第四章能量与代谢 教学目标 : 生物体的每一项活动都需要能量, 它的能量由细胞呼吸产生的 ATP 提供, 这个过程需要消耗能源 重要的能源是糖 脂肪和蛋白质, 它们最终来自于光合作用 在能量的获得与转换过程中伴随着物质代谢, 主要由一系列生物化学反应完成, 这也反映了生命活动的生物化学本质 1. 掌握生命体系中酶促反应的本质, 和酶的作用机制和性质 ; 2. 掌握细胞呼吸过程的几个阶段, 以及各个阶段中的能量产生和物质转换 ; 3. 了解电子传递链中电子传递过程, 以及电子传递过程中 ATP 的产生过程 ; 4. 了解光合反应的过程, 以及光能转化为存储在糖类中化学能的机制 ; 5. 了解生命体系中的能源, 以及能量的产生过程和应用 ; 6. 理解生命体在生化层次的活动方式和规律 引言生命体系中的能量来源是太阳能 绿色植物和一些微生物 ( 如光合细菌等 ) 通过光合作用把太阳能转变为化学能, 并储存在糖等有机分子中 食草动物 食肉动物 还原腐生的动物等通过食物链间接的利用太阳能 然而, 所有有机体在日常生命活动中所消耗的能量都来自于生物氧化, 即把储存在有机分子中的化学能通过氧化分解释放出来, 并以高能磷酸键的方式存储在 ATP 中, 供生物化学反应过程中使用 在能量代谢的过程中伴随着物质代谢, 是由以酶促反应为代表的一些系列生物化学反应完成, 它是生命活动的基本机制 第一节生命体系中的能量一 能量形式和键能在自然界中能量的形式多种多样, 如光能 热能 电能 机械能和化学能等 在生命体系中, 只有化学能可以被直接作为用来做功的能源, 而其他形式的能量则是起激发生物体做功的作用 例如, 它们可以分别激发动物的平衡感觉 视觉 温觉 痛觉和味觉等 提供给生物体做功的化学能, 可以来自因水解等化学反应而造成生物分子化学键断裂产生的能量, 也可以来自因离子浓度梯度变化而得到的能量 对生物体来说, 储藏在化学键中的能量是一种重要的自由能 所谓自由能, 就是能够用来做功的能量 食物中的自由能有相当一部分是以热的形式散发出去, 这些热不能再被用来做功 不管怎么说, 所有形式的能量最终都要转化为热能, 因此能量的测度通常采用热的单位, 如千焦 (kj) 千卡 (kcal) 生物分子中化学键能的大小与许多因素有关, 其中主要的因素是被键连接在一起的原子间电负性差异 ( 如表 ) 具有较小键能的键容易被破坏, 即这种键本身较弱 较不稳定 在每一生物化学反应中都以 ΔG0 表示特定的标准自由能变化, + 号表示能量并未丧失而是储藏在产物中, - 号表示能量从反应系统中释放出来 1
某些化学键的平均键能 化学键 C-H O-H C-C C-O H-N C-N O=O C=O C=C 187 平均键能 4.2kJ/mol(kcal/mol) 98 110 80 78 103 65 116 (2ⅹ 58) (CO2 中 2ⅹ 145 (2 ⅹ72.5) 93.5) 二 热力学定律 对于一个物体而言, 它的能量形式主要包括动能和势能 物体由于运动, 也就是物体由于具有速度而具有的能量, 称之为动能 而凡是能量的大小决定于物体之间的相互作用和相对位置的, 这种能量称为势能 热力学系统的状态的变化, 总是通过外界对系统做功, 或向系统传递热量, 或两者兼施并用来完成的 热力学系统在一定状态下, 应具有一定的能量, 叫做热力学系统的 内能, 内能的改变量只取决于初 末两个状态, 而与所经历的过程无关 内能是系统状态的单值函数, 从分子运动论的观点来说, 系统的内能就是系统中所有的分子热运动的能量和分子与分子间相互作用的势能的总和 做功 所起的作用是物体的有规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换, 从而改变系统的内能 传递热量 是通过分子之间的相互作用来完成的, 所起的作用是系统外物体的分子无规则运动与系统内分子无规则运动之间的转换, 从而也改变系统的内能 1. 热力学第一定律 ( 能量转化和守恒定律 ) 外界对一系统传递的热量 Q, 系统从内能为 E1 的状态改变到内能为 E2 的状态, 同时系统对外做功为 A, 则 Q=E2-E1+A 说明, 外界对系统所传递的热量, 一部分使系统的内能增加, 一部分用于系统对外所作的功 2. 热力学第二定律有两种叙述方式 开尔文叙述指不可能制成一种循环动作的热机, 只从一个热源吸收热量, 使之完全变为有用的功, 而其他物体不发生任何变化 克劳修斯叙述认为能量不能自动的从低温物体传向高温物体 热力学第二定律是反映自然界中过程进行的方向和条件的一个规律, 指出自然界中出现的过程是有方向性的, 某些方向的过程可以实现, 而另一方向的过程则不能实现 证明了一切与热现象有关的实际过程都是不可逆的 也就是说, 过程产生的效果, 无论用任何曲折复杂的方法, 都不能使系统恢复原状而不引起其他变化 对于系统所处的热力学状态可以用熵 (S) 表示 ds=dq/t 熵不仅仅是能量损失的量度, 同时也是一个过程之不可逆性的量度, 而实际上它是随机和无序状态的一个度量 由于能留在时间中具有方向性, 所以熵也成为了时间的量度, 即时间的不可逆性的量度 对于一个可逆循环中系统的熵变等于零 在封闭系统中发生任何不可逆过程都导致熵的增加, 这 2
称之为熵增加原理 引入熵的概念后, 热力学第二定律可以用以下数学表达式表示 : 这表明一切自发过程总是沿着熵增加的方向进行, 这个熵包括系统和环境的熵, 对封闭系统来讲, 自发过程只有在按系统熵值增加的方向才能进行 热力学第二定律指出, 系统的各种过程总是向着熵值增大的方向进行, 其最简洁而通俗的表述为 : 万物皆走向衰退, 这是自然界普遍使用的规律 生命系统中的高级秩序可以维持吗? 或者换句话说, 如何解释生命系统的多种多样的秩序? 在自然界中还存在一类物理和化学现象, 如广为人知的例子被称为贝纳尔不稳定性 (Benard instability) 的物理现象或称之为别洛索夫 - 扎鲍京斯基反应 (Belousov-Zhabotinskii reaction) 的化学反应, 前者产生于液体的热对流, 后者指许多生物化学反应在特定条件下也能形成与贝纳尔波非常相似的图样 它可以起到一种化学钟的作用, 其振荡频率取决于各组分的浓度 普利高津把这种需要依靠外界供应自由能来维持其有序性的结构称为耗散结构 (dissipative structure) 生命过程一直在与热力学第二定律作抗争, 即与自发过程中熵的增大作抗争 这种抗争靠的是能量的不断输入 例如, 自养生物必须依赖于光合作用 异养生物必须依赖消耗有机质来补充能量 如果不输人能量, 对于活细胞和生物体来说, 系统的有序化程度就要下降, 熵不断增加的结果将导致细胞或生物的死亡 因此, 生命不是一个力学问题, 而主要是一个能量问题 热力学将系统中总的热称为焓 (enthalpy), 以 H 表示 在化学反应中, 反应物或产物的焓等于总的化学键能, 化学键的形成或断开使焓获得吸收补充或者释放 与熵 (5) 和焓 (H) 相关联的第三种物理量叫自由能, 以 C 表示 我们可以把自由能当作在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那一部分能量 当熵增加时, 系统的自由能便会下降, 因此有如下关系式 : ΔG=ΔH-TΔS (T 为绝对温度 ) 物理和化学过程达到平衡时, 即达到系统的自由能最小而熵最大 只有在自由能最小时, 才不会有自发的反应发生, 否则反应会不断进行, 直到将自由能消耗为最小 就像滑梯, 你永远只能向下滑而不会从梯脚滑上去, 正是因为你在滑梯的底部时达到了自由能最小而熵最大的平衡状态或稳定状态 也好比水永远是从高处流向低处, 要把水从山下运到山上, 必须依赖电能驱动的泵 即一个体系的过程自发进行时, 其自由能降低导致熵增加 在生物系统中, 自由能是有用的能, 熵是降解和无用的能量状态 生物体能够通过新陈代谢不断地从周围环境吸取负熵维持高度有序的生存状态 新陈代谢过程使生物体向周围环境释放出其不断产生的正熵 在一个具体的生物化学反应中, 如果产物比反应物含有更少的自由能, 这个反应便趋向于自发地进行 自发反应可释放自由能, 称为放能反应 (exergonic reaction) 相反另一些反应需要从外界输入自由能才能进行, 这种反应称为吸能反应 (endergonic 3
