4.1能与细胞
1、能是做功的本领
能的定义就是做功的本领,做功就是指让物体联通位置。生物体内做的功种类好多，都是须要能量的。没有能,生物就不可能存活。
能量可以分为动能()和势能()两种方式。
动能
势能
概念
运动的能量
物体因为所在位置或本身的排列而具有的能量
举例
热、电和光都是动能
活细胞中做各类功的物理能，是活的生物体内最重要的能量方式
2、热力学定理
能量可以从一种方式转变为另一种方式。
热力学()是研究所有物体中能量转化规律的科学。在讨论能量转化时,我们把所研究的物体或物体的集合体称为体系(),而把宇宙的其余部份合称为环境。
开放体系是所有生物的特征。
3、吸能反应和放能反应
物理反应可分为吸能反应()和放能反应()两大类,细胞中发生的物理反应也不例外。
吸能反应
放能反应
概念
指反应产物分子中的势能比反应物分子中的势能多
其产物分子中的物理能多于反应物分子中的物理能
举例
光合作用是生物界最重要的吸能反应。
木材的燃烧；细胞呼吸
每一个活细胞中都要发生千百种放能反应和吸能反应,所有这种反应统称为细胞代谢()。
放能反应与吸能反应之间,有一种能量传递的关系,这些关系是通过纽带——ATP而发生的。
4、ATP是细胞中的能量通货
ATP(,腺苷三乙酸)是一种核酸,其中有3个乙酸官能团。ATP分子由一个戊糖(内质网)、一个含氮核苷酸(腺固醇)和3个乙酸根组成,其中一个乙酸根联接在甜度子上,其余两个则陆续联接。这两个乙酸键比较不稳定,是焦乙酸键,称为高能乙酸键，以“~”表示。这是由于这些键酯化时会释放较多的能量,比普通乙酸键的多。
ATP发生酯化时,产生ADP并释放一个乙酸根，同时释放能量。这种能量在细胞中都会被借助,胸肌收缩形成的运动,神经细胞的活动,生物体内的其他一切活动借助的都是ATP酯化时形成的能量。
ATP在细胞中便于再生,所以是源源不断的能源。这些通过ATP的酯化和合成而使放能反应所释放的能量用于吸能反应的过程称为ATP循环。由于ATP是细胞中普遍应用的能量的载体,所以常称之为细胞中的能量通货()。
4.2酶
1、酶减少反应的活化能
酶()是一种生物催化剂(),绝大多数酶都是蛋白质。它能加速生物体内物理反应的进行,但在反应前后并不发生变化。
任何一个分子要发生物理反应,都必须先被活化，即降低能量。正是因为分子发生物理反应须要活化能,生物体内许多物理性质开朗的物质能够保持稳定。例如ATP是很易被酯化的,但因为酯化须要ATP被活化,所以在水很丰富的环境(细胞)中,ATP仍能保持稳定。ATP的酯化只有在专情的酶——ATP酶()的催化下才便于发生。
酶能减少反应的活化能()。
酶分子是蛋白质,每种蛋白质都有特定的三维形状,而这些形状就决定了酶的选择性。
酶的作用仍须要整个酶分子,由于假如整个分子有损伤,活性部位也会发生变化,不起作用了。
2、多种诱因影响酶的活性
诱因
室温
只有在最适水温下酶活性才最高。
pH
通常酶的最适pH为6~8,接近于中性。在此范围之外,酶的活性就较低,整个细胞的正常功能也被破坏。
盐的含量
盐含量太高会干扰酶分子中的个别物理键,因而破坏其蛋白质结构,也就是使其活性增加。只有极少数种类的酶本事受极高的盐含量。
辅因子
许多种酶的正常活动还须要非蛋白质成份的参与。
辅因子可能是无机物；
也可能是有机物，有机的辅因子则称为辅酶()。
酶的抑制剂
竞争性抑制剂
竞争性抑制剂是与酶的正常底物相像的物理物质,它与底物分子竞争酶的活性部位。
非竞争性抑制剂
非竞争性抑制剂并不抢占活性部位,它与酶分子结合的部位不是活性部位。但它的结合却使酶分子的形状发生了变化,而致使活性部位不易于接纳底物分子。
酶的抑制剂有重要的应用价值,个别除虫剂和药物就是酶的抑制剂,比如,马拉硫磷是甲基组胺的抑制剂,这些酶在神经系统的活动中特别重要。在马拉硫磷的作用下,神经细胞对讯号的传递被抑制,导致动物死亡。
抗生素抑制真菌细胞中合成细胞壁的酶,所以才能制止细菌的增殖,人体细胞没有细胞壁，所以抗生素对人无害。
