代謝

タンパク質は、ペプチド結合で連結された直線状のアミノ酸から構成されています。多くのタンパク質は、代謝における化学反応を触媒する酵素です。その他のタンパク質は、細胞の形状を維持する足場システムである細胞骨格を形成するなど、構造的または機械的な機能を持っています。 ^{[ 10 ]}タンパク質は、細胞シグナル伝達、免疫応答、細胞接着、膜を介した能動輸送、および細胞周期においても重要です。^{[ 11 ]}アミノ酸は、クエン酸回路（トリカルボン酸回路）への進入のための炭素源を提供することによって、細胞のエネルギー代謝にも寄与します。 ^{[ 12 ]}特に、グルコースなどの主要なエネルギー源が不足している場合や、細胞が代謝ストレスを受けている場合に重要です。^{[ 13 ]}

脂質は最も多様な生化学物質群です。主な構造的用途は、細胞膜などの内部および外部の生体膜の一部です。^{[ 11 ]}また、その化学エネルギーも利用できます。脂質は、酸素を含む小さな極性領域を持つ長い非極性炭化水素鎖を含んでいます。脂質は通常、疎水性または両親媒性の生体分子として定義されますが、エタノール、ベンゼン、クロロホルムなどの有機溶媒に溶解します。^{[ 14 ]}脂肪は、脂肪酸とグリセロールを含む化合物の大きなグループです。グリセロール分子がエステル結合によって3つの脂肪酸に結合したものは、トリアシルグリセリドと呼ばれます。^{[ 15 ]}基本構造には、スフィンゴミエリン中のスフィンゴシンなどの骨格や、リン脂質中のリン酸などの親水性基を含むいくつかのバリエーションが存在します。ステロールなどのステロイドは、脂質のもう1つの主要なクラスです。^{[ 16 ]}

炭水化物は、多くのヒドロキシル基が結合したアルデヒドまたはケトンであり、直鎖状または環状に存在できます。炭水化物は最も豊富な生体分子であり、エネルギーの貯蔵と輸送（デンプン、グリコーゲン）や構造成分（植物のセルロース、動物のキチン）など、多くの役割を果たしています。^{[ 11 ]}炭水化物の基本単位は単糖類と呼ばれ、ガラクトース、フルクトース、そして最も重要なグルコースが含まれます。単糖類は、ほぼ無限の方法で結合して多糖類を形成することができます。 ^{[ 17 ]}

DNAとRNAという2つの核酸は、ヌクレオチドのポリマーです。各ヌクレオチドは、リボースまたはデオキシリボース糖基にリン酸が結合し、その糖基が窒素塩基に結合した構造をしています。核酸は、遺伝情報の保存と利用、および転写とタンパク質生合成の過程を通じたその解釈に不可欠です。^{[ 11 ]}この情報は、 DNA修復機構によって保護され、 DNA複製によって伝播されます。HIVなどの多くのウイルスはRNAゲノムを持ち、逆転写によってウイルスRNAゲノムからDNAテンプレートを作成します。^{[ 18 ]}スプライソソームやリボソームなどのリボザイム内のRNAは、化学反応を触媒できるため、酵素に似ています。個々のヌクレオシドは、リボース糖に核酸塩基を結合することによって作られます。これらの塩基は、プリンまたはピリミジンに分類される窒素を含む複素環です。ヌクレオチドは代謝基転移反応における補酵素としても作用する。^{[ 19 ]}

代謝には膨大な数の化学反応が関わっていますが、そのほとんどは、分子内の原子の官能基とその結合の移動を伴ういくつかの基本的なタイプの反応に分類されます。 ^{[ 20 ]}この共通の化学反応により、細胞は少数の代謝中間体を使用して、異なる反応間で化学基を運ぶことができます。^{[ 19 ]}これらの基転移中間体は補酵素と呼ばれます。各クラスの基転移反応は特定の補酵素によって実行され、その補酵素は、それを生成する一連の酵素と、それを消費する一連の酵素の基質となります。したがって、これらの補酵素は継続的に生成、消費され、リサイクルされます。^{[ 21 ]}

