普通生物学/细胞/能量代谢

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能量

• 做功的能力。
  • 动能：运动的能量（例如，慢跑）。
  • 势能：储存的能量（例如，即将扑向猎物的狮子）。
• 能量的形式很多：例如，
  • 热
  • 声音
  • 电流
  • 光
  • 所有能量都可以转化为热能
• 生物界的大部分能量来自太阳
• 热（随机分子运动的能量，热能）
  • 在生物学中很方便
  • 所有其他形式的能量都可以转化为热能
  • 热力学：热能的研究
• 热通常以千卡为单位测量
  • 千卡：1000卡路里
  • 1卡路里：将1克水升温1摄氏度（°C）所需的热量
• 热在生物系统中起着重要作用
  • 生态重要性
  • 生化反应

氧化还原

• 能量从太阳流入生物界
• 光能被光合作用捕获
  • 光能使电子跃迁到更高的能级
  • 以糖类中 C-H 键的势能形式储存
• 共价键的强度由断裂它所需的能量来衡量
  • 98.8 千卡/摩尔 C-H 键
• 在化学反应中，储存的共价键能量可能转移到新的键。当这涉及电子的转移时，它就是氧化还原反应
• 总是同时发生
  • 原子或分子通过氧化失去的电子通过还原被另一个原子或分子获得
  • 势能从一个分子转移到另一个分子（但永远不是 100%）
• 通常称为氧化还原反应
  • 光合作用
  • 细胞呼吸
  • 化学合成
  • 自养生物
  • 异养生物

NAD⁺

• 氧化还原反应中常见的电子受体/供体
• 高能电子通常与 H⁺ 配对

自由能

• 断裂并随后形成其他化学键所需的能量
  • 化学键：电子的共享，倾向于将分子的原子结合在一起
  • 热量通过增加原子运动，使断裂键更容易（熵）
• 系统中可用于做功的能量
• 在细胞中，G = H - TS
  • G = 吉布斯自由能
  • H = H（焓）分子化学键中的能量
  • TS（T，以°K为单位的温度；S，熵）
• 化学反应断裂和形成键，产生能量变化
• 在恒定的温度、压力和体积条件下，ΔG = ΔH - TΔS
• ΔG，自由能变化
  • 如果为正 (+)，则 H 较高，S 较低，因此有更多自由能；吸能反应，不会自发进行；需要能量输入（例如，热量）
  • 如果为负 (–) 则 H 较低，S 较高。产物具有较少的自由能；放能反应；自发反应

活化能

• 具有 -ΔG 的反应通常需要活化能
  • 例如，葡萄糖的燃烧
  • 必须断裂现有键才能使反应开始
• 催化剂降低活化能

酶

• 生物催化剂
  • 蛋白质
  • RNA（核酶）
• 稳定反应物（底物）之间的短暂关联，以促进反应
  • 正确的方向
  • 使底物的键产生压力
• 降低活化能
• 在反应中不被消耗（破坏）

碳酸酐酶

• 红细胞的重要酶
• CO₂ + H₂O → H₂CO₃ -> HCO₃ + H⁺
• 碳酸酐酶催化第一个反应
  • 将水转化为羟基
  • 使羟基和 CO₂ 定向

酶机制

• 一个或多个结合底物（反应物）的活性位点
  • 高度特异性
• 结合可能会改变酶的构象，诱导更好的配合

影响酶活性的因素

• 底物浓度
• 产物浓度
• 辅因子浓度
• 温度
• pH
• 抑制剂
  • 竞争性：结合到活性位点
  • 非竞争性：结合到第二个位点，称为别构位点；改变酶的构象
• 激活剂
  • 结合到别构位点，提高酶活性

辅因子

• 一些酶需要它
• 带正电的金属离子
  • 例如，Zn、Mo、Mg、Mn 的离子
  • 将电子拉离底物（使化学键产生压力）
• 非蛋白质有机分子（辅酶）
  • 例如，NAD⁺、NADP⁺ 等
  • 通过捐赠或接受电子在氧化还原反应中发挥重要作用

ATP

• 三磷酸腺苷
• 细胞的主要能量货币，为吸能反应提供能量
• 在磷酸键中储存能量
  • 高度负电荷，互相排斥
• 使这些共价键不稳定
  • 低活化能
• 当键断裂时，能量被转移
• ATP → ADP + Pi + 7.3 千卡/摩尔

生化途径

• 代谢：细胞/生物体中化学反应的总和
• 许多合成代谢和分解代谢反应按顺序发生（生化途径）
• 通常高度调控

生化途径的演变

• 原始生物或第一个细胞可能利用环境中富含能量的底物
• 当底物枯竭时，选择将有利于将另一种分子转化为枯竭分子的催化剂
• 通过迭代，途径向后演变

参考文献

此文本基于克利夫兰州立大学的 Paul Doerder 博士慷慨捐赠的笔记。