Reaction) 都能自发进行, 产物的自由能比反应物低 ; 对于在过程中吸收能量的, 我们称为 吸能反应, 一般由外界供给能量, 才能使反应发生, 产物的自由能比反应物高 由此可见, 生命体也可以定义为一个需要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 能量的供给被用于维持和扩展结构, 能量大部分来自太阳, 绿色植物利用它 来化学合成所需的养料 换句话说, 阳光的电磁能转变为化学能 ( 葡萄糖和淀粉 ) 有机体 摄入这些养分, 把它们改造 ( 消化 代谢 ) 成可以同化的形式, 然后把它们转变为机械能以 产生肌肉运动, 转变为电能以产生神经冲动, 转变为热能以维持体温, 又或者通过声带转变 为声能 萤火虫甚至把化学能转变为光能, 于是完成了能量的循环 三 新陈代谢 新陈代谢 (metabolism) 简称代谢, 是推动生物一切生命活动的动力源, 是一切生命 现象最基本的特征, 指生物与外界环境进行物质交换和能量交换的全过程 各种分子之间的互相转变称为物质代谢, 而伴随着物质代谢发生的能量的吸收 转移 释放 利用称为能量代谢 1. 新陈代谢的过程 新陈代谢通常又泛指发生在活细胞中的各种分解代谢 (catabolism) 和合成代谢 (anabolism) 的总和, 即 : 新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢 分解代谢又称异化作用, 是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分 子 能量 ( 一般以腺苷三磷酸即 ATP 形式存在 ) 和还原力的作用 合成代谢又称同化作用, 是指在合成酶系的催化下, 由简单分子 ATP 形式的能量和 还原力一起, 共同合成复杂的生物大分子的过程 2. 合成代谢和分解代谢间的关系 1 生物体的新陈代谢, 是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的, 它们之间 是相互联系 相互依存 而且相互制约的 2 在机体的生命过程中, 合成代谢 ( 同化作用 ) 与分解代谢 ( 异化作用 ) 的主次关系也是相 互转化的, 随着双方的消长, 主次关系的变化, 生物个体的发展呈现出生 发育和衰老等 不同的生命阶段 同化作用 > 异化作用生长少年儿童 同化作用 = 异化作用发育青壮年 同化作用 < 异化作用衰老老年 各种分子之间的互相转变称为物质代谢, 而伴随着物质代谢发生的能量的吸收 转移 释放 利用称为能量代谢 太阳能是所有生物最根本的能量来源, 动物和大多数微生物直接或间接依靠植物光合作 用贮存的化学能生活 一切生命活动都与能量代谢密不可分, 能量代谢是新陈代谢的核心问题, 其根本就是生 物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成一切生命活动都能利用的通用能源 4
ATP ATP 是能量代谢的中心物质 四 高能磷酸化合物和磷酸化 1. ATP 的结构一般把水解时能释放出 5.0kcal(20.92kJ) 以上自由能的磷酸化合物称为高能磷酸化合物 腺嘌呤核苷三磷酸 (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基团, 对驱动吸能反应起决定作用 ATP 水解时, 一个高能磷酸键断裂, 放能反应和 ATP 合成相偶联, 吸能反应和 ATP 分解相偶联 ATP + H2O ADP + Pi G = -7.3 Kcal/mol = -31 KJ/mol 化合物 磷酸烯醇 式丙酮酸 甘油酸 -3- 磷酸磷酸肌酸 ATP ADP ADP AMP 葡萄糖 -1- 磷酸 G0 ( 千卡 / 摩尔 ) 14.8 11.8 10.3 7.3 10.3 5.0 当蛋白质分子从 ATP 获得磷酸基后即获得能量, 这个过程就称为磷酸化 磷酸化后的蛋白质构象发生了变化, 而 ATP 则变成了 ADP 获得能量的蛋白质分子就能进行生物学做功, 在做功的同时此能化的蛋白质分子发生去磷酸化, 即脱去磷酸基, 此时蛋白质构象又恢复原来的形状 脱下的磷酸基可以利用细胞中其他物质在氧化过程中所释放的自由能, 与 ADP 重新生成 ATP 显然 ATP 是一种再生资源, 由于细胞做功 ATP 被不断消耗掉, 同时又不断得到再生补充 2. ATP 的生物学功能 1 ATP 是生物细胞内能量代谢的偶联剂 生物界 能量货币 能量的中间传递作用 5
图 4-4 腺苷三磷酸能量起到的中间传递作用 2 ATP 水解释放的自由能可以驱动各种需能的生命活动 表 4-1. 生命活动的能量消耗 生命活动 能量消耗 /kj h -1 坐着写字 117.23 随意站立 125.60 散步 661.51~967.15 游泳 2239.94 实验室工作 305.64 进食 117.23 骑自行车 711.76~2152.02 舞蹈 845.73~2507.89 慢跑 3621.58 从 CO2 合成葡萄糖 需要能量 从葡萄糖合成淀粉 需要能量 从氨基酸合成蛋白质 需要能量 胞外物质进入细胞 需要能量 3. 生命体内能量的应用 生命体内的能量存储在化学键中, 如糖类 脂肪和蛋白质中, 但在生命活动过程中直 接使用的能量是 ATP, 它通过磷酸化作用将储存在高能磷酸键中的能量释放出来, 驱动相应 的化学反应, 产生各种生命活动, 如肌肉的收缩,DNA 的复制等 ATP 的产生在细胞内主 要通过细胞呼吸实现 呼吸作用释放的能用于细胞的各种生命活动过程, 如细胞生长 分裂时合成物质 ; 细 胞生长 ; 维持体温 ; 细胞的主动运输 ; 转化为光能 电能 ; 肌肉收缩等 细胞呼吸产生的能 6
量约 40% 供生命活动所需外, 其余约 60% 变为热能 10g 葡萄糖 ( 一小汤匙 ) 含有 40 千卡, 可以完成 15 分钟的快速跑步 一个 ATP 分子所含有的化学能大约只有一个葡萄糖分子的 1% 葡萄糖中大约 40-50% 的能量被转化储存在 ATP 中 一个人每天大约需要消耗 45 Kg ATP, 但每一时刻贮存在人体里的 ATP 不到 1g 即每个细胞每秒钟大约可形成一千万个 ATP, 同时有同样量的 ATP 被水解, 每摩尔 ATP 水解形成 ADP, 可产生 7.3 Kcal/mol 的能量 一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的 ATP, 可提供大约 2200 Kcal 的能量 第二节酶与生物化学反应一 酶的概念和分类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, 也有些酶合成后释进入血液或消化道, 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 由于酶的催化, 体内反应速度可以大大加快酶是生物催化剂, 由于酶的存在, 生物体内进行的反应比无生命界中进行的同样反应有效得多 在四支试管中, 分别加入过氧化氢溶液 在第一支试管中, 可以看到管壁上缓慢的生成气泡, 这是过氧化氢自发分解为氢气和氧气 在第二支试管中, 加入少许铁屑, 可以看到气泡增多, 说明铁催化下, 过氧化氢分解加快 在第三支试管中, 加入少许小鼠肝糜, 可以看到气泡急剧增加, 说明鼠肝中过氧化氢酶的催化作用比铁屑强的多 在第三支试管中, 加入少许煮过的小鼠肝糜, 气泡产生情况约与第一支试管相当, 说明鼠肝中过氧化氢酶煮后失去活性, 没有催化作用 1. 酶的化学本质是蛋白质有的酶仅仅由蛋白质组成 如 : 核糖核酸酶 ( 催化核糖核酸水解的酶 ) 有的酶除了主要由蛋白质组成外, 还有一些酶活性所必需的小分子参与, 后者称为辅酶或酶的辅基 ( 辅助因子 ) 酶的分子组成 : 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 7
