆上去的，為什麼要這麼繁瑣？難道自然不是趨於更加高效、節能的么？

一種解釋可以是，這個過程無法被簡化。要讓它在 evolution 中出現它只能是這個樣子。（「人擇原理」）

這顯然是廢話。

我們不妨來考慮另一個問題：為了使系統可以自發演化（注意這個演化跟 evolution 意義不一致），它需要滿足怎樣的條件。

首先應該是它包含足夠多的材料。我們假設在一開始系統就具有一個複雜的材料庫。

其次是最關鍵的。它需要達到自發演化的狀態，而且這個狀態是非平凡的。

這個狀態是什麼？一種解釋可以是，這是一種「中間狀態」，一種「混沌的」狀態（這裡混沌不等同於 chaos）。這種狀態可以是一種「臨界態」。不管如何，它是一種「超過一般性的複雜」狀態（wtf）。

在這種狀態下，系統具有最大的演化能力，這也就是我們所追求的基於演化的「生命體」的定義。

到這裡還是廢話。

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為了用一種恰當的方式來理解廢話，我們來討論一些理論（畫風突變）。

首先我們來看看 Wissner-Gross AD 同學的「因果熵論」[1]。

Wissner-Gross AD 用晦澀的方式論證了複雜系統對高熵的偏好與所謂的「因果熵力」相關。

$F(X_{0} )=T abla_{X}S(X) |X_{0}$ [1]

這個「因果熵力」（F）就是所謂的「向更複雜發展」的趨勢。

Wissner-Gross AD 考慮了數個模型，包括智能生物解決問題的過程（見Phys. Rev. Lett. 110, 168702 (2013)）。然後，他如是說：

Namely, adaptive behavior might emerge more generally
in open thermodynamic systems as a result of physical
agents acting with some or all of the systems』 degrees of
freedom so as to maximize the overall diversity of accessible future paths of their worlds
（也就是說，開放熱力學系統所產生的適應性行為，可能是某些物理因素對系統的自由度作用導致它們的演化途徑在整體上多樣化的結果。）

Wissner-Gross 認為「因果熵力」可能反映了某種更廣泛的自然規律。也許這包括，我們所感興趣的生化系統......

然後我們來看看 England J 同學的「漲落複製論」[2]。

England J 的理論來自於漲落定理。他論證了生物體複製所具有的熱力學限制......

$Delta s_{tot} equiv eta Delta q + Delta s_{int}geq ln[g/delta ]$ [2]

England J 考慮了某些「真實的」模型。一個簡單的模型是核酸的自我複製......比如[3]，RNA 核酶的自我複製。

考慮 RNA 自發接合及其逆過程（即焦磷酸分子攻擊 RNA 的骨架）。我們設 RNA 自發水解的半衰期為4 years [2]。那麼要達到 1h 自我複製一次的速率，就需要有

$ln[g/delta ]geq ln[(4,years)/(1,h)]$

忽略反應內部的熵變，那麼有

$left langle Delta Q ight anglegeq RT,ln[(4 ,years)/(1,h)]=7,kcal,mol^{-1}$

而實驗結果大約是 $10,kcal,mol^{-1}$ [2]。

有意思的推論是，分子自發降解的速率限制了分子自我複製的速率。降解地越慢，複製的速率就越低下，否則就會超過能量限制。比較自發水解極其緩慢的 DNA，那麼有

$left langle Delta Q ight anglegeq RT,ln[(3 imes 10^7 ,years)/(1,h)]=16,kcal,mol^{-1}$

這遠遠超過了 $10,kcal,mol^{-1}$

我們可以這麼考慮：生物體並不是趨向於「最高效」，由於要按照基本法（誤）在熱力學允許的範圍內運作，這就要求生物體維持一種「不那麼高效」的狀態以降低能量損耗的速度。考慮到我們所感興趣的生化系統...... 我覺得已經不言而喻了？（流氓思維）

參考

[1] Phys Rev Lett. 2013 Apr 19;110(16):168702.

