细胞代谢医学宣教专家讲座.pptx

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本章内容,能与细胞,酶,物质跨膜转运,细胞呼吸,光合作用,1,细胞代谢医学宣教专家讲座,第1页,n 氨基酸+,能量,蛋白质2 丙酮酸+,能量,葡萄糖,从小分子合成大分子需要消耗,能量。,葡萄糖 2 丙酮酸+,能量,从大分子分解为小分子会释放,能量。,生物体代谢反应分为物质代谢和能量代谢,两个侧面,。,物质代谢,由底物分子变成产物分子,能量代谢,消耗能量或释放能量,2,细胞代谢医学宣教专家讲座,第2页,新陈代谢,是生物体内进行物质和能改变总称,是最基本生命活动过程,新陈代谢,物质代谢,能量代谢,同化作用,异化作用,合成物质,贮存能量,分解物质,释放能量,3,细胞代谢医学宣教专家讲座,第3页,生命活动需要能量,生命存在要靠能量,生物本身不能创造新能量。几乎全部地球生命所需要能量都来自太阳。,生态系统中能量流动是由多样化生命过程完成。,代谢是化学物质和能量转化过程,第一节 能量与细胞,4,细胞代谢医学宣教专家讲座,第4页,1、,能是做功本事,能（自由能）：一个能在恒温恒压下作功能量。,G=H-TS,G自由能，H热含量，T绝对温度，S熵,2,.热力学定律,热力学第一定律：,能量守恒,定律,热力学第二定律：全部自发过程总是伴随自由能降低，即,熵增加，系统无序性增大！,生物有序性与自由能,生物-开放系统，与环境进行,物质与能量交换,3.能量代谢:吸能反应与放能反应,生命依靠能量不停输入一直在与热力学第二定律作抗争。,5,细胞代谢医学宣教专家讲座,第5页,下列图,1)、腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)结构,4、ATP结构与功效,6,细胞代谢医学宣教专家讲座,第6页,ATP(adenosine-triphosphate),汉字名称为腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷,(,腺苷三磷酸,),，简称为,ATP,，一个腺苷上连接三个磷酸基团。,7,细胞代谢医学宣教专家讲座,第7页,ATP,是生物体能量流通货币,一个代谢反,应释出能量贮,入ATP，ATP所,贮能量供另一个,代谢反应消耗能,量时使用。,8,细胞代谢医学宣教专家讲座,第8页,2).ATP生成,ADP +P ATP,此过程称为,磷酸化,若磷酸化所需能量来自化合物氧化分解-氧化磷酸化,若磷酸化所需能量来自光能-光合磷酸化,9,细胞代谢医学宣教专家讲座,第9页,细胞利用ATP完成各种工作,3).ATP生理功效,ATP是生物体内各种生化反应直接能源,10,细胞代谢医学宣教专家讲座,第10页,4).生物体把能量用在生命活动各个方面,ATP,生物电,物质进出细胞,合成其它形式能量分子,如：NADPH,发烧（体温）,运动,11,细胞代谢医学宣教专家讲座,第11页,活细胞是一个微小化学工业园,在极其微小空间内发生着数千种生物化学反应,代谢是生物体内全部化学反应过程总称,细胞复杂结构尤其是膜结构固定了各代谢反应空间和时间，使它们高度有序并能够被控制和调整。,12,细胞代谢医学宣教专家讲座,第12页,生命活动原动力在于生物体内一刻不停,新陈代谢,。经过新陈代谢不停把太阳能或食物中贮存,能量,，转化为可供生命活动利用能量，不停制造出各种,大、小分子,以供生命活动所需要。体内新陈代谢过程又都是在生物催化剂-,酶,催化下进行。,13,细胞代谢医学宣教专家讲座,第13页,第二节、酶是生物催化剂,1、酶催化特点,催化剂能够加紧化学反应速度，酶是生物催化剂，它突出优点是：,催化效率高、专一性质、能够调整。,先看看,催化效率高,14,细胞代谢医学宣教专家讲座,第14页,2、酶催化作用机理是,降低活化能,催化剂,只能,催化,原来能够进行,反应，加紧其反应速度。,即使对能够进行反应来说，反应物分子应越过一个,活化能,才能发生反应。,酶作为催化剂作用是,降低活化能。,15,细胞代谢医学宣教专家讲座,第15页,返回,酶催化机理是降低活化能,16,细胞代谢医学宣教专家讲座,第16页,酶是怎样降低活化能呢?,首先需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中,有底物结合中心/活性中心。