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能量的存儲，釋放，與酶

2023-07-13 19:21 作者:這門虛鎖 0人讀過 | 我要投稿

Chapter 4 Metabolism，cellular respiration and photosynthesis （對應(yīng)Campbell第8-10）

在講photosynthesis與cellular respiration之前先得了解一下酶與化學(xué)能。我們可以很輕易地想象動能，熱能，光能等等能量，但是唯獨化學(xué)能很抽象。學(xué)習(xí)生物的能量利用與轉(zhuǎn)化要從化學(xué)能中開始。

能量的特性，熵，焓這些都是常識，我就不講了。如果實在不知道要么翻書要么問你的化學(xué)老師吧，這玩意兒應(yīng)該是化學(xué)老師一早教過的。。。

化學(xué)能就是鍵能，在斷開舊的化學(xué)鍵，形成新的化學(xué)鍵時釋放的能量就是化學(xué)鍵儲存的能量。我們常常會聽到談?wù)撋锬芰康臅r候聊到ATP，所以這個ATP到底是啥呢？

Adenosine?triphosphate 腺嘌呤核苷酸三磷酸，生物儲存能量的貨幣。你可以理解為一個腺嘌呤核苷酸上邊covalently bonded 3個磷酸基團。這些共價鍵都是高能共價鍵，要用的時候就斷開一個高能共價鍵，釋放里面儲存的鍵能就可以為一些東西供能了。

所謂A就是adenosine，T就是tri 三個，P就是Phosphate group。也就是說這個分子里面有一個adenosine和三個phosphate groups。在斷開一根phosphate group的共價鍵就會變成ADP+Pi。ADP是Di phosphate兩個磷酸基團，Pi是無機的磷酸基團。以此類推AMP就是mono phosphate。

每一步的反應(yīng)都是有自己的activation energy的（根據(jù)化學(xué)必學(xué)基礎(chǔ)）。在無法改變溫度等條件下為了讓反應(yīng)發(fā)生我們需要催化劑。而酶就是生物催化劑。

在這里，我們不再把反應(yīng)物稱為reactant，而是把他們叫做底物substrate.他們就是反應(yīng)的原材料。酶的催化方式就是與底物結(jié)合然后像捏橡皮泥一樣把兩個底物捏到一起然后再把結(jié)合好的底物扣下來就變成了product。與底物結(jié)合的位置叫做active site，它的形狀并不是固定的而是induce fit model，像是握手一樣，在底物接近的時候會稍微變一下形然后結(jié)合。

根據(jù)現(xiàn)在的研究，酶的形狀是一直改變的，而最佳的結(jié)合形狀并不是結(jié)合能最低而是能再最短的時間內(nèi)與底物結(jié)合的形狀，所以分子間的距離也是重要的考量因素，在分析分子對接結(jié)果的時候不能只看binding energy，還要measure原子距離。

酶的結(jié)合并非covalently bonded，不然產(chǎn)物無法脫落。在這里就得引出酶的激活與抑制了。

Inhibitor

酶的結(jié)構(gòu)不止有active site，還有allosteric site。因此也有兩種抑制劑。

一種是competitive inhibitor,與酶的active site 結(jié)合就可以擋住substrate組織正常的結(jié)合。

還有一種是non competitive，與酶的allosteric site結(jié)合，改變酶active site 的形狀就可以阻止substrate的正常結(jié)合。

inhibitors分為永久與短效，永久就是covalently bind to enzyme。

Cofactors and coenzymes

其實就是酶必須要的一個輔助來幫它完成催化可以是維他命也可以是NADH，F(xiàn)ADH2之類的。

Why so many steps?

為什么生物的反應(yīng)需要分成那么多小步驟，為什么不能一步到位？

很簡單，生物需要的是高效，而可控性帶來效率的大幅提升。每一步都需要特定的酶來進行催化，每一個酶都可以被抑制，那么我們就可以精確控制每一步，需要截停直接掐斷中間步驟無需追溯回最上游。而一旦我們一步到位很容易讓大量能量以熱能散逸，分步可以將大量能量給存下來利用。生物無法直接利用熱能，因此都是浪費。

Photosynthesis

為啥在這里先講10章跳過第9章呢？因為個人喜好我想先寫能量獲取再寫能量釋放。。。

光合作用的定義到底是什么呢？

以最簡單的方法解釋就是“Energy fixation”. 之前一定有聽說過固氮什么的叫做nitrogen fixation，意為某些菌類/藻類將大氣中的無機氮通過一系列轉(zhuǎn)化以有機物的形式儲存。同理，在光合作用下，植物將光能以有機碳的形式儲存下來。

