细胞能量学

第 3 章 · 细胞能量学

酶、光和呼吸作用

细胞是一个高度有序的系统,而维持有序需要能量。每个生物都需要稳定的能量供应,并通过酶催化的反应获得能量。

左边,叶绿体捕获光能并储存在葡萄糖中,同时释放 O₂。右边,线粒体利用这些 O₂ 把葡萄糖分解,重新变回 CO₂ 和 H₂O,并把释放的能量储存在 ATP 中,这是细胞直接使用的分子。

光合作用在光的驱动下,把这个方程式倒过来进行。物质在循环中往复,能量却不会。它以光的形式进入,以热的形式离开。

本章拆解让每一步变快的酶、让 ATP 为做功供能的偶联,以及两条途径:光合作用和细胞呼吸。

3.1 · 酶

为某一种底物而生的口袋

酶是一种催化剂,几乎都是蛋白质,能加快某个反应的速率,而自身不被消耗。

酶作用的分子称为底物。底物结合在活性位点上,这是折叠蛋白质中由氨基酸侧链围成的口袋。反应要发生,底物的形状和电荷必须与活性位点相匹配:带正电的侧链吸引底物带负电的区域,非极性区域则容纳非极性部分。

这就是酶具有专一性的原因。图中蓝色分子的形状不对,它从旁边漂过,什么也不会发生。

底物结合时,酶的形状会略微改变并包住底物:这就是诱导契合。酶–底物复合物使要断裂的化学键受到张力,产物被释放,酶则保持不变,可以再结合下一个底物。

活性位点的形状来自蛋白质的 3-D 折叠,所以任何改变折叠的因素都会改变酶的功能(3.2)。

3.1 · 降低能垒

活化能

即使是释放能量的反应,也必须先被推过一座“山”。这座山的高度就是活化能E_a。

图中画出了沿反应进程的自由能 G。没有酶时(黑线),E_a = 80 kJ/mol;只有少数分子的能量足以越过,所以反应很慢。酶(红线)提供了一条 E_a = 40 kJ/mol 的路径,能越过的分子多得多。

在这样的能垒下,体温时催化的反应大约快 5.5 × 10⁶ 倍。

酶不会改变的是:反应物和产物的能量(所以 ΔG 相同),以及反应进行的方向。酶只是加快本来就会发生的反应;它不能让需要吸收能量的反应自发进行。

3.2 · 温度与 pH

每种酶都有各自的最适条件

酶在最适温度和 pH 下工作得最快。偏离最适条件,速率就会下降。

温度。升温使分子运动加快,碰撞更频繁、能量更高:低于最适温度时速率上升,通常每升高 10 °C 约增大到 2 倍。高于最适温度时,热会破坏维持蛋白质形状的氢键和其他弱相互作用,活性位点失去原有形状,速率急剧下降。这就是变性。图中的最适温度约为 37 °C,是人体酶的典型值。

Q₁₀。速率在 10 °C 温差内变化的倍数。如果某反应在 15 °C 时速率为 3.2 μmol/min,在 25 °C 时为 6.4 μmol/min:

pH。H⁺ 浓度会改变侧链上的电荷,进而改变蛋白质的折叠和活性位点中的电荷。胃蛋白酶在胃中起作用(最适 pH 2);胰蛋白酶在小肠中起作用(最适 pH 8)。

变性有时是可逆的:如果条件恢复时形状也恢复,活性也随之恢复。

3.2 · 浓度与抑制剂

占据活性位点的是什么

底物越多,任一时刻被占据的活性位点就越多,所以反应速率上升,直到几乎所有位点都被占满,速率趋于平稳,达到 V_max(此处为 10 μmol/min)。

此时只有增加酶才能加快反应:底物过量时,反应速率与酶浓度成正比。产物积累也会减慢净反应。

抑制剂会降低反应速率。

竞争性抑制剂与底物结构相似,占据活性位点;[S] 很高时,底物赢得大多数位点,所以蓝色曲线仍会向 10 上升。非竞争性抑制剂结合别构位点,改变酶的形状,使活性位点不再起作用;无论加入多少底物,红色曲线最高只能到 5。

细胞会利用这一点:代谢途径的终产物常常别构抑制该途径的第一个酶(反馈抑制)。许多酶还需要辅因子(金属离子,如 Mg²⁺)或辅酶(有机分子,常来自维生素)才能形成有活性的形状。

3.3 · 细胞能量

ATP 为无法自发进行的反应供能

生命是有序的,而有序不会自行维持。生命系统需要持续的能量输入;能量沿着一系列途径逐步传递,每一步都有一部分以热的形式损失。

这并不违背热力学第二定律:细胞变得更有序,而周围环境变得更无序,释放出热和较简单的分子(CO₂、H₂O)。能量输入一旦停止,有序性就会丧失,生物体随之死亡。

ΔG < 0 的反应释放能量(放能反应),可以自发进行。ΔG > 0 的反应需要能量(吸能反应)。细胞通过把吸能反应与放能反应偶联来推动它,通常偶联的是 ATP 的水解。

