生物物理学导论

生物物理学导论 08 第五章生物能力学 5 1生物的能量流 生物功 生物功是被生命机体连续实现的活细胞或在其内部或在其所处的环境中所做的功 生物功的种类 肌肉收缩的机械功 传递电荷时的电功 物质穿过半透膜传输时的渗透功 或者新物质合成时的化学功 生物循环 为了实现所有这些功 细胞必须通过一定的机构使能量可以适当的方式变换 转化 一般说来 在恒温下 大多数细胞只有在消耗能星亦即能量转化为较为无用的形式时 方才可以获得功的净输出 活细胞具备复杂而又非常有效的器件 用以达到这一目的 光合作用 对于生命 能量的主要来源是太阳 绿色植物 藻类和少数细菌能够从太阳光摄取能量 并将其转化为适于维持它们自身的生命和其余生命世界的形式 使这一转化发生的过程 称为光合作用 光合作用的产物 大量的化学潜能 食物 则用于 逆 过程 产生适合于做功的能量形式 光合作用过程 在光合作用中 一种专门的分子在所谓反应中心内的激发 导致一初级氧化 还原反应 还原反应又启动同一类型的反应序列 这样的最终结果是氢的给体H2A的氧化 伴随着产生较强的还原剂H2X H2A X 光 H2X A在光合细菌中 A可以是从硫到有机基团的各种物质 在高等植物和藻类中 A总是氧 因而给体总是水 还原剂随后用于将二氧化碳还原为糖 12H2X 6CO2 HCOH 6 6H2O 12X这一反应中无需光 因此 光合作用的整个反应可以写作12H2X 6CO2 光 HCOH 6 6H2O 12X 对于这些有机体 总反应就变为6H2O 6CO2 光 HCOH 6 6O2这是通常熟知的形式 这一方程左侧的能量项 光 是被吸收光的电磁能 能量在方程右侧就是物质 HCOH 6和O2的化学潜能 方程左侧的化合物水和二氧化碳比之右侧的糖和氧更稳定 因此 左侧的总结合能比右侧更低 由于反应是不可逆的 这一能量差的一部份必然丢失掉 其余部分作为糖和氧的化学潜能被贮存起来 呼吸 糖和氧的再化合可以导致贮存能量的释放 如果这一再化合是通过在试管中的燃烧来实现的 则所有能量都以热的形式释放 一般的常温下 在大多数有机体中 这样的热不能用来作功 当这一能量释放是通过一平衡的氧化 还原反应序列实现 就像在活细胞的线粒体中发生的那样 则能量以逐步的方式放出 并以有可能在必要的时间和地方作功的形式被截获 重又作为化学潜能 水解反应 能量捕获的形式发生在化合物三磷酸腺苷 ATP 中 它是在食物逐步氧化时产生的 水解反应ATP H2O ADP Pi伴随能量的释放 式中 ADP为二磷酸腺苷Pi代表无机磷酸根 当反应在有控制的条件下进行时 这一能量可用来作功 生物能量循环的控制过程可以想像为开动一系列水车 驱动发电机恢蓄电池充电的过程 充电放电 当把光合作用比作 应用电磁能 将 水 升至高水平的泵时 呼吸就可看作 水 的分步降落 驱动 水车 使 ATP蓄电池 充电 然后 这样的蓄电池即可输送到需要做功的地方 当有适当的联接时 它们又可以在做功时通过水解反应 放电 生物能力学最有挑战性的问题 尽管释放能量的氧化反应与ATP形成的偶联 以及在执行化学功 电功 渗透功或机械功时ATP的水解 在热力学上可以是很简单的 但它们的分子机理 或其机制 却远末明了 这构成生物能力学当前研究中一个最中心和最有挑战性的问题 5 2偶联反应中的三磷酸腺苷 吡啶核苷酸 高能磷酸根生命系统中普遍的能量携带者ATP是一种核苷酸 它由一种碱基腺嘿吟组成 其嘌呤基通过糖苷键与D核糖分子相连 一连三个磷酸根联在核糖的5 位置上 如果去掉末端的磷酸根 