4.1 能与细胞

4.1.1 能是做功的本领

化学能是分子中的势能,是活的生物体内最重要的能量形式。
我们在讨论细胞代谢时所涉及的能量,主要是化学能。

4.1.2 热力学定律

热力学第一定律认为宇宙中的总能量是固定不变的。这条定律也称为能量守恒定律。能量既不能被创造,也不能被消灭,只能从一种形式转变为另一种形式。
从热力学第二定律可以推知,一个特定体系的有序性要增加,其环境的无序性便必须增加。这一概念完全适用于细胞的活动。细胞是利用有序性较低一个体系中无序性的程度称为熵。熵代表的是不可利用的能量。

4.1.3 吸能反应和放能反应

化学反应可分为吸能反应和放能反应两大类,细胞中发生的化
学反应也不例外。吸能反应是指反应产物分子中的势能比反应物分子中的势能多。
光合作用是生物界最重要的吸能反应。
每一个活细胞中都要发生千百种放能反应和吸能反应,所有这些反应总称为细胞代谢。

4.1.1 ATP是细胞中的能量通货

4.2酶

4.2.1 酶降低反应的活化能

酶只能识别一种或一类专一的底物并催化专一的化学反应。酶分子中只有一个小的局部与底物分子结合,这一小的局部就称为酶的活性部位。

4.2.2 多种因素影响酶的活性

1. 温度、pH和盐的浓度也影响酶活性。一般酶的最适pH为6~8,接近于中性。盐浓度太高会干扰酶分子中的某些化学键,从而破坏其蛋白质结构,也就是使其活性降低。只有极少数种类的酶能耐受极高的盐浓度。
2. 许多种酶的正常活动还需要非蛋白质成分的参与。这些成分称为辅因子。辅因子可能是无机物,例如,锌、钾、镁离子,也可能是有机物。有机的辅因子则称为辅酶。许多辅酶来自维生素或者就是维生素。
3. 另一大类影响酶活性的化学物质是酶的抑制剂。抑制剂的作用是停止酶的作用或使之减慢。抑制剂有两种类型:竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂。

• 竞争性抑制剂是与酶的正常底物相似的化学物质,它与底物分子竞争酶的活性部位,于是底物分子不能发生反应。
• 非竞争性抑制剂并不占据活性部位,它与酶分子结合的部位不是活性部位。但它的结合却使酶分子的形状发生了变化,而使得活性部位不适于接纳底物分子。如果所形成的是共价键,那就是不可逆的;如果所形成的键较弱,如氢键,那就是可逆的。
  酶的抑制剂有重要的应用价值,某些杀虫剂和抗生素就是酶的抑制剂。

4.2.3 核酶

不仅蛋白质是生物催化剂,RNA也是生物催化剂。于是给这种RNA催化剂起了一个名字“核酶”。最近几年,又发现了好几种核酶。
可能至少有两类核酶:

• 一类是催化分子内的反应,即分子的一部分与另一部分反应,例如RNA的一段在该分子内改换位置。这时RNA分子本身既是底物,又是催化剂。这种RNA分子具有特定的折叠形式。
• 另一类核酶则催化分子间的反应,就是催化别的分子发生反应而作为核酶的RNA分子在反应前后无变化。

4.3 物质的跨膜转运

4.3.1 膜的选择透性源于其分子组成

决定选择透性的因素有二:脂双层和转运蛋白。

• 脂双层是亲脂性的。烃类、二氧化碳和氧能溶于脂双层中,所以易于透过质膜。然而亲水的离子和极性分子也能被运过脂双层的中心。许多重要的亲水分子,如葡萄糖、氨基酸等能透过脂双层,原因在于膜中有许多种转运蛋白,即膜内在蛋白。亲水性物质通过转运蛋白出入细胞,避免了与膜中亲脂部分的接触,这是由于转运蛋白提供了专门的通道供这些物质通过。有时,转运蛋白的专一性非常强,例如,人血液中的葡萄糖经过专一的转运蛋白进入肝细胞,但是果糖(葡萄糖的异构体)却不能由此进入。