[2] J Chem Phys. 2013 Sep 28;139(12):121923.

[3] Science 323, 1229 (2009).

[4] arXiv:1012.2242

少年，你想要力量么——來，生物狗送給你：

看到中間那個很顯眼的大圈了么？

著名的三羧酸循環

這是2014年羅氏的生化總結圖，把這幅圖貼在宿舍中央，每天上三炷香，然後去學編程吧....

以下切題的回答：

生物複雜性的合理性，可以嘗試用數學（比如混沌理論）之類的框架來解釋，相信你能搜索到很多（這類回答估計99%人也只能看看熱鬧），我從一個生物人的角度來回答一下：

一，底層，生物為何能存在？能源、資源、環境條件（除此以外，其它的條件不要考慮）

也就是說，只要存在能源、資源、適宜環境的微環境單元，生物就可以存在，若存在一個上帝，他完全控制四維空間中能源、資源、環境的所有參數（先不考慮量子問題），就能夠控制一個生物的全部歷程，同時，一個生物的穩態就可以由這些初始參數完全定義，我想這就是每個生物人心中都想要的最終答案。

（這裡供上一個拉普拉斯的惡魔）

引申一：你能想像一個允許生物存在的最基本單元中，其環境初始變數可以有多少組合么？每一個組合就是一種生物穩態，也就意味這一個最底層的獨特性

（這可以看成是一個允許物種存在的最小單元，一個細胞的大小，大約10^-17立方米，地球適宜物種存在的體積大約10^14數量級，你可以想像到一個地球，允許有多少個微環境單元）

引申二、從一個組合的初始變數演化到生物穩態，會經過多少歷程？歷程的每一個片段都可存在獨特的結構，也就是說，哪怕一個最基本單元，在時間廣度上，也會存在多樣化的結構，只不過這種結構會隨著演化走向穩態罷了

（這是一個著名的演化圖，從時間的尺度上，哪怕一個單一的微環境，其每一個演化片段都是一個獨特的多樣化結構）

引申三、允許物種存在的微環境單元的複雜性真的存在靜止的穩態么？

（參考混沌理論的吸引子概念）

引申四、如果考慮更大範疇，比如多個微環境單元組成的大環境，由此產生的交互問題，那麼這種複雜性又是指數級的上升，兩個單元的複雜性加上兩者交互關係，構成了一個更大的2X系統，三個單元構成3X系統，四個單元構成4X系統......然後，2X系統和2X系統間構成"2X2X系統",2X與3X系統間構成"2X3X系統"......"2X2X系統"與"3X3X系統"構成"2X2X/3X3X系統"......如此疊加下去，你能想像到有多少組合么？高中的排列組合知識估算下吧

二、所以我們要問，為何當前生物界的複雜是有限的，沒有上文說的那麼玄？因為能源、資源、環境空間都是有限的，因此會存在進化現象，適者生存、不適淘汰，也就是說當前的複雜性實際上僅僅是理論複雜性的一個微不足道的部分罷了。

引申一、先有生物存在，爾後有進化淘汰，區分先後很重要，也就是說，暗藏的複雜性遠比現在認識的要高，只不過進化淘汰像一把大剪刀剪掉了很多枝杈罷了

（網上down的一個進化樹圖片，可以看到越向著中心，進化剪刀越明顯，這些被剪掉的部分本來會衍生更多的複雜性）

引申二、進化淘汰這把剪刀不是勤勞的農民伯伯，它只會在不得已的情況下運作（能源、資源、環境匱乏），也就意味著，如果沒有淘汰的必要，它就不會發生作用，因此我們說自然就是修補匠，只要修修補補能過得去，它就可以存在