中心的な補酵素の 1 つは、細胞のエネルギー通貨であるアデノシン三リン酸(ATP) です。このヌクレオチドは、さまざまな化学反応間で化学エネルギーを伝達するために使用されます。細胞内には少量の ATP しかありませんが、継続的に再生されるため、人体は 1 日に自分の体重とほぼ同じ量の ATP を使用できます。^{[ 21 ]} ATP は異化作用と同化作用の間の橋渡しとして機能します。異化作用は分子を分解し、同化作用はそれらを結合します。異化反応は ATP を生成し、同化反応はそれを消費します。また、リン酸化反応ではリン酸基のキャリアとしても機能します。^{[ 22 ]}

ビタミンは、細胞内では生成できない少量で必要な有機化合物です。ヒトの栄養において、ほとんどのビタミンは修飾後に補酵素として機能します。たとえば、すべての水溶性ビタミンは、細胞内で使用されるときにリン酸化されるか、ヌクレオチドと結合します。^{[ 23 ]}_{ビタミンB3}（ナイアシン）の誘導体であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD ⁺ ）は、水素受容体として働く重要な補酵素です。数百種類の異なるタイプの脱水素酵素が基質から電子を取り除き、NAD ^+をNADHに還元します。この還元型の補酵素は、水素原子を基質に転移させる必要がある細胞内の還元酵素の基質となります。 ^{[ 24 ]}ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドは、細胞内にNADHとNADPHという2つの関連する形態で存在します。NAD ⁺ /NADH型は異化反応でより重要であり、NADP ⁺ /NADPHは同化反応で使用されます。^{[ 25 ]}

無機元素は代謝において重要な役割を果たします。ナトリウムやカリウムのように豊富に存在するものもあれば、微量で機能するものもあります。人間の体重の約99%は、炭素、窒素、カルシウム、ナトリウム、塩素、カリウム、水素、リン、酸素、硫黄の元素で構成されています。有機化合物（タンパク質、脂質、炭水化物）には炭素と窒素の大部分が含まれており、酸素と水素の大部分は水として存在しています。^{[ 26 ]}

豊富な無機元素は電解質として作用する。最も重要なイオンは、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、塩化物、リン酸、および有機イオンである重炭酸イオンである。細胞膜を横切る正確なイオン勾配の維持は、浸透圧とpHを維持する。^{[ 27 ]}イオンは神経と筋肉の機能にも不可欠であり、これらの組織における活動電位は、細胞外液と細胞液である細胞質との間の電解質の交換によって生成される。[28] 電解質は、イオンチャネルと^{呼ばれる細胞}膜のタンパク質を介して細胞に出入りする。例えば、筋肉の収縮は、細胞膜とT細管のイオンチャネルを通るカルシウム、ナトリウム、カリウムの移動に依存する。^{[ 29 ]}

遷移金属は通常、生物体内に微量元素として存在し、その中でも亜鉛と鉄が最も豊富である。 ^{[ 30 ]}金属補因子はタンパク質の特定の部位に強く結合している。酵素補因子は触媒作用中に修飾されることがあるが、触媒される反応の終了までには常に元の状態に戻る。金属微量栄養素は特定の輸送体によって生物体内に取り込まれ、使用されていないときはフェリチンやメタロチオネインなどの貯蔵タンパク質に結合する。^{[ 31 ] [ 32 ]}

高分子は細胞によって直接処理されることはありません。高分子は細胞代謝に利用される前に、より小さな単位に分解される必要があります。これらの高分子を消化するために、さまざまな種類の酵素が使用されます。これらの消化酵素には、タンパク質をアミノ酸に分解するプロテアーゼや、多糖類を単糖類と呼ばれる単純な糖に分解するグリコシドヒドロラーゼなどがあります。^{[ 37 ]}

微生物は消化酵素を周囲に分泌するだけであるのに対し^{[ 38 ] [ 39 ]}、動物は胃、膵臓、唾液腺などの腸内の特殊な細胞からのみこれらの酵素を分泌する[ 40 ]。これらの^{細胞外酵素}によって放出されたアミノ酸や糖は、能動輸送タンパク質によって細胞内に送り込まれる^{[ 41 ] [ 42 ]}。