4.3.2 被动转运是穿过膜的扩散

扩散物质的浓度梯度。分子或离子总是从高浓度区域向低浓度区域移动,降低其自由能。

4.3.3 渗透是水的被动转运

对于植物细胞而言,细胞的水势(ψ)是由渗透势(ψ)和压力势(ψ)组成的。渗透势决定于细胞液的总浓度,总是负值。压力势来源于细胞壁的压力,总是正值。

4.3.4 专一的蛋白质使被动转运易化

如前所述,水和许多亲水的溶质都是由于浓度梯度而被动地被转运的。这些亲水性物质怎样通过脂双层呢?原因是膜上有许多种转运蛋白帮助它们通过膜。这种现象称为易化扩散。
转运蛋白的分类：

• 通道蛋白：许多转运蛋白是为专一的分子或离子提供走廊或通道,或者说它们是通道蛋白,它们使亲水的分子或离子迅速从膜的一侧走向另侧。已知水的通道蛋白—水通道蛋白就属于这一类。另一类通道蛋白以门控通道的方式起作用,某种刺激使门张开或关闭。这种刺激可能是电刺激或化学物质,化学物质不是被转运的物质。例如,神经递质分子刺激神经细胞使之打开门控通道而令钠离子进人细胞。
• 非通道蛋白：并非所有的转运蛋白都是通道蛋白。许多转运蛋白似乎是发生微妙的构象变化而将溶质运过膜。这种变化可能由被转运分子的结合和释放而引起。这种转运的方向可以是由胞外到胞内或反之,决定于膜两侧溶质的浓度差。人的胱氨酸尿症,就是因为缺少了将胱氨酸和其他氨基酸运过肾
  脏细胞的质膜的转运系统而引起的。正常的肾脏细胞从尿中重新吸收这些氨基酸而使之进入血流,但此病的患者的肾脏中却积累这些氨基酸并形成晶体,于是产生肾结石。

4.3.5 主动转运是逆浓度梯度的转运

例如,动物细胞中的钾离子浓度比其环境中的高得多,而钠离子浓度却低得多。和细胞中其他需要能量的活动一样,给主动转运供应能量的也是ATP。ATP推动主动转运的一种方式就是其末端的磷酸根直接转移给转运蛋白。磷酸基团的转移使得转运蛋白改变其构象(形状),使结合在其上的溶质发生穿过膜的转运。钠-钾泵就是一个这样的转运系统。它将钾离子泵入钾离子浓度已经很高的细胞质内,而将钠离子泵至细胞外。这种泵(转运蛋白)在两种构象中反复变换,每将3个Na运出细胞,便将2个K运入细胞。ATP将转运蛋白磷酸化,从而使之改变构象。

4.3.6 胞吞和胞吐转运大分子

大分子,如蛋白质、多糖甚至更大的颗粒则通过不同的机制进出细胞,一般均与膜形成的小泡有关。

• 胞吞：由高尔基体上出芽而形成的分泌小泡,沿着细胞骨架纤丝移动到质膜上。两种膜接触后,其中的脂双层重新排列,于是两者融合。小泡内的物质则被排至细胞以外。
• 胞吐：胞吐的逆转。

胞吞有三种类型:吞噬、胞饮和受体介导的胞吞。
（1）吞噬是细胞用伪足将颗粒包裹起来形成一个吞噬泡,然后该吞噬泡再与溶酶体融合,利用水解酶将颗粒消化。吞噬作用在生物界普遍存在。
（2）胞饮是细胞将胞外的液体小滴包在小泡中“吞入”。由于胞吞的液体中溶解的或悬浮的任何物质都可能被吞入,所以胞饮没有专一性。
（3）与胞饮相反,受体介导的胞吞是非常专一的。受体蛋白聚集在膜的胞质侧上称为有被小窝的部位上。当被吞入的物质从小泡中被释放出来而参与代谢时,受体又再回到质膜上,重新被利用。受体介导的胞吞使得细胞能够获得大量专一的物质,即使这些物质在胞外液体中浓度并不高。
人的细胞就利用此过程吸收胆固醇,用于膜的合成和作为合成其他固醇的前体。胆固醇在血液中低密度脂蛋白(LDL)颗粒中被运输。这些颗粒与LDL受体结合,然后通过胞吞作用进入细胞。高胆固醇血症是一种家族的遗传病,患者的血液中胆固醇浓度非常高,原因是LDL受体蛋白有缺陷,结果LDL颗粒不能进入细胞而胆固醇则在血液中积累,引起早期的动脉粥样硬化。

