第十讲 生命体系中能量获得与转换

1. 第十讲生命体系中能量获得与转换 细胞代谢（p56~p85） 是生物体内所进行的全部物质和能的变化的总称

2. 学习目的 • 1、理解有机体内能量的产生机制 • 2、理解酶的工作机制 • 3、了解细胞呼吸的几个过程，以及能量的产生情况 • 4、了解光合作用过程

3. 一、生命和能

4. 生物体是一个系统：自组织的、复杂的、有序的、开放的。。。生物体是一个系统：自组织的、复杂的、有序的、开放的。。。 • 耗散结构 • 生物体是物质、能量和信息的平衡体，任何生命活动都包含着物质的转变、能量的转换和信息的传递。

5. 热力学定律 • 能量（Energy）： • 多种形式：光、电、化学、热、机械等 • Energy is the ability to bring about change or to do work. • 热力学第一定律：能量转化和守恒定律 。 • 热力学第二定律：开尔文叙述、克劳修斯叙述。 • 一个系统中的各种自发过程总是朝着熵增大的方向进行的。 • 万物皆走向衰退。

6. 细胞和生物体是和外界环境紧密联系的开放系统。细胞和生物体是和外界环境紧密联系的开放系统。 • 自由能、热能 • ds=des+dis • ds:细胞和生物体的全部熵值变化 des:熵流<=0 dis:熵产生>=0 • ds>0:系统有序化程度下降，细胞和生物体走向死亡 • ds<0:系统向更有序化发展，细胞和生物体生长和进化

7. 耗散结构:(dissipative structure) • 生命体需要消耗能量，这些能量使得生命产生出远离平衡态的结构，这种称为耗散结构 。 • 生命体可以定以为一个通过不断汲取外部能量来维持甚至扩展其有序结构的系统。 • 生活细胞和生物体是通过使环境中的熵增加，或者说从环境中吸收负熵，来抵消体内熵的增长。 • 贝纳尔不稳定性（Benard instability） • 别洛索夫-扎鲍京斯基反应(Belousov-Zhabotinskii reaction)

8. 生命体系中的能量大部分直接、间接来自太阳 • 在细胞和生物体的能的转换中起重要作用的是化学能，其中ATP充当各种类型能的转换中的媒介物。 细胞中能的转换 能的转换 发生部位 化学能转换为渗透能 化学能转换为机械能 化学能转换为辐射能 化学能转化为电能 光能转换为化学能 声能转换为化学能 光能转换为化学能 肾 肌细胞、纤毛上皮细胞 萤火虫发光器官 神经、味觉及嗅觉感受器细胞 叶绿体 内耳 视网膜

9. ATP是生命体系中重要的能量储存物质，被称为能量货币单位，ATP是由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基构成，其中第二个和第三个磷酸基上的磷酸键时高能键（~），不稳定易被水解，从ATP上水解下来的磷酸基是一种能量穿梭集团，对驱动吸能反映起决定作用。

10. 二、化学平衡 • 自发反应（spontaneous reaction）: • 自然界存在的一种不需要从外部供能就可发生的反应。通常都是不可逆的。如发酵 • 可逆反应(reversible reaction) • 反应同时向2个相反的方向进行 可逆反应的特点是能达到动态平衡，反应仍在进行，但反应物和产物的消耗与生成数量相等——化学平衡 对于反应 C+D E+F 平衡常数Keq=[E][F]/[C][D] 放能反应(exergonic reaction)、吸能反应(endergonic reaction) 平衡常数Keq与标准自由能变化(ΔG)有相关性 ΔG越小， Keq越大。 ΔG<0是放能反应， Keq大

11. 三、酶（Enzymes） • 1、定义 • 酶是活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，又称为生物催化剂。 • 广泛存在于各种细胞中，催化细胞生长、代谢等生命过程中几乎所有的化学反应。 • 细胞内合成的酶主要是在细胞内起催化作用，也有些酶合成后释入血液或消化道，并在那里发挥其催化作用，人工提取的酶在合适的条件下也可在试管中对其特殊底物起催化作用。 • 细胞产物；细胞内外都能发挥催化作用；蛋白质

