微观第四部分：能量与代谢

《现代生物导论》能量与代谢部分，还含有呼吸作用和光合作用（有C3C4CAM和光呼吸），高中生也可以看着玩玩。

微观第四部分： 能量与代谢

• 新陈代谢与能量货币——ATP
  • 新陈代谢
    • 1. 定义：生物体内物质和能量变化的总称，是最基本的生命活动过程。
    • 2. 分类
      • a. 分解代谢
        • 生物体内一切物质的分解作用，释放能量
      • b. 合成代谢
        • 生物体内一切物质的合成作用，释放能量
    • 3. 特点
      • a. 代谢的不平衡性（需要不断摄入能量）
      • b. 驱动细胞做工
        • i. 转运功
          • 帮助物质进行跨膜运输
        • ii. 机械功
          • 肌肉的收缩需要能量和氧气，做的功成为机械功。
        • iii. 化学工
  • 能量
    • 1. 糖是最基本的能量来源。
    • 2. 驱动细胞做功的主要来源：ATP（有时也可能是GTP）
      • 结构：三磷酸腺苷
      • 水解
        • i. 放能反应与吸能反应通过磷酸化中间物偶联
        • ii. 细胞以来ATP的磷酸基转移获得能量
      • ATP的循环再生
        • ATP和ADP+Pi
• 酶与代谢（能障，活化能）
  • 酶(enzyme)
    • 1. 生命体内催化化学反应的物质
      • 提高反应速率，但自身不被消耗，结构与活性也不变，可反复使用。
    • 2. 绝大多数酶的化学本质是蛋白质，生物催化剂不总是蛋白质。
    • 3. “核酶”（ribozye），一种具有催化活性的RNA
    • 4. 特点
      • i. 高催化效率
      • ii. 高度专一性
        • 催化的的反应专一性
        • 催化的底物专一性
      • iii. 作用条件温和性
        • 常温
        • 常压
        • 中性pH
      • iv. 作用的可调控性
    • 5. 原理
      • 酶加速反应的机理是降低反应的活化能（activation energy）
        • 底物分子从初代转变到活化态所需的能量（又称能障）
    • 6. 影响酶活性的因素
      • i. 温度
      • ii. pH
      • iii. 盐浓度
      • iv. 辅助因子
        • 1||| 辅基（无机离子，激活或参与fanying）
        • 2||| 辅酶（小分子有机物，传递电子、原子或某些基团）
    • 7. 抑制剂
      • 竞争性抑制剂
        • 如CO（解救方法：加大氧气浓度）
      • 非竞争性抑制剂
    • 8. 酶的变构调节
      • 变构酶常常处于代谢通路的开端，通过反馈抑制减少不必要的底物消耗。
        • 如ATP过多会限制葡萄糖的分解，ADP、AMP增多会促进糖的分解。
    • 9. 日常
      • 肝功能检查
        • 谷丙转氨酶（ALT），谷草转氨酶（AST）
• 呼吸作用
  • 葡萄糖酵解（无氧气条件下葡萄糖部分分解）
    • 场所：细胞质基质
    • 结果：C6→2C3+2ATP
    • 过程
      • 1,6-ructose bisphosphate
      • 1,3-Bisphosphoglycerate
      • Pyruvic acid
      • 如果氧气供给跟不上，会继续无氧呼吸
  • 有氧呼吸阶段
    • 三羧酸循环（Krebs循环，柠檬酸循环）
      • 场所：线粒体基质
      • 过程
        • NADH和FADH2通过线粒体的嵴的电子传递链产生质子梯度。
    • 氧化磷酸化
      • ATP生成途径
        • 底物水平的磷酸化
          • 把底物上的一个磷酸集团转移到ADP形成ATP
      • 线粒体内膜上呼吸链传递电子时释放的能量促使直肠子从基质转运到膜间腔，造成跨膜的质子梯度（电化学梯度），质子顺浓度梯度有膜间腔竟膜通道（ATP合成酶）重新进入基质（化学渗透），ATP合成酶使用渗透的梯度能量催化ADP和Pi合成ATP
        • • KeyPoint
            • 1. 电子传递链，电子势能转变为质子跨膜运动
            • 2. 质子跨膜运动，产生电位差
            • 3. 质子通过ATP合成酶返回线粒体基质，伴随ATP产生，这一过程又称为化学渗透
      • ATP酶的结构与功能
        • ATP酶利用膜两侧形成的质子梯度所含有的势能合成ATP
        • ATP酶的三个部件
          • 1. 圆柱状蛋白质复合物
            • 嵌入膜内，充当分子马达。当质子流经过其内部是可推动那大顺时针转动。
          • 2. 转轴
            • 与分子马达和催化蛋白质项链，可与分子马达一道转动并激活催化蛋白。
          • 3. 催化蛋白
            • 位于质基一侧，由6个亚基组成，可将无机磷酸根连接到ADP生成ATP
• 光合作用
  • 基本过程
    • 光反应
      • 水的光解
      • 场所：叶绿体类囊体薄膜，电子传递途径：PS光系统<命名原因：吸收的光的波长>
        • 之字形路线
        • PhotoStemⅡ（又称P680*）一种跨类囊体膜复杂的的叶绿素和蛋白质复合物
          • 集光复合体：吸收光能
          • 反应中心：催化水光解
          • 去镁叶绿素、质体醌等：电子初级受体
          • …………
        • PhotoStemⅠ(P700*)
      • *在这个过程中同样存在着质子梯度的形成以及通过质子梯度合成ATP（（线性）非循环式光合磷酸化反应）
      • *由于暗反应中消耗的ATP：NADPH=1.5>光反应中产生的ATP：NADPH=（略大于）1，所以会造成NADPH的积累。在这种情况下，铁氧还蛋白传递电子的过程被抑制，电子被回传给能量低的细胞色素b6f，再利用P700（PS1的一部分）进行循环式电子传递（不产生NADPH，只制造ATP，但需要光能的不断刺激）来消耗多余的能量。
      • 原核生物的光合作用
        • 蓝藻类
          • 同样具有PS1和PS2
        • 其他光合细菌
          • 具有其他多种色素，但不氧化水生成氧气
        • 其他物质（硫化氢、有机物等作为电子供体）
          • 只具有ps1，可以固定空气中的氮，产生氨气等
    • 暗反应
      • 一般方式：卡尔文循环
        • • 产生一个六碳糖分子，需要18个ATP和12个NADPH； 也就是说，固定一个二氧化碳分子需要3个ATP和2个NADPH
      • 场所：叶绿体基质
    • 光呼吸
      • Rubisco是一个双功能酶。
      • 2C是废物，无法进行光合。一般情况下，这种反应发生速度慢，不会影响光合作用。
      • 在干旱地区，植物通过光呼吸提高二氧化碳浓度、降低氧气浓度会提高光合作用效率。
        • 还有一种对抗光呼吸的方式就是C4植物
  • 形式分类
    • C3途径
    • C4途径
      • 用于进行光合的两种细胞结构
        • 相邻的薄壁细胞（基粒发达，光反应强）
        • 维管束鞘细胞（有叶绿体但无基粒或基粒发育不良，无法进行）光反应
      • 过程
      • 意义
        • 在空间上将光反应和暗反应分割开来，有利于提高光合作用效率
    • CAM(crassulacean acid metabolism,景天酸代谢)途径/CAM循环
      • CAM植物特点：气孔白天关闭，晚上开放；光反应暗反应在时空上被分割开来；但效率不高，生长缓慢，适合在干旱地区生长。
      • 过程