微生物代谢过程中的能量学1 能量的概念微生物代谢过程中的能量学黄昌勇，陆文静( 浙江大学资源科学系，清华大学环境工程系)能量是做功的能力。化学能是指有机物或无机物氧化时释放出的能量。根据热力学第一定律能量可从一种形式转化为另一种形式，但却不会产生或消失。用来表示能量的单位很多，在生物学中最常用的是千卡和千焦耳。1 千卡是指将l 公斤水的温度升高1 摄氏度所需的热量值。1 千卡等于4 1 8 4 焦耳。现行通用的能量单位一般使用千焦耳( 1 【J ) 。细胞的化学反应总是伴随着能量的变化。化学反应可随着自由能的释放而发生，这 时反应被称作释能反应；也可以伴随着自由能的消耗而进行，这时反应被称作吸能反应。某一化学反应过程所释放的能量可用两种方式表示，分别缩写为H 和G 。H 即焓，是指化学反应过程中所释放的总能量。但在所释放的所有能量中，有一部分是不能做功的，只 是以热量的形式散发了。G 即自由能，是用来表示所释放能量中能用来做功的那一部分能量。化学反应进程中的自由能变化用G 0 表示，反应物和产物浓度及p H ( 在H + 是反 应物或产物时) 会影响可观察到的自由能的变化量。上标“o 和“- ”是指在标准条件下获得的特定自由能值，该标准条件是指：p H 值为7 ，温度为2 5 。C ，所有反应物和产物的最初浓 度均为l 摩尔浓度( 1 M ) 。如果在下列反应中： A + B C + DG 0 为负值，则自由能释放，反应将按箭头方向自发进行；这类反应为释能反应。如果情况相反，即G 0 为正值，上述反应将不能自发进行，但向相反方向( 左) 的反应却会自发进行；这类反应被称作吸能反应。 在释能反应中，反应一直进行到产物浓度上升，然后反方向即产物转化为反应物的反应开始增强。最终，当正方向的反应和反方向的反应平衡时，整个反应达到平衡状态。这里的平衡条件并不等于反应物浓度与产物浓度相等。反应平衡时的反应物和产物浓度与反应的自由能有关。如果反应发生伴随着一个较大的负的G o 。，反应的平衡则朝着产物的方向进行，同时只保留很少的反应物。如果情况相反，即反应发生伴随着一个较小的负的G o ，在反应达到平衡时，反应物与产物的量几乎相等。通过测定平衡时的反应物和产物浓度。就有可能算出任何反应的自由能值。不同物质具有不同的自由能，这就是化合自由能，即从元素形成某一特定分子所需或所释放的能量。通常说来，各种元素( 如C 、H 2 、N 2 ) 的化合自由能( G 0 f ) 为零。如果从元素 合成某一化合物的过程释放能量，则该化合物的化合自由能为负值( 释放能量) ，而如果合2 8 6 面向农业与环境的土壤科学成反应是吸能的( 吸收能量) ，则该化合物的化合自由能为正值。许多化合物的化合自由能为负值，这反应了一个事实，即化合物往往是由元素自发形成的。还有，通过对比相对的形成能，可以推导出不同反应的相关概率和可能性。由此，相对由碳、氢合成的甲烷( G o f ，一5 0 3 千焦耳摩尔) 而言，葡萄糖( G o f ，一9 1 7 6 千焦耳摩尔) 更容易由碳、氢和氧合成。而一氧化二氮的正化合自由能( + 1 0 3 5 千焦耳摩尔G o f ) 意味着该化合物分子不能自发形成，相反却很容易分解为氮和氧。利用各种物质的化合自由能，可以算出某一特定反应中发生的自由能变化。举一个 简单的例子，如对于A + B c + D 这样一个反应，其自由能变化G o ，是通过计算产物( 这里是C 和D ) 化合自由能之和与反应物( 这里是A 和B ) 化合自由能之间的差值而计算出来的即： 反应A + 酽，C + D 的自由能变化 G o = G o f C + D 一C o f a + B “产物减去反应物”的说法概括了计算某一化学反应过程中自由能变化的必要步骤。但是，在计算自由能变化之前，有必要使反应达到化学上的平衡。