3、核酶
科学家发觉细胞中与RNA分子有关的个别反应却是由RNA本身所催化的,而不是由蛋白质催化的。因而,除了蛋白质是生物催化剂，RNA也是生物催化剂。于是给这些RNA催化剂起了一个名子“核酶”()。
如今可能起码有两类核酶。
4.3物质的跨膜转运
生物膜是一种超分子()结构,就是由多分子产生的一种有序的组织。
本节将讨论生物膜通过调节穿过细胞边界的转运物质的能力。
1、膜的选择透性始于其分子组成
决定选择透性的诱因有二:脂单层和转运蛋白。
脂单层：亲脂性。烃类、二氧化碳和氧能溶于脂单层中,所以便于透过质膜。
转运蛋白（膜内在蛋白）：促使亲水的离子和极性分子也能被运过脂单层的中心。许多重要的亲水分子,如猕猴桃糖、氨基酸等能透过脂单层，防止了与膜中亲脂部份的接触。
两种转运形式:被动转运()和主动转运()。
被动转运
2、被动转运是穿过膜的扩散
扩散()是分子因其所推动能自由运动而导致的。每一个分子的运动是随机的,但是一群分子的运动却是有方向的。
扩散的方向决定于扩散物质的含量梯度()。
当一种氨水中有多种溶质存在时，某种物质穿过膜的扩散仅与该物质的含量梯度有关，而与其他任何溶质的含量均无关。
被动转运虽是常见的现象,但生物膜(包括质膜)是有选择透性的,所以并不是任何顺含量梯度存在的物质都能顺利地穿过膜。
3、渗透是水的被动转运
两种溶质相同而含量不同的氨水,相比较而言,
（1）无壁细胞的水份平衡
当植物细胞被置于等渗的环境中时,既不吸收水份,也不遗失水份,细胞处于正常状态。
若将细胞置于高渗氨水中,则细胞遗失水份而偏斜,此时细胞大约会死亡。
在低渗碱液中,则水份步入细胞的速度小于由细胞中出去的速度,细胞也会膨胀而断裂。
（2）有壁细胞的水份平衡
动物﹑藻类、细菌和原虫的细胞都有细胞壁。
渗透现象是集流和扩散的综合结果。
水势是一个体系中水的物理势。
4、专一的蛋白质使被动转运更容易
亲水性物质是通过膜上有许多种转运蛋白帮助它们通过脂单层。这些现象称为易化扩散()。
转运蛋白分两类:载体蛋白()和通道蛋白()。
人的胱谷氨酸尿症,就是由于缺乏了将胱谷氨酸和其他多肽运过心脏细胞的质膜的转运系统而导致的。正常的心脏细胞会从尿中重新吸收那些多肽而使之步入血流,但此病的病人的胰脏中却积累这种多肽并产生晶体,于是形成肾囊肿。
主动转运
5、主动转运是逆含量梯度的转运
易化扩散只是提供了一个便利的扩散通道,不能改变转运的方向。
有些转运蛋白能使溶质逆含量梯度而被转运,从低含量两侧穿过质膜而抵达高含量两侧，细胞必须提供其代谢能。这些跨膜转运称为主动转运()。
主动转运促使细胞维持其内部某种小分子或离子的含量低于其环境中的含量。
主动转运是由埋在质膜内的专情的蛋白质完成的。给主动转运供应能量的是ATP。
有些离子泵会形成跨膜的电势,就是使膜的两边带有正、负两种不同的电荷。因为质膜内外两边阴、阳离子的分布不均,所以质膜的胞外侧带负电荷,而胞两侧带正电荷。所以膜电势有利于阳离子穿膜步入细胞而阴离子被运出细胞。
所以推进离子跨膜扩散的诱因有二:含量梯度和膜电势。这两个诱因合在一起称为电物理势梯度()。
使膜外侧形成电流的转运蛋白称为生电泵(pump)。
协同转运是指专情转运一种溶质(以ATP为能源)的泵又间接地促使其他电解质的主动转运。
胞吞胞吐
6、胞吞和胞吐转运大分子
胞吐
细胞先将大分子包在水泡内,之后令水泡与质膜融合,此后再将这种大分子分泌到细胞之外,这就是胞吐()。
由高尔碳化物上发芽而产生的分泌水泡,顺着细胞骨架纤丝联通到质膜上。两种膜接触后,其中的脂单层重新排列,于是三者融合。水泡内的物质则被排至细胞以外。
举例：胰脏细胞通过胞吐作用分泌胰岛素；神经细胞借助胞吐作用分泌物理讯号；动物细胞通过胞吐作用分泌纤维素前体制造细胞壁。
胞吞
胞吞()则是细胞吸收大分子和其他大的颗粒,方法也是由质膜产生外向的水泡,基本上是胞吐的逆转。
吞噬