太晚了，寫到這裡暫停

謝邀。

我也是第一次被邀請，受寵若驚。

嚴格來說，題主可能得先定義一下什麼是生物化學反應。因為這個定義是非常模糊的，以三羧酸循環為例（香栗子，已舉爛 T T），如果說由檸檬酸轉化為ATP並放出能量是一個生物化學反應，則這個反應會涉及到諸多酶且非常複雜，複雜到太長了，懶得說 ^ ^。不過如果說僅是一步ATP脫磷酸放出能量（若干種方式啊啊啊），那麼就只有一步反應了。

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不過，姑且不管那麼多，我們就以生物體要通過某些原料來達到某些目的來定義一個生物化學反應吧。

我們都知道，生物體是一個經過非常非常長的時間進化出來的一種有機物及反應的集合。（是不是一下子特別想打人？）另一方面，生物體的各項功能，比如說肌肉運動，或者食物消化，從化學上都是一個非常複雜的問題。為什麼呢，因為我們必須要把外界複雜的有機分子變成我們細胞可以利用的最簡單的原料，然後才能讓這些原料進行後續的合成。這就像是工業產品的回收再生產一樣，如果我們收集了一輛坦克，我們卻需要一個轎車（浪費），怎麼辦呢？我們必須把坦克拆了，變成最基礎的螺絲，鋼材等等，如果直接能用的東西，比如發動機，我們就稍作改裝，變成我們能用的發動機型號。這樣，只有完全將坦克拆掉，我們才能組裝出來小轎車。（例子好經典是不是！）

當然，我們的身體沒有那麼簡單，不過也差不多。對於我們來說，大部分我們吃到的有機物都會變成氨基酸，核糖核酸，單糖類（比如葡萄糖）然後被小腸吸收。對於一些和我們型號不符合的原料，以及吸收過度的原料，我們還會把它們再分解然後重構成為我們所需的常用的20種氨基酸，然後再拿去合成複雜的蛋白質。

那麼問題來了，學挖掘機哪家強？……咳咳……應該是，為什麼我們攝入的其他有機分子，比如老鼠身上的蛋白質，（真的有人吃的，據說在某地還是一種特產）不能直接被吸收作為己用呢？姑且不論他們在小腸內部被徹底摧毀的問題，我們來從進化論來分析這個事。

讓我們先舉個例子（栗子？），由於一些歷史和政治的原因，在以前，中國和俄國接軌的地方，鐵軌之間的距離是不一樣的，試問，一輛中國的列車在不換車架的前提下直接開往俄國會怎麼樣？答案是翻車。其實對於生物體來說是一樣的。億萬年的演化導致了所有的生物體從一個祖宗（據說是RNA）開始，變成了無數個種群，而這些種群之間並無物質的直接交換，內部的結構隨著分離的時間越來越久，在概率論的支持下向著不同的方向飛速的發展，最後，他們之間達到了放在一塊都沒法生育的地步（生殖隔離，沒有生殖隔離的叫亞種）。因此，考慮到我們吃到的東西多種多樣，不一而足，基本上我們不用考慮他們的蛋白質能否和我們通用了，還不如回爐重造靠譜……當然這還不包括各種病毒啊，有毒分子什麼的。所以，對於生物體而言，最安全的對於外來物質的處理方式，就是完全消化掉然後重新用產生的原料合成自己要的東西。（沒被消化掉的都產生髮炎了，也就是俗稱的免疫反應）

介於可能上面的回答題主會說「我和你說生化你給我說人體，我和你說人體你和我說食物」這樣想抽人的誤會，我得再把整個邏輯梳理一遍，以方便題主閱讀。所謂的生化反應只有一個目的，就是使生物體能夠活著併產生功能（目的是生殖），所以在這個過程中，大部分的生化反應都會參與一個叫新陳代謝的過程。所謂新陳代謝，即是吃完東西然後把不要的排出去（你以為只是產黃金？狹隘！）。所以，問題就回歸到，為什麼食物進肚子以後我們要通過那~~~~~么複雜的反應來消化吸收併合成新的我們要的分子。這個問題基本上和我們進化的過程中與其他的物種產生了極大的遺傳級別的差異相關，簡單來說就是別人的東西我們直接用不了，型號不通用，所以還不如我們直接用我們自己的，當然這個過程也和複雜的免疫反應有關係，麻煩的原因我就不細說了，細說可以再開個問題重頭講。所以我們只好把我們吃進肚子的東西徹底消化為原料才能進行後續的合成。因此，我們的反應都很複雜。