炭水化物異化作用とは、炭水化物をより小さな単位に分解することです。炭水化物は通常、グルコースやフルクトースなどの単糖類に消化された後に細胞に取り込まれます。^{[ 45 ]}細胞内に入ると、主な分解経路は解糖であり、グルコースはピルビン酸に変換されます。このプロセスでは、 NAD ⁺からエネルギー伝達分子NADHが生成され、ADPからATPが生成され、細胞内の多くのプロセスを動かすために使用されます。^{[ 46 ]}ピルビン酸はいくつかの代謝経路の中間体ですが、大部分はアセチル CoAに変換され、クエン酸回路に供給され、酸化的リン酸化によってより多くの ATP が生成されます。この酸化では分子状酸素が消費され、水と老廃物である二酸化炭素が放出されます。酸素が不足している場合、またはピルビン酸がクエン酸回路で消費されるよりも一時的に速く生成される場合（激しい筋肉運動など）、ピルビン酸は乳酸脱水素酵素によって乳酸に変換されます。このプロセスでは、NADHもNAD ⁺に酸化されて解糖系で再利用されるため、エネルギー生成が継続されます。^{[ 47 ]}乳酸は、エネルギーが必要な場所では後にピルビン酸に、またはコリ回路ではグルコースに変換されます。グルコース分解の別の経路はペントースリン酸経路で、エネルギー生成量は少ないものの、同化作用（生体分子合成）をサポートします。この経路では、補酵素NADP ^+がNADPHに還元され、リボース5-リン酸などのペントース化合物が生成され、ヌクレオチドや芳香族アミノ酸などの多くの生体分子の合成に利用されます。^{[ 48 ]}

脂肪は加水分解によって遊離脂肪酸とグリセロールに異化される。グリセロールは解糖系に入り、脂肪酸はβ酸化によって分解されてアセチルCoAが放出され、それがクエン酸回路に供給される。脂肪酸は炭水化物よりも酸化時に多くのエネルギーを放出する。ステロイドも一部の細菌によってβ酸化に似たプロセスで分解され、この分解プロセスでは大量のアセチルCoA、プロピオニルCoA、ピルビン酸が放出され、これらはすべて細胞がエネルギーとして利用できる。結核菌は脂質コレステロールを唯一の炭素源として増殖することもでき、コレステロール利用経路に関与する遺伝子は結核菌の感染ライフサイクルのさまざまな段階で重要であることが検証されている。^{[ 49 ]}

アミノ酸は、タンパク質やその他の生体分子の合成に使用されるか、または酸化されて尿素と二酸化炭素になり、エネルギーを生成します。^{[ 50 ]}酸化経路は、トランスアミナーゼによるアミノ基の除去から始まります。アミノ基は尿素回路に供給され、脱アミノ化された炭素骨格がケト酸の形で残ります。これらのケト酸のいくつかは、クエン酸回路の中間体であり、たとえば、グルタミン酸の脱アミノ化によって生成されるα-ケトグルタル酸などです。^{[ 51 ]}糖原性アミノ酸は、糖新生によってグルコースに変換することもできます。^{[ 52 ]}

酸化的リン酸化では、クエン酸回路などの領域で有機分子から取り除かれた電子が酸素に伝達され、放出されたエネルギーがATPの生成に利用されます。これは真核生物では、ミトコンドリア膜にある電子伝達系と呼ばれる一連のタンパク質によって行われます。原核生物では、これらのタンパク質は細胞の内膜に存在します。^{[ 53 ]}これらのタンパク質は、NADHなどの還元分子からのエネルギーを利用して、プロトンを膜を介して輸送します。 ^{[ 54 ]}

ミトコンドリアからプロトンをポンプで送り出すと、膜を挟んでプロトン濃度の差が生じ、電気化学的勾配が生成される。^{[ 55 ]}この力によって、 ATP合成酵素と呼ばれる酵素の基部を通ってプロトンがミトコンドリア内に戻される。プロトンの流れによってストークサブユニットが回転し、合成酵素ドメインの活性部位の形状が変化してアデノシン二リン酸がリン酸化され、ATPに変換される。^{[ 21 ]}

化学合成独立栄養は、原核生物に見られる代謝の一種で、無機化合物の酸化からエネルギーを得るものです。これらの生物は、還元力の源として水素^{[ 56 ]} 、還元硫黄化合物（硫化物、硫化水素、チオ硫酸塩など）^{[ 1 ]} 、二価鉄（Fe(II)）^{[ 57 ]}、またはアンモニア^{[ 58 ]}を使用し、これらの化合物の酸化からエネルギーを得ます^{[ 59 ]} 。これらの微生物プロセスは、アセトジェネシス、硝化、脱窒などの地球規模の生物地球化学サイクルにおいて重要であり、土壌の肥沃度にとって不可欠です^{[ 60 ] [ 61 ]}。