12. 2、酶促反应的特点 • (1)具有一般催化剂的性质 • 加速化学反应的进行，而其本身在反应前后没有质和量的改变，不影响反应的方向，不改变反应的平衡常数 • (2)具极高的催化效率 • 　　一般而论，酶促反应速度比非催化反应高107~20倍，例如，反应 • H2O2+H2O2→2H2O+O2 • 　　在无催化剂时，需活化能18，000卡/克分子；胶体钯存在时，需活化能11，700卡/克分子；有过氧化氢酶存在时，仅需活化能2，000卡/克分子以下。 • （3）高度的专一性 • 一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性(specificity)。受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物(substrate)。

13. 酶对底物的专一性通常分为以下几种： • a、绝对特异性(absolute specificity) • 一种酶只作用于一种底物产生一定的反应，称为绝对专一性，如脲酶，只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素水解。 •  　 • b、相对特异性(relative specificity) • 一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的专一性称为相对专一性。如脂肪酶不仅水解脂肪，也能水解简单的酯类；磷酸酶对一般的磷酸酯都有作用，无论是甘油的还是一元醇或酚的磷酸酯均可被其水解。 • C、立体异构特异性(stereospecificity) • 一种酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体异构专一性或特异性。如α-淀粉酶只能水解淀粉中α-1,4-糖苷键，不能水解纤维素中的β-1，4-糖苷键；L-乳酸脱氢酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。酶的立体异构特异性表明，酶与底物的结合，至少存在三个结合点。

14. 　（3）酶活性的可调节性 • 　酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢，酶的催化活性也受多方面的调控。例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节以及神经体液因素的调节等，这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰如其分的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调一致地进行。 • （4）酶活性的不稳定性 • 　酶是蛋白质，酶促反应要求一定的pH、温度等温和的条件，强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。

15. 3、酶促反应的作用机制 • 特异性的解释： • （1）1913年，L. Michaelis和 M. Menton提出了酶-底物复合物的学说 • （2）D. Keilin和B. Chance同时分别得到了关于酶—底物复合物存在的比较直接的证据 • 酶的活性中心和底物结合的机理 • （1）1890年，E. Fischer提出钥匙—锁模型（lock-key） • （2）1958年，D.E.Koshland 提出的诱导—楔合模型(induced fit model)

16. 酶-底物复合物的学说 • E代表酶，S代表底物，P代表产物 • 酶分子先和底物分子结合，生成酶-底物复合物，然后复合物分开生出产物P，酶又恢复游离状态，重新参加反应。 • 酶都是由蛋白质形成的，多为球蛋白，活性部位是球蛋白表面少数几个氨基酸组成的小凹或沟状部分。

17. 酶-底物复合物存在的证据 • 在植物辣根中获得棕色的过氧化物酶，能催化H2O2降解为水和氧的反应。当底物和棕色的酶混合后，首先观察到的是绿色的酶-底物复合物的形成，然后这种复合物又转变为第二种淡红色的酶-底物复合物，最后第二种复合物裂解，放出棕色的过氧化物酶和H2O2的降解产物，即水和氧。 • 从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的结晶，并得到了X线衍射图，证明了ES复合物的存在。

18. 酶活性中心与底物结合机理 • （1）钥匙和锁模型 • 认为底物和酶分子的关系，就像钥匙和锁相配一样，一把锁只能被一把钥匙打开，或是被在构象上相近的钥匙打开。 • 不能解释可逆反应，为什么不同的钥匙能开同一把锁？

19. （2）诱导——楔合模型 • 酶与底物结合时，底物能诱导酶分子的构想发生变化，使酶分子能与底物很好的结合，从而发生催化作用。 • 酶的X射线衍射研究证明，酶与底物结合时，酶分子的构象的确是发生了变化。 • 酶和底物的相互作用要释放一些结合能，以使酶-底物复合物稳定，同时可用来降低化学反应所需的活化能了。

21. 4、辅助因子 • 酶的分子组成： • 单纯酶是基本组成单位仅为蛋白质的一类酶。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。脲酶、消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等均属此列。 • 结合酶的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白)外，还需要非蛋白质的物质，或还需要一些其它物质的参与才能发挥作用。即所谓酶的辅助因子(cofactors) • 全　　酶 =　　酶　蛋　白 +　辅助因子 • (结合蛋白质) (蛋白质部分) (非蛋白质部分) • 许多辅助因子只是简单的离子，如Cl,Mg,Fe,Cu等，有把底物和酶结合起来或者使酶分子的构象稳定，从而保持其活性的作用。有些离子还是酶促反应时的作用中心。 • 辅酶：有机化合物辅助因子，如许多维生素。作用主要是在酶促反应中携带和传递底物的电子、原子和作用基团。