至於我們為什麼不能直接一步反應把檸檬酸變成ATP……題主可以看一下有機合成化學中關於催化氫化以及全合成的文章，有的時候我們覺得一件事情非常簡單，但是其實從化學的角度來說卻麻煩的令人髮指……所以，其實如果題主好好研究過有機化學的話就會發現，生物體中的化學反應已經在酶的作用下比有機化學方便了不知多少倍（而且還有手性活性！令人髮指！！）！每次我做合成的時候都希望有個細胞能夠幫著做就好了，不過當然找這種細胞也是非常困難的就是了。

總而言之，從進化論的角度講，我們生物體的生物化學反應，已經是簡化後的最優解了，在生物沒有發展出更簡單的酶的情況下，題主就只能好好的背那些反應了。

以上。

第一次被邀請，謝謝。

進化角度，就是適者生存，不這樣會被淘汰嘛。三羧酸循環是一大堆生化反應的核心（曾經背過畫過圖表，已經不記得了，但是這一點還是記得的），之所以步驟多，應該是為了從各個步驟進行精細調控。一旦一個步驟出問題，可以啟動代償反應。一旦生成的能量過多，又能進行反饋調節，抑制反應。（具體反應不記得了，有氧呼吸與無氧呼吸的切換，糖脂肪氨基酸三大營養物的消耗與合成應該都是例子）還有一個原因，應該是幾個NADPH分步產生，可以像小米手機一樣，生產多少，消耗多少，沒有庫存，利用的時候不會一下放出太多熱量。

即便這樣，還是不算完善，魚藤酮，氰化物還是可以徹底切斷反應，把人毒死。不過，如果每個細胞都像超級細菌那樣堅強，應該需要太多能量了。所以，反應相對複雜，又不太複雜，是最符合進化規律的。

我不是很懂化學，給我的感覺是：進化有路徑依賴，舉個不怎麼恰當的例子，雖然很多人都知道java是個低效的語言。但其應用已經鋪開，替代成本會很高

從非物質到病毒到真核到單細胞全部是隨機出現的，甚至有些功能明明可以一個功能解決的都會出現兩個功能，因為可能有這個功能就能活下來，就算有更優秀的機制出現，也有可能因為生存機制無法通過繁衍保留下來，總之一句話，演化隨機因素占更大可能

遞弱代償。

簡單回答，就化學反應，從A分子轉換成B分子，可能必須經過A--&>C--&>B。這個不是生物體能決定的，而是物理化學理論決定的。

再者你可能argue，假設A可以直接變成B，為什麼還需要經過C。這就是個好問題，也是biochemistry有趣的地方。生物體有很多regulation，pathway之間也相互有crosstalk。簡而言之，這個看似redundant的C實則可以和其他pathway相互交叉，也可以用來regulate這個A－》B的過程，具體例子可以看glycolysis和TCA cycle。

有兩個人組成的部落與成千上萬人組成的部落相比，兩人部落之間的聯繫會更簡單更直接，但是效率（指的是精確處理某件事的效率）會低很多，社會發展的越高級複雜，參與社會運轉的螺絲釘越多，每個螺絲釘的功能就越來越純化單一，生物進化也應該是如此，看似一個反應需要很多步驟，但每步之間都有明確界限和目的————當一個反應出現問題時，可以通過最小的一個點的調整來解決（突然想起了落實到人和責任制——），變相的節約能源和提高效率————生物是有大智慧滴～