那么光合作用到底發(fā)生在哪里呢

Chloroplast，和mitochondria一樣雙層膜的外來細胞器（按照內(nèi)共生），如果看到了右下角的大小標(biāo)識就可以知道，這兩個細胞器大小與細菌大小十分接近。里面綠色的一疊一疊的像籌碼一樣的就是thylakoid（單個籌碼）如果是一疊就叫granum。就好像一個人是人，一堆人就是眾。thylakoid里面的空間也可以叫thylakoid lumen。

我們初中所熟知的光合作用常常以一個簡單的化學(xué)式表達，但是其實光合作用是兩個半反應(yīng)合到一起。光合作用分光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩大步。

Light dependent reaction 光反應(yīng)

發(fā)生在thylakoid的membrane上。thylakoid membrane上有兩個photosystems，命名的一號和二號是按照發(fā)現(xiàn)順序來的。但是按照反應(yīng)順序是先PS2再PS1

在這兩個photosystem中富含pigments色素，這里的大部分是葉綠素chlorophyll. 所謂色素就是能夠捕捉光子的東西。而葉綠素也是植物主要的吸收光能的物質(zhì)

Photosystem2

在PS2的這些葉綠素捕捉到了光子之后呢會傳送其能量至中心的special pair of chlorophyll α 中，也叫P680（因為它接受的光波的波長為680nm）。它會將獲得的能量充入一個電子中，把它轉(zhuǎn)化為高能電子發(fā)射到primary electron acceptor上，將它reduce。

在Primary electron acceptor 被reduce之后它會將電子扔到electron transport chain（ETC） 上，讓ETC剝奪電子的能量，生產(chǎn)ATP。至于具體ETC里面有些什么我在這里就不多贅述，畢竟這些只有競賽會考。

ETC與ATPsynthase 如何生產(chǎn)ATP？

ETC就好像一個水力發(fā)電機，電子就是水，流過的時候會帶動ETC里面的某些蛋白旋轉(zhuǎn)，將H+氫離子往thylakoid lumen里泵，thylakoid lumen內(nèi)氫離子濃度大幅上升，proton gradient提升，H+就會通過ATPsynthase回到proton gradient低的stroma里面。在此過程中，電子的能量轉(zhuǎn)化為動能，把氫離子泵進thylakoid lumen中，然后形成濃度梯度化為勢能，H+再次移動轉(zhuǎn)為動能，最后通過ATPsynthase時給其充能，把ADP與Pi壓成一塊兒儲存為化學(xué)能。

這時候出現(xiàn)了一下幾個問題：

1. P680把電子給出去了，那下一次咋辦，電子不會用完嗎？

2. 電子雖然被剝奪了能量從激發(fā)態(tài)變回了基態(tài)，但是電子還在啊？它去哪里了？

第一個問題很簡單。既然電子被拿走了，那就要從別的地方拿回來。這就是為什么光合作用需要水。在PS2中水分子會被劈開，拿走電子補齊，然后把O2與H+扔掉，也就解釋了為什么光合作用會產(chǎn)生氧氣。

至于第二個問題，讓我們進入

Photosystem1

與PS2十分接近，只是這回不需要搶水分子的電子了。PS2的高能電子被ETC榨干了能量后進入PS1的P700（同理，P700吸收的光波長為700nm）。隨著再一次光線的充能，被榨干的電子再次充滿活力，進入primary electron acceptor然后進入下一個ETC。但是這一次這條ETC不再是剝奪能量形成ATP的了，而是把電子放入NADP+（這玩意兒就是一個常用的電子臨時載體）中，將它還原成NADPH。

這時，光反應(yīng)就結(jié)束了，產(chǎn)出的東西分別是第一條ETC的ATP與第二條ETC的NADPH。附加產(chǎn)物還有H+與O2。

最后再補充一下，光反應(yīng)是個linear的electron flow，PS2與PS1是連著的，如果沒有PS2提供電子，PS1也無法運行，之前有道真題就考了這個！

回顧我們對于光合作用的定義，這個過程應(yīng)該是產(chǎn)出儲存能量的有機碳而非ATP，所以接下來進入

Light independent reaction 暗反應(yīng)

剛剛所說的光反應(yīng)發(fā)生在thylakoid membrane上，偶爾會涉及到thylakoid lumen，暗反應(yīng)則在stroma里發(fā)生，與thylakoid完全不沾邊。

暗反應(yīng)其實就十分簡單，不是因為內(nèi)容少，而是因為AP考的不細。（要是競賽那會很頭痛）

Calvin cycle, 就是暗反應(yīng)的全部了。這個cycle基本就用這一個名字，來自它的發(fā)現(xiàn)者Melvin Calvin（不像某些又叫Krebs，又叫TCA，又叫citric acid, 的cycle）。其中AP考的就三個大步驟：

????carbon fixation, reduction, regeneration of Rubp.

