4.1能與細胞
1、能是做功的本領
能的定義就是做功的本領,做功就是指讓物體聯(lián)通位置。生物體內(nèi)做的功種類好多，都是須要能量的。沒有能,生物就不可能存活。
能量可以分為動能()和勢能()兩種方式。
動能
勢能
概念
運動的能量
物體因為所在位置或本身的排列而具有的能量
舉例
熱、電和光都是動能
活細胞中做各類功的物理能，是活的生物體內(nèi)最重要的能量方式
2、熱力學定理
能量可以從一種方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N方式。
熱力學()是研究所有物體中能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學。在討論能量轉(zhuǎn)化時,我們把所研究的物體或物體的集合體稱為體系(),而把宇宙的其余部份合稱為環(huán)境。
開放體系是所有生物的特征。
3、吸能反應和放能反應
物理反應可分為吸能反應()和放能反應()兩大類,細胞中發(fā)生的物理反應也不例外。
吸能反應
放能反應
概念
指反應產(chǎn)物分子中的勢能比反應物分子中的勢能多
其產(chǎn)物分子中的物理能多于反應物分子中的物理能
舉例
光合作用是生物界最重要的吸能反應。
木材的燃燒；細胞呼吸
每一個活細胞中都要發(fā)生千百種放能反應和吸能反應,所有這種反應統(tǒng)稱為細胞代謝()。
放能反應與吸能反應之間,有一種能量傳遞的關系,這些關系是通過紐帶——ATP而發(fā)生的。
4、ATP是細胞中的能量通貨
ATP(,腺苷三乙酸)是一種核酸,其中有3個乙酸官能團。ATP分子由一個戊糖(內(nèi)質(zhì)網(wǎng))、一個含氮核苷酸(腺固醇)和3個乙酸根組成,其中一個乙酸根聯(lián)接在甜度子上,其余兩個則陸續(xù)聯(lián)接。這兩個乙酸鍵比較不穩(wěn)定,是焦乙酸鍵,稱為高能乙酸鍵，以“~”表示。這是由于這些鍵酯化時會釋放較多的能量,比普通乙酸鍵的多。
ATP發(fā)生酯化時,產(chǎn)生ADP并釋放一個乙酸根，同時釋放能量。這種能量在細胞中都會被借助,胸肌收縮形成的運動,神經(jīng)細胞的活動,生物體內(nèi)的其他一切活動借助的都是ATP酯化時形成的能量。
ATP在細胞中便于再生,所以是源源不斷的能源。這些通過ATP的酯化和合成而使放能反應所釋放的能量用于吸能反應的過程稱為ATP循環(huán)。由于ATP是細胞中普遍應用的能量的載體,所以常稱之為細胞中的能量通貨()。
4.2酶
1、酶減少反應的活化能
酶()是一種生物催化劑(),絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)。它能加速生物體內(nèi)物理反應的進行,但在反應前后并不發(fā)生變化。
任何一個分子要發(fā)生物理反應,都必須先被活化，即降低能量。正是因為分子發(fā)生物理反應須要活化能,生物體內(nèi)許多物理性質(zhì)開朗的物質(zhì)能夠保持穩(wěn)定。例如ATP是很易被酯化的,但因為酯化須要ATP被活化,所以在水很豐富的環(huán)境(細胞)中,ATP仍能保持穩(wěn)定。ATP的酯化只有在專情的酶——ATP酶()的催化下才便于發(fā)生。
酶能減少反應的活化能()。
酶分子是蛋白質(zhì),每種蛋白質(zhì)都有特定的三維形狀,而這些形狀就決定了酶的選擇性。
酶的作用仍須要整個酶分子,由于假如整個分子有損傷,活性部位也會發(fā)生變化,不起作用了。
2、多種誘因影響酶的活性
誘因
室溫
只有在最適水溫下酶活性才最高。
pH
通常酶的最適pH為6~8,接近于中性。在此范圍之外,酶的活性就較低,整個細胞的正常功能也被破壞。
鹽的含量
鹽含量太高會干擾酶分子中的個別物理鍵,因而破壞其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),也就是使其活性增加。只有極少數(shù)種類的酶本事受極高的鹽含量。
輔因子
許多種酶的正常活動還須要非蛋白質(zhì)成份的參與。