就变成二磷酸腺苷 ADP 当仅带一个磷酸根时 就是一磷酸腺苷 AMP ATP的特征 在完整细胞中 在pH7 ATP分子有很高的荷电量 它的三个磷酸根都电离 因而分子有四个负电荷 分子可以很容易与像Mg2 和Ca2 这样的二价正离子形成络合物 结果使其活细胞只有很少的ATP是以自由负离子存在 而大多数都是与Mg结合的 这一特征可能与ATP的专一性酶水解有些关系 通过这样的酶水解使化学潜能转化为功 水解的自由能 ATP携带能量的功能并不与磷酸基的化学键相关联 后者被不准确地称为 高能键 这一功能是由于水解反应产生很强的负自由能ATP4 H2O ADP3 HPO42 H 在标准状态下 反应平衡时的自由能约为 7千卡 克分子 反应的平衡大大地偏向右端 因为反应产物由于它们的负电荷和新的杂化分子轨道的形成而很稳定 化合物的水解标准自由能 ATP并非生物系统中具有这一特征的仅有的磷酸化合物 实际上 有许多其它磷酸化合物还有更多的 较多的是有更低的 水解标准自由能 表5 1简列了生物系统中一些化合物的水解标准自由能 从表中可见 ATP实际上处于水解标准由能区间的中间 这对于通过具有共同中间体的偶联反应来传递能量的功能 是非常合适的 偶联反应 在偶联反应中 一个具有负自由能变化的反应 可以用来 起动 另一个具有正自由能变化的反应 例如 考虑反应A P Q反应的自由能变化为 考虑反应P B R反应的自由能变化为式中 是适当的化学潜能 C代表浓度 更确切地说是活度 我们假定 Ga是负的 Gb是正的 当P 它是两个反应共有的 的浓度非常低 因而给 p一个很大的负值时 这种情况是真实的 这一条件促使 1 反应A P Q向右 2 反应P B R向左直到所有反应物的浓度达到使 Ga和 Gb都为0的值为止 释放的自由能将以热的形式耗散 唯一的结果将是溶液温度的升高 如果反应A P Q形成的物质P不允许进入溶液 而是直接用于反应P B R以形成R 则这两个反应是偶联的 且总自由能为 Ga和 Gb的代数和 如果这一加和是负的 则总反应A B P Q向右进行 从而保证反应A P Q的自由能变化用作有用功 在反应P B R中从B合成R 许多这类偶联反应发生在生物系统中 而且ATP被包含在大多数这样的反应里 把3 磷酸甘油醛的酶氧化期间释放的能量贮存在ATP中的反应 就是一个实例 这一反应是糖酵解的一部份 细胞中的糖在这一过程里无氧分解 在这一反应里 醛并不直接氧化成羧酸 而是首先氧化 在磷酸根参加的情况下 成一叫做1 3 二磷酸甘油酸的中间体 如将醛写作其中P代表磷酸根 则反应可以表示为这一反应的标准自由能变化约为 7千卡 克分子 但由于二磷酸甘油酸的浓度开始可以假定为很低 所以实际的自由能变化有一更大的负值 反应 5 11 通过二磷酸甘油酸与ADP的磷酸化偶联 并形成磷酸甘油酸和ATP 由于这一反应有大约7千卡 克分子的标准自由能变化 因而它可以向右进行 且两个反应的偶联保证了使用磷酸甘油酸氧化的自由能变化来合成ATP 从葡萄糖和果糖合成蔗糖是一个ATP的水解过程 这一过程与合成反应相偶联 这一反应需要能量 其标准自由能为 5 5千卡 克分子 通过首先使葡萄糖磷酸化为葡糖 1 磷酸 然后再与果糖反应形成蔗糖和无机磷酸盐 ATP提供这一能量 由这些反应清楚说明 ATP ADP偶联起着能量和磷酸根 传递者 的作用 反应偶联的分子机理还是很不了解的 在所有已经知道的情况中 都需要酶 其中许多都被发现在膜中或膜上 包含在与ATP的水解相偶联的反应中的酶 