里面亂七八糟的一對名字（除非你要比USABO/BBO）你都可以不背（當(dāng)然稍微看看還是對于理解很有幫助的）

一整個過程其實就一個事情，把大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為有機的G3P。這一整個過程如果數(shù)了碳的話會發(fā)現(xiàn)進去幾個碳就出來幾個，里面那些超級長名字的物質(zhì)只是intermediate，始終在cycle中循環(huán)。

如果你仔細看就會發(fā)現(xiàn)，光反應(yīng)中的產(chǎn)物ATP與NADPH在暗反應(yīng)中都用上了，分別在carbon fixation與regeneration of Rubp時使用ATP，在reduction中使用NADPH。

每產(chǎn)出一個G3P分子，Calvin cycle要消耗 9個?ATP 和 6個 NADPH。消耗完形成的ADP,Pi,NADP+又在光反應(yīng)中重新變成ATP和NADPH，周而復(fù)始，一直循環(huán)。G3P是碳水化合物的原材料，有了它植物就可以繼續(xù)后續(xù)的操作把G3P加工成glucose，sucrose等等儲存起來了。當(dāng)然后面的步驟不是光合作用也不用學(xué)了。

這就是光合作用的全部了

接下來就是Campbell的第9章

Cellular respiration & fermentation

所有生物都需要進行這個過程，植物也一樣，因為光合作用只是把光能存起來，并沒有變成能量貨幣直接流通。（所以植物細胞也有線粒體）

補充一下，其實cellular respiration是包括了aerobic和anaerobic的只是很多時候會用它來指代aerobic respiration罷了，所以以后見到了注意一下就行。

Redox reaction

還需要我講嗎？不會的話問化學(xué)老師去。

Electron transport chain （ETC）

我在光合作用光反應(yīng)已經(jīng)講過了這是個啥，所以簡單配個圖吧。

這就是ETC的具象提現(xiàn)，一個剝奪高能電子的水力發(fā)電機。

我們在AP中學(xué)到的細胞呼吸只有利用葡萄糖的，蛋白和脂肪都不會學(xué)（競賽內(nèi)容）

Cellular respiration在哪里發(fā)生呢？

先是cytosol，再是和chloroplast一樣都是內(nèi)共生的雙膜細胞器mitochondria

細胞呼吸我喜歡分兩步，無氧和有氧，對應(yīng)的是mitochondria外和mitochondria內(nèi)產(chǎn)生ATP。在mitochondria內(nèi)又有兩個細分步驟產(chǎn)生ATP。有些人看到這里可能會有疑問，既然細胞呼吸是所有生物都需要的過程（光合作用不是），那那些沒有mitochondria的單細胞生物咋辦？

答案是他們只會進行細胞呼吸的無氧部分，也就是不需要mitochondria的glycolysis

那么又會問了，既然可以依賴glycolysis就能活為啥還會出現(xiàn)mitochondria與后續(xù)有氧步驟呢？不會更麻煩且耗能嗎？

接下來的內(nèi)容就會解答你的疑惑。

細胞呼吸的第一步，無氧的

glycolysis 糖酵解

這一步是所有生物在消耗glucose產(chǎn)生ATP的必經(jīng)之路，不管你有沒有mitochondria都可以進行。要是你是搞競賽的會知道糖酵解有10個步驟，光是每一步用到的酶的名稱都很繁瑣，更別提每一步的產(chǎn)物和目的了。所以AP這么基礎(chǔ)的考試不會考。。。

我們只需要記?。篏lycolysis投入一個glucose（6碳化合物）投入2個ATP（激活引擎的能量投入），會產(chǎn)生兩個pyruvate（3碳化合物，兩個就是6碳，沒有碳流失）與4個ATP（也就意味著net production為2個ATP）還有2個NADH（這里的電子臨時載體是NAD+，與之前光合作用中的NADP+略有不同，少了一個phosphate所以沒有P）這個糖酵解只能釋放不到葡萄糖內(nèi)25%的能量。剩余的能量都鎖在pyruvate中。

active transport and dehydrogen of pyruvate

pyruvate通過active transport進入mitochondria開始它下一步的能量釋放。進入后pyruvate的carboxyl group羧基會被pyruvate dehydrogenase給剝奪電子和H+，將剝奪過電子的羧基變成CO2釋放出去，多余的電子和H+還原NAD+。