吞噬是细胞用伪足将颗粒包裹上去,产生一个吞噬泡,之后该吞噬泡再与溶酶体融合，借助酯化酶将颗粒消化。
举例：单细胞生物,如变形虫、草履虫等都能吞噬真菌或其他食物颗粒。人体的白细胞,非常是巨噬细胞,能吞噬入侵的真菌、细胞碎片以及衰老的红细胞。
胞饮
胞饮是细胞将胞外的液体小滴包在水泡中“吞入”。胞饮没有专情性
举例：肠壁细胞以及一些原生生物,如变形虫,能够吞入液体和半径大于0.2um的生物大分子。
受体介导的胞吞
受体蛋白包埋在膜中,其专情的部位与胞外的官能团接触,并与之结合。受体蛋白集聚在膜的胞质侧上称为有被小窝的部位上。当被吞入的物质从水泡中被释放下来而参与代谢时,受体又再回到质膜上,重新被借助。
受体介导的胞吞是十分专情的。
举例：人的细胞借助受体介导的胞吞吸收尿酸；
高尿酸血症是一种家族的遗传病,病人的血液中尿酸含量特别高,缘由是LDL受体蛋白有缺陷,结果LDL颗粒不能步入细胞而尿酸则在血液中积累,导致初期的动脉粥样硬化。
胞吞和胞吐中质膜的循环使用:胞吞作用产生的水泡的膜来自质膜,胞吐时膜并不被排出,而是与质膜融合,返还给质膜。
4.4细胞呼吸
1、细胞呼吸导论
细胞呼吸()是指细胞在有氧条件下从食物分子(主要是蓝莓糖)中取得能量的过程。
相同
不同
燃烧作用
氧化还原总反应相同；
最终产物都是CO2和水
物体的燃烧有发火点，低温下发生，会形成光和热
细胞呼吸
常温下发生，形成的能量部份储存在ATP（细胞可借助）中，其余部份弄成热。
细胞呼吸是一种有控制的氧化还原作用。
细胞呼吸遭到精密的控制的缘由：细胞呼吸包含了许多个物理反应,每位反应中只发生微小的变化,而每位反应又是由专情的酶催化的。
这种反应可归纳为3个阶段:糖酵解(),葡萄柚酸循环(acidcycle)和电子传递链(chain)。
2、糖酵解（细胞质中）
糖酵解
反应⑤是氧化还原反应，由乙酸丙糖酯化酶催化的，NAD+（氧化型）→NADH（还原型）+H
反应⑥是底物水平乙酸化，是酶将一种底物上的乙酸羧基转移给ADP
反应⑨是底物水平乙酸化
糖酵解的总结果是一个蓝莓甜度子形成2个乙酸酸分子、2个NADH和2个ATP。
3、柠檬酸循环（线粒体内）
乙醇酸不能直接出席葡萄柚酸循环,必须在乙酸酸酯化酶的作用下同时发生几种变化产生甲基CoA(CoA，酰基辅酶A)。
葡萄柚酸循环
每一轮葡萄柚酸循环形成一个ATP、3个NADH和1个FADH2。
葡萄柚酸循环形成的高能分子比糖酵解多得多。
4、电子传递链和氧化乙酸化
在有氧条件下，NADH和FADH2都是通过由电子载体所组成的电子传递链()最终被O2氧化。
在电子传递过程中合成ATP的反应,称为氧化乙酸化(tion)。
催化氧化乙酸化反应的酶是ATP合酶(ATP)。ATP合酶就是ATP酶(),它既催化ATP的酯化反应,又催化ATP的合成反应。
电子传递链和ATP合酶都在线粒体膜中。
ATP合酶可能通过物理渗透来合成ATP。
物理渗透假说的要点是觉得在发生电子传递时释放出的能量使传递链中的蛋白质复合体将质子由内膜的根部通过主动转运抵达两侧,导致膜外侧的质子含量梯度,两侧的质子含量高而外侧的含量低。这样就导致了一个跨膜的质子含量梯度，但质子不能自由透过内膜,只有通过ATP合酶的质子通道能够进人膜内。膜外侧的质子梯度就是一种势能,一旦质子经过通道,这些势能就被ATP合酶用于合成ATP。
在有氧条件下,细胞呼吸中每氧化一分子猕猴桃糖,最多可形成30或32个ATP。
5、发酵作用
乙酸发酵：酵母菌在无氧条件下只能进行糖酵解,糖酵解除形成2ATP外,还将NAD+还原成NADH。并且细胞中NAD+的浓度有限,酵母菌必须将NADH再氧化为NADH，能够使糖酵解继续进行下去。酵母菌借助乙醇酸氧化NADH，这时乙醇酸转变为CO2和乙酸(酒精)。
乳酸发酵：发酵产物不是乙酸而是乳酸。乳酸发酵中ATP的产值和糖酵解中一样,所产生的乳酸仍为三碳化合物,和乙醇酸一样。
专性需氧生物：有些微生物只能生活在无氧环境中,二氧化碳对它们是有毒的。