子 原子和作用基团 2. 酶的分类氧化还原酶类 (oxidoreductase) 转移酶类 (transferases) 水解酶类 (hydrolase) 裂解酶类 (Laases) 异构酶类 (isomerases) 合成酶类 (ligases) 习惯命名法 : 底物和反应类型 (EC6.3.1.2) 表示类 - 亚类 - 亚亚类 - 排号 (L- 谷氨酸氨连接酶 ) 二 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) 酶的特性 1 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 ; 当胶体钯存在时, 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 2 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) 酶对底物的专一性通常分为绝对特异性 相对特异性和立体异构特异性 绝对特异性 (absolute specificity) 指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 8
相对特异性 (relative specificity) 指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 当一种酶对底物的立体构型有特异要求时, 此酶具有立体异构专一性或特异性 (stereospecificity) 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 对于特异性的性质可以通过酶 - 底物学说来解释 该学说由 1913 年,L. Michaelis 和 M. Menton 提出, 按照他们的学说, 酶促反应可以表示为 : 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, 然后复合物分开产生产物 P, 酶又恢复游离状态, 重新参加反应 酶的特异性决定于酶分子与底物结合的部分, 即活性部位或活性中心的精确结构 活性部位是大分子表面少数几个氨基酸组成的小凹或沟状部分 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 5 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 9
三 酶促反应机制在无酶催化的情况下, 底物需要越过一个较高的活化能才能发生反应, 变成产物 酶作为催化剂所起的作用就是降低活化能, 从而使反应速度加快 酶为什么会降低酶促反应活化能屏障? 现在一般认为, 从底物角度来说, 当底物进入酶活性中心区域得到集中 浓缩后, 由于酶与底物的相互作用, 致使两者的构象都发生了变化, 此时底物分子内某些基团电子密度发生了变化, 形成所谓电子张力, 使与之相连的敏感键一端变得更加敏感, 更易断裂 稳定的酶 - 底物共价中间物, 此中间物很容易变成过渡态 使反应活化能大为降低, 这样底物就可以越过较低活化能屏障形成产物 同时酶和底物的相互作用时要释放一些结合能, 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 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 关于酶 - 底物的相互结合机理,1890 年,E. Fischer 提出钥匙 锁模型 (lock-key), 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 但它不能解释可逆反应, 为什么不同的钥匙能开同一把锁?1958 年, D.E.Koshland 提出的诱导 楔合模型 (induced fit model), 认为酶与底物结合时, 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 10
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 四 影响酶活性的因素由于酶是具有四级结构的蛋白质大分子, 外界的许多理化因素都会对其结构和构象产生一定的影响, 从而影响到酶的活性 影响酶的活性的因素主要有温度 ph 和抑制剂等 1. ph 对酶作用的影响酶对碱度的敏感是酶的特点之一, 即酶的活力受环境 ph 的影响 在一定的 ph 范围内, 酶的活力随 ph 的变化而变化, 其中酶表现出最大活力时的环境 ph 值, 即为该酶的最适 ph 最适 ph 对不同生物而言不同 : 如对于微生物 植物为 4.5~6.6; 人和动物为 6.5~8.0 ph 影响酶活力的可能原因 : (1) 过酸或过碱可使酶的空间结构破坏, 引起酶构象改变, 失活 ; (2)pH 影响底物的解离状态, 从而影响底物与 E 的结合 (3)pH 影响酶分子活性部位上有关基因的解离, 从而影响与酶结合或催化, 使活性 或使活性部位构象的改变受影响 (4) 可能影响中间产物 ES 的解离状态, 不利产物的生成 2. 温度对酶作用的影响酶的催化作用与它密切相关, 在较低的温度范围内, 酶促反应速率随 T 升高而升高, 但超过一定的温度后,V 反而下降, 因上这一最大 V 所对应的温度通常称为该酶的最适温度 最适温度 :(1) 动物 :30~40 ; (2) 植物 :40~50 ; (3) 微生物 :25 ~60 温度对酶促反应速率的影响作用表现在以下两方面 : (1) 在适宜的温度范围内, 温度每升高 10, 酶促反应速率会增加 1~2 倍 (2) 当温度超过最适温度时, 酶促反应速率反而会下降 原因是高温会使酶蛋白变性 3. 激活剂对酶反应的影响凡能提高酶活性的物质都称为激活剂 主要种类分为无机离子或简单有机化合物 激活剂的作用 : (1) 解除抑制剂的抑制作用, 如蛋白阿拉伯胶做可解除重金属对脲酶的抑制作用 11