称为ATP酶 膜中的Na K ATP酶 它调节应用ATP的水解能使Na 和K 正离子穿过膜的主动传输过程 肌肉中的肌动球蛋白系统 它引起肌肉收缩 膜中的Na K ATP酶 肌肉中的肌动球蛋白系统以及在特定条件下线粒体 叶绿体和细菌系统中的偶联因子 都是这类酶的实例 吡啶核苷酸 ATP的形成总是与具有较大负自由能变化的氧化反应相偶联 这些反应一定是酶反应 常常还需要辅酶存在 两种吡啶核苷酸菸胺腺嘌呤二核苷酸 NAD 和磷酸菸胺腺嘌呤二核苷酸 NADP 是最普通的辅酶 这些辅助因素通过电子载体的作用调节氧化还原反应 例如 在糖酵解中 磷酸甘油醛的氧化就是由NAD调节的 而NAD自身在这一过程里变成还原型 NAD和NADP的结构 NAD和NADP都是二核苷酸 由通过两个磷酸基联在一起的两个核糖 D 核糖 分子组成 腺嘌呤连在一个核糖上 在NADP情况下这个核糖分子多含一个磷酸根 另一个核糖联着碱性菸胺腺 氧化还原反应发生在菸胺腺上 在氧化型中 菸胺腺环上的氮带有正电荷 还原需要两个电子和一个质子 使电荷中和并在环上加一个氢 磷酸甘油醛的氧化伴随着NAD 的还原 总反应方程变为 转氢酶 两种吡啶核苷酸有接近相同的结构 并且都是氧化还原的调节物 但它们的生物学功能却稍有不同 一般说来 NADP用于还原性合成 而NAD在能量代谢中更有用 细胞有一种有效的机制 通过它可使NADPH转化为NADH 反之亦然 这是一种酶反应 这种酶称为转氢酶 在完整的线粒体中 测量NADPH和NADH的水平表明 在能量可供利用的情况下 NADPH的水平超过NADH 这暗示 在无须进一步保存能量时 氢从NADPH转移到NADH 并可用于还原性合成 细胞将具备协调合成过程和能量输送过程的手段 光合作用 光合作用的结构光合作用是摄取太阳光能 用以维持生命的过程 能够实现这一过程的有机体有植物 藻类 多细胞和根细胞藻 和某些种类的细菌 在真核光合作用有机体 包括所有植物和大多数藻类 中 这一过程发生在一种叫做叶绿体的细胞器中 光合作用器嵌在片层中 其少一些区域 基粒 致密堆积 另一些区域扩展成基质 基粒间的片层 片层闭合成双层膜 形成扁平的密封小泡 称为类囊体 载色体 原核光合作用生物 蓝 绿藻和光合作用细菌 的光合作用器也嵌在膜状结构中 在这些生物里 这种膜状结构延伸到整个细胞 在破碎细胞中 常常可以发现膜碎片 它们形成直径从300至500埃的封闭微囊 这些微囊称为载色体或裁色组分 光合作用单位 光合作用从光的吸收开始 在所有发生光合作用生物中 被光合色素吸收的光引起色素聚合体的激发 激发能量转移到所谓反应中心 实际发生转换为化学能的地方 光合色素的聚合体连同反应中心合在一起 称为光合作用单位 在高等植物中 一个光合作用单位的大小约为每个反应中心200至400个叶绿素分子 在光合细菌中 这一大小为每个反应中心50个细菌叶绿素分子 叶绿素 在光合作用生物中发现的吸光色素是各种各样的 其中最重要的是叶绿素 它是一组彼此差别不大的高度共扼结构 这一共扼结构是一封闭的四吡咯环 称为卟啉 中间围着一个镁原子 一条称为叶绿醇尾的长碳氢链连在环IV上 叶绿素a在所有植物和藻类中发现的主要叶缘素 在光合细菌中的主要叶绿素 称为细菌叶绿素 辅助色素 大多数光合作用生物还含有所谓辅助色素 绿色植物和绿藻有叶绿素b 红藻和蓝 绿藻有藻胆色素 打开的四吡咯 所有光合作用生物都有一种或多种类胡萝卟素基因 类胡萝卟素基因是在两侧带有芳香末端基团的未饱和碳氢链 初级反应 光合作用基本分为两个阶段 