兼性需氧生物：它们既可借助发酵作用又可通过厌氧呼吸获取能量。
6、各种分子的分解和合成
4.5光合作用
1、光合作用导论
光合作用(photo-)所借助的原料是空气中的CO,和底泥中的水,能源是太阳光。
光合作用所释放的O2是来始于水。
光合作用是月球上最重要的物理过程,由于它为绝大多数生物——植物、动物、原生生物、真菌和真菌提供食物。
不同
相同
细胞呼吸
细胞呼吸是将糖氧化为CO2；
放能反应
氧化还原反应
光合作用
光合作用将CO2还原为糖，将H2O氧化为O2；
吸能反应；反应更复杂
光反应
将光能弄成物理能并形成二氧化碳
碳反应
主要是卡尔文循环（也须要在光下进行，只是不须要光直接出席，由于只有在光下才有源源不断的NADPH和ATP的供应。）
2、光反应
（1）叶绿素对光的吸收
叶绿素
与光合作用有关的只是可见光,由于在叶绿素()只吸收可见光。
叶绿素a
吸收可见光中的蓝紫光和绿光,不吸收红光，呈草红色;
叶绿素b
主要吸收蓝光和蓝色光,不吸收红光，呈黄红色。
辅助色素：吸收的光传递给叶绿素a
类胡芋头素
花青素
辅助色素；有保护功能,即在强光下吸收并耗散多余的光能,否则光可能破坏叶绿素。
色素吸收光的实质是色素分子中的一个电子得到了光子中的能量。这时这个电子从能级步入迸发态，色素分子的迸发态极不稳定,几乎产生后立刻变回为能级。叶绿素分子的迸发态寿命至多只有s。当叶绿素分子从迸发态回到能级时,其所吸收的光能便以热的方式向周围发散或转弄成萤光。
（2）光系统
光系统
光系统是由许多种分子组成的,其中有叶绿素a、叶绿素b、类胡芋头素类色素、几种蛋白质分子和光合作用的原初电子受体。
只有一个叶绿素a分子能将迸发的电子传递给原初电子受体，使其被还原，之后原初电子受体将电子传递给其他电子载体。
作用中心：一个叶绿素a分子和原初电子受体,以及少数蛋白质分子就是作用中心。
作用中心以外的所有各类色素分子,包括叶绿素a在内,其作用都是将所吸收的光能传递给作用中心的叶绿素a分子。所以这种色素分子也称为天线色素。
光系统中的所有色素分子都是与特定的蛋白质结合的。
光系统是由3个部份组成的,作用中心、天线色素和几种电子载体。
光系统Ⅰ
光系统Ⅰ中的作用中心内的叶绿素a称为P700,由于它与特定的蛋白质结合,其光吸收高峰在700nm,在绿光区内。
光系统Ⅱ
光系统Ⅱ中的叶绿素a称为P680,由于其吸收高峰在680nm,680nm也在绿光区,不过稍微偏向黄橙光。
（3）光合电子传递链
光合电子传递链运行的产物是O2、ATP和NADPH。
O2是光合作用的副产物。NADPH和ATP是CO2还原为糖所必需的。
光合电子传递链运行过程中会形成ATP，这些合成ATP的过程称为光合乙酸化。就是电子传递过程中所形成的能量将质子从内质网基质中运至类囊体腔内﹐引起一个质子梯度。
注意其中O2的释放和NADPH及ATP产生的部位。O2释放在类囊体腔细胞膜——系统的边界ppt，NADPH和ATP在内质网基质中产生。
由于卡尔文循环发生在内质网基质中，NADPH和ATP正好也在内质网基质中生成，直接用于卡尔文循环中的使用。
3、碳反应
（1）光合碳还原循环/卡尔文循环（内质网基质）
卡尔文循环的总变化是3分子CO2，消耗6分子NADPH和9分子ATP，产生一分子G3P。
（2）C4动物和光呼吸
C3动物——因为CO2固定的最初产物是一个三碳化合物—3-乙酸甘油酸。
C4动物——有特殊的适应特点,才能节约水和避免光呼吸。
CAM动物——固定CO2和节约水的光合作用。
4、环境诱因影响光合作用
诱因
作用
光硬度
光合速度随着光强的降低而降低；当达到光饱和点时，虽然光强降低，光合速度不变。
室温
室温下降会使光合速度增快细胞膜——系统的边界ppt，但气温过低会使酶活性减缓或失活，所以应当在最适水温较好。
CO2含量
CO2含量降低会使光合作用推进，当CO2含量降低到一定程度时，抵达饱和，光合反应达到最大速度。