,然后，酶蛋白分子,以各种方式,，作用于底物分子，使底物分子,活化起来。,酶与底物专一结合，又是酶促反应,专一性,表达。,17,细胞代谢医学宣教专家讲座,第17页,3、酶化学本质是蛋白质,有酶仅仅由蛋白质组成，如：,核糖核酸酶,有酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些,金属离子或小分子,参加。这些金属离子或小分子是酶活性所必须，称为,辅酶/辅基,或,辅助因子。,如：,羧基肽酶,以二价锌离子（Zn2+）为辅助因子,又如：,过氧化氢酶,以铁卟啉环为辅助因子,18,细胞代谢医学宣教专家讲座,第18页,4、酶活性能够调控,1）,在代谢路径中调整酶活性,几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条,代谢路径,。,在一条代谢路径中，经常是前一个酶促反应产物，便是下一个酶促反应底物。,一条代谢路径终产物，有时可与该代谢路径第一步反应酶相结合，结合结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢路径反应速度慢起来。这种情况称为,“反馈抑制”,。,值得注意是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，,是非共价结合，是可逆。,19,细胞代谢医学宣教专家讲座,第19页,2）,共价调整,有时候，酶蛋白分子能够和一个基团形成共价结合，结合结果，使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变。比如，与,磷酸根,结合。,这种调整酶活性情况称为,酶共价调整。,20,细胞代谢医学宣教专家讲座,第20页,3）,竞争性抑制,有酶在碰到一些化学结构与底物相同分子时，这些分子与底物,竞争结合,酶,活性中心,，亦会表现出酶活性降低（抑制）。这种情况称为酶,竞争性抑制,。,21,细胞代谢医学宣教专家讲座,第21页,4）,其它,温度,PH和盐浓度,辅助因子,22,细胞代谢医学宣教专家讲座,第22页,第三节、物质跨膜运输,细胞维持正常生命活动基础之一,23,细胞代谢医学宣教专家讲座,第23页,简单扩散,帮助扩散(需载体蛋白,),1、被动运输-物质顺浓度梯度运输,24,细胞代谢医学宣教专家讲座,第24页,（一）扩散与渗透,细胞质膜含有两个基本特征允许小分子物质经过扩散穿过细胞质膜，也能够让水经过渗透进出细胞质膜。,1扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高一侧向低浓度一侧移动过程，通常把这种过程称为简单扩散。,2渗透(osmosis)含义则是指水分子以及溶剂经过半透性膜扩散。,当两种不一样浓度溶液被半透性膜脂分隔开后，高溶质浓度一侧是高渗(hypertonic)，而低溶质一侧则是低渗(hypoosmotic)。若两侧溶质浓度相等，则称为等渗(iso-osmotic)。,25,细胞代谢医学宣教专家讲座,第25页,（二）帮助扩散,帮助,扩散是指非脂溶性物质或亲水性物质，如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上膜蛋白帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度,促进扩散一样不需要消耗能量，而且也是从高浓度向低浓度进行。,特点：,促进扩散速度要快几个数量级。,含有饱和性:当溶质跨膜浓度差到达一定程度时，促进扩散速度不再提升。,含有高度选择性:如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似糖类运输。,膜运输蛋白运输作用也会受到类似于酶竞争性抑制，以及蛋白质变性剂抑制作用。,26,细胞代谢医学宣教专家讲座,第26页,1通道蛋白,通道蛋白含有选择性，所以在细胞膜中有各种不一样通道蛋白。通道蛋白参加只是被动运输，而且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。