我们的梦想 [生物科]細胞呼吸作用請教

無響聆 - 2010/10/22 22:35:00

這是生物科的功課請教......

今天學了細胞呼吸作用(cellular respiration),有點地方不太明白...想要請教一下。

1)ATP中的鹼基Adenine於ATP中扮演甚麼角色?它有甚麼作用?
2)如果將ATP中的鹼基Adenine換成其他鹼基,如Cytosine,Thymine,其功能會否一樣?
3)Glycolysis中,參與的phosphate有分為有機和無機,請問兩者如何分辨?
4)Glycolysis中,第一步:glucose--->glucose 6-phosphate和第三步:fructose 6-phosphate---->fructose 1,6-biphosphate
這二步中加入一個有機phosphate的目的何在?
5)Glycolysis中,為甚麼一定要將葡萄糖轉化成pyruvate才可進入Krebs cycle?Pyruvate到底有何特別?
6)Krebs cycle中,coenzyme A到底有甚麼用....?為甚麼一定要以acetyl coenzyme A的形式進入Krebs cycle....
7)所謂Krebs cycle,是真的是一個有生物性結構的環,還是只是描述一個循環的生化反應?
8)nicotinamide adenine dinucleotide(NAD)是由尼古丁造成的嗎....?
9)為甚麼每個循環中生成的4對氫原子,其中3對要由NAD接收,最後1對要由FAD接收?
10)為甚麼不管ATP也好,NAD也好,FAD也好,NADH也好,所有跟生物有關的東西都要以Adenine作為鹼基?用其他鹼基就不行嗎?
11)Electron transport system中,為甚麼要將氫原子分成氫離子和電子?是為了將能量集中於電子嗎?
12)將所有氫離子都放到粒線體兩層膜中間去,不會令那裡變得太酸嗎?如果那裡的pH值太低,不會影響到內膜裡的enzyme嗎?

總括可說,我可否這樣理解:
細胞呼吸作用的目的在於將高能有機化合物(如:葡萄糖)中的內能轉化為自由能並存於ATP內,以供自己使用。
細胞呼吸作用的機制在於轉換化學能成自由能存於ATP內,其過程主要將葡萄糖的內能集中於氫原子內,並帶氫原子進入Electron transport system。這裡是收集能量的主要步驟,前邊兩個步驟主要是這裡的前置工作。
在electron transport system中,高能氫原子的能量再被集中於電子中,生成高能電子。
最後大部份的能量都在電子裡,再透過一些生化反應,能量被存到ATP當中,達成最終目的。

最後一個問題,也是最重要的問題....
為甚麼再做那麼多事情,將能量集中的電子身上再轉換給ADP,轉化其成為ATP?
一定要以電子來交換能量,這當中有甚麼特別的物理意義嗎?

小聆在這先謝過各位....

P.S.:參巧視頻
http://www.youtube.com/watch?v=mmACA_eVLTE

Crab - 2010/10/22 22:54:00

作为一个大陆学生，很多东西看不懂表示压力很大。

Neptunes - 2010/10/22 23:06:00

全是英文啊……看不懂……
咱们细胞生物学才刚开了个头，都是些简单的…所以英文都看不懂啊……
不过记得高中老师说过是葡萄糖分解产生丙酮酸，然后再分解生成二氧化碳什么的……然后产生的能量储存在高能磷酸键里面之类的……然后……就忘掉了……
植物是凯尔文循环什么的……
（估计帮不上忙……

水羊 - 2010/10/22 23:14:00

那個.......視頻可以拿掉嗎........
不知道為什麼我火狐開你這帖會壞掉，我是IE上來的
生物和物理的整合靜等高手，我先來解決重點問題

最後一個問題,也是最重要的問題....
為甚麼再做那麼多事情,將能量集中的電子身上再轉換給ADP,轉化其成為ATP?
一定要以電子來交換能量,這當中有甚麼特別的物理意義嗎?

在光合作用中，光起到了提供反應初始能量的作用。光是光子的形式傳遞到地面上、葉面上，其中包括了電子。這些電子是活躍的、游離的，當葉綠體中的ADP感應到電子後，與一個磷酸根結合成ATP，ATP又再次為後續反應放出能量。

