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问题

蚂蚁是如何产生蚁酸的？蚁酸合成的代谢途径是什么？

回答
蚂蚁，这些微小却组织严密的社会性昆虫，以其辛勤劳作和强大的防御能力闻名于世。它们体内的蚁酸，不仅是它们独特的化学武器，也是其在生存竞争中不可或缺的工具。那么，这些小小的生物是如何制造出这种具有腐蚀性和驱逐性的物质呢？这背后是一段精妙且高效的生物化学之旅。

蚁酸的来源：一个简化的“化学工厂”

蚂蚁体内的蚁酸，顾名思义，主要由它们体内的腺体产生，最主要的生产基地是蚁酸腺（Formic acid gland）。这些腺体遍布在蚂蚁的身体，尤其是腹部末端的储藏囊（Glandular sac）中。当受到威胁或需要防御时，蚂蚁可以将储藏囊中的蚁酸通过腹部末端的螫针（Stinger）喷射出来。

值得注意的是，在某些种类的蚂蚁（尤其是那些没有明显螫针的种类），它们也有能力将蚁酸从腹部其他部位的开口（称为“腹孔”或“肛门”）喷射出来，这同样是一种有效的防御方式。

蚁酸合成的代谢途径：一条精巧的生物化学路径

蚁酸（HCOOH）的合成，在生物体内并不是一个孤立的过程，它与许多基础的代谢途径紧密相连。最主要的合成途径，也是被广泛研究和接受的，是利用一碳单位（Onecarbon units）进行合成。

这条途径的核心是甲酸（Formate）的产生和转化。在蚂蚁体内，甲酸的来源多种多样，但最为关键的两个来源是：

1. 甲硫氨酸（Methionine）的代谢：
甲硫氨酸是一种必需氨基酸，它在生物体内有一个重要的代谢途径，即SAM循环（Sadenosylmethionine cycle）。在这个循环中，甲硫氨酸被激活形成S腺苷甲硫氨酸（SAM）。SAM是重要的甲基供体，在许多生化反应中参与甲基转移。
在SAM的代谢过程中，会产生S腺苷同型半胱氨酸（SAH），而SAH经过水解后会形成同型半胱氨酸（Homocysteine）。这个同型半胱氨酸的代谢过程，以及其他涉及甲基转移的反应，会间接或直接地产生甲酸盐（Formate）。
更具体地说，同型半胱氨酸可以被同型半胱氨酸甲基转移酶（Homocysteine methyltransferase）利用甲酸盐或其他一碳单位重新甲基化，重新形成甲硫氨酸，从而完成循环。在这个过程中，一些中间产物或者副产物就包含了甲酸的结构。

2. 叶酸（Folate）代谢：
叶酸，又称维生素B9，是生物体内重要的辅酶，参与许多一碳单位的转移。在叶酸代谢途径中，叶酸可以被还原成四氢叶酸（THF）。四氢叶酸及其衍生物（如10甲酰四氢叶酸、5,10亚甲基四氢叶酸等）是多种一碳单位（如甲基、亚甲基、甲酰基）的载体。
在一些关键的代谢反应中，例如嘌呤的合成，需要一碳单位的转移。在这些转移过程中，10甲酰四氢叶酸可以作为甲酰基供体，在水解后释放出甲酸。
此外，一些氧化反应或者脱羧反应也可能产生甲酸。

从甲酸到蚁酸：最后的转化

一旦产生了甲酸，接下来的步骤相对直接：

甲酸的氧化： 甲酸本身可以通过一种称为甲酸脱氢酶（Formate dehydrogenase）的酶催化，进一步氧化生成二氧化碳（CO2）和氢离子（H+）。但蚁酸腺中的蚁酸形成，更直接的途径是非氧化性的。
直接积累： 蚁酸腺内的细胞会将甲酸（或其阴离子形式，即甲酸根）作为产物，通过细胞内的特殊转运机制，直接积累在腺体的储藏囊中。这个过程可能涉及到特殊的转运蛋白，将甲酸根离子转运到细胞外并集中起来。