,27,细胞代谢医学宣教专家讲座,第27页,2载体蛋白,一个特定载体只运输一个类型化学物质，,甚至一个分子或离子。载体蛋白既参加被动物质运输，也参加主动物质运输。载体蛋白对物质转运过程含有类似于酶与底物作用动力学曲线、可被类似物竞争性抑制、含有竞争性抑制等酶特征。,红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图,28,细胞代谢医学宣教专家讲座,第28页,（三）水被动运输,大多数水是直接经过脂双层进入细胞，也有些水是经过水通道蛋白进行扩散。,29,细胞代谢医学宣教专家讲座,第29页,2、主动运输,Na,+,-K,+,泵 由 ATP 提供能量,物质逆浓度梯度运输，需载体蛋白，消耗能量,30,细胞代谢医学宣教专家讲座,第30页,主动运输含有四个基本特点:逆梯度运输;依赖于膜运输蛋白;需要代谢能，并对代谢毒性敏感;含有选择性和特异性。,（一）,Na,+,/K,+,泵,1结构特点,Na,+,/K,+,ATPase,由两个大亚基,(,亚基,),和两个小亚基,(,亚基,),组成。亚基是跨膜蛋白，在膜内侧有,ATP,结合位点,;,在亚基上有,Na,+,和,K,+,结合位点。,31,细胞代谢医学宣教专家讲座,第31页,2运输机制,每水解一个,ATP,，,运出,3,个,Na,+,，,输入,2,个,K,+,。,Na,+,/K,+,泵工作结果，使细胞内,Na,+,浓度比细胞外低,10-30,倍，而细胞内,K,+,浓度比细胞外高,10-30,倍。,32,细胞代谢医学宣教专家讲座,第32页,3,意义:,Na,+,/K,+,泵含有三个主要作用,（,1,）维持了细胞,Na,+,离子平衡，抵消了,Na,+,离子渗透作用,（,2,）是在建立细胞质膜两侧,Na,+,离子浓度梯度同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力,（,3,）是,Na,+,泵建立细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。,33,细胞代谢医学宣教专家讲座,第33页,（二）协同转运,这种,H,与其它物质经过载体相伴随转运称为共转运（,cotransport,）。,若被转运物质（如蔗糖等中性溶质或Cl,-,等阴离子）与H+同向越过膜，称为同向转运（symport）,。,若被转运物质（如,Na+,等许多阳离子）与,H,+,反向越过膜，则称为反向转运（,antiport,）。,34,细胞代谢医学宣教专家讲座,第34页,3、大分子和颗粒进入和排出细胞,胞吞和胞吐作用,生物大分子或颗粒物质运输,35,细胞代谢医学宣教专家讲座,第35页,（一）胞吐,胞吐作用：包含大分子物质,小囊泡从细胞内部移至细,胞表面，与质膜融，将物质,排出细胞之外。,36,细胞代谢医学宣教专家讲座,第36页,（二）胞吞,是细胞吸收大分子和其它大颗粒，方式也是由质膜形成内向小泡。,1,吞噬,细胞内吞较大固体颗粒物质，称为吞噬作用。,37,细胞代谢医学宣教专家讲座,第37页,2饱饮作用,物质吸附在质膜上，然后经过膜内折而转移到细胞内摄取物质及液体过程，称为胞饮作用。,38,细胞代谢医学宣教专家讲座,第38页,3受体介导胞吞,是细胞依靠细胞表面受体特异性地摄取细胞外蛋白或其它化合物过程。细胞表面表面受体含有高度特异性，与对应配体(被内吞分子)结合形成复合物，继而此部分质膜凹陷形成有被小窝，小窝与质膜脱离形成有被小泡，将细胞外物质摄入细胞内。,39,细胞代谢医学宣教专家讲座,第39页,物质跨膜运输（总结）,被动运输,简单扩散,易化扩散,主动运输,直接消耗ATP,（动物细胞）钠钾泵,（植物细胞）质子泵,间接消耗ATP协同运输,胞吞和胞吐作用,生物大分子或颗粒物质运输,40,细胞代谢医学宣教专家讲座,第40页,第四节、细胞呼吸,生物体主要靠有机分子氧化取得能量(生物呼吸作用),一、呼吸作用概念：,细胞呼吸,-,生活细胞内有机物在酶参加下逐步氧化并释放能量过程。,也就是生物体经过,生物氧化,获取化学能过程。,有机化合物+O,2,CO,2,+能量,生物氧化,-糖、脂、蛋白等有机物在活细胞内氧化分解，并释放能量过程。