第一阶段是在有光的情况下产生一还原剂 策二阶段是在没有光的情况下利用还原剂还原二氧化碳来合成糖 光产生的还原剂是一种吡啶核苷酸 对较高等植物和藻类是NADPH 光诱导的NADP 的还原被下列形式的所谓初级反应起动这些反应在激发后的l0 8秒之内 经过天线包素 antennapigment 聚合体 发生在反应中心 因此 初级反应相当于极迅速地产生一初级氧化剂 P 和一初级还原剂 A 高等植物和藻类的光合作用 在高等植物和所有藻类 包括原核蓝 绿藻 中 对于导致NADPH还原的氧化还原反应的完整序列 需要两个这样的初级反应 光合系统I的初级反应光合系统II的初级反应 在图中 垂直轴标出了所合电子传递中间体的氧化还原电位 相对于在pH 7的标准氢电极 箭头表示从一个中间状态转移到另一个中间状 从这张图中可以看到 光系统II的初级反应 产生一能氧化水的强氧化剂Z 和一较弱的还原剂Q 光系统I的另一初级反应产生一强还原剂X 它通过一些诸如非血红素铁蛋白铁氧还蛋白这样的中间体和一种称为吡啶核苷酸还原酶的酶 一种黄索蛋白FP 可以还原NADP 在这一初级反应中附带产生一较弱的氧化剂P700 然后通过一些如质体醌Pq 细胞色素C和一种铜蛋白质体蓝素 fd 这样的中间体 光合系统II的强还原剂Q 与光合系统I的弱氧化剂P700 反应 使氧化还原链闭合 电子从Q 传递到P700 与ATP的形成相偶联 以这两个反应的氧化还原电位差为基础 偶联在热力学上有利于每从Q 到P700 传递两个电子就产生一分子ATP 氧化还原电位在平横状态是确定的 因此 常在这一状态下进行测量 但从它引出结论要谨慎 由于反应可以在远离平衡处发生 所以实际上电位会是非常不同的 事实上 ATP 电子比的实际测量给出相互矛盾的结果 NADP 的光还原并非从光系统I的初级反应得到的仅有光反应 电子还可从初级还原剂X 循环返回到主链 从而实现一循环的电子传递 这一循环的电于传递与ATP的形成相偶联 细胞色素b似乎是生物的中间体 在分离的叶绿体中 循环可以在很大程度上被维生素K这样的非生理中间体刺激 这一光诱导的循环电子传递可用作产生ATP的附加途径 在主链中产生的ATP 通过链每传递两个电子产生一个ATP分子 并不满足发生在大多数高等植物和藻类中的暗反应循环系列里固定二氧化碳的需要 细菌的光合作用 迄今似乎没有足够的证据表明在光合细菌中有多于一种类型的初级反应 被初级反应起动的电子传递 在这些生物中更为原始 但也比高等植物更为灵活 最可能的是 主电子传递链是循环的 类似于高等植物中光系统I的循环电子传递系统 在这一循环电子传递期间 ATP或一些其它的 高能中间体 产生 然后可用以驱动偶联反应中与热力学梯度相反的那些反应 光合细菌制剂可以通过琥珀酸性化NAD 的还原 这是一个带正自由能变化的反应 对于发生在黑暗中的这样一个反应的能量 可以从偶联的ATP或焦磷酸的水解获得 在体内的生理条件下 最可能发生这样的反应 因而光合细菌中光反应的主要任务将是以适当的形式提供能量中间体 ATP或其它 在生理条件下 不能排除存在其它光驱动的电子传递反应 反应中心 到目能为止 在植物 藻类和光合细菌中 参与原初反应的大多数组分并不必然有同一性 只有植物和藻类中允系统I的初级给体以及细菌系统初级给体的同一性是已知的 它们分别是在特定环境中的叶绿素b和细菌叶绿素a 在植物和藻类的光系统I中 特殊的环境导致主要的红吸收带移到700毫微米附近 因此色素称为P700 它捕获从天线色素转化来的激发能 