Chapter 8 Metabolism: Energy,Enzymes, and Regulation1.Describe in general terms how energy from sunlight is spread throughout the biosphere. What sources of energy, other than sunlight, do microorgainisms use? （概括描述來自陽光的能量怎樣在整個生物圈傳播。除了陽光以外，什麼能量來源，可以供微生物使用？）第169頁、第2題、第一組、郭清琇Ans：（1）光反應:以高等植物而言，植物光反應的進行是藉葉綠餅中的葉綠素a、葉綠素b及蘿蔔素類等色素吸光後所引起的結果。光反應可依其反應 順序歸納為如下三個階段: (一)吸收光能:葉綠素a及b能夠吸收可見光(紅、橙、黃、綠、藍、紫)中的 紅色及藍色光，而胡蘿蔔素類則僅能吸收藍色光。紅色光的波長範圍為640-740nm，藍色光為420-490nm。葉綠素吸光所得的能量與其所吸 收的光波波長呈反比，即波長愈長，能量愈小;波長愈短，能量愈大。(二)光水解作用:葉綠素吸收光能才能進行光水解作用，其反應式為 2H204H+4e-+O2。因為有氧氣的釋放，地球上的生物才能生存。Joseph Priestley(1733-1804)早已實驗證明於密閉的容器內，動物及燃燒的 蠟燭可把 空氣變成污濁，而使動物死亡，蠟燭停止燃燒。相對的，綠色植物可清潔這些污濁的空氣。目前我們都知，其所 謂污濁的空氣，就是指空氣中二氧化碳濃度增加，而氧氣減少。 綠色植物清潔空氣就是吸收二氧化碳，釋放氧氣的結果。(三)電子的傳遞及產生能量:光水解作用除了釋放氧氣之外，就是把由水 分子中，氫釋放出來的電子的進行一連串的電子傳遞。電子傳遞是由 高能量往低能量的傳遞現象，所以它係一種放熱(能)反應，所釋放出來的能量，就可以合成生物能(ATP)及還原劑(NADPH+H+)。有了此兩種有機物質的形成，二氧化碳才能轉換成碳水化合物。（2）還有一些有機和無機化合物可供微生物使用。2.What is thermodynamics？Summarize the first and second laws of thermodynamics.（何謂熱力學?請簡單敘述熱力學第一和第二定律?）第171頁、第1題、第二組、劉彥辰Ans：（1）何謂熱力學?是專門討論各種形式的能相互轉換的學問.何謂熱力學第一定律?就是能量守恆定律，能量可以由一種形式變為另一種形式，但其總量既不能增加也不會減少（2）何謂熱力學第二定律?a.是描述熱量的傳遞方向-分子有規則運動的機械能可以完全轉化為分子無規則運動的熱能:熱能卻不能完全轉化為機械能b.每一個自發的物理或化學過程總是向著熵（entropy）增高的方向發展。熵是一種不能轉化為功的熱能。c.熵的改變量等於熱量的改變量除以絕對溫度-當高低溫度各自集中時，熵值很低；當溫度均勻擴散時，熵值增高。當物體有秩序時，嫡值低:當物體無序時，嫡值便增高。3.Describe the energy cycle and ATPs role in it.What characteristics of ATP make it suiltable for this role？Why is ATP called a high-energy molecule？第171頁、第5題、第三組、韓成志Ans：（1）為什麼ATP是高能量分子?因為ATP是由一個線酸（adenosine）部分和三個磷酸鹽（phosphate）小組所構成。當1莫耳（mole）的 ATP被分解 的時候，就能夠產生 7到12千卡（Kcal）的能量。1 千卡，是相當於把 1 千克（kg）水升高攝氏 1 度（C）所需的熱能。而ATP之所以是高能量分子的原因，可以從我們的肌肉細胞來解釋。我們隨時隨地幾乎都是要用到肌肉的，而雞肉中的ATP分子的含量卻是有限的，全身肌肉內ATP的儲存量約為 120至180微莫耳，也就是相當於1.2 至1.8千卡的能量。因此肌肉細胞必須不斷製造出最能攜帶大量能量以及最結勝時間空間性的分子，那就是ATP。（2）而ATP究竟有哪些適合的作用?以下是補充資料 : 1997 年諾貝爾化學獎頒給三位生化學家，獎金的一半給丹麥科學家斯寇 (Jens C. Skon) 教授，另外一半給英國科學家瓦克 (John E. Walker) 教授及美國科學家波亦爾 (Paul D. Boyer) 教授，這三位生化學家的貢獻是首先研究並闡明參與生物高能分子 ATP (adenosine 5- triphospate, 腺甘三磷酸) 合成轉換的酵素。在 1929 年，德國化學家羅曼 (K. Lohmann) 首先發現 ATP化學分子。幾年之後，ATP 的化學結構被決定。1948 年，英國科學家托德 (Alexander Todd) 化學合成 ATP（托德是 1957 年諾貝爾獎化學獎得主）。在 1939 至 1941 年期間，利普曼 (Fritz Lipmann) 證實 ATP 是細胞內所有生物化學能量的運儲者（利普曼是 1953 年諾貝爾獎得主），並且證實其能量是儲藏於高能磷酸化學鍵 (energy-rich phosphate bonds)。在所有的生物中，從細菌、黴菌一直到高等動、植物，包括人類在內，ATP 都是扮演能量的運儲者，ATP 的形成是藉著生物細胞內養分的燃燒所形成，而後 ATP 被生物體用於合成細胞物質、肌肉收縮、神經信息傳遞及其他多種生理反應，所以 ATP 被稱為細胞的能量貨幣 (energy currency) ，也就是說凡是需要能量，就必須使用 ATP。 