,41,细胞代谢医学宣教专家讲座,第41页,不一样于呼吸运动，但,通常意义呼吸运动(即气体交换)与细胞呼吸是相互关联。,42,细胞代谢医学宣教专家讲座,第42页,有机物氧化释放能量,一支火柴燃烧是纤维素氧化,（C,6,H,12,O,6,）,n,+O,2,n CO,2,+nH,2,O+能量,纤维素 氧 光和热 温度,（可燃物）,生物体也进行类似反应,（C,6,H,12,O,6,）,n,+O,2,n CO,2,+nH,2,O+能量,淀粉 氧 酶 ATP,（氧化底物）,生物氧化,与,化学氧化,区分:,把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本标准是相同,有机物氧化释放出能量。,43,细胞代谢医学宣教专家讲座,第43页,有哪些不一样？,A、生物体内氧化比燃烧过程,迟缓,多，,分步骤进行,不是猛然地发出光和热。,B、生物体内氧化由,酶,催化。,C、生物体内氧化在,水,环境中进行。,D、生物体内氧化,分步骤,进行，产生能量贮存在,ATP,中。,生物氧化分步骤进行、温和、由酶催化、产生能量贮存在 ATP 中，能量利用率高。,44,细胞代谢医学宣教专家讲座,第44页,生物体内氧化,分步骤进行,淀粉,葡萄糖,丙酮酸,CO,2,+H,2,O,ATP,45,细胞代谢医学宣教专家讲座,第45页,二、呼吸作用类型,无氧呼吸,指生活细胞在无氧条件下，把一些有机物分解成为不彻底氧化产物，同时释放能量过程。,C,6,H,12,O,6,2C,2,H,5,OH+2CO,2+能量,有氧呼吸：,指生活细胞利用分子氧，将一些有机物质彻底氧化分解，形成CO,2,和H,2,O,同时释放能量过程。,C,6,H,12,O,6,+6O,2,6CO,2,+6H,2,O 能量,酶,酶,46,细胞代谢医学宣教专家讲座,第46页,（一）、无氧呼吸,1、糖酵解-由葡萄糖分解形成丙酮酸一系列反应。,葡萄糖氧化第一阶段。,乳酸或乙醇等,进入线粒体深入氧化为,CO,2,和H,2,O，释放更多能量,47,细胞代谢医学宣教专家讲座,第47页,2.发酵路径,1）酒精发酵,糖酵解产生丙酮酸最终生成酒精和二氧化碳,酵母、植物细胞,（例：酿酒、劳糟）,2）乳酸发酵,糖酵解产生丙酮酸最终生成乳酸,乳酸菌、高等动物细胞,(例：泡菜、人猛烈运动),48,细胞代谢医学宣教专家讲座,第48页,人体细胞呼吸过程,慢跑,，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并取得能量，同时产生二氧化碳和水,快跑,，细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳,49,细胞代谢医学宣教专家讲座,第49页,丙酮酸 乙酰辅酶A+CO,2,+NADH+H,+,。,氧化脱羧,1.柠檬酸循环,三羧酸循环(TCA循环)、Krebs循环,是乙酰CoA脱羧、脱氢最终生成 CO,2,过程,1分子丙酮酸经有氧呼吸可生成15个ATP，整个有氧代谢1分子葡萄糖可产生38个 ATP。,进入,（二）、有氧呼吸(线粒体内),柠檬酸循环是三大物质代谢中心,50,细胞代谢医学宣教专家讲座,第50页,1)、,电子传递链,:,线粒体内膜上一系列电子传递体组成，也称为呼吸链。,当前公认氧化呼吸链传递电子次序是：,2)、氧化磷酸化,由物质氧化释放能量，供给ADP磷酸化合成ATP偶联反应称为氧化磷酸化。,底物（S）NAD,+,FMNCoQFe-SCytbCytc,1,CytcCytaCyta,3,1/2O,2,2.电子传递和氧化磷酸化,51,细胞代谢医学宣教专家讲座,第51页,糖酵解：,底物水平磷酸化4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个NADH，,可得6或8个ATP,Krebs循环：,底物水平磷酸化2个ATP，脱氢反应产生8个NADH和2个FADH,2,，,可得30个ATP,能量统计：,1分子葡萄糖彻底氧化分解共得：36或38个ATP,52,细胞代谢医学宣教专家讲座,第52页,三、呼吸作用过程：,(与葡萄糖氧化分解产生能量相关三条代谢路径,),普通可分为三个主要阶段：以葡萄糖为例,糖酵解,三羧酸循环,电子传递链,(chain of electron transport),53,细胞代谢医学宣教专家讲座,第53页,A、,糖酵解路径,（EMP路径）,己糖分解成丙酮酸过程,六个碳葡萄糖分解为两个三碳丙酮酸，净得两个ATP，同时还产生 NADH。