太陽光のエネルギーは、植物、シアノバクテリア、紫色細菌、緑色硫黄細菌、および一部の原生生物によって捕捉されます。このプロセスは、光合成の一部として二酸化炭素を有機化合物に変換することと密接に関連しており、これについては後述します。ただし、エネルギー捕捉システムと炭素固定システムは、原核生物では別々に機能する可能性があり、紫色細菌と緑色硫黄細菌は、炭素固定と有機化合物の発酵を切り替えながら、太陽光をエネルギー源として利用できます。^{[ 62 ] [ 63 ]}

多くの生物では、太陽エネルギーの捕捉は、プロトン濃度勾配としてエネルギーを貯蔵するという点で、酸化的リン酸化と原理的に類似しています。このプロトン駆動力がATP合成を駆動します。^{[ 64 ]}この電子伝達系を駆動するために必要な電子は、光合成反応中心と呼ばれる集光タンパク質から供給されます。反応中心は、存在する光合成色素の性質に応じて2種類に分類され、ほとんどの光合成細菌は1種類しか持っていませんが、植物とシアノバクテリアは2種類持っています。^{[ 65 ]}

植物、藻類、シアノバクテリアでは、光化学系IIが光エネルギーを利用して水から電子を取り除き、老廃物として酸素を放出します。電子はシトクロムb6f複合体に流れ、シトクロムb6f複合体はそのエネルギーを利用して葉緑体のチラコイド膜を介してプロトンを輸送します。^{[ 35 ]}これらのプロトンは、以前と同様にATP合成酵素を駆動しながら膜を通って戻ります。電子は光化学系Iを通過し、補酵素NADP ⁺を還元するために使用できます。^{[ 66 ]}この補酵素はカルビン回路に入るか、さらなるATP生成のためにリサイクルされます。^{[ 67 ]}

光合成は、太陽光と二酸化炭素（CO₂ _）から炭水化物を合成するプロセスです。植物、シアノバクテリア、藻類では、酸素発生型光合成によって水が分解され、酸素が老廃物として生成されます。このプロセスでは、前述のように、光合成反応中心によって生成されたATPとNADPHを使用して_CO₂をグリセリン酸3-リン酸に変換し、その後グルコースに変換することができます。この炭素固定反応は、カルビン・ベンソン回路の一部として、酵素RuBisCOによって実行されます。^{[ 69 ]}植物には、C3炭素固定、C4炭素固定、CAM光合成の3種類の光合成が存在します。これらは、二酸化炭素がカルビン回路に入る経路が異なり、C3植物はCO₂を直接固定するの_に対し、C4およびCAM光合成は、強い日光や乾燥した環境に対処するための適応として、まずCO₂を他の化合物に_組み込みます。 ^{[ 70 ]}

光合成を行う原核生物では、炭素固定のメカニズムはより多様である。ここでは、二酸化炭素はカルビン・ベンソン回路、逆クエン酸回路^{[ 71 ]} 、またはアセチルCoAのカルボキシル化^{[ 72 ] [ 73 ]}によって固定される。原核化学合成独立栄養生物もカルビン・ベンソン回路を介してCO2を固定する_が、反応を駆動するために無機化合物からのエネルギーを使用する^{[ 74 ] 。}

炭水化物同化作用では、単純な有機酸がグルコースなどの単糖に変換され、その後デンプンなどの多糖の合成に利用されます。ピルビン酸、乳酸、グリセロール、グリセリン酸3-リン酸、アミノ酸などの化合物からグルコースが生成される過程は、糖新生と呼ばれます。糖新生は、一連の中間体を経てピルビン酸をグルコース-6-リン酸に変換しますが、これらの中間体の多くは解糖系と共通しています。^{[ 46 ]}しかし、この経路は単に解糖系の逆反応ではなく、いくつかの段階は解糖系以外の酵素によって触媒されます。これは、グルコースの生成と分解を別々に制御し、両方の経路が無駄なサイクルで同時に実行されるのを防ぐため重要です。^{[ 75 ] [ 76 ]}