輔因子可能是無機物；
也可能是有機物，有機的輔因子則稱為輔酶()。
酶的抑制劑
競爭性抑制劑
競爭性抑制劑是與酶的正常底物相像的物理物質(zhì),它與底物分子競爭酶的活性部位。
非競爭性抑制劑
非競爭性抑制劑并不搶占活性部位,它與酶分子結(jié)合的部位不是活性部位。但它的結(jié)合卻使酶分子的形狀發(fā)生了變化,而致使活性部位不易于接納底物分子。
酶的抑制劑有重要的應用價值,個別除蟲劑和藥物就是酶的抑制劑,比如,馬拉硫磷是甲基組胺的抑制劑,這些酶在神經(jīng)系統(tǒng)的活動中特別重要。在馬拉硫磷的作用下,神經(jīng)細胞對訊號的傳遞被抑制,導致動物死亡。
抗生素抑制真菌細胞中合成細胞壁的酶,所以才能制止細菌的增殖,人體細胞沒有細胞壁，所以抗生素對人無害。
3、核酶
科學家發(fā)覺細胞中與RNA分子有關的個別反應卻是由RNA本身所催化的,而不是由蛋白質(zhì)催化的。因而,除了蛋白質(zhì)是生物催化劑，RNA也是生物催化劑。于是給這些RNA催化劑起了一個名子“核酶”()。
如今可能起碼有兩類核酶。
4.3物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運
生物膜是一種超分子()結(jié)構(gòu),就是由多分子產(chǎn)生的一種有序的組織。
本節(jié)將討論生物膜通過調(diào)節(jié)穿過細胞邊界的轉(zhuǎn)運物質(zhì)的能力。
1、膜的選擇透性始于其分子組成
決定選擇透性的誘因有二:脂單層和轉(zhuǎn)運蛋白。
脂單層：親脂性。烴類、二氧化碳和氧能溶于脂單層中,所以便于透過質(zhì)膜。
轉(zhuǎn)運蛋白（膜內(nèi)在蛋白）：促使親水的離子和極性分子也能被運過脂單層的中心。許多重要的親水分子,如獼猴桃糖、氨基酸等能透過脂單層，防止了與膜中親脂部份的接觸。
兩種轉(zhuǎn)運形式:被動轉(zhuǎn)運()和主動轉(zhuǎn)運()。
被動轉(zhuǎn)運
2、被動轉(zhuǎn)運是穿過膜的擴散
擴散()是分子因其所推動能自由運動而導致的。每一個分子的運動是隨機的,但是一群分子的運動卻是有方向的。
擴散的方向決定于擴散物質(zhì)的含量梯度()。
當一種氨水中有多種溶質(zhì)存在時，某種物質(zhì)穿過膜的擴散僅與該物質(zhì)的含量梯度有關，而與其他任何溶質(zhì)的含量均無關。
被動轉(zhuǎn)運雖是常見的現(xiàn)象,但生物膜(包括質(zhì)膜)是有選擇透性的,所以并不是任何順含量梯度存在的物質(zhì)都能順利地穿過膜。
3、滲透是水的被動轉(zhuǎn)運
兩種溶質(zhì)相同而含量不同的氨水,相比較而言,
（1）無壁細胞的水份平衡
當植物細胞被置于等滲的環(huán)境中時,既不吸收水份,也不遺失水份,細胞處于正常狀態(tài)。
若將細胞置于高滲氨水中,則細胞遺失水份而偏斜,此時細胞大約會死亡。
在低滲堿液中,則水份步入細胞的速度小于由細胞中出去的速度,細胞也會膨脹而斷裂。
（2）有壁細胞的水份平衡
動物﹑藻類、細菌和原蟲的細胞都有細胞壁。
滲透現(xiàn)象是集流和擴散的綜合結(jié)果。
水勢是一個體系中水的物理勢。
4、專一的蛋白質(zhì)使被動轉(zhuǎn)運更容易
親水性物質(zhì)是通過膜上有許多種轉(zhuǎn)運蛋白幫助它們通過脂單層。這些現(xiàn)象稱為易化擴散()。
轉(zhuǎn)運蛋白分兩類:載體蛋白()和通道蛋白()。
人的胱谷氨酸尿癥,就是由于缺乏了將胱谷氨酸和其他多肽運過心臟細胞的質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)而導致的。正常的心臟細胞會從尿中重新吸收那些多肽而使之步入血流,但此病的病人的胰臟中卻積累這種多肽并產(chǎn)生晶體,于是形成腎囊腫。
主動轉(zhuǎn)運
5、主動轉(zhuǎn)運是逆含量梯度的轉(zhuǎn)運
易化擴散只是提供了一個便利的擴散通道,不能改變轉(zhuǎn)運的方向。