,糖酵解路径能够在无氧情况下进行，不过要处理,NADH变回到NAD,问题。,54,细胞代谢医学宣教专家讲座,第54页,反应进行部位：细胞质,特点：,不需O,2,参加,由特定酶催化,（氧化作用O,2,来自水分子和被氧化糖分子）,55,细胞代谢医学宣教专家讲座,第55页,总反应式,：,葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD,+,2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H,+,+2H,2,O,糖酵解过程中：,一个分子葡萄糖分解为2分子丙酮酸,利用2个ATP，产生4个ATP，净得2个ATP；,2个分子NAD,+,被还原，产生了2个NADH+H,+,56,细胞代谢医学宣教专家讲座,第56页,糖酵解生理意义,是无氧呼吸和有氧呼吸共同路径,糖酵解最终产物丙酮酸可经过各种代谢途,径生成不一样物质,是厌氧生物糖分解和获取能量主要方式,多数反应均可逆转，为糖异生作用提供了,基本路径,57,细胞代谢医学宣教专家讲座,第57页,B、,三羧酸循环,（TCA循环）,三羧酸循环一定需要,氧,才能进行。在三羧酸循环中脱下,氢,，形成NADH 和 FADH,2,，然后再逐步传递给,氧,。,部位：,线粒体基质内,特点：,需要氧参加和各种酶催化,过程：,是包含三羧酸和二羧酸循环逐步,脱羧脱氢，彻底氧化分解过程.,58,细胞代谢医学宣教专家讲座,第58页,TCA循环过程,（9步反应）,丙酮酸在有氧条件下进入线粒体，氧化脱羧与辅酶A结合成为活化乙酰CoA；释放出1分子CO2，同时发生NAD还原.,丙酮酸 乙酰辅酶A,氧化脱羧,59,细胞代谢医学宣教专家讲座,第59页,返回,丙酮酸,三个二氧化碳,三羧酸循环,60,细胞代谢医学宣教专家讲座,第60页,C、,呼吸链,脱下,氢,能够看作是,电子,加上,质子,2H 2e 2H,在,呼吸链,起端，,电子,处于高能水平，传递到,O,2,时，处于低能水平。传递过程中释出能量，用于产生,ATP,。,61,细胞代谢医学宣教专家讲座,第61页,返回,糖酵解,三羧酸循环,呼吸链,62,细胞代谢医学宣教专家讲座,第62页,总之，,一个葡萄糖分子经过：,无氧,糖酵解路径,丙酮酸 2个,ATP,有氧,糖酵解路径、三羧酸循环路径、呼吸链,完全氧化 36,ATP,CO,2,和 H,2,O,生物体可利用各种有机分子作燃料。,除了葡萄糖，其它生物分子，包含,脂类、氨基酸、核苷酸,等，都能够经过三羧酸循环路径，彻底氧化为 CO2 和 H2O，同时产生能量。,对于人体来说，最适宜燃料是葡萄糖。,63,细胞代谢医学宣教专家讲座,第63页,4 呼吸作用意义,为生物生命活动提供能量,呼吸作用形成中间产物是深入合成生,物体内新有机物物质基础,在植物体内碳、氮、脂肪代谢活动中起,枢纽作用,增强生物免疫力,64,细胞代谢医学宣教专家讲座,第64页,第五节、光合作用,太阳能是整个生命世界能量源泉,绿色植物和光合细菌利用太阳能过程称为,光合作用,。,绿色植物和光合细菌光合作用把太阳能转变为化学能；利用太阳能把无机物合成有机物；除了维持本身生存还为其它生物提供食物；保护环境。,食物链,65,细胞代谢医学宣教专家讲座,第65页,光合作用,指光合生物吸收太阳能，并将其转变成有机化合物中化合能过程。,光合生物：,绿色植物、藻类：,CO,2,+2H,2,O*(CH,2,O)+O,2,*+H,2,O,紫硫细菌：,CO,2,+2H,2,S (CH,2,O)+H,2,O+2S,氢细菌：,CO,2,+2H,2,(CH,2,O)+H,2,O,66,细胞代谢医学宣教专家讲座,第66页,1.光合作用早期试验,荷兰医生Van Helmon(范,海尔蒙）在1648年做了第一个探索光合作用实质性试验。,将一株5磅重小树种在重200磅干土中，用雨水浇灌5年，不供给其它营养物质，小树长成重169磅植株，而土壤重量基本上不变。