4.4 细胞呼吸

4.4.1 细胞呼吸引论

通常我们说人要进行呼吸活动,是指从周围空气中吸入氧气,又向其中呼出二氧化碳,是一种气体交换。细胞呼吸是指细胞在有氧条件下从食物分子(主要是葡萄糖)中取得能量的过程每氧化一个葡萄糖分子可以合成约30个ATP分子,与现有的转化能量的机械相比,这是很高的效率。产物都是CO2和H2O,但是燃烧作用既发热又发光,而细胞呼吸则温和得多。
概括起来,细胞呼吸反应可归纳为3个阶段:糖酵解、柠檬酸循环和电子传递链。

4.4.2 糖酵解

由已经形成的高能磷酸键与ADP合成ATP的反应,称为底物水平磷酸化。糖酵解的总结果是一个葡萄糖分子产生2个丙酮酸分子、2个NADH和2个ATP。糖酵解中所形成的2分子NADH中的能量是细胞从每个葡萄糖分子中所能获取的能量的16%,但只是在有氧条件下这些能量才能被细胞利用。将近80%的葡萄糖分子中的能量只有在有氧条件下通过柠檬酸循环和电子传递链才能被细胞利用。
注意：在有氧条件下,NADH最终会被分子态氧所氧化,丙酮酸也会进一步被氧化。在无氧条件下,NADH也要转变成NAD,否则糖酵解不能继续进行,因为细胞中NAD的含量极低,必须循环使用。

4.4.3 柠檬酸循环

FAD是和NAD+类似的化合物,全名是黄素腺嘌呤二核苷酸,其氧化型为FAD,还原型为FADH2。

4.4.4 电子传递链和氧化磷酸化

糖酵解中产生了NADH,尤其是柠檬酸循环中产生了很多NADH,还有FADH2。这些都是还原型的高能化合物。在有氧条件下,NADH和FADH2都是通过由电子载体所组成的电子传递链最终被O2氧化。这些电子载体都是
一些专一的蛋白质,在真核生物细胞中,它们位于线粒体的内膜中。在原核生物的细胞中,它们位于质膜中。这些电子载体传递电子是有严格顺序的,前一个载体将电子传递给后一个载体,就是发生了一个氧化还原反应。最后一个被还原的电子载体把电子传递给O2,形成H2O。
如图所示,组成电子传递链的有3种蛋白质复合体,其中都有不止一种的电子载体,另外还有2种电子载体不在这3种复合体内。电子传递的每一步骤都释放能量,但只有经过这3种复合体的步骤释放能量较多,足以合成ATP。这种在电子传递过程中合成ATP的反应,称为氧化磷酸化,因为这是只有在有氧条件下才能发生的合成ATP的反应。
催化氧化磷酸化反应的酶是ATP合酶。ATP合酶就是ATP酶( ATPase),它既催化ATP的水解反应,又催化ATP的合成反应。电子传递链和ATP合酶都在线粒体膜中。
化学渗透假说的要点是认为在发生电子传递时释放出的能量使传递链中的蛋白质复合体将质子由内膜的内侧通过主动转运到达外侧,造成膜两侧的质子浓度梯度,外侧的质子浓度高而内侧的浓度低。这样就造成了一个跨膜的质子浓度梯度。电子传递过程使得线粒体内膜两侧形成了质子梯度,但质子不能自由透过内膜,只有通过ATP合酶的质子通道才能进入膜内。膜两侧的质子梯度就是一种势能,一旦质子经过通道,这种势能就被ATP合酶用于合成ATP。因为每个NADH最多可产生2.5个ATP,FADH2最多可产生2个ATP。细胞中葡萄糖的完全氧化最多可产生32个ATP。