(2) 辅酶和辅基是构成某些全酶的必要成份 (3) 无机离子可激活许多酶类, 如 Cl - 可激活淀粉酶 ;Mg 2+ 可激活磷酸酶 4. 抑制剂对酶活性的抑制作用酶的抑制作用 (inhibition): 引起酶活力的降低或丧失的作用统称为抑制作用 根据抑制剂与作用的方式及抑制作用是否可递, 把抑制作用分为两大类 : (1) 不可抑制作用 I 与 E 以共价键结合, 不可逆, 不能用透析 超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活 (2) 可逆抑制作用 I 与 E 以非共价键结合而引起酶活力降低或丧失, 能因物理方法除抑制剂使用酶复活, 可递 根据可逆抑制剂与底物的关系, 可逆抑制作用可分为 3 种类型 : 1 竞争性抑制 : 最常见的一种可逆抑制 I 与 S 竞争 E 的结合部位, 从而影响了底物与 E 的正常结合 a. 原因 : 大多数竞争性抑制剂的结构与 S 结构类似 b. 消防方法 : 此抑制作用的程度取决于底物与抑制剂的相对浓度, 可通过增加 [S] 而解除 例 : 磺胺类药 ( 对氨基苯磺酰胺 ) 与对氨基苯甲酸竞争性合成叶酸的二氢叶酸合成酶, 从而阻碍细菌核酸的合成对 2 非竞争性抑制特点 :S 和 I 同时与 E 结合在 E 的不同结合部位, 两者间无竞争作用 E+S ES+I ESI 或 E+I EI+S EIS 但中间的三元复合物不能有进一步分解为产物, 因此酶的活力降低 属于在酶的活性部位以外的部位上发生竞争, 其结构与 S 无相似之处 例 : 重金属离子对酶的抑制均属此类 3 反竞争抑制作用特点 : 酶与底物结合后, 才能与抑制剂结合 ES+I ESI P 多见于多底物反应中, 在单底物中反应中少见 酶工程简介酶的开发和利用是现代生物技术的重要内容 酶工程 (enzyme engineering) 是 1971 年 12
才命名提出的一项新技术 主要研究酶的生产 纯化 固定化技术, 酶分子结构的修饰和改造以及在工农业 医药卫生和理论研究等方面的应用 由于天然酶开发和利用受到一定的限制, 如不稳定 分离纯化难度大成本高, 价格贵, 现在常采用两种方法进行酶的开发和利用 (1) 化学酶工程 ( 或初级酶工程 ) 通过化学修饰或固定化处理, 来改善酶的性质以提高酶的效率, 降低成本, 甚至通过化学合成法制造人工酶 主要是指天然酶, 化学修饰酶, 固定化酶及人工模拟酶的研究和应用 (2) 生物酶工程 ( 高级酶工程 ) 主要内容包括 : 用基因工程技术大量生产 ( 克隆 ) 酶 ; 对酶进行基因修饰, 产生遗传修饰酶 ( 饰变酶 ); 设计新酶基因, 合成新酶 应用 : 利用 DNA 重组技术, 提高葡萄糖异构酶等活力 ; 合成第一 二代血溶栓尿激酶, 链激酶等, 是现代生物技术的支柱, 具有广阔的应用前景 别构作用五 生物化学反应的特点 1. 在生物体中所进行的生物化学反应都是远离平衡点的反应, 它需要从外界获取能量或向外界输出物质 能量和熵 2. 参与反应的蛋白质一般都是固定在膜上或细胞骨架上, 使细胞内每时每刻所进行的成千上万种生物化学反应, 犹如行驶在具有立交的高速路上机动车, 各行其是, 互不干扰 例如细胞核中 DNA 的复制 转录都必须附着在核骨架上才能正确进行 3. 细胞中生物化学反应的主要类型是氧化还原反应, 电子在定位于膜上或骨架上的蛋白质之间进行高速传递 例如电子传递链 ( 内膜嵴 ) 光合作用 ( 类囊体膜上 ) 4. 由于细胞中的生物化学反应是在膜分隔的空间中进行, 因此存在着位置信息效应, 即生物大分子只有在特定位置发生反应, 其特定功能才能得以发挥 例如,RNA 转录 加工只在核中一定区域进行 ; 蛋白质生物合成是在细胞质中进行, 线粒体和叶绿体只能合成自己需要的一小部分蛋白质, 糖酵解发生在细胞质中, 三羧酸循环发生在线粒体基质中 5. 膜的分隔使细胞中的生物化学反应成为一种由浓度梯度驱动的方向性化学反应 例如, 溶酶体膜上 V- 型 ATP 酶, 叶绿体类囊体膜上的 F- 型 ATP 酶等都是由 H+ 浓度梯度驱动 6. 细胞内所进行的生物化学反应都需要有酶的催化 酶的催化效率高, 反应条件温和, 具有方向性, 对底物有高度专一性 7. 生物体或细胞中所进行的生物化学反应, 在复杂的网络体系中都可以通过正 负反馈得到自动调控 而载着反馈过程蓝本的基因负责调制机体应如何读 如何理解同一基因 13
8. 在生物体中所进行的生物化学反应, 从本质上说都是由一种或几种作用物与受体蛋 白等相互选择引起的 例如, 激素 神经递质等通过与特定的受体蛋白结合形成复合物, 在 由后者引发一系列化学或物理的连锁反应 酶对底物的选择等 第三节 细胞呼吸 一 细胞呼吸概述生命的一切度需要能量来维持 ( 如细胞内物质的跨膜运输 生物大分子的合成 细胞的生长与繁殖等 ) 生民活动所需要的能量主要是通过来提供, 细胞呼吸 (cell respiration) 是生物体获得能量的主要代谢途径 细胞呼吸是指在细胞内, 氧化葡萄糖 脂肪酸等生物大分子以获取能并产生 CO2 的过程, 也称之为生物氧化 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 糖类 脂肪 蛋白质等多种 食物分子 如同汽车内的汽油 燃料 通常用葡萄糖分子的降解反应过程来阐明细胞呼吸的反应过程 : C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+ 能量 (ATP+ 热量 ) 为了更好的理解细胞呼吸的过程, 需要了解真核细胞如何将食物消化成生物大分子, 并将这些生物大分子存储在体内 细胞活动需要的能量以何种方式存在以及氧气在能量产生过程的作用等 1. 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 2. 发酵与细胞呼吸谈到细胞呼吸作用, 有些同学就会想到 发酵 这个日常生活中常见的一种现象 发酵与细胞呼吸作用有什么异同点? 从本质上讲, 发酵实际上是一种典型的细胞呼吸过程, 是酵母菌在有氧和无氧两种条件下对葡萄糖分解时产物和释放的能量产生的差异的过程 酵母菌是一种单细胞真核生物, 可以在有氧和无氧的环境中生活 在有氧环境中, 酵母细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量, 同时产生二氧化碳 所以用酵母菌发面团, 面团会发泡膨胀 ; 烘制面包时, 面包会多孔松软 在缺氧环境中, 酵母菌将葡萄糖分解成酒精 ( 乙醇 ) 和二氧化碳 ( 无氧呼吸 ) 在酿酒时, 酵母菌会将葡萄汁中的葡萄糖分解为酒精和二氧化碳 当酒精浓度达到 12%~16% 时, 酵母菌就会被杀死 在有氧环境中, 食物分子被充分氧化, 可产生比无氧环境更多的能量 3. 呼吸运动与细胞呼吸人体细胞也会通过消耗氧气从葡萄糖分子中获得能量 细胞呼吸定义为生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得能量的过程 通常的呼吸作用与细胞呼吸间有什么关系? 14