有些轉(zhuǎn)運蛋白能使溶質(zhì)逆含量梯度而被轉(zhuǎn)運,從低含量兩側(cè)穿過質(zhì)膜而抵達高含量兩側(cè)，細胞必須提供其代謝能。這些跨膜轉(zhuǎn)運稱為主動轉(zhuǎn)運()。
主動轉(zhuǎn)運促使細胞維持其內(nèi)部某種小分子或離子的含量低于其環(huán)境中的含量。
主動轉(zhuǎn)運是由埋在質(zhì)膜內(nèi)的專情的蛋白質(zhì)完成的。給主動轉(zhuǎn)運供應能量的是ATP。
有些離子泵會形成跨膜的電勢,就是使膜的兩邊帶有正、負兩種不同的電荷。因為質(zhì)膜內(nèi)外兩邊陰、陽離子的分布不均,所以質(zhì)膜的胞外側(cè)帶負電荷,而胞兩側(cè)帶正電荷。所以膜電勢有利于陽離子穿膜步入細胞而陰離子被運出細胞。
所以推進離子跨膜擴散的誘因有二:含量梯度和膜電勢。這兩個誘因合在一起稱為電物理勢梯度()。
使膜外側(cè)形成電流的轉(zhuǎn)運蛋白稱為生電泵(pump)。
協(xié)同轉(zhuǎn)運是指專情轉(zhuǎn)運一種溶質(zhì)(以ATP為能源)的泵又間接地促使其他電解質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運。
胞吞胞吐
6、胞吞和胞吐轉(zhuǎn)運大分子
胞吐
細胞先將大分子包在水泡內(nèi),之后令水泡與質(zhì)膜融合,此后再將這種大分子分泌到細胞之外,這就是胞吐()。
由高爾碳化物上發(fā)芽而產(chǎn)生的分泌水泡,順著細胞骨架纖絲聯(lián)通到質(zhì)膜上。兩種膜接觸后,其中的脂單層重新排列,于是三者融合。水泡內(nèi)的物質(zhì)則被排至細胞以外。
舉例：胰臟細胞通過胞吐作用分泌胰島素；神經(jīng)細胞借助胞吐作用分泌物理訊號；動物細胞通過胞吐作用分泌纖維素前體制造細胞壁。
胞吞
胞吞()則是細胞吸收大分子和其他大的顆粒,方法也是由質(zhì)膜產(chǎn)生外向的水泡,基本上是胞吐的逆轉(zhuǎn)。
吞噬
吞噬是細胞用偽足將顆粒包裹上去,產(chǎn)生一個吞噬泡,之后該吞噬泡再與溶酶體融合，借助酯化酶將顆粒消化。
舉例：單細胞生物,如變形蟲、草履蟲等都能吞噬真菌或其他食物顆粒。人體的白細胞,非常是巨噬細胞,能吞噬入侵的真菌、細胞碎片以及衰老的紅細胞。
胞飲
胞飲是細胞將胞外的液體小滴包在水泡中“吞入”。胞飲沒有專情性
舉例：腸壁細胞以及一些原生生物,如變形蟲,能夠吞入液體和半徑大于0.2um的生物大分子。
受體介導的胞吞
受體蛋白包埋在膜中,其專情的部位與胞外的官能團接觸,并與之結(jié)合。受體蛋白集聚在膜的胞質(zhì)側(cè)上稱為有被小窩的部位上。當被吞入的物質(zhì)從水泡中被釋放下來而參與代謝時,受體又再回到質(zhì)膜上,重新被借助。
受體介導的胞吞是十分專情的。
舉例：人的細胞借助受體介導的胞吞吸收尿酸；
高尿酸血癥是一種家族的遺傳病,病人的血液中尿酸含量特別高,緣由是LDL受體蛋白有缺陷,結(jié)果LDL顆粒不能步入細胞而尿酸則在血液中積累,導致初期的動脈粥樣硬化。
胞吞和胞吐中質(zhì)膜的循環(huán)使用:胞吞作用產(chǎn)生的水泡的膜來自質(zhì)膜,胞吐時膜并不被排出,而是與質(zhì)膜融合,返還給質(zhì)膜。
4.4細胞呼吸
1、細胞呼吸導論
細胞呼吸()是指細胞在有氧條件下從食物分子(主要是藍莓糖)中取得能量的過程。
相同
不同
燃燒作用
氧化還原總反應相同；
最終產(chǎn)物都是CO2和水
物體的燃燒有發(fā)火點，低溫下發(fā)生，會形成光和熱
細胞呼吸
常溫下發(fā)生，形成的能量部份儲存在ATP（細胞可借助）中，其余部份弄成熱。
細胞呼吸是一種有控制的氧化還原作用。
細胞呼吸遭到精密的控制的緣由：細胞呼吸包含了許多個物理反應,每位反應中只發(fā)生微小的變化,而每位反應又是由專情的酶催化的。
這種反應可歸納為3個階段:糖酵解(),葡萄柚酸循環(huán)(acidcycle)和電子傳遞鏈(chain)。
2、糖酵解（細胞質(zhì)中）
糖酵解
