細胞能量學

第 3 章 · 細胞能量學

酵素、光與呼吸作用

細胞是高度有序的系統,而維持秩序需要能量。every 所有生物都需要穩定的能量供應,並透過酵素催化的反應取得。

左邊,葉綠體捕捉光能並儲存在葡萄糖中,同時釋出 O₂。右邊,粒線體用這些 O₂ 把葡萄糖分解,回到 CO₂ 和 H₂O,並把釋放的能量存入 ATP,也就是細胞用來花費的分子。

光合作用以光為驅動,把這個方程式倒過來進行。物質在循環中往返;能量則不然。它以光的形式進入,以熱的形式離開。

本章拆解讓每一步加快的酵素、讓 ATP 能為工作供能的耦合,以及兩條途徑:光合作用與細胞呼吸。

3.1 · 酵素

為單一受質而生的口袋

「酶」是一種催化劑,幾乎都是蛋白質,能加快某一個反應,自己卻不會被消耗。

酶作用的分子稱為受質。受質結合在活性位,那是摺疊後的蛋白質上由胺基酸側鏈圍成的一個口袋。要讓反應發生,受質的形狀與電荷必須與活性位相容:帶正電的側鏈會吸引受質帶負電的部位,非極性的區域則會抓住非極性的部位。

這就是酶具有專一性的原因。圖中藍色的分子形狀不對,從旁飄過,什麼也沒有發生。

受質結合時,酶會稍微改變形狀並包住受質:這稱為誘導契合。酶與受質的複合物會使待斷裂的鍵受到拉扯,產物被釋出,酶則毫無改變,可以再接受另一個受質。

活性位的形狀來自蛋白質的 3-D 摺疊,所以任何改變摺疊的因素,都會改變酶的功能 (3.2)。

3.1 · 降低能量障壁

活化能

即使是釋放能量的反應,也得先被推過一座山丘。這座山丘的高度就是活化能 E_a。

圖中畫出沿著反應進行的自由能 G。沒有酵素時(墨色),E_a = 80 kJ/mol;只有少數分子的能量足以越過,所以反應很慢。酵素(紅色)提供一條 E_a = 40 kJ/mol 的路徑,能越過的分子多得多。

在這些能障下,於體溫時,催化後的反應約快 5.5 × 10⁶ 倍。

酵素不會改變的是:反應物與產物的能量,所以 ΔG 相同,反應進行的方向也相同。酵素加快的是本來就會發生的反應;它不能讓需要輸入能量的反應自行進行。

3.2 · 溫度與 pH

每種酵素都有最適條件

酵素在最適溫度與 pH 下作用最快。偏離最適條件,速率就會下降。

溫度。升溫使分子運動加快,碰撞更頻繁、能量更大:低於最適溫度時,速率上升,通常每升高 10 °C 約為 2 倍。高於最適溫度時,熱會破壞維持蛋白質形狀的氫鍵和其他弱作用力,活性位失去形狀,速率急遽下降。這就是變性。圖中的最適溫度約為 37 °C,是人體酵素的典型值。

Q₁₀。速率在 10 °C 間隔內改變的倍數。若某反應在 15 °C 時速率為 3.2 μmol/min,在 25 °C 時為 6.4 μmol/min:

pH。H⁺ 濃度會改變側鏈上的電荷,進而改變蛋白質的摺疊與活性位中的電荷。胃蛋白酶在胃中作用(最適 pH 2);胰蛋白酶在小腸中作用(最適 pH 8)。

變性有時是可逆的:條件恢復後,若形狀也恢復,活性也隨之恢復。

3.2 · 濃度與抑制劑

佔據活性位的是什麼

受質越多,任一時刻被佔據的活性位置就越多,所以速率上升,直到幾乎每個位置都被佔滿,速率便趨於平緩,達到 V_max(此處為 10 μmol/min)。

此時只有增加酵素才能加快反應:受質過量時,速率與酵素濃度成正比。產物堆積也會使淨反應變慢。

抑制劑會降低速率。

競爭性抑制劑與受質相似,會佔據活性位置;[S] 很高時,受質能搶到大部分位置,所以藍色曲線仍會向 10 爬升。非競爭性抑制劑結合在別位,改變酵素的形狀,使活性位置不再能作用;紅色曲線無論加入多少受質,最高只到 5。

細胞會利用這一點:代謝路徑的最終產物常以別位作用抑制該路徑的第一個酵素(回饋抑制)。許多酵素還需要輔因子(金屬離子,如 Mg²⁺)或輔酶(有機分子,常來自維生素)才能形成有功能的形狀。

3.3 · 細胞能量

ATP 支付無法自行進行的反應

生命是有序的,而秩序不會自行維持。生物系統需要持續輸入能量;能量沿著一連串的途徑傳遞,每一步都有一部分以熱的形式散失。

這並不違反熱力學第二定律:細胞變得更有序,而周圍環境變得更無序,因為釋出了熱和較簡單的分子(CO₂、H₂O)。能量輸入停止時,秩序就會消失,生物也隨之死亡。

ΔG < 0 的反應會釋出能量(放能),可以自發進行。ΔG > 0 的反應需要能量(吸能)。細胞藉由把吸能反應與放能反應偶聯來進行吸能反應,通常是與 ATP 的水解偶聯。

範例。由麩胺酸與氨合成麩醯胺酸:

這種偶聯是化學性的:ATP 把最後一個磷酸基交給麩胺酸,磷酸化的麩胺酸較不穩定,會與 NH₃ 反應,然後磷酸基離開。這一組反應的 ΔG < 0,所以能夠進行。

3.4 · 光反應

光、電子傳遞鏈與質子梯度

In the thylakoid membranes of the chloroplast, light energy is turned into the chemical energy of ATP and NADPH.