并由此变成激发态 电荷的转移则发生在非常短的时间里 10 10秒 继而色素变为氧化的 它在700毫微米处的吸收带消失 吸收光谱中的这一变化可以不难测定 亮 暗 差值光谱是样品在光照下测得的光谱与保持在黑暗中测得的光谱之差 它与菠菜叶绿体制剂的 氧化一还原 差值光谱相同 P700的白化明显可见 光合细菌中的初级给体也是一种捕获激发能量的色素 当它通过光或化学途径氧化时 经受光谱变化 它的一个吸收极大值是在波长835 890毫微米之间 确切位置依种属而定 因而其名称也随之变化为P840 绿菌 P870和P880球形红色单胞菌 Rhodopseudomonasspheroides和Rhodopirllumrubrum P890 着色菌属Chromatium 紫菌 Rhodopirllumrubrum 制剂在红外区的 亮 暗 差值光谱 制剂的氧化型和还原型的光谱也以同样的波长比例示于图中 光引起氧化 这在光谱中不仅使其870毫微米附近白化 而且使800毫微米附近的吸收带向光谱蓝区移动 这一特征证明了这样的事实 细菌叶绿素a在反应中心是以稍为复杂的形式组织的 无论是初级给体还是初级受体 在高等植物和藻类的光系统II的反应中心 都不能确切知道 电荷转移 从初级给体到初级受体 的机制 部分也仍然是一 黑箱 反应 从被叶绿体和藻类闪光诱导的氧的动力学演比实验可以断定 光系统II的初级给体在可以与水反应给出一个氧分子之前 积累了四个正电荷 通过送给初级受体四个电子 在这一过程里 锰似乎是一基本的因素 叶绿索荧光产率变化 激发能从天线色素向反应中心的转移 可以通过观察发生在转移期间的天线色素的荧光产率的变化来跟踪 当一反应中心被从天线色素聚合体转移来的激发能激发时 通常随之发生化学变化 如初级给体的氧化和初级受体的还原 随后来的激发量子就不可接近反应中心 直到反应中心的始态 基态 恢复为止 在高强度 当许多反应中心同时被激发时 荧光产率 f必然高 在低光强 当许多反应中心对激发仍然 开放 时 荧光产率 f必然低 ki可以看作能量转移最终到反应中心的速率常数 天线色素荧光产率的变化可以给出关于反应中心中氧化还原进程的信息 高等植物和藻类中光系统II的色素聚合体的叶绿素a 就是这种情况 尽管光系统II反应中心里电的氧化还原反应不能直接跟踪 但叶绿素 荧光产率变化的动力学反映了那些氧化还原反应 在由叶绿素a组成的光系统I的天线色素聚合体中 没有发荧光的色素 在这一系统里 我们只能跟踪光诱导的P700的吸光率变化 这反映它的氧化 在光合作用细菌中 反应中心的氧化还原反应 可以通过视察由于反应中心的氧化产生的光谱变化来直接跟踪 也可通过考察天线细菌叶绿素a的荧光产率变化来间接跟踪 这样可以建立吸光率变化与荧光产率变化之间的关系 对在不同激发光强水平的稳态情况是如此 如果假设解激过程的速率常数是一级的 反应中心的能量捕获速率是与 开放 反应中心的浓度Cp成比例的 则从式可以得到式中 k0 ki kl 分别是荧光 辐射跃迁和能量捕获的速率常数 Cp是开放陷阱的浓度 开放陷阱的浓度Cp与吸收变化 A相关式中 k1和k2是与在还原型和氧化型里反应中心细菌叶绿素的速率常数和克分子吸收系数有关的常数 现在很容易证明 荧光产率的倒数是与吸收变化线性相关的 式中 和 是从常数k1和k2导出的常数 对在各种光强的稳态 实验证明这一线性关系是正确的 图5 13示出了一个这种实验的结果 光合作用中的许多生物物理研究都应用这一技术 正如我们指出的 这是基于下述事实 荧光产率的变化总