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CH5 能量與生命 馮禮君
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CH5 能量與生命 細胞與能量 光合作用 細胞呼吸
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5.1生物體內的能量流 能量 動能、位能 能量的形式： 研究能量的學科：熱力學(熱能的變化) 熱量的單位： 細胞與能量
1卡(calorie, cal)： 使1公克的水溫度升高攝氏1度所需要的熱量 仟卡(Kilocalorie, Kcal)：1000卡
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5.1生物體內的能量流 細胞與能量 氧化還原反應 生物界的能量均源自於…….太陽
光合作用中，太陽得來的能量用來將小分子合成複雜的分子，能量被儲存在糖分子的共價鍵內。 共價鍵的強度：打斷此共價鍵所需的能量
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化學反應： 氧化反應：一個原子或電子失去一個電子 還原反應：一個原子或電子得到一個電子 氧化─還原反應：氧化、還原通常同時進行
在氧化反應中失去的電子，會由其他原子經還原反應而獲得 氧化、還原通常同時進行 細胞內的所有活動都可視為分子間的一系列化學反應 化學反應中，存在於化學鍵中的能量可以轉移到新鍵上
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5.2 熱力學定律 範圍：熱力學支配所有宇宙間的能量變化 熱力學第一定律：宇宙間總能量保持恆定 熱力學第二定律：能量傾向於增加分子亂度
能量可以轉換形式 能量不滅 熱力學第二定律：能量傾向於增加分子亂度 能量自發轉換 分子隨機運動，亂度持續增加 Entropy(熵): 測量系統亂度的單位 例如：空氣的分子擴散、錢幣正反面的機率、生物多樣性
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5.3 化學反應 吸能：產物能量>反應物 放能：產物能量<反應物 活化能：放能反應中，打開鍵所需的能量
(基質) 產物 吸能：產物能量>反應物 放能：產物能量<反應物 活化能：放能反應中，打開鍵所需的能量 催化作用：降低反應活化能的過程
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5.4 酶Enzymes 酶： 酶如何作用？ 一種蛋白質 可催化細胞內特定的化學反應(細胞藉由控制酶的存在及何時活化，來控制內部所有反應)
一個酶只對應一種特定反應物(如同模子) 活性部位：酶表面上與反應物的相契合的部位 結合部位：反應物上與酶結合的部位 降低反應的活化能(拉走化學鍵上電子)or形成連結(將反應物拉近)
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酶的調節 酶的調節： 細胞藉由改變酶的形狀來控制活性 異位的酶：與信號分子結合可以改變形狀 異位部位：(信號分子與酶表面的結合部位)
抑制物&活化物
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影響酶活性的因素 (可能改變酶形狀的變化)
輔酶： 酶常常利用輔助因子(其他化學物質，例如：金屬離子與輔酶)來協助催化反應 作為輔助因子的非蛋白質有機分子 NAD+變成NAHD(電子以氫原子的形式隨質子轉移) 酸鹼值及溫度 適當溫度範圍 最佳酸鹼值，例如：胰蛋白酶在PH6~8，胃蛋白酶在酸性環境
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5.5細胞如何利用能量 利用能量作功 ATP/腺核苷三磷酸(體內供己能量的分子) ATP分子結構 細胞的能量貨幣(驅動細胞活動的能量來源)
ATP→ADP+Pi+能量 放熱(磷酸根脫離ATP分子) 三個部分組合而成 糖(分子的骨架) 腺嘌呤 鏈(三個磷酸根)
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葉綠體內 類囊體、葉綠餅、基質、光系統 適當波長的光擊中葉綠體分子，藉由葉綠分子傳播到關鍵性葉綠分子(與蛋白質相接)，再傳給蛋白分子，生成ATP
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光系統的結構 植物使用兩個光系統 綠色植物、藻類 兩個光系統 (1)製造ATP
(2)使NADP+ 形成NADPH(為製造糖及多個C-H鍵的有機分子，提供還原力)