通常上讲呼吸是指口腔或鼻腔将氧气吸入肺部再呼出二氧化碳的过程 呼吸作用与细胞呼吸间是相互关联的 慢跑 : 细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量, 同时产生二氧化碳和水的过程 从口腔吸入到肺部的氧气经血液循环到达腿部的肌肉细胞 肌肉细胞利用这些氧将经血液循环运输来的葡萄糖等食物分子通过细胞分解代谢氧化分解为二氧化碳和水, 并产生较多的能量使肌肉收缩运动, 反应产生的二氧化碳废物又经血液循环运送到肺部, 再经口腔或鼻腔排出体外 慢跑时, 血液可为肌肉细胞及时输送细胞呼吸所需要的氧气 快跑 : 血液不能及时为肌肉细胞输送细胞呼吸所需要的氧气, 造成肌肉细胞缺氧, 葡萄糖等食物分子在肌肉细胞中不能被彻底氧化分解, 暂时生成的乳酸可造成肌肉的酸痛 即细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳, 类似于酵母细胞的无氧呼吸 4. 细胞呼吸的本质 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 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 被转移的氢原子所携带的能量储藏在新化学键中 XH2 ( 还原型底物 )+NAD+ X( 氧化型底物 )+NADH+H+ XH2 ( 还原型底物 )+NADP+ X( 氧化型底物 )+NADPH+H+ XH2 ( 还原型底物 )+FAD+ X( 氧化型底物 )+FADH2 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 还原态的 NADH NADPH 和 FADH2 等还可将所接受的电子和氢传递给其他传递体如细胞色素 辅酶 Q 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) 氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢中最基本的反应 生物大分子在体内的氧化与体外燃烧氧化, 在本质上是相同的, 都要消耗氧气, 并产生二氧化碳和水 但是两者产生的能量不同, 燃烧时从生物大分子中释放的能量 100% 是以光和热的形式散失 ; 而葡萄糖的生物氧化时, 约有 40% 的能量是存储到 ATP 中 此外, 在氧化方式上也存在着巨大的差异 葡萄糖在体外燃烧是一步完成的 ; 而体内的生物氧化过程缺是逐步进行的, 需要在 ph 接近中性 体温条件 并需要酶的参与, 产生能量的过程是逐步释放的 5. 细胞呼吸产生的能量 ATP 15
储藏在葡萄糖等食物分子中的化学能经细胞呼吸释放, 以高能磷酸键的形式贮藏在 ATP 分子中 葡萄糖中大约 40~50% 的能量被转化储存在 ATP 中, 而汽车发动机只有 15~25% 转化为动能, 细胞呼吸的产能效率高 在生物体中,ATP 不断地消耗和再生, 维持着生命的高度有序状态 一个人每天大约需要消耗 45 Kg ATP, 但每一时刻贮存在人体里的 ATP 不到 1g, 即每个细胞每秒钟大约可形成一千万个 ATP, 同时有同样量的 ATP 被水解 每摩尔 ATP 水解形成 ADP, 可产生 7.3 Kcal/mol 的能量 一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的 ATP, 可提供大约 2200 Kcal 的能量 二 细胞呼吸的代谢过程细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个连续完整的代谢过程 每一步化学反应都需要特定的酶参与才能完成 细胞呼吸的全过程可以分为四个阶段 : (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) 1. 糖酵解途径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, 是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径 该途径也称作 Embden-Meyethof-Parnas 途径, 简称 EMP 途径 这一过程是在细胞质中进行, 不需要氧气, 每一反应步骤基本都由特异的酶催化 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 糖酵解总共包括 10 个连续步骤, 均由对应的酶催化 总反应为 : 葡萄糖 + 2ATP + 2ADP + 2Pi + 2NAD + 2 丙酮酸 + 4ATP + 2NADH+2H + +2H2O 糖酵解的反应步骤及其参与的酶 : (1) 葡萄糖的磷酸化葡萄糖氧化是放能反应, 但葡萄糖是较稳定的化合物, 要使之放能就必须给与活化能来推动此反应, 即必须先使葡萄糖从稳定状态变为活跃状态, 活化一个葡萄糖需要消耗 1 个 ATP, 一个 ATP 放出一个高能磷酸键, 大约放出 30.5kj 自由能, 大部分变为热量而散失, 小部分使磷酸与葡萄糖结合生成葡萄糖 -6- 磷酸 参与的酶为己糖激酶 (2) 葡萄糖 -6- 磷酸重排生成果糖 -6- 磷酸, 需要葡萄糖磷酸异构酶催化 (3) 生成果糖 -1,6- 二磷酸 磷酸果糖激酶 1 个葡萄糖分子经消耗 2 个 ATP 分子而活化, 催化生成 1 分子果糖 -1,6- 二磷酸 16
(4) 果糖 -1,6- 二磷酸断裂成 3- 磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮 ( 醛缩酶 ) (5) 磷酸二羟丙酮很快转变为 3- 磷酸甘油醛 丙糖磷酸异构酶 以上为第一阶段,1 个 6C 的葡萄糖转化为 2 个 3C 化合物 3- 磷酸甘油醛, 消耗 2 个 ATP 用于葡萄糖的活化 如果以葡萄糖 -1- 磷酸形式进入糖酵解, 仅消耗一个 ATP 这一阶段没有发生氧化还原反应 (6)3- 磷酸甘油醛氧化生成 1,3- 二磷酸甘油酸, 释放出两个电子和一个 H +, 传递给电子受体 NAD +, 生成 NADH+ H +, 并且将能量转移到高能磷酸键中 (3- 磷酸甘油脱氢酶 ) (7) 不稳定的 1,3- 二磷酸甘油酸失去高能磷酸键, 生成 3- 磷酸甘油酸, 能量转移到 ATP 中, 一个 1,3- 二磷酸甘油酸生成一个 ATP( 磷酸甘油酸激酶 ) 此反应中发生第一个底物水平磷酸化, 是产能的反应步骤 (8)3- 磷酸甘油酸重排生成 2- 磷酸甘油酸 ( 磷酸甘油酸变位酶 ) (9)2- 磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 ( 简写 PEP, 烯醇化酶 ) (10)PEP 将磷酸基团转移给 ADP 生成 ATP, 同时形成丙酮酸 ( 丙酮酸激酶 ) 此反应中出现糖酵解的第二次底物水平磷酸化过程 以上为糖酵解第二个阶段 一分子的 3- 磷酸甘油醛在酶的作用下生成一分子的丙酮酸 在此过程中, 发生一次氧化反应生成一个分子的 NADH, 发生两次底物水平的磷酸化, 生成 2 分子的 ATP 这样, 一个葡萄糖分子在糖酵解的第二阶段共生成 4 个 ATP 和 2 个 NADH+H +, 产物为 2 个丙酮酸 在糖酵解的第一阶段, 一个葡萄糖分子活化中要消耗 2 个 ATP 因此在糖酵解过程中一个葡萄糖生成 2 分子的丙酮酸的同时, 净得 2 分子 ATP,2 分子 NADH 和 2 分子水 此过程发生在细胞的细胞质中 糖酵解的反应过程示意图 EMP 途径生成的能量和生物学意义总反应式 : C6H12O6+2NAD + +2ADP+2Pi 2C3H4O3 +2H + +2ATP+2H2O +2NADH 生物学意义 : (1) 是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径, 通过糖酵解, 生物体获得生命活动所需要的能量 ; 17