脂肪はエネルギーを貯蔵する一般的な方法ですが、ヒトなどの脊椎動物では、これらの貯蔵庫にある脂肪酸は糖新生によってグルコースに変換できません。これは、これらの生物がアセチルCoAをピルビン酸に変換できないためです。植物には必要な酵素機構がありますが、動物にはありません。^{[ 77 ]}その結果、長期の飢餓の後、脊椎動物は脂肪酸からケトン体を生成して、脂肪酸を代謝できない脳などの組織のグルコースを置き換える必要があります。^{[ 78 ]}植物や細菌などの他の生物では、この代謝の問題はグリオキシル酸回路を使用して解決されます。グリオキシル酸回路はクエン酸回路の脱炭酸ステップを迂回し、アセチルCoAをオキサロ酢酸に変換してグルコースの生成に使用できます。^{[ 77 ] [ 79 ]}脂肪以外にも、グルコースはほとんどの組織に蓄えられており、グリコーゲン合成によって組織内で利用可能なエネルギー源として、通常は血液中のグルコースレベルを維持するために使用されています。^{[ 80 ]}

多糖類とグリカンは、ウリジン二リン酸グルコース（UDP-Glc）などの反応性糖リン酸供与体から、グリコシルトランスフェラーゼによって単糖が成長中の多糖の受容体ヒドロキシル基に順次付加されることによって作られます。基質の環上のどのヒドロキシル基も受容体になり得るため、生成される多糖類は直線状または分岐状の構造を持つことができます。^{[ 81 ]}生成された多糖類は、それ自体が構造的または代謝的な機能を持つか、オリゴ糖転移酵素によって脂質やタンパク質に転移されます。^{[ 82 ] [ 83 ]}

脂肪酸は、アセチルCoA単位を重合させて還元する脂肪酸シンターゼによって作られます。脂肪酸のアシル鎖は、アシル基を付加し、それをアルコールに還元し、アルケン基に脱水し、さらにアルカン基に還元する一連の反応によって延長されます。脂肪酸生合成の酵素は2つのグループに分けられます。動物と真菌では、これらの脂肪酸シンターゼ反応はすべて単一の多機能型Iタンパク質によって実行されますが^{[ 84 ]} 、植物のプラスチドと細菌では、別々の型II酵素が経路の各ステップを実行します^{[ 85 ] [ 86 ] 。}

テルペン類とイソプレノイド類は、カロテノイド類を含む脂質の大きなクラスであり、植物天然物の中で最大のクラスを形成します。^{[ 87 ]}これらの化合物は、反応性前駆体であるイソペンテニルピロリン酸とジメチルアリルピロリン酸から供与されたイソプレン単位の組み立てと修飾によって作られます。^{[ 88 ]}これらの前駆体はさまざまな方法で作られます。動物と古細菌では、メバロン酸経路がアセチルCoAからこれらの化合物を生成しますが、^{[ 89 ]}植物と細菌では、非メバロン酸経路がピルビン酸とグリセルアルデヒド3-リン酸を基質として使用します。^{[ 88 ] [ 90 ]}これらの活性化されたイソプレン供与体を使用する重要な反応の1つは、ステロール生合成です。ここでは、イソプレン単位が結合してスクアレンを作り、折り畳まれて一連の環状構造を形成してラノステロールを作ります。^{[ 91 ]}ラノステロールは、コレステロールやエルゴステロールなどの他のステロールに変換される。^{[ 91 ] [ 92 ]}

生物によって、20種類の一般的なアミノ酸を合成する能力は異なります。ほとんどの細菌や植物は20種類すべてを合成できますが、哺乳類は11種類の非必須アミノ酸しか合成できないため、9種類の必須アミノ酸は食物から摂取する必要があります。^{[ 11 ]}マイコプラズマ肺炎菌などの一部の単純な寄生生物は、すべてのアミノ酸合成を欠いており、宿主から直接アミノ酸を取り込みます。^{[ 93 ]}すべてのアミノ酸は、解糖系、クエン酸回路、またはペントースリン酸経路の中間体から合成されます。窒素はグルタミン酸とグルタミンによって供給されます。非必須アミノ酸の合成は、適切なα-ケト酸の形成に依存しており、その後、トランスアミノ化されてアミノ酸が形成されます。^{[ 94 ]}

アミノ酸はペプチド結合の鎖で結合してタンパク質になります。それぞれのタンパク質は固有のアミノ酸残基配列を持ち、これがその一次構造です。アルファベットの文字を組み合わせてほぼ無限の種類の単語を形成できるのと同様に、アミノ酸はさまざまな配列で結合して非常に多様なタンパク質を形成できます。タンパク質は、エステル結合を介してトランスファーRNA分子に結合することで活性化されたアミノ酸から作られます。このアミノアシルtRNA前駆体は、アミノアシルtRNA合成酵素によって行われるATP依存性反応で生成されます。^{[ 95 ]}このアミノアシルtRNAはリボソームの基質となり、リボソームはメッセンジャーRNAの配列情報を使用して、伸長中のタンパク質鎖にアミノ酸を結合します。^{[ 96 ]}