2 活化能、催化作用和酶自由能的计算只能告诉我们当反应或系统处于平衡状态时，什么样的条件将处于优势；它不能告诉我们达到平衡需要多长的时间。气态氧和氢合成水便是一个很好的例子。这一反应的能量非常有利于反应向正方向进行( 化合能为一2 3 8 千焦耳摩尔) 。可是，如果只是简单地把0 2 和H 2 混合在一起，我们一辈子都不会看到有明显的反应发生。原因 是氧原子和氢原子为形成水而进行的重新整理首先需要反应物化学键的断裂。化学键的断裂需要能量，这种能量被称作活化能。活化能( 单位是千焦耳) 是指在某一化学反应中将所有分子激活所需的能量。由活化能这一概念可以联想到催化作用。催化剂就是能使某一反应的活化能降低的物质。尽管催化剂本身并不发生改变，但它却能加快反应的速度。需要注意的是，催化剂并不影响反应的自由能变化，而只是影响反应进行的速度。 即便是释能反应，如果反应物不能被激活，化学反应仍不能自发进行。在这种情况下，一旦激活发生，反应便自发进行。催化剂，例如酶能使反应所需的活化能降低。在缺少催化作用时，有机体内的大多数反应不能以一种可测量的速度进行。生物学反应的催 化剂是一些被称作酶( E ) 的蛋白质。酶对其所催化的反应具有高度的特效性( 专一性) 。也就是说，每一种酶只能催化一种类型的化学反应，或者对特定的酶而畜，只能催化一些与其紧密相关的反应。这种特效性与酶分子精确的三维空间结构有关。在一个酶促反应中，酶与反应物( 被称作底物，即S ) 暂时性地结合。接着，在反应发生后，产物( P ) 被释放，酶( E ) 则回到其原来的状态： E + S = E S = E + P酶通常要比其底物大得多，这两者之间的通常依靠一些微弱的联结结合在一起，如氢键、范德华力和疏水作用等。酶与其底物相联结的那一小部分被称作酶的活性位点。 酶促作用2 8 7 微生物代谢过程中的能量学酶的催化能力是很强的。通常，酶能使化学反应的速度提高到其自发反应速度的1 0 8 到1 0 2 0 倍。酶要催化某一反应，必须有两点：( 1 ) 结合正确的底物( 2 ) 将底物放在其活性位点上。底物被联结到酶上之后便产生酶一底物复合物。这使得反应群组排列成行， 并将张力作用到底物的特定联结上。酶一底物复合物形成的结果是导致反应发生所需的 活化能降低，并且使底物不断转化为产物。酶同样能够催化吸能反应，将低能底物转化为高能产物。在这种情况下，不仅要有能量突破底物化合自由能的阈值，而且还必须有足够的自由能输入到反应体系中去，以将底物的熊量水平提高到产物所含有的能量水平。尽管从理论上说，所有酶的作用都是可逆的。但在实际中，那些催化高吸能反应或高释能反应的酶都是不可逆的。如果在细胞新陈代谢过程中，某一独特的反应需要逆向进行，则肯定有另一种不同的酶在逆向反应中发挥作用。正如我们所讨论的，酶是蛋白质，是一些叫作氨基酸的亚单元的聚合体。每一种酶都 有一个特殊的三维构相。氨基酸的线性排列( 一级结构) 会折叠和扭曲成一种特殊的构相，以形成二级结构和三级结构。酶的专一性主要取决予蛋白质中的多肽的折叠方式。作为蛋白质，酶类也受物理和化学因素的影响，特别是温度和p H 值对其活性影响很 大。例如，来自于高温环境下生长的有机体( 喜温生物) 的酶具有较好的热稳定性，而来自非喜温生物的酶遇热后迅速失活。这些差别是因为不同酶类的氨基酸序列不同所致。由于氨基酸序列的不同最终会造成蛋白质折叠方式的差异，因此，某一经过特定方式折叠后 的蛋白质将呈现出其独特的结合特点和物理性质。很多酶还包含了一些小的非蛋白质分子，这些小的非蛋白质分子参与酶的催化作用。根据与酶结合的特性不同，可以将这些小的非蛋白质分子分为两类：辅基和辅酶。辅基被紧密地联结在酶上，而且通常是永久性地联结。如果某一种酶含有辅基，其蛋白质部分叫作脱辅基酶蛋白，一旦完整的酶形成后，即辅基接上后，则叫作全酶。存在于细胞色素中的亚铁血红紊便是一个酶与酶之间的小分子转移载体。大多数辅酶都是各种维生素的衍生物。