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通位置。生物體內做的功種類好多，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，是活的生物體內最重要的能量方式
2、熱力學定理
能量可以從一種方式轉變為另一種方式。
熱力學()是研究所有物體中能量轉化規律的科學。在討論能量轉化時,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,細胞中發生的物理反應也不例外。
吸能反應
放能反應
概念
指反應產物分子中的勢能比反應物分子中的勢能多
其產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生千百種放能反應和吸能反應,所有這種反應統稱為細胞代謝()。
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(內質網)、一個含氮核苷酸(腺固醇)和3個乙酸根組成,其中一個乙酸根聯接在甜度子上,其余兩個則陸續聯接。這兩個乙酸鍵比較不穩定,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發生酯化時,產生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,神經細胞的活動,生物體內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。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(),絕大多數酶都是蛋白質。它能加速生物體內物理反應的進行,但在反應前后并不發生變化。
任何一個分子要發生物理反應,都必須先被活化，即降低能量。正是因為分子發生物理反應須要活化能,生物體內許多物理性質開朗的物質能夠保持穩定。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境(細胞)中,ATP仍能保持穩定。ATP的酯化只有在專情的酶——ATP酶()的催化下才便于發生。
酶能減少反應的活化能()。
酶分子是蛋白質,每種蛋白質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,因而破壞其蛋白質結構,也就是使其活性增加。只有極少數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,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,它與酶分子結合的部位不是活性部位。但它的結合卻使酶分子的形狀發生了變化,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,這些酶在神經系統的活動中特別重要。在馬拉硫磷的作用下,神經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,而不是由蛋白質催化的。因而,除了蛋白質是生物催化劑，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物質的跨膜轉運
生物膜是一種超分子()結構,就是由多分子產生的一種有序的組織。
本節將討論生物膜通過調節穿過細胞邊界的轉運物質的能力。
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,所以便于透過質膜。
轉運蛋白（膜內在蛋白）：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。
兩種轉運形式:被動轉運()和主動轉運()。
被動轉運
2、被動轉運是穿過膜的擴散
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的含量梯度()。
當一種氨水中有多種溶質存在時，某種物質穿過膜的擴散僅與該物質的含量梯度有關，而與其他任何溶質的含量均無關。
被動轉運雖是常見的現象,但生物膜(包括質膜)是有選擇透性的,所以并不是任何順含量梯度存在的物質都能順利地穿過膜。
3、滲透是水的被動轉運
兩種溶質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境中時,既不吸收水份,也不遺失水份,細胞處于正常狀態。
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。
滲透現象是集流和擴散的綜合結果。
水勢是一個體系中水的物理勢。
4、專一的蛋白質使被動轉運更容易
親水性物質是通過膜上有許多種轉運蛋白幫助它們通過脂單層。這些現象稱為易化擴散()。
轉運蛋白分兩類: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膜的轉運系統而導致的。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生晶體,于是形成腎囊腫。
主動轉運
5、主動轉運是逆含量梯度的轉運
易化擴散只是提供了一個便利的擴散通道,不能改變轉運的方向。
有些轉運蛋白能使溶質逆含量梯度而被轉運,從低含量兩側穿過質膜而抵達高含量兩側，細胞必須提供其代謝能。這些跨膜轉運稱為主動轉運()。
主動轉運促使細胞維持其內部某種小分子或離子的含量低于其環境中的含量。
主動轉運是由埋在質膜內的專情的蛋白質完成的。給主動轉運供應能量的是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。因為質膜內外兩邊陰、陽離子的分布不均,所以質膜的胞外側帶負電荷,而胞兩側帶正電荷。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()。