這失去了羧基的pyruvate只剩了個孤單的acetyl group乙?；?/span>（見chapter 1的常見官能團）無法單獨存在，所以我們需要給它加上一個coenzyme才可以，也就是coenzyme A簡稱CoA。結(jié)合一下就成了acetyle CoA。

這一步連接了糖酵解與有氧呼吸，是起到了橋梁的作用。然后就到了有氧呼吸的第一步

Krebs/TCA/cirtic acid cycle

為啥這么多名字呢？Krebs是致敬發(fā)現(xiàn)它的Sir Hans Adolf Krebs（一定要寫對名字，這是姓氏，結(jié)尾的s不是代表復(fù)數(shù)，一定別漏了?。㏕CA 這個名字是指tricarboxylic acid，因為這個循環(huán)始于乙酰輔酶A與草酰乙酸Oxaloacetate縮合生成的含有三個羧基的檸檬酸，因此稱之為三羧酸(tricarboxylic acid)循環(huán)。Citric acid cycle 就更好理解啦，檸檬酸英文就是citric acid，自然就叫citric acid cycle。（生物人起名就是這么簡單粗暴）

還是那句話，看到這圖千萬別緊張，只考AP幾乎不需要看。（反正我刷了這么多套真題就沒遇到過考你記憶的，就算考細節(jié)也會給你這種圖）

與Calvin cycle一樣，這一圈下來產(chǎn)生啥，消耗啥記清楚就OK了。

進去一個Acetyl CoA，出來一個ATP，三個NADH，一個FADH2（又是一個電子的臨時載體，氧化態(tài)是FAD+，與NADP+與NAD+略有不同）這時候注意了！一個glucose轉(zhuǎn)幾圈krebs cycle?回溯一下，一個glucose產(chǎn)生兩個pyruvate，兩個pyruvate變成兩個Acetyl CoA，兩個Acetyl CoA轉(zhuǎn)兩圈cycle，也就意味著一共2個ATP，6個NADH，2個FADH2。再加上之前glycolysis的2個NADH，pyruvate dehydrogenation的2個NADH，所以一共10個NADH，2個FADH2。

接下來就到了有氧呼吸的第二步，也是生產(chǎn)最多ATP的步驟

Oxiative?Phosphorylation

具體細節(jié)不用記，但是看完了更好理解。NADH會把電子給到ETC的第一個protein complex上，這個高能電子會流過剩下的所以complex，和之前photosystem2的ETC一樣，剝奪電子的能量，產(chǎn)生proton gradient，然后從ATPsynthase回來生產(chǎn)ATP。FADH2會放到第二個protein complex 上，進行同樣的操作。這樣，cellular respiration的全過程基本就走完了。

但是，因為NADH的電子是放到protein complex1上，所以會比FADH2多經(jīng)歷一個protein complex的榨取，所以1個NADH可以產(chǎn)生2.5個ATP，1個FADH2只能產(chǎn)生1.5個ATP。

所以一個glucose走完了全部糖酵解和有氧呼吸，net production of ATP是多少呢？

答案是30-32

如果計算一下應(yīng)該是2個ATP（來自糖酵解）+2個ATP（來自krebs cycle）+8*2.5（8個NADH）+2*1.5（2個FADH2）得到的結(jié)果是2+2+25+3=32。

30又是哪里來的呢？

glycolysis的兩個NADH在cytosol中，需要進入mitochondria才可以進行oxidative phosphorylation，它無法穿過細胞器的膜。它要把能量轉(zhuǎn)入mitochondria中，而在部分細胞中，轉(zhuǎn)入時無法完全保留之前的能量，因此mitochondria內(nèi)得到能量的載體就是FADH2而不是NADH。如骨骼肌和腦細胞都是如此，這樣一來就變成了8個NADH，4個FADH2，也就是26個ATP，加上之前的4個ATP就是30個ATP的net production。在心肌或者肝臟中則可以完全保留而產(chǎn)生32個ATP。

具體怎么把NADH的能量轉(zhuǎn)到mitochondria內(nèi)我寫在下面了，如果感興趣可以看看

在骨骼肌和腦細胞中運用Glycerol phosphate shuttle（?α-磷酸甘油穿梭機制）

NADH會在Glyceraldehyde一3-phosphate dehydrogenase（3-磷酸甘油醛脫氫酶）催化下, 將H傳遞給?（Dihydroxyacetone phosphate）磷酸二羥丙酮，使其還原成?glycerol-3-phosphate（3- 磷酸甘油醛，沒錯就是photosynthesis的最終產(chǎn)物G3P?。缓缶涂梢源┻^外膜來到intermembrane?space，在線粒體膜間隙結(jié)合（?glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase?）磷酸甘油脫氫酶同工酶，這個酶可以將G3P的H再給到FAD+，生成FADH2和Dihydroxyacetone phosphate。FADH2則會進入ETC。