22. Cl- Mg2+ Fe2+ Cu2+ 唾液淀粉酶 参与葡萄糖降解的一些酶 过氧化物酶等 细胞色素氧化酶等 H原子（电子） H原子（电子） H原子（电子） H原子（电子） H原子（电子） 酰基 羧基（-COOH） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+, 辅酶Ι） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷脂（NADP+, 辅酶Π） 黄素单核苷酸（FMN） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） 辅酶Q（CoQ或Q） 辅酶A（CoA） 生物素（Biotin）

23. 5、酶活性的抑制 • 酶的抑制剂（Enzyme inhibitors）： • 抑制酶的活性，或使酶分子本身受到破坏，但不引起酶蛋白变性的物质的化学物质。

24. 6、酶促反应的序列 • 酶促反应具有很高的特异性，产物和底物各不相同。一个细胞可以同时进行数百种甚至更多的酶促反应，这些反应不是独立的，而是相互联系的，并形成序列。 • 每个序列都有自己的生物功能，如葡萄糖的氧化等，多个序列反应进而组合而成细胞的代谢网络。 • 酶促反应通过产物—底物连接起来的特征具有重要的生物学意义：它使细胞中物质和能的代谢是高度严格有序的，它规定了细胞中的化学反应总是沿着特定路线进行。

25. Negative feedback and a metabolic pathway. The production of the end product (G) in sufficient quantity to fill the square feedback slot in the enzyme will turn off this pathway between step C and D. Image from W.H. Freeman and Sinauer Associates, used by permission.

26. 四、细胞内氧化还原反应 • 氧化反应：失去电子或氢的反应； • 还原反应：得到电子的反应 • 细胞代谢过程中包含许多氧化还原过程，细胞色素（cytochromes）是这些反应中重要的电子传递体。

27. 细胞中常见的氧化-还原反应除包含电子的传递转移外，还包含氢的传递和转移，它与电子的转移是伴随发生的。细胞中常见的氧化-还原反应除包含电子的传递转移外，还包含氢的传递和转移，它与电子的转移是伴随发生的。 • 细胞中能直接从底物取得电子和氢的传递体成为初级电子受体。如NAD+、NADP+、FMN和FAD等 • 机体内进行的脱氢，加氧等氧化反应总称为生物氧化，按照生理意义不同可分为两大类，一类主要是将代谢物或药物和毒物等通过氧化反应进行生物转化，这类反应不伴有ATP的生成；另一类是糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解，生成H2O和CO2，同时伴有ATP生物能的生成，这类反应进行过程中细胞要摄取O2，释放CO2故又形象地称之为细胞呼吸(cellular respiration)。 • 生物氧化和非生物氧化或燃烧的化学本质是相同的，但生物氧化和非生物氧化进行的方式却大不一样。 • 细胞内生物氧化是在常温、PH中性或近于中性及水环境下进行的，是在一系列酶、辅酶和中间电子受体等的作用下逐步完成的，因为能是逐步被释放的，以生成ATP方式释放能量。

28. 五、细胞呼吸 • 细胞呼吸（cell respiration）： • 细胞氧化葡萄糖、脂肪酸或其它有机物以获取能并产生CO2的过程。在所有生物中存在，是生物获取能的方式。 • 是一个复杂的、有多种酶参与的多步骤过程。 • C6H12O6+6O2+6H2O——6CO2+12H2O+能 • 呼吸商（respiratory quotient，R. Q）： • 细胞呼吸产生的CO2和消耗的O2分子比。 • 不同的呼吸底物有不同的值。葡萄糖为1，一般脂肪酸为0.71，蛋白质为0.80。 • 值越小，所含的化学能就最多，脂肪作为细胞或生物体贮存的营养物就最为适宜。

29. 细胞呼吸的全过程可以分为四个部分： • (1) 糖酵解（glycolysis） • (2)丙酮酸氧化脱羧（oxidation and decarboxylation of pyruvate） • (3) 柠檬酸循环（citric acid cycle） • (4) 电子传递链（chain of electron transport）

30. 1、糖酵解 • 糖酵解途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。 • 总反应为： • 葡萄糖+2ATP+2ADP+2Pi+2NAD+——>2丙酮酸+4ATP • +2NADH+2H++2H2O