Capturing light. Chlorophylls in photosystem II and photosystem I absorb light, which excites electrons to a higher energy level. Other pigments (chlorophyll b, carotenoids) absorb other wavelengths and pass the energy on; this variety of molecules widens the range of light a plant can use.

The electron transport chain. Excited electrons leave PS II and pass along carriers to PS I, which re-excites them, and then to NADP⁺, making NADPH. PS II replaces its electrons by splitting water: 2 H₂O → 4 H⁺ + 4 e⁻ + O₂. That is where the O₂ comes from.

Chemiosmosis. The electrons’ energy pumps H⁺ into the thylakoid space, and water splitting adds more there. The lumen reaches about pH 5, the stroma about pH 8: 1,000 times more H⁺ inside. H⁺ can only flow back out through ATP synthase; the flow turns its rotor, and the turning makes ATP from ADP and P_i on the stroma side.

Photosynthesis first evolved in prokaryotes (cyanobacteria), whose O₂ changed Earth’s atmosphere; chloroplasts descend from such a cell.

3.4 · 卡爾文循環

固定成糖的碳

在基質中,來自光反應的 ATP 與 NADPH 驅動卡爾文循環,以 CO₂ 合成糖。

固定。rubisco 酵素把每個 CO₂ 接到一個 5 碳的受體(RuBP)上;產物分裂成兩個 3 碳分子。

還原。ATP 與 NADPH 的電子把這些分子轉變成 3 碳糖 G3P。

再生。大部分的 G3P 再加上更多 ATP,重新排列回受體,讓循環得以持續。其餘的則離開循環,用來合成葡萄糖與其他分子。

計算。碳是守恆的,所以要輸出一個 3 碳的 G3P,循環必須固定 3 個 CO₂:

光反應與卡爾文循環互相依賴:循環送回 ADP 與 NADP⁺,供膜上重新充能。在黑暗中,ATP 與 NADPH 用完,循環就會停止。這裡列出中間產物的名稱只是為了追蹤碳的去向;考試不會考。

3.5 · 糖解作用與克氏循環

把葡萄糖拆開來

細胞呼吸逐步釋放葡萄糖中的能量。最初的幾個階段把葡萄糖的碳以 CO₂ 的形式剝離,並把電子裝載到載體上。

糖解作用在細胞質基質中進行,把葡萄糖分解成兩個 3 碳的丙酮酸。它先投入 2 個 ATP,再生成 4 個,淨得 2 個 ATP,並把 2 個 NAD⁺ 還原成 NADH。這個過程不需要 O₂。

丙酮酸氧化。丙酮酸被運入粒線體基質,轉變成乙醯輔酶 A,釋出一個 CO₂,並生成一個 NADH。

克氏循環在基質中進行,把乙醯基氧化成 2 個 CO₂,生成 ATP、NADH 與 FADH₂。每個葡萄糖會使它轉兩圈。

葡萄糖的六個碳全都以總反應式中的 6 個 CO₂ 離開。到目前為止只生成了 4 個 ATP;大部分的能量都在 12 個已裝載的載體中。

3.5 · 氧化磷酸化

傳遞鏈、梯度與 ATP 合成酶

NADH 與 FADH₂ 把電子交給粒線體內膜上的電子傳遞鏈。在原核生物中,傳遞鏈位於質膜上。

電子從一個載體傳到下一個載體,每個載體對電子的束縛都更緊,電子釋出的能量把 H⁺ 從基質泵入膜間腔。在最後,O₂ 是最終電子受體:它接收電子與 H⁺,變成水。有些原核生物使用其他的最終受體,例如硫酸鹽或硝酸鹽。

梯度驅動 H⁺ 經由 ATP 合成酶流回,使其轉動並合成 ATP:這就是化學滲透,與葉綠體中相同。內膜摺疊成嵴,提供空間容納許多傳遞鏈。

產量。每個 NADH 約產生 2.5 個 ATP,每個 FADH₂ 約產生 1.5 個:

也就是葡萄糖的 2870 kJ/mol 中約有 34% 以 ATP 的形式保留下來(32 × 30.5 kJ/mol);其餘變成熱。沒有 O₂,傳遞鏈就會堵塞而停止。

解偶聯。如果 H⁺ 不經過 ATP 合成酶就漏回膜的另一側,電子傳遞仍會繼續,但梯度的能量會以熱的形式釋出。褐色脂肪就是刻意這樣做,讓恆溫動物保持體溫。

3.5 · 發酵

不需氧氣的 ATP

沒有 O₂ 時,只要有 NAD⁺,糖解作用仍能每個葡萄糖產生 2 個 ATP。

糖解作用會把 NAD⁺ 變成 NADH。沒有 O₂ 來清空電子傳遞鏈,NADH 就無法在那裡卸下電子,細胞很快就會用完 NAD⁺。發酵能使它再生:丙酮酸(或它的產物)接收 NADH 的電子。

發酵本身不產生 ATP,它只是讓糖解作用持續進行。有 O₂ 時,同樣的葡萄糖約可產生 32 個 ATP,是前者的 16 倍。發酵的細胞必須消耗快得多的葡萄糖,才能得到相同的 ATP。

幾乎所有生物都有糖解作用,而且它不需要 O₂ 或膜狀胞器,這證明它很早就演化出來,早於大氣中出現 O₂ 的時候。