在 1929 年，德國化學家羅曼 (K. Lohmann) 首先發現 ATP化學分子。幾年之後，ATP 的化學結構被決定。1948 年，英國科學家托德 (Alexander Todd) 化學合成 ATP（托德是 1957 年諾貝爾獎化學獎得主）。在 1939 至 1941 年期間，利普曼 (Fritz Lipmann) 證實 ATP 是細胞內所有生物化學能量的運儲者（利普曼是 1953 年諾貝爾獎得主），並且證實其能量是儲藏於高能磷酸化學鍵 (energy-rich phosphate bonds)。在所有的生物中，從細菌、黴菌一直到高等動、植物，包括人類在內，ATP 都是扮演能量的運儲者，ATP 的形成是藉著生物細胞內養分的燃燒所形成，而後 ATP 被生物體用於合成細胞物質、肌肉收縮、神經信息傳遞及其他多種生理反應，所以 ATP 被稱為細胞的能量貨幣 (energy currency) ，也就是說凡是需要能量，就必須使用 ATP。 丹麥籍的學者斯寇教授生於 1918 年，在哥本哈根大學接受醫學訓練，1954 年在丹麥的阿霍斯 (Arahus) 大學得到博士學位，1963 年在該校擔任生理學教授，1977 年擔任生物物理教授，他也是丹麥國家科學院的院士。他在 1957 年，首次在神經細胞膜上尋找分解 ATP 的酵素，而且證明這個分解 ATP 酵素與鈉離子、鉀離子進出細胞的功能有密切關係。早在 1920 年代，科學家就知道細胞內的離子成分與細胞外週圍環境的離子濃度與成分很不相同，在細胞內鈉離子濃度比細胞外低，而鉀離子濃度則相反。在神經細胞傳遞信息時，神經細胞受到刺激，鈉離子由細胞外進入細胞內，鉀離子則由細胞內出細胞外，而等神經傳導完成後，則又恢復原先細胞內外的鈉離子及鉀離子濃度，這個過程須要 ATP 的參與。由於斯寇教授的發現，開啟了細胞膜上離子幫浦 (ion pump) 的研究。其他離子，例如鈣離子 (Ca+2) 的進出也經過相似的過程，而 ATP 也參與其中，所以由此為基礎，可以解釋 Ca+2-ATPase (ATP ase, 腺三磷酸) 在肌肉收縮中的功能及 H+-K+ ATPase 如何使胃中產生高濃度的 HCl 作為消化之用。不僅在高等生物中有相同之 ATPase 參與各種生理作用，而且在低等生物中亦有相同的現象，例如酵母菌細胞膜上的 H+-ATPase 在醱酵的過程中分泌 H+，這個酵素在今日被稱為 P- 型 ATPase，因為在反應過程中該酵素產生磷酸化 (phosphorylation) 現象。4.How is the direction of electron flow between redox couples related to the standard reduction potential and the release of free energy？第174頁、第2題、第四組、杜欣儒有電子轉移的化學反應，稱為氧化還原反應，即為氧化半反應與還原半反應組合而成，而且兩半反應必須同時發生而且同時結束。失去電子的半反應稱為氧化半反應;而得到電子的半反應則稱為還原半反應，兩個半反應中電子的得失數目相等，所以整個反應系統維持電性守恆的狀態。5.Draw a diagram showing how enzymes catalyze reaction by altering the activation energy. What is a transition state complex? Use the diagram to explain why enzymes do not change the equilibria of the reaction they catalyze.第179頁、第2題、第五組、楊勝湧Ans:（1） （2）過渡狀態是一個從反應物至產物過程中，需要活化能所得之高能量不穩定的狀態。A+BC+D此反應是個可逆反應，但正反應比逆反應還要容易進行，因 為正反應的活化能比逆反應低，所以易往右邊進行反應。（3）酵素只是加速細胞的反應速率及降低活化能，就如同圖示上所畫的紅色虛線，它並不會改變化學平衡。6.What special properties might an enzyme isolated from a psychrophilic bacterium have? （從嗜冷性細菌可以分離出甚麼特別的特性能力的酵素?）第179頁、第5題、第6組、許守成嗜冷性顧名思義就是比較不怕冷的酵素，而他的不怕冷也就是他的特性，因為一般的酵素在低溫下會減緩其生長或發酵，所已將東西放入冰箱能延長一小段時間食物的腐敗，所以這種特性能拿來用作低溫實驗時也能使實驗速度不會減緩。Will enzymes need to lower the activation energy more or less in thermophiles than in psychrophilics?在嗜熱(放在嗜冷)或是嗜冷(放在嗜熱)的酵素需要較低的活化能是多或少?嗜熱、嗜冷就其字面的意思就是喜歡熱喜歡冷，所以放到與他們相反的環境中會造成反應不易，故其活化能都會很高也就是需要的活化能很多7.How can regulatory enzymes be influences by reversible covalent modification？ What group is used for this purpose with glutamine synthetase，and which form of this enzyme is active？（如何由可逆的共價修飾來影響管理酵素?那一個基團是用在此目的和