31. （1）葡萄糖磷酸化 • 使葡萄糖的稳定状态变为活跃状态，消耗1个ATP • 放能反应，一个ATP放出一个高能磷酸键，大约放出30.5kj自由能，大部分变为热而散失，小部分使磷酸与葡萄糖结合。

32. （2） 至此，1个葡萄糖分子消耗了2个ATP分子而活化，经酶的催化成果糖-1,6-二磷酸分子。

33. （3） 以上为第一阶段，1个葡萄糖转化为2个PGAL。消耗2个ATP

34. （4）（5）获得了2个ATP，同时生成2NADH+2H+ 底物水平磷酸化

35. （6）生成2个ATP和2个丙酮酸 以上是糖酵解的第二阶段，共生成4个ATP，2个（NADH+H+）

36. 2、丙酮酸氧化脱羧——乙酰CoA的生成 • 糖酵解过程释放的能量不足1/4 • 在线粒体的基质中发生，释放出1分子CO2，生成一分子NADH+H+

37. 3、柠檬酸循环 • Hans Krebs发现 • 反应过程的酶，除了琥珀酸脱氢酶是定位于线粒体内膜外，其余均位于线粒体基质中。 • 主要事件顺序为： • （1）乙酰CoA与草酰乙酸结合，生成六碳的柠檬酸，放出CoA • （2）柠檬酸先失去一个H2O而成顺乌头酸，再结合一个H2O转化为异柠檬酸 • （3）异柠檬酸发生脱氢、脱羧反应，生成5碳的-酮戊二酸，放出一个CO2，生成一个NADH+H+ • （4） -酮戊二酸发生脱氢、脱羧反应，并和CoA结合，生成含高能硫键的4碳琥珀酰CoA，放出一个CO2，生成一个NADH+H+ • （5）碳琥珀酰CoA脱去CoA和高能硫键，放出的能通过GTP转入ATP

38. （6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸，生成1分子FADH2，（6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸，生成1分子FADH2， • （7）延胡索酸和水化合而成苹果酸 • （8）苹果酸氧化脱氢，生成草酸乙酸，生成1分子NADH+H+ • 小结： • 一次循环，消耗一个2碳的乙酰CoA，共释放2分子CO2，8个H，其中四个来自乙酰CoA，另四个来自H2O，3个NADH+H+，1FADH2。此外，还生成一分子ATP。 • 特点： • （1）各种生物的细胞呼吸中都存在，是生物在代谢上的一个共性，生物进化的一个证据 • （2）高效性

40. 4、电子传递系统和氧化磷酸化 • 葡萄糖代谢中的大部分能量的释放靠包括分子氧在内的电子传递系统或电子传递链来完成。 • 电子传递链：存在于线粒体内膜上的一系列电子传递体，如FMN、CoQ和各种细胞色素等，分子氧是电子传递链中最后的电子受体。 • 在电子传递链中，各电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平顺序传递，在传递过程中释放的能通过磷酸化而被储存到ATP中，ATP的形成发生在线粒体内膜上。 • 氧化磷酸化：磷酸化作用是和氧化过程的电子传递紧密相关的。与底物水平的磷酸化不同。

42. 氧化磷酸化机制 • 1961年，P.Mitchell提出化学渗透学说（chemiosmosis） • 要点： • 电子传递链位于线粒体的内膜上，电子传递体顺序排列在线粒体的内膜上，其中很多电子传递体和线粒体内膜上的蛋白质紧密结合形成3个电子传递体和蛋白质的复合体。这3个复合体在线粒体内膜上的地位是固定的。除传递电子外，还起着质子泵的作用，将质子泵入膜间腔中，使得在膜间腔和基质之间形成一个电化学梯度，膜间腔内的质子通过ATP合成酶复合体进入基质，释放的能量用来合成ATP。每两个质子穿过线粒体内膜所释放的能可合成1个ATP分子。 • 一个NADH分子经过电子传递链后，可积累6个质子，可生成3个ATP， • 而一个FADH2分子只可生成2个ATP分子。 • 包括一个质子通过有选择性透性的线粒体内膜的过程，又包括一个化学合成，即ADP—>ATP的过程。 • 叶绿体也是通过化学渗透来合成ATP的。