水羊的解釋：光是很複雜的東西，植物要通過轉換成電子才能吸收

winaries - 2010/10/22 23:16:00

对于动物来说，ADP转变成ATP所需的能量主要来自“呼吸作用”这一途径，是这样吧。有氧呼吸主要发生在线粒体内，那里好像是对葡萄糖进行分解吧。。氢离子最后好像都转换成水分子了电子能量转换参考葡萄糖分解过程吧。。。

xStone - 2010/10/23 0:10:00

我觉得小聆文的很多问题都是理所当然的，因为客观事实就是如此，没有为什么一定是或者不是这种说法，小聆大概是想问为什么会这样吧（><！这发言，怎么觉得自相矛盾）
对于前两问，大概是想问为什么ATP是直接能量来源，而不是CTP，GTP，UTP吧，下面是摘自百度知道的回答（http://zhidao.baidu.com/question/154906377.html?si=4）：
话说ATP不完全是腺嘌呤核糖核苷酸，ATP脱掉一分子焦磷酸生成的AMP才是。A在这里代表的就是腺嘌呤核糖苷。至于为什么不是脱氧的，因为脱氧的有另一个名字，叫dATP。至于为什么只有不脱氧才能提供能量，我觉得你首先可以扩展一下这个问题，可以问问，为什么仅仅是ATP而不是CTP，GTP或是UTP。其实，只要含有高能键的化合物，都可以提供能量，比如UTP作为糖原合成的主要工具，GTP可以为微管聚合提供能量，磷酸肌醇可以供给肌肉运动等等，而你强调的dATP等都为DNA的合成提供了能量。ATP实际上是细胞内的一个最常用的能量货币，它起到的是能量中转的作用。ATP的高能键能量既不是太高，也不是太低，可以将更高能的化合物中的能量用于合成稍低能的化合物，二者都取决于这些分子本身的性质。嘌呤碱本身是稠环化合物，与嘧啶这种单环的碱基性质不同，腺嘌呤和鸟嘌呤由于氧化程度不一样，性质也是有差异的，这是碱基部分。而你所提到的核糖和脱氧核糖的差异不仅仅是有无多余化学键的问题，作为一个六元杂环的核糖分子，脱掉一个电负性强的氧或者说丢掉了一个亲水性的羟基，对整个分子的电子分布，熵效应等都有很大的影响。总的说来，分子结构的变化，影响了分子的性质，进而影响了其在体内的作用。至于高能键往哪连，通常来说ATP是通过磷酸转移作用，将其上的磷酸分子连到另一个分子上，以活化该分子，使其进行下一步的反应。而这个高能键的能量就是用于增强目的分子的反应活性的。

PS：两年没碰生物了，貌似都不记得了；
PS2:总觉的这些不是生物问题，或向是多学科交叉的，涉及化学之类……

暗の庭 - 2010/10/23 0:34:00

:miffy3:我承認,我文化不高,幫不了你了~~~~

老冬腌菜 - 2010/10/23 10:13:00

作为一个两年没碰生物，三年半没碰LZ的相关知识的，就只能尽可能把我知道的（极有可能弥天大雾）说出来吧（错了别拍我……

参考翻译：
Adenine：腺嘌呤 Cytosine：胞嘧啶 Thymine：胸腺嘧啶
Glycolysis：糖酵解 phosphate：磷酸（基团？）
glucose：葡萄糖 glucose 6-phosphate：6-磷酸葡萄糖（葡萄糖-6-磷酸，哪个符合有机化学命名规则来着？）
fructose 6-phosphate：6-磷酸果糖（果糖-6-磷酸） fructose 1,6-biphosphate：1,6-二磷酸果糖（果糖-1,6-二磷酸？）
pyruvate：丙酮酸 Krebs cycle：Kreb循环，三羧酸循环，柠檬酸循环 acetyl coenzyme A：乙酰辅酶A
nicotinamide adenine dinucleotide（NAD）：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸 NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
Electron transport system：电子传递系统（个人认为就是那个呼吸链，即电子传递链和氧化磷酸化
enzyme：酶

1-3：不知道
4：貌似磷酸基团可以让这个东西带电，然后就没法出入细胞膜了？从专业人员得到的解释是，磷酸基团有助于分子活化。
5-6：丙酮酸或者乙酰辅酶A是细胞代谢中的核心中间产物无误……这是事实了吧，N亿年选择出来的，或者意外，理由……未知- -
7：应该是个反应循环，位于线粒体的基质（某个酶，貌似是琥珀酸脱氢酶？定位于线粒体内膜，FADH2直接就进入电子传递链）
8：不知道
9：琥珀酸脱氢这步反应释放的能量不能够还原一个NAD+？
10：见LS，不过能量中ATP的确是最中心的地位，应该也是选择的结果，也可能是某次意外的结果- -PS：三羧酸循环里面貌似直接产生的就是GTP（居然忘了）
11：个人观点，能量是电子从氧还电位低的物质转移到氧还点位高的物质时释放的，释放的能量用于质子转运。理解成一个电池可能会更好？
12：反正外膜内侧、膜间腔、内膜外侧的众蛋白质表示无鸭梨（~~~~~）都那么长时间了，受影响的早就被淘汰了吧？

