普通生物學/細胞/能量代謝

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能量

• 做功的能力。
  • 動能：運動的能量（例如，慢跑）。
  • 勢能：儲存的能量（例如，即將撲向獵物的獅子）。
• 能量的形式很多：例如，
  • 熱
  • 聲音
  • 電流
  • 光
  • 所有能量都可以轉化為熱能
• 生物界的大部分能量來自太陽
• 熱（隨機分子運動的能量，熱能）
  • 在生物學中很方便
  • 所有其他形式的能量都可以轉化為熱能
  • 熱力學：熱能的研究
• 熱通常以千卡為單位測量
  • 千卡：1000卡路里
  • 1卡路里：將1克水升溫1攝氏度（°C）所需的熱量
• 熱在生物系統中起著重要作用
  • 生態重要性
  • 生化反應

氧化還原

• 能量從太陽流入生物界
• 光能被光合作用捕獲
  • 光能使電子躍遷到更高的能級
  • 以糖類中 C-H 鍵的勢能形式儲存
• 共價鍵的強度由斷裂它所需的能量來衡量
  • 98.8 千卡/摩爾 C-H 鍵
• 在化學反應中，儲存的共價鍵能量可能轉移到新的鍵。當這涉及電子的轉移時，它就是氧化還原反應
• 總是同時發生
  • 原子或分子透過氧化失去的電子透過還原被另一個原子或分子獲得
  • 勢能從一個分子轉移到另一個分子（但永遠不是 100%）
• 通常稱為氧化還原反應
  • 光合作用
  • 細胞呼吸
  • 化學合成
  • 自養生物
  • 異養生物

NAD⁺

• 氧化還原反應中常見的電子受體/供體
• 高能電子通常與 H⁺ 配對

自由能

• 斷裂並隨後形成其他化學鍵所需的能量
  • 化學鍵：電子的共享，傾向於將分子的原子結合在一起
  • 熱量透過增加原子運動，使斷裂鍵更容易（熵）
• 系統中可用於做功的能量
• 在細胞中，G = H - TS
  • G = 吉布斯自由能
  • H = H（焓）分子化學鍵中的能量
  • TS（T，以°K為單位的溫度；S，熵）
• 化學反應斷裂和形成鍵，產生能量變化
• 在恆定的溫度、壓力和體積條件下，ΔG = ΔH - TΔS
• ΔG，自由能變化
  • 如果為正 (+)，則 H 較高，S 較低，因此有更多自由能；吸能反應，不會自發進行；需要能量輸入（例如，熱量）
  • 如果為負 (–) 則 H 較低，S 較高。產物具有較少的自由能；放能反應；自發反應

活化能

• 具有 -ΔG 的反應通常需要活化能
  • 例如，葡萄糖的燃燒
  • 必須斷裂現有鍵才能使反應開始
• 催化劑降低活化能

酶

• 生物催化劑
  • 蛋白質
  • RNA（核酶）
• 穩定反應物（底物）之間的短暫關聯，以促進反應
  • 正確的方向
  • 使底物的鍵產生壓力
• 降低活化能
• 在反應中不被消耗（破壞）

碳酸酐酶

• 紅細胞的重要酶
• CO₂ + H₂O → H₂CO₃ -> HCO₃ + H⁺
• 碳酸酐酶催化第一個反應
  • 將水轉化為羥基
  • 使羥基和 CO₂ 定向

酶機制

• 一個或多個結合底物（反應物）的活性位點
  • 高度特異性
• 結合可能會改變酶的構象，誘導更好的配合

影響酶活性的因素

• 底物濃度
• 產物濃度
• 輔因子濃度
• 溫度
• pH
• 抑制劑
  • 競爭性：結合到活性位點
  • 非競爭性：結合到第二個位點，稱為別構位點；改變酶的構象
• 啟用劑
  • 結合到別構位點，提高酶活性

輔因子

• 一些酶需要它
• 帶正電的金屬離子
  • 例如，Zn、Mo、Mg、Mn 的離子
  • 將電子拉離底物（使化學鍵產生壓力）
• 非蛋白質有機分子（輔酶）
  • 例如，NAD⁺、NADP⁺ 等
  • 透過捐贈或接受電子在氧化還原反應中發揮重要作用

ATP

• 三磷酸腺苷
• 細胞的主要能量貨幣，為吸能反應提供能量
• 在磷酸鍵中儲存能量
  • 高度負電荷，互相排斥
• 使這些共價鍵不穩定
  • 低活化能
• 當鍵斷裂時，能量被轉移
• ATP → ADP + Pi + 7.3 千卡/摩爾

生化途徑

• 代謝：細胞/生物體中化學反應的總和
• 許多合成代謝和分解代謝反應按順序發生（生化途徑）
• 通常高度調控

生化途徑的演變

• 原始生物或第一個細胞可能利用環境中富含能量的底物
• 當底物枯竭時，選擇將有利於將另一種分子轉化為枯竭分子的催化劑
• 透過迭代，途徑向後演變

參考文獻

此文字基於克利夫蘭州立大學的 Paul Doerder 博士慷慨捐贈的筆記。