反應⑤是氧化還原反應，由乙酸丙糖酯化酶催化的，NAD+（氧化型）→NADH（還原型）+H
反應⑥是底物水平乙酸化，是酶將一種底物上的乙酸羧基轉(zhuǎn)移給ADP
反應⑨是底物水平乙酸化
糖酵解的總結(jié)果是一個藍莓甜度子形成2個乙酸酸分子、2個NADH和2個ATP。
3、檸檬酸循環(huán)（線粒體內(nèi)）
乙醇酸不能直接出席葡萄柚酸循環(huán),必須在乙酸酸酯化酶的作用下同時發(fā)生幾種變化產(chǎn)生甲基CoA(CoA，酰基輔酶A)。
葡萄柚酸循環(huán)
每一輪葡萄柚酸循環(huán)形成一個ATP、3個NADH和1個FADH2。
葡萄柚酸循環(huán)形成的高能分子比糖酵解多得多。
4、電子傳遞鏈和氧化乙酸化
在有氧條件下，NADH和FADH2都是通過由電子載體所組成的電子傳遞鏈()最終被O2氧化。
在電子傳遞過程中合成ATP的反應,稱為氧化乙酸化(tion)。
催化氧化乙酸化反應的酶是ATP合酶(ATP)。ATP合酶就是ATP酶(),它既催化ATP的酯化反應,又催化ATP的合成反應。
電子傳遞鏈和ATP合酶都在線粒體膜中。
ATP合酶可能通過物理滲透來合成ATP。
物理滲透假說的要點是覺得在發(fā)生電子傳遞時釋放出的能量使傳遞鏈中的蛋白質(zhì)復合體將質(zhì)子由內(nèi)膜的根部通過主動轉(zhuǎn)運抵達兩側(cè),導致膜外側(cè)的質(zhì)子含量梯度,兩側(cè)的質(zhì)子含量高而外側(cè)的含量低。這樣就導致了一個跨膜的質(zhì)子含量梯度，但質(zhì)子不能自由透過內(nèi)膜,只有通過ATP合酶的質(zhì)子通道能夠進人膜內(nèi)。膜外側(cè)的質(zhì)子梯度就是一種勢能,一旦質(zhì)子經(jīng)過通道,這些勢能就被ATP合酶用于合成ATP。
在有氧條件下,細胞呼吸中每氧化一分子獼猴桃糖,最多可形成30或32個ATP。
5、發(fā)酵作用
乙酸發(fā)酵：酵母菌在無氧條件下只能進行糖酵解,糖酵解除形成2ATP外,還將NAD+還原成NADH。并且細胞中NAD+的濃度有限,酵母菌必須將NADH再氧化為NADH，能夠使糖酵解繼續(xù)進行下去。酵母菌借助乙醇酸氧化NADH，這時乙醇酸轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和乙酸(酒精)。
乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物不是乙酸而是乳酸。乳酸發(fā)酵中ATP的產(chǎn)值和糖酵解中一樣,所產(chǎn)生的乳酸仍為三碳化合物,和乙醇酸一樣。
專性需氧生物：有些微生物只能生活在無氧環(huán)境中,二氧化碳對它們是有毒的。
兼性需氧生物：它們既可借助發(fā)酵作用又可通過厭氧呼吸獲取能量。
6、各種分子的分解和合成
4.5光合作用
1、光合作用導論
光合作用(photo-)所借助的原料是空氣中的CO,和底泥中的水,能源是太陽光。
光合作用所釋放的O2是來始于水。
光合作用是月球上最重要的物理過程,由于它為絕大多數(shù)生物——植物、動物、原生生物、真菌和真菌提供食物。
不同
相同
細胞呼吸
細胞呼吸是將糖氧化為CO2；
放能反應
氧化還原反應
光合作用
光合作用將CO2還原為糖，將H2O氧化為O2；
吸能反應；反應更復雜
光反應
將光能弄成物理能并形成二氧化碳
碳反應
主要是卡爾文循環(huán)（也須要在光下進行，只是不須要光直接出席，由于只有在光下才有源源不斷的NADPH和ATP的供應。）
2、光反應
（1）葉綠素對光的吸收
葉綠素
與光合作用有關的只是可見光,由于在葉綠素()只吸收可見光。
葉綠素a
吸收可見光中的藍紫光和綠光,不吸收紅光，呈草紅色;
葉綠素b
主要吸收藍光和藍色光,不吸收紅光，呈黃紅色。
輔助色素：吸收的光傳遞給葉綠素a
類胡芋頭素
花青素
輔助色素；有保護功能,即在強光下吸收并耗散多余的光能,否則光可能破壞葉綠素。