4.4.5 发酵作用

酵母菌在无氧条件下只能进行糖酵解,糖酵解除产生2ATP外,还将NAD+还原成NADH。但是细胞中NAD+的含量有限,酵母菌必须将NADH再氧化为NAD+,才能使糖酵解继续进行下去。酵母菌利用丙酮酸氧化NADH,这时丙酮酸转变为CO2和乙醇(酒精)。这种过程称为乙醇发酵,如图所示。酸菜、酸奶、奶酪是利用乳酸菌进行乳酸发酵。
人体内也会发生乳酸发酵。例如,剧烈运动或进行强体力劳动时,肌肉细胞中氧的供应不足,就会通过乳酸发酵获取ATP。所产生的乳酸则被血流带入肝脏,并在该处被氧化成丙酮酸。植物在无氧情况下也会发生发酵作用,例如,成熟的大苹果中除有
香气外,也会有乙醇的气味,就是因为氧供应不足,其中发生了乙醇发酵。被水淹没的植物根中,也可能进行发酵作用。但植物只能利用发酵作用维持短时期的生命。

4.4.6 各种分子的分解和合成

多余的氨基酸也可被转化成其他化合物。这时氨基酸中的氨基或是用于合成别的化合物,或是发生脱氨作用而以脲的形式从尿中排出体外。氨基酸去掉氨基后就转变为丙酮酸、乙酰CoA或柠檬酸循环中的一种酸,最终进入该循环。

4.5 光合作用

4.5.1 光合作用引论

1.光合作用的发现：
光合作用所利用的原料是空气中的CO2和土壤中的水,能源是太阳光。其总反应式如下：CO2+H2O一光能→(CH20)+O2

4.5.2 光反应

1.叶绿素对光的吸收
见光只是其中极小的一部分。与光合作用有关的只是可见光,因为在光合作用中起作用的色素—叶绿素只吸收可见光。叶绿体中的叶绿素有两种:叶绿素a和叶绿素b。叶绿素a吸收可见光中的蓝紫光和红光,呈草绿色;叶绿素b主要吸收蓝光和橙色光,呈黄绿色。因为这两种色素都不吸收绿光,而叶片中的色素又以它们为主,所以太阳光中的绿光或者被叶片反射,或者透射过叶片,所以植物的叶子呈现绿色。
直接参与光合作用的色素只有叶绿素a,叶绿素b吸收的光要传递给叶绿素a后才能在光合作用中被利用,所以叶绿素b称为辅助色素。叶绿体中除含有叶绿素外,还含有其他橙黄色的色素,称为类胡萝卜素。类胡萝卜素有许多种,其中最多的一种称为叶黄素。类胡萝卜素所吸收的光也可以传递给叶绿素a,所以它们也是辅助色素。类胡萝卜素虽不直接参加光合作用,但是它们有保护功能,即在强光下吸收并耗散多余的光能,否则光
可能破坏叶绿素。
每种波长的光,其光子中的能量是固定的。波长越短,光子中的能量越多。色素吸收光的实质是色素分子中的一个电子得到了光子中的能量。这时这个电子从基态进入激发态,成为一个激发的电子,或者说高能电子。所以叶绿素分子吸收光子的一刹那,光子的能量已经变为电子的能量,也就是已经变成了化学能。

从左边的光系统Ⅱ开始,P680被光激发后产生高能电子,这样P80本身就失去了一个电子而成为电子受体,即氧化剂。这种氧化剂足以将H2O氧化成为O2,于是H2O便产生了2个H+和2个电子,电子回到P680。高能电子被原初电子受体所接受,并通过一系列电子载体而传递给光系统I的P00。这种传递过程是能量递降的,电子每从一个载体传递到下一个载体时都会丢失一部分能量,其中有一些能量就形成了ATP中的能量。这个传递链中的每一步反应都是氧化还原反应,像呼吸链中的反应一样。当电子从光系统Ⅱ传递到光系统I的P700时,能量水平已经不高了,不足以还原NADP+,这时被光激发的P700又产生另一个高能电子,其能量水平比光系统Ⅱ中所产生的高能电子还高, 于是电子传递继续进行,直到将NADP+还原为 NADPH。这个电子传递链中每形成一个NADPH分子,需要有一个水分子被氧化,产生1/2个02分子和2H+和2e+，这2个电子和2个质子正是NADP还原为NADPH所需要的。电子从光系统Ⅱ传递到光系统I时,所释放的能量较多,足以供ATP的合成之用。从光系统I到NADP时,所释放的能量太少,不足以形成ATP,但这步骤所产生的 NADPH却是高能分子,其所含能量为ATP的数倍。
如上所述,光合电子传递链运行过程中会产生ATP,这种合成ATP的过程称为光合磷酸化,其作用机制和氧化磷酸化类似。就是电子传递过程中所产生的能量将质子从叶绿体基质中运至类囊体腔内,造成一个质子梯度。质子不能自由通过类囊体膜,只有通过膜中的ATP合酶,才能顺浓度梯度到达叶绿体基质