43. 5、细胞呼吸产生的ATP统计 • （1）糖酵解： • 底物水平的磷酸化 4ATP • 葡萄糖分子活化消耗 -2ATP • 产生2NADH，经过电子传递链生成 4或6ATP • （2）丙酮酸氧化脱羧 • 产生2NADH，可生成 6ATP • （3）柠檬酸循环 • 底物水平磷酸化 2ATP • 产生6NADH，可生成 18ATP • 产生2FADH2，可生成 4ATP • 总计生成 36或38ATP

44. 1mol/L ATP的高能键储存的能量约为30.5kJ • 1mol/L葡萄糖细胞呼吸后生成1098kJ，而氧化共生成2872.2kJ能量，其能量转化效率为38%。 • 为什么在糖酵解中产生的2分子NADH生成4或6个ATP？ • 糖酵解在细胞质中发生，产生的NADH只能在线粒体中才能进行氧化磷酸化，而NAD、NADH不能透过线粒体膜。 • 在不同组织的细胞中，存在两条环路，使NADH的电子进入线粒体： • 磷酸甘油环路：昆虫的飞翔肌，在穿膜运输上消耗1ATP • 苹果酸-天冬氨酸环路：心脏、肝、肾

45. 6、无氧途径 • 无氧呼吸或无氧途径（anaerobic pathway）： • 有些细菌利用硝酸盐（NO3-）、亚硝酸盐（NO2-）、硫酸盐（SO42-）或其它无机化合物来代替氧作为最终的电子受体，进行呼吸。和有氧呼吸基本是一样的。 • 更常见的无氧呼吸是发酵（fermentation）： • 一些厌氧细菌和酵母菌等在无氧条件下获取能量的过程。 • （1）酒精发酵（alcoholic fermentation） • （2）乳酸发酵（lactic acid fermentation）

46. 7、其它营养物质的氧化 • （1）氨基酸的氧化 • 氨基酸——有机酸——呼吸代谢过程 • 丙氨酸—丙酮酸、谷氨酸—-酮戊二酸、天冬氨酸—草酰乙酸 • （2）脂肪酸的氧化 • 脂肪酸在细胞质中活化，进入线粒体基质继续氧化，产生乙酰CoA进入TCA；甘油可转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程。

47. 8、能的利用 • 呼吸作用释放的能用于细胞的各种生命活动过程： • 细胞生长、分裂时合成物质 • 维持体温 • 细胞的主动运输 • 转化为光能、电能 • 肌肉收缩 • 细胞呼吸产生的能量约40%供生命活动所需外，其余约60%变为热能。

48. 六、光合作用（photosynthesis） 是自氧生物绿色细胞中发生的代谢过程，是将太阳的光能转换为有机分子的化学键能的过程。 为异养生物提供事物和氧气， 是异养生物赖以生存的基础

49. 1、研究历史 公元前3世纪，亚里士多德提出，植物生长在土壤中，土壤是构成植物体的原材料。 17世纪，医生Van Helmont，实验得出，植物是从水中取得生长所需的物质的。 1772年，化学家Joseph Priestley 实验得出，植物能净化空气。 1779年，医生Jan Ingenhousz确定植物净化空气是依赖于光的。 1782年，牧师J.Senebier证明，植物在照光时吸收CO2，并释放氧气。 1796年， Jan Ingenhousz提出，植物在光合作用中所吸收的CO2中的碳构成有机物的组成成分。 1804年，N.T.de Saussure发现，植物光合作用后增加的重量大于CO2吸收和O2释放所引起的重量变化，认为水参与了光合作用。 1864年，J，Sachs观察到照光的叶绿体中有淀粉的积累。

50. 至此，对光合作用的认识为 • 6CO2+6 H2O——C6H12O6+6O2（光、绿色植物） • 20世纪30年代，van Niel比较了不同生物的光合作用过程，发现了共同之处（绿色植物、紫硫细菌、氢细菌）提出了光合作用的通式为 • CO2+2H2A——>（CH2O）+2A+H2O • 1937年，R.Hill从细胞中分离出叶绿体，证明光合作用产生的O2不是来自CO2，而是来自H2O。并将光合作用分为两个阶段，（1）光诱导的电子传递以及水的光解和O2的释放；（2） CO2还原和有机物的形成。 • Hill reaction： H2O+A——AH2+1/2O2（光） • 40年代初，同位素实验进一步肯定了van Niel和R.Hill的科学预见，证明光合作用产生的O2不是来自CO2，而是来自H2O。