Neptunes - 2010/11/18 12:11:00

好吧…今天我们也学习了细胞呼吸，对某些东西有一点点认识…由于直接编辑会不能换行，只能开新楼了…
不过我也只能说一点点…那个乙酰coA好像是能进入三羧基循环的基本物质。脂肪，多糖，蛋白质最终都要转化为乙酰CoA，否则循环要识别脂肪酸，氨基酸，丙酮酸可能太复杂了吧…
然后三羧基循环就是细胞呼吸过程中一个生理上的循环，和卡尔文循环差不多…
然后就是乙酰CoA就是在三羧基循环中产生H离子，被弄到膜间腔中。于是膜间腔聚集大量的H离子。等到合成ATP时，嵴上的质子泵打开，H离子迅速涌入基质，H离子所拥有的势能就用于合成ATP。这个是老师说的简化的理解，或许就是H离子的物理意义吧…
总之能解释的只有这些…
如果我挖坟了话，水羊就打下去吧…

老冬腌菜 - 2010/11/18 18:55:00

好吧…今天我们也学习了细胞呼吸，对某些东西有一点点认识…由于直接编辑会不能换行，只能开新楼了…
不过我也只能说一点点…那个乙酰coA好像是能进入三羧基循环的基本物质。脂肪，多糖，蛋白质最终都要转化为乙酰CoA，否则循环要识别脂肪酸，氨基酸，丙酮酸可能太复杂了吧…
然后三羧基循环就是细胞呼吸过程中一个生理上的循环，和卡尔文循环差不多…
然后就是乙酰CoA就是在三羧基循环中产生H离子，被弄到膜间
Neptunes 发表于 2010/11/18 12:11:00[url=#590577][/url]

关键是，乙酰CoA将NAD+和FAD还原了，将很多能量转移到了NAD+和FAD上面去了变成了NADH和FADH2，然后呢，在线粒体内膜上，NADH和FADH2把别的东西还原了，然后有这么一些酶，利用氧还反应中产生的能量，把氢离子从线粒体的基质转移到了膜间腔。然后那个被还原了的物质，继续去还原别的东西，一直到最后把O2给还原成水……

那些催化了氧还反映的酶也是泵，利用化学反应中的能量，逆着浓度梯度转运氢离子，维持内膜两侧的浓度梯度，让ATP合成酶不断合成ATP

从CH3COSCoA（乙酰辅酶A）开始算：
Acetyl-CoA + 3 NAD+ + Q + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + QH2 + GTP + 2 CO2
从丙酮酸开始算：
Pyruvate ion + 4 NAD+ + Q + GDP + Pi + 2 H2O → 4 NADH + 3 H+ + QH2 + GTP + 3 CO2
从葡萄糖开始算：
Glucose + 10 NAD+ + 2 Q + 2 ADP + 2 GDP + 4 Pi + 2 H2O → 10 NADH + 10 H+ + 2 QH2 + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO2

二次元的猫 - 2010/11/19 0:42:00

猫的好奇心上来了..............尝试解答一下：
1)ATP中的鹼基Adenine於ATP中扮演甚麼角色?它有甚麼作用?
恩.....在书本上猫没有明确读到过相关的定论，但从ATP在生物体内的表现来看，Adenine应该对相关酶的识别起了重要作用，即该种酶在进行生化反应时通过识别ATP分子的各个特征位点后才能获得ATP中包含的能量。
2)如果將ATP中的鹼基Adenine換成其他鹼基,如Cytosine,Thymine,其功能會否一樣?
如果将ATP中的碱基换成其他碱基，从纯化学的角度上来说是都有供能的能力的，但由于问题中讨论的是生化反应，就要考虑到酶对底物的特异性。虽然说生物体内的确有CTP,GTP,TTP,UTP等，但在整个生命活动中所涉及他们的反应是有严格区分的，所以，在细胞呼吸里ATP的作用不能由其他的NTP来代替。
3)Glycolysis中,參與的phosphate有分為有機和無機,請問兩者如何分辨?
Glycoysis,中文译为糖酵解，磷酸化的步骤共有4个，分别为：1、gluose（葡萄糖）-->gluose-6-phosphate（6-磷酸葡糖糖）; 2、fructose-6-phosphate（6-磷酸果糖）-->fructose-1,6-biphosphate（1,6-二磷酸果糖）;3、1,3-二磷酸甘油酸-->3-磷酸甘油酸（这个没英文.....）；4、磷酸烯醇式丙酮酸-->丙酮酸（也没英文....）。这四个步骤当中参与反应的phosphate（叫磷酸基团更好）分别是由ATP或者相应的反应底物提供的，来源是有机的；而另一个有phosphate参与的反应：3-磷酸甘油醛-->1,3-二磷酸甘油酸，为一个氧化反应，其中多加的一个磷酸基团的来源就是无机磷酸（Pi）。