4.5.3 碳反应

1.光合碳还原循环（卡尔文循环）
图中是Calvin循环的大意。这个循环可分为3个阶段①CO2固定;②氧化还原反应;③RuBP的再生。

第1个阶段是3分子核酮糖二磷酸固定3分子CO2,形成6分子3-磷酸甘油酸，催化这反应的酶是核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶。这个反应实际上是一个羧化反应,使一个五碳糖变成了2个三碳的糖酸。
第2个阶段是卡尔文循环中利用能量最多的反应:三碳的糖酸(3-PGA)被还原成三碳糖,即甘油醛-3-磷酸。这时糖已经形成,光合作用中合成糖的过程实际上已经完成,以后的变化就是G3P如何转变为葡萄糖等己糖和各种多糖如淀粉。这些反应已不属于卡尔文循环了。
第3个阶段是RuBP的再生,这个阶段包括许多个反应,简言之,就是5个三碳糖(G3P)变成了3个五碳糖(RuBP)。RuBP的再生需要ATP。卡尔文循环在叶绿体基质中发生,全部有关的酶
都存在于基质中。光合作用的产物G3P也在叶绿体基质中被利用或转变为其他化合物。

2. C4植物和光呼吸
   上面所讲的直接利用空气中的CO2进行光合作用的植物称为C3植物,因为CO2固定的最初产物是一个三碳化合物——3-磷酸甘油酸。许多重要的作物,例如水稻、小麦、大豆以及许多种果树和蔬菜,都是C3植物。C3植物有一个共同的问题,就是在干旱、炎热的日子里,气孔会关闭,CO2不能到达叶绿体。所以气候干燥时C3植物会减产。
   对于植物而言,关闭气孔是一种适应现象,因为这样就可减少水分的损失。但是关闭气孔也会阻止CO2进入叶片和O2逸出叶片。其结果是叶内CO2很少,而光合作用的光反应所释放的O2又在叶内积累。卡尔文循环中的第一个酶有一个特点,就是能够固定O2所以称为加氧酶。在CO2很少而O2很多的情况下,这种固定O2的作用非常显著,其结果是产生一种二碳化合物,然后植物细胞又将这种二碳化合物分解为CO2和水。这种作用名为光呼吸。光呼吸的结果不是产生糖,而是使细胞中已有的糖转变成CO2,像细胞呼吸一样。但是光呼吸又不像细胞呼吸那样能够产生ATP。
   有一类植物与C3植物不同,它们有特殊的适应特性,能够节省水和防止光呼吸。这类植物称为C4植物。当气温高而干燥时,C4植物将气孔关闭,减少水分的蒸发,但同时却能继续利用日光进行光合作用。原因是C4植物中第一个固定CO2的酶不是rubisco,不能固定O2。这种酶存在于一种不发生卡尔文循环的细胞中,它将CO2固定在一种C4化合物中,并且在CO2很少的情况下也能固定CO2。这种C4化合物能够转移到相邻的细胞中去并释放CO2,参与卡尔文循环。所以C4植物在气孔关闭的情况下仍能进行光合作用。玉米、高粱、甘蔗都是C4植物,它们都起源于热带,适于在高温、干燥和强光的条件下生长。

   
   
   
   

   还有一种固定CO2和节省水的光合作用。菠萝仙人掌和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物统称为CAM植物(图4.31c)。CAM植物特别适应于干旱地区,其特点是气孔夜间张开,白天关闭。夜间CO2能够进入叶中,也被固定在C4化合物中,与C4植物一样。白天有光时则C4化合物释放出
   的CO2,参与卡尔文循环。CAM光合作用的效率不高,利用这种途径的植物可以在荒漠中、酷热的条件下存活,但生长很缓慢。

4.5.4 环境因素影响光合作用

影响光合作用最大的环境因素有3种:光强度、温度和CO2浓度。

• 光强度并不需要达到全日照的强度,光合速率即已趋于平稳,也就是达到了光饱和点。