ヌクレオチドは、大量の代謝エネルギーを必要とする経路で、アミノ酸、二酸化炭素、ギ酸から作られます。 ^{[ 97 ]}そのため、ほとんどの生物は、あらかじめ形成されたヌクレオチドを回収する効率的なシステムを持っています。^{[ 97 ] [ 98 ]}プリンは、ヌクレオシド（リボースに結合した塩基）として合成されます。 ^{[ 99 ]}アデニンとグアニンはどちらも、アミノ酸のグリシン、グルタミン、アスパラギン酸の原子と、補酵素テトラヒドロ葉酸から転移されたギ酸を使用して合成される前駆体ヌクレオシドであるイノシン一リン酸から作られます。一方、ピリミジンは、グルタミンとアスパラギン酸から形成される塩基オロチン酸から合成されます。 ^{[ 100 ]}

アリストテレスの『動物の各部分』には、代謝に関する彼の見解が十分に詳細に記述されており、オープンフローモデルを作成することができる。彼は、過程の各段階で食物由来の物質が変化し、古典的な火の要素として熱が放出され、残留物質が尿、胆汁、または糞便として排泄されると信じていた。^{[ 153 ]}

イブン・アル＝ナフィスは、 1260年に著した『アル＝リサーラ・アル＝カミリヤ・フィル・シエラ・アル＝ナバウィヤ』（預言者の伝記に関するカミルの論考）の中で代謝について述べており、その中に「身体とその各部分は絶えず分解と栄養補給の状態にあるため、必然的に永久的な変化を遂げている」という一節が含まれている。^{[ 154 ]}

代謝の科学的研究の歴史は数世紀に及び、初期の研究では動物全体を調べることから始まり、現代の生化学では個々の代謝反応を調べることへと発展してきた。人間の代謝に関する最初の制御された実験は、1614年にサントリオ・サントリオが著書『Ars de statica medicina』で発表した。彼は、食事、睡眠、仕事、セックス、断食、飲酒、排泄の前後に自分の体重を測った方法を記述した。彼は、摂取した食物のほとんどが「不感蒸泄」と呼ばれるものによって失われることを発見した。^{[ 155 ]}

これらの初期の研究では、これらの代謝プロセスのメカニズムは特定されておらず、生命力が生体組織を活性化すると考えられていました。^{[ 156 ]} 19 世紀、ルイ・パスツールは酵母による糖のアルコールへの発酵を研究し、発酵は酵母細胞内の「発酵物」と呼ばれる物質によって触媒されると結論付けました。彼は、「アルコール発酵は酵母細胞の死や腐敗ではなく、酵母細胞の生命と組織に関連する行為である」と書いています。^{[ 157 ]}この発見は、 1828 年にフリードリヒ・ヴェーラーが尿素の化学合成に関する論文を発表したことと並んで、完全に無機の前駆体から作られた最初の有機化合物として注目に値します。^{[ 158 ]}ヴェーラーの尿素合成は、有機化合物が無機の前駆体から作られることを示し、19 世紀初頭の科学を支配していた生命力理論に異議を唱えました。現代の分析では、この成果は有機化学と無機化学を統合するための基礎となるものと考えられている。^{[ 159 ]}

20世紀初頭にエドゥアルト・ブフナーが酵素を発見したことで、代謝の化学反応の研究が細胞の生物学的研究から分離され、生化学の始まりとなった。^{[ 160 ]}生化学の知識は20世紀初頭を通じて急速に増加した。現代の生化学者の中で最も多作な一人がハンス・クレブスであり、代謝の研究に多大な貢献をした。^{[ 161 ]}彼は尿素回路を発見し、後にハンス・コルンベルクと共同でクエン酸回路とグリオキシル酸回路を発見した。^{[ 162 ] [ 163 ] [ 79 ]}現代の生化学研究は、クロマトグラフィー、NMR分光法、電子顕微鏡、分子動力学シミュレーションなどの新しい技術の開発によって大きく助けられてきた。これらの技術により、細胞内の多くの分子と代謝経路の発見と詳細な分析が可能になった。^{[ 164 ]}