4)Glycolysis中,第一步:glucose--->glucose 6-phosphate和第三步:fructose 6-phosphate---->fructose 1,6-biphosphate
這二步中加入一個有機phosphate的目的何在?
第一步的目的在于使得磷酸化后的葡萄糖增强了极性从而不能自由穿过细胞膜，使细胞能有效利用；第三步的意义在于生成AMP，作用于另外的生化反应，控制糖酵解的流量，使得这一连串反应不至于过快或过慢。
5)Glycolysis中,為甚麼一定要將葡萄糖轉化成pyruvate才可進入Krebs cycle?Pyruvate到底有何特別?
Pyruvate（丙酮酸）作为生物的代谢中转，具有非常特殊的地位。葡萄糖无法进入线粒体，丙酮酸可以借助载体进入线粒体参与Krebs cycle（三羧酸循环，译成卡尔文循环，TCA循环），同时，丙酮酸还可以通过其他的生化反应转化成脂肪、磷脂等物质。相对的，各种营养物质也可通过变成丙酮酸来异生为葡萄糖，或进入卡尔文循环来供能。
6)Krebs cycle中,coenzyme A到底有甚麼用....?為甚麼一定要以acetyl coenzyme A的形式進入Krebs cycle....
coenzyme A（乙酰辅酶A）为丙酮酸在线粒体内氧化脱羧后形成的，在这之后，才是真正的进入了TCA循环当中。这一反应是不可逆的，保障了反应的有效性。
7)所謂Krebs cycle,是真的是一個有生物性結構的環,還是只是描述一個循環的生化反應?
TCA循环并非一个具体的生物结构，而是表示对于某一个特定的碳原子，其中的各个生化反应在反应次序上有确定的顺序。并且，其底物和产物可以首尾相接，在以化学反应的方式表示的时候可以写成一个循环的形式。
8)nicotinamide adenine dinucleotide(NAD)是由尼古丁造成的嗎....?
NAD+，中文名称为尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，又称辅酶I（读作辅酶1），是一种含有尼克酰胺(又名烟酰胺，维生素PP之一)的小分子物质。尼克酰胺与尼古丁在分子结构上有一定相似之处，但无资料表明尼古丁在人体内可转化成尼克酰胺或者辅酶I。于是，答案为否.......
9)為甚麼每個循環中生成的4對氫原子,其中3對要由NAD接收,最後1對要由FAD接收?
前面已经有人说过，NAD+的传递能量效率较高，如果仅从效率上来说应全部由NAD+接受氢，但由于在TCA循环中以琥珀酸为底物的琥珀酸脱氢酶是以FAD为辅酶的，只能将脱下的氢交给FAD去参与电子传递链。另，由FAD接受的氢并不是最后一对，而是第三对。
10)為甚麼不管ATP也好,NAD也好,FAD也好,NADH也好,所有跟生物有關的東西都要以Adenine作為鹼基?用其他鹼基就不行嗎?
恩........NAD+,NADP+,FAD的结构中并没有Adenine（腺嘌呤）相关的结构，与生物有关的反应也并不是全以ATP为直接供能的物质，只是在TCA循环中最后的化学能以ATP的形式表现。由于电子传递链最后的环节是一个ATP合成酶，所以产生的为ATP。其实在TCA循环当中就有一步是生成GTP的，之后才变换为ATP。
11)Electron transport system中,為甚麼要將氫原子分成氫離子和電子?是為了將能量集中於電子嗎?
Electron transport system（电子传递链）中，各个成分是按照电势梯度有序排列的，通过降低电子的能量而将质子泵入线粒体内膜的胞浆侧，造成跨线粒体内膜的质子浓度差，为最后的ATP合成酶建立合成ATP所需的质子浓度梯度。所以，在整个过程中，电子的能量是不断降低的，能量被集中在了质子的浓度差上。
12)將所有氫離子都放到粒線體兩層膜中間去,不會令那裡變得太酸嗎?如果那裡的pH值太低,不會影響到內膜裡的enzyme嗎?
将质子泵入线粒体（粒线体）内膜的胞浆侧，的确会降低其pH，但同时ATP合成酶也在令质子回流到线粒体的基质当中，以合成ATP。所以，在这一过程中pH的改变并没有大到你想象中的可以影响相关的enzyme（酶）的活性，而是在一种动态平衡的状态下。

ps：本解答参考资料为人民卫生出版社的《生物化学》第七版，未在其上找到直接证明的则以个人理解的方式予以解答，还请谨慎参考。
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今天实验没安排好时间，回来时快到20号了，解答有些迟，还请见谅。
作为一个高中生（猜错了.........）能在学习了细胞呼吸之后提出这些问题真是不错，当年我学完后就这么过了.............楼主如果对其中的解释还有疑惑的话可以再提出，或者找一本《生物化学》（不知道香港的大学把这门课叫什么，biochemistry？）来看一下。

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