酶的命名一般是在其作用底物或催化反应名称后加上“一a s e ”。由此可知，c e l l u l a s e是一种对纤维素起作用的酶，毋u c o s eo x i d a s e 则是一种促进葡萄糖氧化的酶，而r i b o n u c l e a s e 便是一种分解核糖核酸的酶。3 氧化还原作用细胞产生能量的过程与氧化还原反应有关( 或叫氧化还原作用) 。从化学角度来说，氧化则是指从某物质转走一个或多个电子，还原则是指将一个或多个电子转移给某物质。在这些氧化还原反应中，电子在不同的反应物之间转移。能源，即电子供给体释放一个或多个电子，这些电子转移到另一个电子受体。在这一过程中，电子供体被氧化，而电子受体则被还原。活的有机体中最常见的电子受体是分子状态的氧。某一化合物接受或释放电子的能力大小则用其还原电位来表示。从生物化学角度来看，氧化和还原不仅包括电子的转移，还包括整个氨原子的转移。一个氢原子( H ) 由一个电子和一个质子组成。当电子转移后，氢原子便成为一个质子2 8 8 面向农业与环境的土壤科学( H + ) 。必须注意的是，很多氧化还原反应与分子状态的氧( 0 2 ) 本身并没有关系。重要的是氢原子( 或电子) 的转移。例如，氢气( H 2 ) 能通过释放电子和氢离子( 质子) 而被氧化：H 2 - “ 2 e 一+ 2 H +但是，电子在溶液中不能单独存在，而必须作为原子或分子的一部分。上述方程式只是提供了一些化学信息，其本身并不代表一个真正的反应。上述反应仅仅只是一个半反应，指的是它还需要由第二个反应来支持。这时因为对任何一个氧化反应的发生而言，必然伴随着另一个还原反应的发生。例如，H ：的氧化反应与第二个反应中0 2 的还原相结合起来进行：1 20 2 + 2 e 一+ 2 H + 一H 2 0这一半反应是一个还原反应，如果与H 2 的氧化反应结合起来，并形成下列完整的平衡反应：H2+120 2 一H 2 0在这种类型的反应中，我们将被氧化的物质，这里为H 2 称作电子供体，将被还原的 物质，这里为0 2 称作电子受体。理解生物氧化还原反应的关键是弄清楚与其有关的半 反应必定有一个反应涉及到电子供体，而另一个反应涉及到电子受体。 还原电位对于供出电子被氧化或接受电子被还原的电位，各种物质各不相同。人们常以还原电位( E o ) 来表示物质的这种还原潜力。在测量这一电位时，常以H 2 这种标准物质作为 参考。通常将所有的电位统一到一个标准，就可以逐个表示所有半反应中的电位，这使得人们可以在不同反应之间进行可靠的对比。按常规讲，在表示某一半反应的还原电位时，应将氧化剂写在左边，这就是被还原的物质。于是，氧化剂+ e 一还原产物。如果该反应涉及到氢离子( 通常是这种情况) ，还原电位将在某种程度上受到氢离子浓度( D H ) 的影响。通常在生物学中，还原电位指的是中性( p H7 ) 时的值，这时因为细胞质为中性或接近中性。利用这些约定俗成，在p H7 时，半反应：1 20 2 + 2 H + + 2 e 。一H 2 0的还原电位E 0 ，为+ 0 8 1 6 V ，而半反应：2 H + + 2 e 一H 2的还原电位则为一0 4 2 1 V 。 氧化还原对和成对反应大多数分子在不同情况下，根据与其反应的物质不同，可以分别作为电子供体和电子受体。我们可以将半反应箭头两边的相同原子看作是一个氧化还原( 0 - 一R ) 对，如2 H + H 2 、1 20 2 H 2 0 。在根据半反应书写一个完整的成对氧化还原反应时，最简单的是要记住还原电位较低的还原物向氧化还原对中还原电位较高的氧化物提供电子。于是，在氧化还原对2 H + H 2 ( 其还原电位为一0 4 2 V ) 中，H 2 提供电子的倾向更大一些。另一方面，在氧化还原对1 20 2 H 2 0 ( 氧化还原电位为+ 0 8 2 V ) 中，尽管H 2 0 提供电子的倾向很弱，但0