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光系統的發現 1932艾默生和阿諾 早在1943年， 愛默生 （Emerson）以綠藻和紅藻為材料，研究其不同光波的量子產額 （quantum yield ）（即植物通過一個光量子所固定的二氧化碳分子數或放出的氧分子數），發現當光子波長大於685nm（遠紅光）時，雖然仍被葉綠素大量吸收，但量子產額急劇下降，這種現像被稱為紅降現象 （red drop）。 當時尚不能理解這個現象。 愛默生等在1957年又觀察到，在遠紅光（710nm）條件下，如補充紅光（波長650nm），則量子產額大增。 比這兩種波長的光單獨照射的總和還要多。 後人把這兩種波長的光協同作用而增加光合效率的現象稱為增益效應 （enhancement effect）或愛默生效應 （Emberson effect）。
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光合作用 光合作用： 6 CO2+12H2O+光能→C6H12O6+6O2+6H2O 光合作用利用CO2來製造有機分子
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光合作用 光合作用利用CO2來製造有機分子 光合作用三階段 葉綠體：進行光合作用的場所
(1)從日光中捕獲能量 (2)製造ATP (3)由ATP驅動，將CO2合成有機分子 葉綠體：進行光合作用的場所 2.類囊體 (thylakoids)膜上有各種光合作用所需的色素，例如葉綠素a,b及類胡籮蔔素 (carotenoids)等，這些色素在膜上排列緊密。 光反應(前兩個階段) 暗反應(第三個階段，卡爾文循環) 只要有ATP，卡爾文循環可在沒有光的情形下進行
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3.葉綠體能裂解水分子： a.水的裂解，產生O2的證明。 b.紫硫菌在進行光合作用是H+及電子的供應來自H2S。 CO2+H2S →CH2O+H2O+S↓ 4.光合作用是一系列的氧化還原過程 (redox process)，由水裂解所產生ATP及NADPH，以供應暗反應所需。
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光反應與暗反應
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三、光反應與暗反應的相互密切配合，植物把光能轉變為化學能–醣類
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5.7植物如何從光中捕獲能量 光子 可見光 電磁波光譜 伽馬射線
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色素 色素：吸收光的分子 可見光：能吸收的波長 視黃醛(人類眼內的色素)：380奈米~750奈米
昆蟲，例如：蜜蜂(看見紫外線，不能看見紅光)
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植物吸收光線的色素：葉綠素 葉綠素a，葉綠素b 類胡羅蔔色素(捕捉葉綠素不能吸收的光) 植物主要吸收藍光和紅光，反射綠光
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5.8 色素組織成光系統 光合作用在胞器葉綠體的膜上進行 葉綠體(營光合作用的細菌演化而成) 光反應三階段 (1)初級光反應 (2)電子傳遞
(3)化學滲透
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1. Emersion 促進效應 (Emerson enhancement effect)
2. 有兩個光系統：PSI及PSII。 PSI複合體：含葉綠素a及電子傳遞物plastocyanin (PC)及細胞色素(Cyt.f)等。P700是PSI反應中心 PSII：葉綠素b及其他輔色素，P680是其反應中心
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1.Calvin cycle 將CO2固定，以光反應所得之ATP為能源，並供應NADPH還原劑，形成醣類，可分為下列三階段
5.9光系統如何將光能轉換為化學能 非循環式光合磷酸化作用 5.10建構新分子 卡爾文循環 C4光合作用 1.Calvin cycle 將CO2固定，以光反應所得之ATP為能源，並供應NADPH還原劑，形成醣類，可分為下列三階段 CO2固定 (CO2 fixtion)。 還原 (reduction)。 CO2接受者RuBP的再生 (regeneration of CO2 acceptor)。
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克氏循環 在1953年，一名英國科學家 -- Hans Adolf Krebs教授憑他的克氏循環理論的研究獲頒在生理學和醫學方面的諾貝爾獎。
克氏循環(三羧酸循環或檸檬酸循環)是製造體内大部分能量的“工廠”，也是維持生命的根源。它不可缺少，一旦沒有了它，我們就無法存在。