(2) 形成多种重要的中间产物, 为氨基酸 脂类合成提供碳骨架 丙酮酸及葡萄糖的无氧分解无氧呼吸或无氧途径 (anaerobic pathway) 是有些细菌利用硝酸盐 (NO3 - ) 亚硝酸盐 (NO2 - ) 硫酸盐 (SO4 2- ) 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 和有氧呼吸的过程和机制基本是一样的 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) 又称生醇发酵, 是酵母菌和有些微生物以及植物细胞, 在无 O2 条件下, 丙酮酸能继续转化为乙醇 从葡萄糖到乙醇的总反应方程式为 : 葡萄糖 (C6H12O6)+2P1+2ADP 2 乙醇 (CH3CHOH)+2ATP+2H2O+2CO2 应用 : 酿酒 制造乙醇 ( 工业酒精 ) 或发面时, 都是乙醇发酵的过程 (2) 乳酸发酵 (lactic acid fermentation) 又称生成乳酸, 厌氧乳酸菌在无 O2 条件下, 或高等生物的某些组织 ( 如人的肌油 ) 在供 O2 不足时, 丙酮酸能继续转化为乳酸 从葡萄糖到乳酸的总反应方程式为 : (C6H12O6)+2Pi+2ADP 2 乳酸 (CH3COHCOOH)+2ATP+2H2O 应用 : 利用乳酸发酵能加工生产奶酷 酸能和乳酸菌饮料 ; 人剧烈运动而造成肌肉细胞短暂缺 O2, 或由呼吸循环系统机能障碍暂时供 O2 不足时, 都需乳酸菌发醇暂时供能 18
2. 丙酮酸氧化脱羧 乙酰 CoA 的生成 ( 丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解 ) 该过程发生在线粒体的基质中, 释放出 1 分子 CO2, 生成一分子 NADH+H + 丙酮酸脱 氢酶 糖酵解过程释放的能量不足 1/4 3. 三羧酸循环此过程在细胞的线粒体基质中进行, 因为循环中几个主要的中间代谢物是含有三个羧基的有机酸, 所以叫做三羧酸循环 又由于反应过程中的第一个生成物是柠檬酸, 因此又称为柠檬酸循环, 或者以发现者 Hans Krebs 命名为 Krebs 循环 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 三羧酸循环的反应过程及其参与的酶 : (1) 乙酰 CoA 与草酰乙酸结合, 生成六碳的柠檬酸, 放出 CoA( 柠檬酸合成酶 ) (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 ( 顺乌头酸酶 ) (3) 异柠檬酸发生脱氢 脱羧反应, 生成 5 碳的 a- 酮戊二酸, 放出一个 CO2, 生成一个 NADH+H + ( 异柠檬酸脱氢酶 ) 三羧酸循环的反应过程示意图 (4) a- 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 + ( 酮戊二酸脱氢酶 ) (5) 碳琥珀酰 CoA 脱去 CoA 和高能硫键, 放出的能通过 GTP 转化成 ATP 的能量 ( 琥珀酰辅酶 A 合成酶 ) (6) 琥珀酸脱氢生成延胡索酸, 生成 1 分子 FADH2( 琥珀酸脱氢酶 ) (7) 延胡索酸和水化合而成苹果酸 ( 延胡索酸酶 ) (8) 苹果酸氧化脱氢, 生成草酸乙酸, 生成 1 分子 NADH+H + ( 苹果酸脱氢酶 ) 19
经过一次循环, 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 三羧循环生成的能量 总反应式 :CH3COSCoA+3NAD + +FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH +3NADH+3H + +FADH2+GTP 葡萄糖在三羧酸循环中产生的能量有两种形式 : 底物水平磷酸化和电子传递氧化磷酸化 1 分子的乙酰 CoA 经三羧酸循环可生成 12 分子的 ATP 三羧酸循环酸的生理意义 (1) 在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) 是糖在体内分解供能的主要途径 : 生成的 ATP 数目远远多于糖的无氧酵解生成的 ATP 数目, 机体内大多数组织细胞均通过此途径氧化供能 (3) 是糖 脂 蛋白质氧化供能的共同途径 : 糖 脂 蛋白质的分解产物主要经此途径彻底氧化分解供能 (4) 是糖 脂 蛋白质相互转变的枢纽 : 有氧氧化途径中的中间代谢物可以由糖 脂 蛋白质分解产生, 某些中间代谢物也可以由此途径逆行而相互转变 4. 电子传递链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 电子传递链是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 电子传递链又称呼吸链, 主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物, 这些复合物包含了一系列的电子传递体 三 ATP 形成机理和能量形成的统计 1. ATP 的形成 氧化磷酸化 20
反应物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成 ATP( 即 ADP+Pi ATP), 这种氧化放能和 ATP 生成 ( 磷酸化 ) 相偶联的过程称氧化磷酸化 ADP + Pi ATP + H2O (1) 底物水平的磷酸化代谢物被氧化的过程中, 底物分子上的磷酸基团直接转移到 ADP 分子上生成 ATP 的过程 (2) 电子传递体系磷酸化指当电子从 NADH 或 FADH2 经过电子传递体系 ( 呼吸链 ) 传递给氧形成水时, 同时伴有 ADP 磷酸化为 ATP 的全过程 通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化 电子传递氧化磷酸化的机理 化学渗透学说 1961 年,P.Mitchell 提出化学渗透学说 (chemiosmosis), 指出线粒体膜上电子传递过程中 ATP 形成的机理, 并于 1978 年获得诺贝尔奖 化学渗透学说的要点 : 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位置是固定的 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 化学渗透过程不是线粒体独有的过程, 叶绿体也是通过化学渗透来合成 ATP 的 只是叶绿体是从日光获得能来实现化学渗透的, 线粒体则是从葡萄糖 ( 食物 ) 获得能的 细菌既无线粒体又无叶绿体, 但细菌可横过质膜造成质子梯度来合成 ATP 其实,Mitchell 1961 年就是根据细菌所做的实验最早提出化学渗透学说的 21
2. 葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量计算有两种形式 : 底物水平磷酸化和氧化磷酸化 (1) 糖酵解 :1 分子葡萄糖生成 2 分子丙酮酸, 共消耗了 2 个 ATP, 产生了 4 个 ATP( 底物水平的磷酸化, 实际上净生成了 2 个 ATP, 同时产生 2 个 NADH (2)2 分子的丙酮酸生成 2 分子乙酰 CoA : 产生 2 个 NADH; (3) 三羧酸循环 : 从 2 分子乙酰 CoA 开始, 经过循环共产生两个 GTP( 即两分子 ATP, 底物水平磷酸化 ) 6 个 NADH 和 2 个 FADH 2 葡萄糖分解代谢总反应式 : C6H6O6 +6H2O+10NAD + +2FAD+4ADP+4Pi 6CO2 +10NADH+10H + +2FADH2 +4ATP 按照每一个 NADH 经电子传递氧化磷酸化能够产生 3 个 ATP, 1 个 FADH 2 能够产生 2 个 ATP 计算, 1 分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生 38 个 ATP 即 : 4 ATP +(10 3) ATP +(2 2) ATP = 38 ATP 目前对于一分子葡萄糖经有氧呼吸总计是否可生成 38 个 ATP 分子有两种不同的认识 主要在于糖酵解中产生的 2 分子 NADH 是生成 4 还是 6 个 ATP 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 苹果酸 - 天冬氨酸环路 : 心脏 肝 肾 ; 不需要消耗 ATP 22