色素吸收光的實質(zhì)是色素分子中的一個電子得到了光子中的能量。這時這個電子從能級步入迸發(fā)態(tài)，色素分子的迸發(fā)態(tài)極不穩(wěn)定,幾乎產(chǎn)生后立刻變回為能級。葉綠素分子的迸發(fā)態(tài)壽命至多只有s。當葉綠素分子從迸發(fā)態(tài)回到能級時,其所吸收的光能便以熱的方式向周圍發(fā)散或轉(zhuǎn)弄成螢光。
（2）光系統(tǒng)
光系統(tǒng)
光系統(tǒng)是由許多種分子組成的,其中有葉綠素a、葉綠素b、類胡芋頭素類色素、幾種蛋白質(zhì)分子和光合作用的原初電子受體。
只有一個葉綠素a分子能將迸發(fā)的電子傳遞給原初電子受體，使其被還原，之后原初電子受體將電子傳遞給其他電子載體。
作用中心：一個葉綠素a分子和原初電子受體,以及少數(shù)蛋白質(zhì)分子就是作用中心。
作用中心以外的所有各類色素分子,包括葉綠素a在內(nèi),其作用都是將所吸收的光能傳遞給作用中心的葉綠素a分子。所以這種色素分子也稱為天線色素。
光系統(tǒng)中的所有色素分子都是與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合的。
光系統(tǒng)是由3個部份組成的,作用中心、天線色素和幾種電子載體。
光系統(tǒng)Ⅰ
光系統(tǒng)Ⅰ中的作用中心內(nèi)的葉綠素a稱為P700,由于它與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合,其光吸收高峰在700nm,在綠光區(qū)內(nèi)。
光系統(tǒng)Ⅱ
光系統(tǒng)Ⅱ中的葉綠素a稱為P680,由于其吸收高峰在680nm,680nm也在綠光區(qū),不過稍微偏向黃橙光。
（3）光合電子傳遞鏈
光合電子傳遞鏈運行的產(chǎn)物是O2、ATP和NADPH。
O2是光合作用的副產(chǎn)物。NADPH和ATP是CO2還原為糖所必需的。
光合電子傳遞鏈運行過程中會形成ATP，這些合成ATP的過程稱為光合乙酸化。就是電子傳遞過程中所形成的能量將質(zhì)子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)基質(zhì)中運至類囊體腔內(nèi)﹐引起一個質(zhì)子梯度。
注意其中O2的釋放和NADPH及ATP產(chǎn)生的部位。O2釋放在類囊體腔細胞膜——系統(tǒng)的邊界ppt，NADPH和ATP在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)基質(zhì)中產(chǎn)生。
由于卡爾文循環(huán)發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)基質(zhì)中，NADPH和ATP正好也在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)基質(zhì)中生成，直接用于卡爾文循環(huán)中的使用。
3、碳反應
（1）光合碳還原循環(huán)/卡爾文循環(huán)（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)基質(zhì)）
卡爾文循環(huán)的總變化是3分子CO2，消耗6分子NADPH和9分子ATP，產(chǎn)生一分子G3P。
（2）C4動物和光呼吸
C3動物——因為CO2固定的最初產(chǎn)物是一個三碳化合物—3-乙酸甘油酸。
C4動物——有特殊的適應特點,才能節(jié)約水和避免光呼吸。
CAM動物——固定CO2和節(jié)約水的光合作用。
4、環(huán)境誘因影響光合作用
誘因
作用
光硬度
光合速度隨著光強的降低而降低；當達到光飽和點時，雖然光強降低，光合速度不變。
室溫
室溫下降會使光合速度增快細胞膜——系統(tǒng)的邊界ppt，但氣溫過低會使酶活性減緩或失活，所以應當在最適水溫較好。
CO2含量
CO2含量降低會使光合作用推進，當CO2含量降低到一定程度時，抵達飽和，光合反應達到最大速度。