例子。由谷氨酸和氨合成谷氨酰胺:

这种偶联是化学上的:ATP 把最后一个磷酸基团交给谷氨酸,磷酸化的谷氨酸不够稳定,与 NH₃ 反应,磷酸基团随之离开。这一组反应的 ΔG < 0,所以能够进行。

3.4 · 光反应

光、电子传递链与质子梯度

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 · 卡尔文循环

固定为糖的碳

在基质中,光反应产生的 ATP 和 NADPH 为卡尔文循环提供动力,该循环利用 CO₂ 合成糖。

固定。rubisco 酶把每个 CO₂ 连接到一个 5 碳受体(RuBP)上;产物分裂成两个 3 碳分子。

还原。ATP 和 NADPH 的电子把它们转变为 3 碳糖 G3P。

再生。大部分 G3P 借助更多的 ATP 重新排列,变回受体,使循环得以继续。其余的离开循环,用来合成葡萄糖和其他分子。

计数。碳是守恒的,所以每输出一个 3 碳的 G3P,循环必须固定 3 个 CO₂:

光反应和卡尔文循环相互依赖:循环把 ADP 和 NADP⁺ 送回,供膜上重新“充电”。在黑暗中,ATP 和 NADPH 耗尽,循环就会停止。这里给出中间产物的名称只是为了追踪碳的去向;考试不要求掌握。

3.5 · 糖酵解与克雷布斯循环

拆解葡萄糖

细胞呼吸逐步释放葡萄糖中的能量。最初的几个阶段把其中的碳以 CO₂ 的形式剥离,并把电子装载到载体上。

糖酵解在细胞质基质中进行,把葡萄糖分解为两个 3 碳的丙酮酸。它消耗 2 个 ATP,生成 4 个,净得 2 个 ATP,并把 2 个 NAD⁺ 还原为 NADH。这一过程不需要 O₂。

丙酮酸氧化。丙酮酸被运入线粒体基质,转化为乙酰辅酶 A,释放一个 CO₂,并生成一个 NADH。

克雷布斯循环在基质中进行,把乙酰基氧化为 2 个 CO₂,生成 ATP、NADH 和 FADH₂。每个葡萄糖对应转两圈。

葡萄糖的六个碳全部以总反应式中的 6 个 CO₂ 离开。到目前为止只生成了 4 个 ATP;大部分能量储存在 12 个已装载的载体中。

3.5 · 氧化磷酸化

电子传递链、质子梯度与 ATP 合酶

NADH 和 FADH₂ 把电子交给线粒体内膜上的电子传递链。在原核生物中,电子传递链位于质膜上。

电子从一个载体传到下一个载体,每个载体对电子的束缚都更紧,电子释放的能量把 H⁺ 从基质泵入膜间隙。在链的末端,O₂ 是最终电子受体:它接受电子和 H⁺,变成水。有些原核生物使用其他最终受体,如硫酸盐或硝酸盐。

梯度驱动 H⁺ 通过 ATP 合酶流回,使其转动并合成 ATP:这就是化学渗透,与叶绿体中的相同。内膜折叠形成嵴,为许多电子传递链提供了空间。

产量。每个 NADH 约产生 2.5 个 ATP,每个 FADH₂ 约产生 1.5 个:

也就是说,葡萄糖的 2870 kJ/mol 中约有 34% 以 ATP 的形式保存下来(32 × 30.5 kJ/mol);其余以热的形式散失。没有 O₂,电子传递链就会堵塞并停止。

解偶联。如果 H⁺ 不经过 ATP 合酶而漏回膜的另一侧,电子传递仍会继续,但梯度的能量会以热的形式释放。棕色脂肪就是有意这样做,以使恒温动物保持体温。

3.5 · 发酵

无氧条件下产生 ATP

没有 O₂ 时,只要有 NAD⁺,糖酵解仍然可以为每个葡萄糖生成 2 个 ATP。

糖酵解把 NAD⁺ 变成 NADH。没有 O₂ 来清空电子传递链,NADH 就无法在那里卸下电子,细胞很快就会耗尽 NAD⁺。发酵可以使它再生:丙酮酸(或其产物)接收 NADH 的电子。

发酵本身不产生 ATP,它只是让糖酵解持续进行。有 O₂ 时,同样的葡萄糖约产生 32 个 ATP,是前者的 16 倍。进行发酵的细胞要得到同样多的 ATP,必须快得多地消耗葡萄糖。

几乎所有生物都有糖酵解,它既不需要 O₂,也不需要膜包被的细胞器,这说明它很早就出现了,早于大气中出现 O₂ 的时期。