磷酸甘油环路 : 昆虫的飞翔肌, 在穿膜运输上消耗 1ATP 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% 而汽车发动机只有 15~25% 转化为动能, 细胞呼吸的产能效率高 四 其他营养物质的氧化生物大分子需要经过消化作用生成单体小分子的葡萄糖 氨基酸或脂肪酸等 消化作用常常发生在细胞外, 而不是在细胞质内, 它是一种在酶作用下的水解过程 三羧酸循环是糖 脂类和某些氨基酸分解代谢的最后共同途径 例 : 脂肪酸经 β- 氧化产生的乙酰 CoA 可进入三羧酸循环彻底氧化, 同时释放大量能量 ; 蛋白质水解产生的氨基酸经过一定的转变, 成为糖有氧分解的中间产物, 然后再经三羧酸循环完全氧化, 同时产生能量 食物分子的氧化分解即细胞呼吸过程捕获能量 ; 食物分子的分解又为生物大分子的合成和 细胞 组织和生物体的组成提供原料 23
本节小结 细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径, 主要在线粒体中进行, 在温和条件和酶的参与调控下, 通过一系列氧化还原反应, 将储藏在葡萄糖等中的化学能释放, 并以高能磷酸键的形式贮藏在 ATP 分子中 细胞呼吸的化学过程包括 3 个阶段 : 糖酵解 Krebs 循环和电子传递链氧化磷酸化 生物细胞通过底物水平磷酸化和与电子传递系统偶联的磷酸化 2 种途径合成 ATP 通过上述 2 种磷酸化途径,1 分子葡萄糖通过有氧呼吸共形成 36 或 38 个 ATP 第四节光合作用光合作用是自养生物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 为异养生物提供食物和氧气, 是异养生物赖以生存的基础 绿色植物和各种藻类利用日光能进行光合作用, 每年为地球生产约 1700 亿吨有机物 大气中的氧都来自光合作用, 主要是来自海洋表层的浮游藻类和陆地森林 光合作用对地球生物圈形成和维持起着至关重要的作用 在自然界中存在着不同类型的光合生物, 如藻类和绿色植物 紫硫细菌 氢细菌, 他们都能利用大气中的二氧化碳, 但是其中唯有藻类 ( 包括蓝细菌 ) 和绿色植物等是进行放氧的光合作用 已知地球上的自然现象 生物的生命活动或人类的生产活动都是产生 CO2 的过程, 而唯有放氧性光合作用是释放出氧气 显然这类光合生物对改变地球早期环境条件对自然界中的物质循环 氧气循环以及能量流动都起着关键性作用 地球化学和古生物学研究证实, 光合作用起源大大先于大气圈的氧化, 大概在 35 亿年前, 甚至更早就已经出现了具有光系统 I 和 II, 能进行放氧光合作用的蓝细菌 当蓝细菌等光合微生物在浅海底建立起了光合微生物生态系统后, 一方面由于光合微生物能利用大气中 CO2 建造自己的身体, 从而使碳酸盐在地球上得到沉淀, 将大气中的 CO2 转移到并束缚于岩石圈中, 减少了大气圈中 CO2 含量, 另一方面他们释放出的自由氧在大气圈中得到积累, 并在大气圈中形成臭氧层 有证据表明, 在太古宙 (38 亿年前到 25 亿年前 ) 和远古宙 (25 亿年前到 6 亿年前 ) 早期大气圈是缺乏自由氧的, 直到远古宙 ( 大约距今 20 亿年前 ) 大气圈中自由氧才相当于现代大气圈氧分压的 1% 一般说来, 光合作用是指光合生物吸收太阳能, 并将其转变成有机化合物中化学能的过程, 实际上光合作用是一个典型的氧化还原反应过程 在植物光合作用过程中, 发生了三个重要事件 :CO2 被还原成糖 ;H2O 被氧化成 O2; 光能被固定并转化成化学能 光合作用中所释放的自由氧是来自于 H2O, 而 CO2 中的 O 和 H2O 分子中的 H 则用于制造糖分子和新形成的 H2O. 核心问题是太阳能的固定和转换, 地球上几乎所有生物的能量都直接或间接地来自太阳能 植物对太阳能固定和转换, 以及所制造的有机物质规模之大是令人叹为观止的 每年照射到地球表面的日光能是 5.2ⅹ1021kJ, 其中 50% 可被植物利用, 但真正进入有机物分子中的能量又是其中的 0.05%, 即 1.3ⅹ1018kJ, 它是人类全年所消耗能量的许多倍 陆地植物 24
的光合作用每年固定的 CO2 量可达 1.55ⅹ1011 吨, 占光合作用固定 CO2 总量的 61%, 其中森林固定 6.45ⅹ1010 吨, 栽培植物仅固定 0.91ⅹ1010 吨, 水生植物固定 6ⅹ1010 吨, 约占固定 CO2 总量的 39% 其中海洋植物就固定了 5.5ⅹ1010 吨 由此可见保护森林 保护海洋是何等支重要, 据估计, 全世界每年消耗的矿物燃料约相当于 3ⅹ109 吨碳, 仅约占光合作用所固定的 2% 绿色植物和各种藻类利用日光能进行光合作用, 每年为地球生产约 1700 亿吨有机物,10% 传递 一 光合作用研究简史 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 1642 年比利时 Johann Baptista van Helmont 柳树 5 磅土 200 磅 -5 年后 - 169 磅 199.8 磅 1772 年, 化学家 Joseph Priestley 实验得出, 植物能净化空气 显微镜气孔 1770 年 Joseph Priestley 英国牧师大玻璃罩老鼠蜡烛 ; 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 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,Stanford 大学 Conelius 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( 希尔反应 ): 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 二 光合作用的代谢过程光合作用的代谢阶段 : 光合作用在叶绿体中进行的, 需要叶绿素参与的一种氧化反应过程, 可分为两个步骤 : (1) 光反应在叶绿素参与下, 光能分解水分子, 放出 O2, 同时生成两种高能化合物 ATP 和 25
NADPH 此过程需要光 (2) 暗反应利用 ATP 和 NADPH 中的能量固定 CO2, 生成糖类化合物 此过程不需要光 1. 叶绿体和光合膜分布于叶片叶肉组织中的叶绿体是光合和作用的场所 叶绿体的形状类似于一个凸透镜, 直径范围为 2-7 m 叶绿体外包被是双层生物膜, 膜内含有称为基质的致密液体, 悬浮分布于基质中的是一些膜系统, 它们是一系列排列整齐的扁平囊状结构称之为类囊体 部分类囊体相互垛叠在一起像一摞硬币, 称为基粒 叶绿体中的光合色素有规律的组成许多特殊的功能单位 一个光系统包括 250~400 个叶绿素和其他色素分子, 紧密结合在类囊体膜上 叶片表皮上的气孔控制着 CO2 和 O2 进出 叶绿素分子由碳和氮原子组成, 由环与叶醇侧链相连结, 叶醇侧链插入到类囊体膜中 光合作用的色素主要包括 : 叶绿素 a 叶绿素 b 类胡萝卜素, 藻胆素等, 其中叶绿素 a 启动光反应的主要色素 光合色素可吸收 380~760nm 的日光, 但不同的色素对不同波长的光有不同的吸收强度 叶绿素 a(chlorophyll a): 在红光区和蓝光区均有较强的光吸收, 绿光区则几乎没有吸收 叶绿素 b: 只存在于高等植物和绿藻中, 在红光区和蓝光区均有较强的光吸收 胡萝卜素 (carotene) 叶黄素 (xanthophyll) 吸收光谱光合作用的作用光谱 : 不同波长的光所引起的光合作用的效率 以氧的释放量为标准, 表示在不同波长的光下光合作用的放氧量 Endelmann 实验 1883 年, 研究光合作用的作用光谱 水棉 (Spirogyra), 丝状绿藻, 有螺旋带状叶绿体 将棱镜产生的光谱投射到水棉体上, 并在水面的悬液中放入好氧细菌, 然后在显微镜下观察细菌的聚集情况 细菌聚集多, 光合作用强度高, 反之亦然 得到光合作用的作用光谱与叶绿体的吸收光谱基本一致, 即在红光区和兰光区作用最强 26