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漢思阿道夫˙克利布斯（Hans Adolf Krebs）是一位在德國出生的英國生物化學學家，他發現了檸檬酸循環，也就是克氏循環（Krebs cycle），是種在生物組織中將食物分子轉變成能量的最後過程，而他也因為這項研究使他得到了1953年諾貝爾生理與醫藥學獎。 Krebs生於Hildesheim，並於1918至1923年期間，在Freiburg-im-Breisgau、Berlin、Gottingen三 所大學研修醫學，1926年他被Kaiser Wilhelm學會指派至Berlin-Dahlem教授生物學，並且一直在那服務至1930年，這段期間他由助理升至教授。1933年6月，政府終止了 他的任命，之後他應邀至劍橋大學，在劍橋大學裡被指派為生物化學示教員，一直待到1934年。
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1935年，他至Sheffield大學講授藥理學，而在1938年被遷調至Sheffield大學的生物化學系。1945~1954年他升格為教授以及 醫學研究委員會的研究部主任，1954年後，他至牛津大學，該單位也因此轉移至牛津大學。 Krebs最先是對人體分解胺基酸的過程感到興趣，他發現氮原子是首先自氨基酸分開（deamination）的，並以尿素在尿液中排泄，他稍後開始研究這個從氮原子到尿素的過程，而在1932年他完成了尿素循環的基本步驟。
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檸檬酸循環的發現，使得生物體內的能量產生的機制有了更清楚的了解，而能量的產生更涉及到了生物的新成代謝；代謝是指將食物與營養轉換成能量與分子的過 程。植物與許多細菌為自營（autotroph）生物，可自無機環境得到能量。動物如人類則為異營（heterotroph）生物，可自已存的高能量食物 如碳水化合物中得到能量。 Kerbs的貢獻對於科學界有著莫大的幫助，他將過去零散不完整的片段知識整合統整起來，將過去的知識蒐集精要而集其大成，而且他這項研究成果不單只是對 醫學上有所助益，對於動物、植物、微生物、生態上的研究也有著不小的貢獻，因為其牽涉到能量的轉換，因此便可利用此特性而予以研究不同物種其能量轉換以及 細胞的新陳代謝。
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這些營養素都必須在進入檸檬酸循環前先跟乙酸（來自醋）結合。 在檸檬酸循環裡，這些營養素將會被轉化成能量（三磷酸腺苷，ATP）以供身體使用。
根據克氏循環理論，我們所攝取的 澱粉和糖份都會轉化成血糖， 脂肪則轉化成脂肪酸， 而肉類和豆類的蛋白質將轉化成20多種的氨基酸。 這些營養素都必須在進入檸檬酸循環前先跟乙酸（來自醋）結合。 在檸檬酸循環裡，這些營養素將會被轉化成能量（三磷酸腺苷，ATP）以供身體使用。 在轉化的過程中，食物將持續被轉化成檸檬酸，接著被轉化成cis-Acotinate、異檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、富馬酸、蘋果酸和草醋酸。當酸質被轉化成檸檬酸時，此過程將會持續重復。
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七、光合作用是生界新陳代謝之基礎 (biosphere metabolic foundation)
3. 醣類經代謝後會轉變成蛋白質、脂類及其他產物，例如纖維素、木材等，這些可能是地球表面最多的有機物質，每年光合作用之產物估計約有176億公噸。 參考資料：陳益明老師的講義「光合作用」
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細胞呼吸 定義：食物被氧化而獲得能量的過程 有氧呼吸 厭氧呼吸(不用氧而用其他無機物做為電子受體)
糖解作用：藉由偶合反應製造ATP 氧化作用；取得電子生成ATP(粒腺體內) 厭氧呼吸(不用氧而用其他無機物做為電子受體) 產甲烷菌 產硫菌 細胞呼吸的調節：具有足夠ATP，呼吸速率減慢
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乙醯輔酶 乙醯輔酶A是人體內重要的化學物質。首先，它是丙酮酸脫羧，脂肪酸的β-氧化的產物。當丙酮酸激進入線粒體的基質後，它會被丙酮酸脫氫酶複合體轉化為乙醯輔酶A，因為在此過程中，丙酮酸會被氧化（氫原子轉移到NADH+）及其羧基會以二氧化碳的形式離開，故此過程被稱為丙酮酸脫羧。同時，它是脂肪酸合成，膽固醇合成和生酮作用的碳來源。三大營養物質的徹底氧化殊途同歸，都會生成乙醯輔酶A以進入三羧酸循環。
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發酵的兩種方式 有氧時，丙酮酸被氧化成乙醯輔酶A，進入克氏循環 無氧時，丙酮酸接受糖解作用中由NAHD運送的電子而被還原，稱為發酵
乳酸：丙酮酸被直接還原，例如：肌肉 乙醇：當CO2先從丙酮酸中被移出，再被還原，在酵母中
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謝謝大家的聆聽！
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