【预备知识】
- 细胞如何从食物中获取能量？ #44
- 固氮作用 #52
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氮和硫元素是生物大分子的关键组成部分。氮和硫原子在化合物之间、以及在生物体与环境之间，通过一系列可逆循环不断转移。
脊椎动物几乎完全从食物中的蛋白质和核酸获取氮。在体内，这些大分子被分解成氨基酸和核苷酸组分，其中所含的氮被用于合成新的蛋白质、核酸或其他分子。在构成蛋白质的 20 种氨基酸中，大约有一半是必需氨基酸（essential amino acids），意味着脊椎动物无法通过体内代谢合成这些氨基酸，只能通过食物获得。其余的氨基酸则可以由饮食中的其他成分合成，这些原料包括柠檬酸循环中的多种中间产物。
植物和其他生物能够合成这些必需氨基酸，通常需要经过冗长且高能耗的代谢途径——而这些途径在脊椎动物进化过程中已丧失。
合成 RNA 和 DNA 所需的核苷酸是通过特化的生物合成途径生成的。嘌呤和嘧啶碱基中的所有氮（以及部分碳）都来自丰富的氨基酸——谷氨酰胺（glutamine）、天冬氨酸（aspartic acid）和甘氨酸（glycine），而核糖和脱氧核糖则来源于葡萄糖。因此，饮食中不需要提供“必需核苷酸”。
如前所述，来自食物而未被用于生物合成的氨基酸可以被氧化以产生代谢能量。它们的大部分碳和氢原子最终形成 CO₂ 或 H₂O，而氮原子则通过多种形式转移，最终以尿素（urea）的形式排出体外。每种氨基酸的分解方式不同，对应着一整套复杂的酶促分解反应网络。
硫在地球上以最氧化的形式——硫酸盐（SO₄²⁻）——大量存在。要在生物体内发挥作用，硫酸盐必须被还原为硫化物（S²⁻），这种氧化态的硫是合成重要生物分子的必要形态，包括蛋氨酸（methionine）、半胱氨酸（cysteine）、辅酶 A（coenzyme A）以及参与电子传递的铁–硫中心（iron–sulfur centers）。
硫的还原过程始于细菌、真菌和植物，它们利用一组特定酶，通过 ATP 和还原力，形成硫酸盐同化途径。
人类和其他动物无法还原硫酸盐，因此必须从食物中摄取所需的硫，以维持代谢活动。