为什么是蚁酸？

蚁酸之所以成为蚂蚁标志性的化学物质，有其演化上的优势：

易于合成： 甲酸作为一种简单的一碳单位，其合成途径与许多基础代谢高度整合，使得蚂蚁能够相对高效地利用体内的各种碳源进行生产。
高效的防御武器： 蚁酸具有强烈的酸性和刺激性，对许多小型捕食者和竞争者具有极强的驱逐和麻痹作用。其较低的分子量也使得蚂蚁能够将其以较高的浓度储存和喷射。
多功能性： 除了防御，蚁酸在蚂蚁的社会行为中也有其他作用，例如作为信息素传递信号，或者在某些情况下用于处理食物。

总结而言， 蚂蚁制造蚁酸的过程，是一个复杂而精巧的生化反应网络。从甲硫氨酸和叶酸代谢中提取的一碳单位，经过一系列酶促反应转化为甲酸，最终由蚁酸腺体将其大量积累，以备不时之需。这是一个生物化学智慧的结晶，让这些小小的生物在严酷的自然环境中得以繁衍生息。

网友意见

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作为一种生物防御武器，不仅仅蚂蚁会产生蚁酸，也广泛存在于各种昆虫的体内。

蚁酸实际就是甲酸（HCOOH），最初由蚂蚁蒸馏获得[1]：

膜翅目、鳞翅目和鞘翅目这些较为高等的昆虫类群，和蚂蚁一样，身上拥有专门分泌蚁酸的腺体，例如[2]：

  • 蚂蚁主要是由腹部后端的毒腺和杜氏腺分泌。
  • 蜜蜂主要由头部的下颌腺分泌。
  • 舟蛾幼虫主要由头颈部的颈腺分泌。
  • 步甲主要由腹部后端的臀腺分泌。

在所有的生物物种体内，都需要四氢叶酸来生物合成其毒腺中的甲酸。

四氢叶酸（C19H23N7O6）是叶酸的生物活性成分：

在生物体内，都发挥着重要的作用。

存在着这样的转化平衡[3]：

通过丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)的催化，甘氨酸和丝氨酸发生互相转化。

这个转化过程，也同时伴随着5,10-亚甲基四氢叶酸与四氢叶酸的转化：

叶酸的亚甲基发生了转移。

亚甲基和甲基、次甲基、羟甲基、甲酰基、亚氨甲基等，一起被称为一碳单位（one carbon unit，简称C1）：

C1参与蛋白质、核苷酸、泛酸的合成和甲基化，尤其是嘌呤和嘧啶的从头合成。

在生物体内，四氢叶酸是C1的主要载体。

当叶酸缺乏，可导致神经管畸形、巨幼红细胞性贫血、唇腭裂等。

而在蚂蚁的毒腺内，存在大量的四氢叶酸。

在(SHMT)的催化下，四氢叶酸不停转化成5,10-亚甲基四氢叶酸。

5,10-亚甲基四氢叶酸又在亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）的催化下合成甲基四氢叶酸。

甲基四氢叶酸再进一步转化为甲酸。

其实在人体的代谢过程中，通过丝氨酸代谢，身体内同样会产生甲酸。只不过甲酸对于我们来说，是代谢废物，可进一步代谢成二氧化碳等排出体外。

但对于蚂蚁来说，甲酸是重要的生物武器。

它们通过毒腺储存起来，发挥着重要的生物作用。

在毒腺中，最终催化甲基四氢叶酸合成的MTHFR酶，是其它酶活性2-3倍[4]。


蚁酸，可以说是生物进行废物利用的最好例子。

参考

  1. ^ 1671年，英国博物学家约翰·雷（John Ray）通过蒸馏蚂蚁获得一种酸，命名为蚁酸。随着有机化学的发展，才发现蚁酸实际就是甲酸。
  2. ^ 谭速进. 白蚁能否分泌蚁酸[J]. 中华卫生杀虫药械, 2014(5):431-431.
  3. ^ 左爱连, 张伟国, 高伟. 丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)酶学性质研究[J]. 2007.
  4. ^ Hefetz, Abraham; Blum, Murray (1 November 1978). "Biosynthesis of formic acid by the poison glands of formicine ants". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 543 (4): 484–496. doi:10.1016/0304-4165(78)90303-3. PMID 718985.

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