講課大綱 （Lecture Outline）

一、 生物能量與生命體中能量轉變

(一) 太陽是一個主要能源

    太陽在一年之中所釋放能量為10³⁴焦耳。

    太陽是由氫和氦組成，在太陽的核心發生核燃燒 (nuclear burning) 的三個步驟稱為質子-質子鏈 (proton-proton chain or pp chain)。

    Einstein提出能量與質量之關係：E=mc²

(二) 熱力學定律

    第一熱力學定律─能量守恆定律。

    第二熱力學定律─若一反應可自發性的進行，則系統的總熵（entropy）一定為增加。

    第三熱力學定律─在絕對零度時，所有分子都不動，熵等於零，動能為零。

(三) 自由能

    自由能 (Gibbs free energy) 是系統能量的一部分，當整個系統 (如活細胞) 溫度不變時，可以做功的能量。

    Gibbs根據熱力學第一及第二定律，並假設在恆溫恆壓下進行提出自由能的公式：ΔG=ΔH-TΔS。

    當ΔG>0時反應處於吸能反應；ΔG=0時反應處於平衡狀態；ΔG<0時反應處於釋能反應。

    標準自由能變化：定義：反應物濃度為1 M，在25℃、1 atm之條件下所產生的自由能變化，稱為標準自由能變化，記為ΔG^o。

    生化反應而言，標準狀態下之pH=7.0，在此標準狀態下之標準自由能變化則記為 ΔG^o'。

    標準自由能變化 (ΔG^o') 與化學反應的平衡常數(K'eq=[Beq]/[Aeq]) 之關係: 

ΔG=ΔG^o'+ RT 1n K'eq ；

平衡時ΔG=0     ΔG^o'=－RT 1n K'eq

二、 生命體中能量轉變與其偶合 (伴隨) 反應

(一) ATP的自由能與磷酸轉移反應相關聯

    ATP是細胞的主要能量提供者。在ATP水解酶的幫助下，水解ATP的磷酸鍵，釋放出ADP和無機磷酸根。

(二) 自由能變化與氧化-還原反應相關聯

    氧化還原反應 （Oxidation-Reduction Reaction），簡稱 (redox reactions) ，即電子由提供者轉移到接受者的反應。氧化反應: 與氧化合，或失去氫之反應；還原反應: 與氫化合，或失去氧之反應。

    氧化還原勢 (redox potential: E_o) 是指氧化還原偶接受或提供電子給對方能力又稱為氧化還原電位。氧化電位：失去電子的相對大小；還原電位：得到電子的相對大小。

    生物能量學定義標準氧化還原勢是在pH=7 ，以及氧化態與還原態比為1時。

    生物系統之標準電位差 (ΔEm) 與標準自由能（ΔG^o'）間的關係：ΔG^o'=-nFΔEm

三、 ATP的化學滲透合成

    1961 年Peter Mitchell提出化學滲透假說 (chemiosmotic hypothesis) 來解釋電子傳遞與ATP的合成。

    Mitchell的假說建立在兩個基本需求:

1. H⁺無法通透能量傳導膜。

2. 電子載體 (electron carriers) 蛋白不均勻分布在膜的兩側。

    膜兩側的 H⁺濃度形成一個梯度或稱為質子梯度 (proton gradient)，記為ΔpH。允許H⁺通過的蛋白質稱為質子幫浦 (proton pump) 。

    在葉綠體中，因光照形成質子梯度，引起化學滲透以合成ATP ，稱為光合磷酸化作用 (photophosphorylation) 。

授課教師:蔡智賢教授

國立嘉義大學園藝學系

修改日期：2022年07月17日