问题 : 为什么植物都是绿色的? 2. 光系统与光合反应光反应发生在类囊体膜上 ; 暗反应发生在叶绿体的基质中 光反应由两个光系统及电子传递链来完成 类囊体膜上由叶绿素分子及其蛋白复合物 天线色素系统和电子受体等组成的单位称为光系统 (1) 光系统 Ⅰ(PSⅠ): 有 1~2 个叶绿素 a 分子高度特化, 称为 P700, 是 PSⅠ 的反应中心, 它的红光区吸收高峰位于 700nm, 其余的叶绿素分子称为天线叶绿素, 作用是吸收和传递光能 (2) 光系统 Ⅱ(PSⅡ): 反应中心亦为少数特化的叶绿素 a 分子, 称为 P680, 在红光区 680nm 具有吸收高峰 它们定位于类囊体膜上的一定部位和特定的蛋白质结合和电子受体接近 P700 和 P680 被称为光反应中心叶绿素分子, 两者之间有电子传递链相连接 光反应 3. 光能传递和电子传递链光反应中发生水的分解 O2 的释放 ATP 及 NADPH 的生成, 发生在叶绿体的类囊体中, 需要光, 光化学反应利用日光能使水光解, 合成 ATP 和还原 NADP+ 首先是叶绿素激发, 反应中心将高能电子传递给电子受体电子传递, 电子沿着类囊体膜上的电子传递链传递, 并最终还原 NADP+; 水的光解提供的 H+ 积累于类囊体内化学渗透质子穿越类囊体膜进入类囊体 ; 在类囊体和基质间形成质子梯度 ; 质子通过由 ATP 合成酶复合物构成的特殊通道回到基质中 ;ATP 生成电子传递和光合磷酸化 ( 光反应 ) 光 天线叶绿素 P700,P680, 释放高能电子 PSⅠ:P700 Fdx NADP+, 生成 NADPH, PSⅡ:P680 PQ Cytb6-f PC P700 P680 的电子缺失由来自 H2O 的电子补足 两个光系统合作完成电子传递 水的光解 产生 O2 和 NADPH 的生成, 产生的质子则进入类囊体腔中, 使类囊体内外形成了质子梯度 光合磷酸化 (photophosphorylation): 质子穿过类囊体膜上 ATP 合成酶复合体上的管道从类囊体腔流向叶绿体基质, 同时将能量通过磷酸化而储存在 ATP 中, 磷酸化过程是在光合作用过程中发生的 环式光合磷酸化 :P700 Fd PQ Cytb6-f PC P700 非环式光合磷酸化 1. 非环式光合磷酸化 (noncyclic photophosphorylation) 与非环式电子传递偶联产生 ATP 的反应 按图 4-15, 非环式光合磷酸化与吸收量子数的关系可用下式表示 27
2NADP++3ADP+3Pi 2NADPH+3ATP+O2+2H++6H2O 在进行非环式光合磷酸化的反应中, 体系除生成 ATP 外, 同时还有 NADPH 的产生和氧的释放 非环式光合磷酸化仅为含有基粒片层的放氧生物所特有, 它在光合磷酸化中占主要地位 2. 环式光合磷酸化 (cyclic photophosphorylation) 与环式电子传递偶联产生 ATP 的反应 ADP+Pi ATP+H2O 环式光合磷酸化是非光合放氧生物光能转换的唯一形式, 主要在基质片层内进行 它在光合演化上较为原始, 在高等植物中可能起着补充 ATP 不足的作用 3. 假环式光合磷酸化 (pseudocyclic photophosphorylation) 与假环式电子传递偶联产生 ATP 的反应 此种光合磷酸化既放氧又吸氧, 还原的电子受体最后又被氧所氧化 H2O+ADP+Pi ATP+ O2- +4H+NADP+ 供应量较低, 例如 NADPH 的氧化受阻, 则有利于假环式电子传递的进行 非环式光合磷酸化与假环式光合磷酸化均被 DCMU( 二氯苯基二甲基脲,dichlorophenyl dimethylures, 商品名为敌草隆,diuron, 一种除草剂 ) 所抑制, 而环式光合磷酸化则不被 DCMU 抑制 卡尔文 本生循环光反应小结 (1) 叶绿素吸收光能并将光能转化为电能, 即造成从叶绿素分子起始的电子流动 (2) 在电子流动过程中, 通过氢离子的化学渗透, 形成了 ATP, 电能被转化为化学能 (3) 一些由叶绿素捕获的光能还被用于水的裂解, 又称为水的光解, 氧气从水中被释放出来 (4) 电子沿传递链最终达到最终电子受体 NADP+, 同时一个来源于水的氢质子被结合, 形成了还原型的 NADPH, 电能又再一次被转化为化学能, 并储存于 NADPH 中 (5) 光合作用的暗反应依赖于光反应中形成的 ATP 和 NADPH 4. 暗反应 ( 基质 ) 二氧化碳还原 糖的合成叶绿体基质中不断消耗 ATP 和 NADPH, 固定 CO2 形成葡萄糖的循环反应, 即为 Calvin 循环 暗反应利用光反应形成的 ATP 和 NADPH, 将 CO2 还原为糖, 发生在叶绿体的类囊体中, 不需要光 CO2+RuBP+ATP+NADPH+H+ > 糖 +ADP+Pi+NADP+ 50 年代, 美 M.Calvin 应用同位素示踪技术, 观察小球藻光合作用中碳的转化和去向, 28
发现了该反应的生化途径 CO2+RuBP 六碳化合物 ( RuBP 羧化酶 ) 2PGA 2PGAL 一磷酸葡萄糖 一磷酸核酮糖 (RuMP RuBP ) 卡尔文 本生循环 (Calvin-Bensen cycle) 循环 3 次, 固定 3 个 CO2 分子, 生成六个 PGAL, 其中一个 PGAL 用来合成糖类,( 净收入 ), 其余 5 个 PGAL 则是用来产生 3 个分子的 RuBP 保证再循环的 生产一个可用于细胞代谢和合成的 PGAL, 需要 9 个 ATP 分子和 6 个 NADPH 分子参与 有人幻想和设想 : 有朝一日, 科学家将光合作用机理搞清楚, 并将植物光合作用的全套基因转移到人的头发中, 在头发中模拟光合作用的过程, 那么, 只要在人的头上撒点水 再晒晒太阳, 在头发中便完成了二氧化碳加水合成葡萄糖的过程, 葡萄糖从头发中输送到人体的各部分, 吃饭的历史使命便可宣告结束了 本章思考题 1. 从 ATP 的结构特点出发对其在生物体中的地位和作用进行分析 2. 酶催化反应的机制是怎样的? 3. 如何理解酶活性的可调控性? 4. 细胞呼吸包括那几个过程, 在每个过程中发生哪些主要的反应? 产生多少能量? 5. 理解底物水平的磷酸化 氧化磷酸化和光合磷酸化 6. 什么是无氧呼吸, 有何生物学意义? 7. 什么是生物氧化? 举一个具体的例子来说明 8. 光合作用中光反应与暗反应有何重要区别? 9. 理解细胞中各种物质代谢间的相互关系? 10. 在有氧和无氧两种条件下, 酵母的代谢方式有何不同? 11. 在葡萄糖 => 丙酮酸 + 能量这个反应中, 同时包含有物质代谢和能量代谢 试用你所学过的知识对这两个代谢方面进行分析 12. 为什么说太阳能是整个世界的能量源泉? 13. 生物体如何取得能量? 能量在生物体内的存在形式是什么? 14. 为什么酵母在无氧条件下能存活而人类及动植物却不能? 29