在心肌中運用malate-aspartate shuttle(蘋果酸-天冬氨酸穿梭機制)

NADH將Oxalacetic acid(草酰乙酸)還原生成malic acid（蘋果酸），蘋果酸經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的oxoglutarate-malate carrier（蘋果酸-α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白）進入matrix后，把NAD+還原成NADH，malic acid變回Oxalacetic acid。matrix中的aspartate aminotransferase（天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶）把Oxalacetic acid轉(zhuǎn)為aspartate（天門冬氨酸/天冬氨酸）后經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的glutamate-aspartate transporter（天冬氨酸-谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白）重新回到胞質(zhì)，氨基由glutamate（谷氨酸）提供。NADH進入ETC

雖然以上這一坨復(fù)雜的穿梭方式好像競賽都不會考但是

這里有個問題啊，在有mitochondria的生物體內(nèi)，總會有什么東西把cytosol中的NADH氧化成NAD+，但是如果沒有mitochondria，glycolysis里的NAD+被reduce成了NADH卻沒有氧化回來，一直這樣下去，NAD+不早就用完了嗎？

沒錯，在沒有mitochondria的生物體內(nèi)，為了重新生成NAD+，pyruvate就會進入

Fermentation 發(fā)酵

在生活中很多菌類是有用的，有釀酒的有做酸奶的。這些都是fermentation的結(jié)果。

兩大類的fermentation為：alcohol fermentation與lactic acid fermentation

alcohol fermentation顧名思義是產(chǎn)生酒精的，也就是釀酒常用的發(fā)酵方式

酒精發(fā)酵是會釋放二氧化碳的。

然后另一個則是酸奶常用的發(fā)酵，lactic acid fermentation

乳酸發(fā)酵不會釋放二氧化碳

至于人體產(chǎn)生乳酸這個AP也不考，但我還是想講講（因為我有個健身的朋友想知道）

人體產(chǎn)生乳酸如果叫fermentation會不嚴(yán)謹(jǐn)。人體兩種骨骼肌嘛，紅肌與白肌。白肌是為了快速收縮而形成的。在特別高強度的運動下，白肌分解代謝碳水化合物的速度太快了，正常流程下那兩種shuttle步驟繁瑣來不及把NADH轉(zhuǎn)化回NAD+因此選用lactic acid fermentation的路徑快速氧化NAD+。而lactate堆積速度很快，無法在短時間內(nèi)再變回pyruvate，因此就造成了乳酸堆積，肌肉酸痛。但是在這情況下氧氣供給是足夠的，并不是缺氧，所以是aerobic的，但是走的是fermentation的路徑，所以我們這么叫它會比較不嚴(yán)謹(jǐn)。

這么看下來，這是一個及其快速但是同時非常低效率的過程。一個glucose在有氧呼吸情況下可以產(chǎn)生30-32個ATP，沒有mitochondria或者無氧條件下只能走glycolysis，一個glucose只產(chǎn)生2個ATP，差的太遠了。為了多生產(chǎn)ATP，在無氧環(huán)境下只能高速使用glycolysis然后在經(jīng)過fermentation把還飽含能量的pyruvate變成lactate或者alcohol直接扔掉，簡直暴殘?zhí)煳铩＿@也許這就解答了開頭的那個問題：為什么現(xiàn)在出現(xiàn)了內(nèi)共生與多細胞生物：為了追求更高的效率吧

補充兩個知識點：

1. 在mitochondria中ETC把H+往那個地方泵？這個考過也很有可能會再考

沒錯，和chloroplast反過來，回憶一下，chloroplast中ETC把H+從stroma泵到thylakoid lumen里，是從外到里，ATPsynthase中H+從thylakoid lumen里流到stroma。而在這里mitochondria的ETC把H+從matrix里泵到inter-membrane space，是從里到外，ATPsynthase中H+從inter-membrane space流回matrix。

這是為啥？為了構(gòu)建更高的proton gradient，自然要往小一點的空間里泵，而chloroplast的thylakoid lumen與mitochondria的inter-membrane space都是小空間，stroma與matrix都是大空間，因此他們泵的方向自然是按照這個邏輯來。