使膜外側形成電流的轉運蛋白稱為生電泵(pump)。
協同轉運是指專情轉運一種溶質(以ATP為能源)的泵又間接地促使其他電解質的主動轉運。
胞吞胞吐
6、胞吞和胞吐轉運大分子
胞吐
細胞先將大分子包在水泡內,之后令水泡與質膜融合,此后再將這種大分子分泌到細胞之外,這就是胞吐()。
由高爾碳化物上發芽而產生的分泌水泡,順著細胞骨架纖絲聯通到質膜上。兩種膜接觸后,其中的脂單層重新排列,于是三者融合。水泡內的物質則被排至細胞以外。
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,方法也是由質膜產生外向的水泡,基本上是胞吐的逆轉。
吞噬
吞噬是細胞用偽足將顆粒包裹上去,產生一個吞噬泡,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,并與之結合。受體蛋白集聚在膜的胞質側上稱為有被小窩的部位上。當被吞入的物質從水泡中被釋放下來而參與代謝時,受體又再回到質膜上,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。
胞吞和胞吐中質膜的循環使用:胞吞作用產生的水泡的膜來自質膜,胞吐時膜并不被排出,而是與質膜融合,返還給質膜。
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；
最終產物都是CO2和水
物體的燃燒有發火點，低溫下發生，會形成光和熱
細胞呼吸
常溫下發生，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(acidcycle)和電子傳遞鏈(chain)。
2、糖酵解（細胞質中）
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移給ADP
反應⑨是底物水平乙酸化
糖酵解的總結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（線粒體內）
乙醇酸不能直接出席葡萄柚酸循環,必須在乙酸酸酯化酶的作用下同時發生幾種變化產生甲基CoA(CoA，酰基輔酶A)。
葡萄柚酸循環
每一輪葡萄柚酸循環形成一個ATP、3個NADH和1個FADH2。
葡萄柚酸循環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生電子傳遞時釋放出的能量使傳遞鏈中的蛋白質復合體將質子由內膜的根部通過主動轉運抵達兩側,導致膜外側的質子含量梯度,兩側的質子含量高而外側的含量低。這樣就導致了一個跨膜的質子含量梯度，但質子不能自由透過內膜,只有通過ATP合酶的質子通道能夠進人膜內。膜外側的質子梯度就是一種勢能,一旦質子經過通道,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、發酵作用
乙酸發酵：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，能夠使糖酵解繼續進行下去。酵母菌借助乙醇酸氧化NADH，這時乙醇酸轉變為CO2和乙酸(酒精)。
乳酸發酵：發酵產物不是乙酸而是乳酸。乳酸發酵中ATP的產值和糖酵解中一樣,所產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（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態，色素分子的迸發態極不穩定,幾乎產生后立刻變回為能級。葉綠素分子的迸發態壽命至多只有s。當葉綠素分子從迸發態回到能級時,其所吸收的光能便以熱的方式向周圍發散或轉弄成螢光。
（2）光系統
光系統
光系統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,以及少數蛋白質分子就是作用中心。
作用中心以外的所有各類色素分子,包括葉綠素a在內,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。
光系統中的所有色素分子都是與特定的蛋白質結合的。
光系統是由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Ⅰ
光系統Ⅰ中的作用中心內的葉綠素a稱為P700,由于它與特定的蛋白質結合,其光吸收高峰在700nm,在綠光區內。
光系統Ⅱ
光系統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,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物是O2、ATP和NADPH。
O2是光合作用的副產物。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子從內質網基質中運至類囊體腔內﹐引起一個質子梯度。
注意其中O2的釋放和NADPH及ATP產生的部位。O2釋放在類囊體腔細胞膜——系統的邊界ppt，NADPH和ATP在內質網基質中產生。
由于卡爾文循環發生在內質網基質中，NADPH和ATP正好也在內質網基質中生成，直接用于卡爾文循環中的使用。
3、碳反應
（1）光合碳還原循環/卡爾文循環（內質網基質）
卡爾文循環的總變化是3分子CO2，消耗6分子NADPH和9分子ATP，產生一分子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,才能節約水和避免光呼吸。
CAM動物——固定CO2和節約水的光合作用。
4、環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。