专题三 细胞代谢的基础

专题三细胞代谢的基础

[竞赛要求]

1．细胞代谢与能量 2．ATP（三磷酸腺苷）结构和功能

2．酶的功能 3．细胞膜：理化性质、分子结构与物质运输等

[知识梳理]

一、细胞代谢与能量

生物的新陈代谢，或称代谢，是生物体内所进行的全部物质和能量变化的总称，它是最基本的生命活动过程。生活的细胞通过代谢活动，不断从环境中取得各种必需的物质，来维持自身高度复杂的有序结构，并保证细胞生长、发育和分裂等活动的正常进行。

细胞中能的转换类型是多种多样的。由于细胞成分中的蛋白质、核酸等分子相当脆弱，遇到高温就要变性失活，所以细胞内不能利用热能来做功。在细胞和生物体的能量转换中起重要作用的是化学能。三磷酸腺苷（ATP）常常充当各种类型的能量相互转换的媒介物。许多放能反应总是和ATP的合成相耦联，将放出的能贮存在ATP中；许多需能反应总是和ATP分解相耦联，从ATP中获得自由能（在压力和温度都恒定的条件下能够做功的能称为自由能）。

2．三磷酸腺苷（ATP）

(1) ATP的结构特性

：三磷酸腺苷（ATP）也叫做腺苷三磷酸、是高能磷酸化合物的典

型代表。ATP是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的。这三个磷酸基团从与分子中腺苷基团连接处算起，依次分别称为α、β、γ磷酸基团。ATP的结构式是：

ATP分子中的γ磷酸基团水解时（有关酶的催化下），能释放30.5 kJ/mol的能量。ATP分子既可以水解一个磷酸基团（γ磷酸基团），而形成二磷酸腺苷（ADP）和磷酸（Pi）；也可以同时水解两个磷酸基团（β磷酸基团和γ磷酸基团），而形成一磷酸腺苷（AMP）和焦磷酸

（PPi）。后一种水解方式在某些生物合成中具有特殊意义。AMP可以在腺苷酸激酶的作用下，由ATP提供一个磷酸基团而形成ADP，ADP又可以迅速地接受另外的磷酸基团而形成ATP。

(2) ATP系统的动态平衡：ATP是活细胞内一种特殊的能量载体，在细胞核、线粒体、叶绿体以及细胞质基质中广泛存在着，但是ATP在细胞内的含量是很少的。ATP与ADP在细胞内的相互转化却是十分迅速的。在活细胞中，ATP末端磷酸基团的周转是极其迅速的，其消耗与再生的速度是相对平衡的，ATP的含量因而维持在一个相对稳定的、动态平衡的水平。这对于构成细胞内稳定的供能环境具有十分重要的意义。

(3) ATP的生成：动物和人等：呼吸作用；绿色植物：光合作用；呼吸作用

(4) ATP的利用：ATP中的能量可以直接转化成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。这些能量的形式主要有以下6种。

渗透能：细胞的主动运输是逆浓度梯度进行的，物质跨膜移动所做的功消耗了能量，这些能量叫做渗透能。

机械能：细胞内各种结构的运动都是在做机械功，所消耗的就是机械能。例如，肌细胞的收缩，草履虫纤毛的摆动，精子鞭毛的摆动，有丝分裂期间染色体的运动，腺细胞对分泌物的分泌等。

电能：大脑的思考──神经冲动在神经纤维上的传导，以及电鳐、电鳗等动物体内产生的生物电等，它们所做的电功消耗的就是电能。

化学能：细胞内物质的合成需要化学能，如小分子物质合成为大分子物质时，必须有直接或间接的能量供应。另外，细胞内物质在分解的开始阶段，也需要化学能来活化，成为能量较高的物质（如葡萄糖活化成磷酸葡萄糖）。可以说在细胞内的物质代谢中，到处都需要由ATP转化而来的化学能做功。

光能：目前关于生物发光的生理机制还没有完全弄清楚，但是已经知道，生物体用于发光的能量直接来自ATP，如萤火虫的发光。

热能：有机物的氧化分解释放的能量，一部分用于生成ATP，大部分转化为热能通过各种途径向外界环境散发，其中一小部分热能作用于体温。通常情况下，热能的形成往往是细胞能量转化和传递过程中的副产品。此外，ATP释放的能量中，一部分能量也能用于动物的体温的提升和维持。

(4) 其他高能磷酸化合物

反应活化能非催化反应75.24kJ/mol 钯催化反应48.9kJ/mol H2O2酶催化8.36kJ/mol 除ATP 外，由其他有机碱构成的核苷酸也有重要的生物学功能，如三磷酸鸟苷（GTP ）是蛋白质合成过程所需要的，三磷酸尿苷（UTP ）参与糖原的合成，三磷酸胞苷（CTP ）是脂肪和磷脂合成所必需的。

在动物和人体细胞（特别是肌细胞）内，除了ATP 外，其他的高能磷酸化合物还有磷酸肌酸（可用C ～P 代表）。磷酸肌酸的结构式是：

当动物和人体细胞由于能量大量消耗而使细胞内的ATP 含量过分减少时，在有关酶的催化作用下，磷酸肌酸中的磷酸基团连同能量一起转移给ADP ，从而生成ATP 和肌酸（可用C 代表）；当ATP 含量比较多时，在有关酶的催化作用下，ATP 可以将磷酸基团连同能量一起转移给肌酸，使肌酸转变成磷酸肌酸。

对于动物和人体细胞来说，磷酸肌酸只是能量的一种储存形式，而不能直接被利用。由此可见，对于动物和人体细胞来说，磷酸肌酸在能量释放、转移和利用之间起着缓冲的作用，从而使细胞内ATP 的含量能够保持相对的稳定，ATP 系统的动态平衡得以维持。

二、酶及其功能

新陈代谢是生命活动的基础。而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶催化下进行的。可以说，没有酶的参加，生命活动一刻也不能进行。

（一）酶的化学本质

1．绝大多数酶是蛋白质，某些RNA 也具有催化活性。 20世纪80年代发现某些RNA 有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA 也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。

（二）酶是生物催化剂

1．酶与一般催化剂的共同点（1）用量少而催化效率高。 （2）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反应前后本身不发生变化。 （3）酶降低反应所需的活化能。

分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能。例 2H 2O 2→2H 2O+O 2

2．酶作为生物催化剂的特点（1）高效性：指催化效率很高，使得反应速率很快（酶降低

活化能更显著）。（2）高度的专一性：任何一种酶只作用于一种或几种相关的

化合物，这就是酶对底物的专一性。

（3）温和的反应条件：酶促反应在常温、常压、生理pH 条件下进行。

（4）酶在体内受到严格的调节、控制。（5）酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关。