,干土,五年后,浇水,67,细胞代谢医学宣教专家讲座,第67页,试验结论和存在缺点,结论,：,全部植物物质都来自水，而不是土壤。,或者说,：,小树重量增加仅仅由水所引发,。,缺点,：,没有考虑到空气中气体可能影响。,68,细胞代谢医学宣教专家讲座,第68页,2.,光合作用发生部位,叶绿体,叶片是光合作用主要器官,叶绿体是光合作用最主要,细胞器,类囊体膜：光反应,基质：暗反应,69,细胞代谢医学宣教专家讲座,第69页,叶绿体结构,70,细胞代谢医学宣教专家讲座,第70页,叶绿体中,叶绿素,是进行光合作用必不可少成份。在叶绿体中进行光合作用，又能够分为,两个步骤,：,光反应：,在叶绿素参加下，把光能用来劈开水分子，放出O,2,，同时造成两种高能化合物 ATP和 NADPH。,暗反应：,把 ATP 和 NADPH 中能量，用于固定 CO,2,，生成糖类化合物。这个过程不需要光。,71,细胞代谢医学宣教专家讲座,第71页,Light-dependent reactions（,光反应,）,经过叶绿素等光合色素吸收、传递光能，并将光能转化为化学能，形成ATP和NADPH过程。,在类囊体膜上进行,包含,原初反应、电子传递,和,光合磷酸化,Dark reactions（,暗反应,）,利用光反应所形成能量（ATP和NADPH）（同化力），,将二氧化碳合成糖类过程。反应不需光。,在叶绿体基质中进行,3.,光合作用过程：,光反应,和,暗反应,72,细胞代谢医学宣教专家讲座,第72页,依据能量转变可光合作用分为三大步骤：,（1）光能吸收、传递和转换为电能（经过原初反应完成）,（2）电能转变为活跃化学能（经过电子传递和光合磷酸化完成）,（水光解 O,2,释放 电子传递 ATP合成）,（3）活跃化学能再转变为稳定化学能（经过碳同化完成）暗反应,（CO,2,被还原 生成碳水化合物等）,物质转化：无机物 有机物（植物利用光能将无机物，CO,2,和H,2,O,经过一系列复杂化学反应，合成碳水化合物过程）,能量转化：光能 电能 活跃化学能 稳定化学能,过程,73,细胞代谢医学宣教专家讲座,第73页,74,细胞代谢医学宣教专家讲座,第74页,光合作用过程中依据能量转变性质：,原初反应,:光能 电能,电子传递与光合磷酸化,：电能,碳同化,：活跃化学能 稳定化学能,活跃化学能,75,细胞代谢医学宣教专家讲座,第75页,3.1 原初反应,指从光合色素分子被光激发到引发第一,个光化学反应为止过程。,包含：,光能吸收和传递,光化学反应,过程,76,细胞代谢医学宣教专家讲座,第76页,光能吸收与传递,光量子吸收与色素分子结构相关（高等植物）,叶绿素：叶绿素a、叶绿素b（卟啉环）,类胡萝卜素：叶黄素、胡罗卜素（一系列共轭双键）,（一）光合色素,1.分类,77,细胞代谢医学宣教专家讲座,第77页,返回,吸收光能靠叶绿素,78,细胞代谢医学宣教专家讲座,第78页,2.光学特征,（1）激发态形成,（2）叶绿素分子受光激发后能级改变,（3）激发态命运,79,细胞代谢医学宣教专家讲座,第79页,（二）原初反应,1.参加反应色素,依据功效来区分，叶绿体类囊体上色素可区分为2种,1反应中心色素：功效是搜集光能，并能把光能转变为电能（光能 电能）故又称为光能转换色素，少数特殊状态chla分子属于这类。用P表示，右下角数子表示吸收高峰波长数。eg:P,700,吸收高峰再700nm长光波,2聚光色素:其功效是搜集光能，传递到反应中心色素。聚光色素包含chla，全部chlb，胡萝卜素，叶黄素等，又称为天线色素。,80,细胞代谢医学宣教专家讲座,第80页,2.光合单位,P,D,A,h,h,P,D,A,光合单位,作用中心色素（P），原初电子供体（D）和原初电子受体（A）,光和单位=聚光色素系统光合反应中心,81,细胞代谢医学宣教专家讲座,第81页,3.光反应中心,D P A,原初电子供体 反应中心色素分子 原初电子供体,将电子供给P 接收反应中心色素,分子传来电子,高等植物最终电子供体是H2O 最终电子受体是NADP,82,细胞代谢医学宣教专家讲座,第82页,4.原初反应过程,D P A,D P*A D P,+,A,D,+,P A,光,(1)吸收,(2)传递,(3)转换,83,细胞代谢医学宣教专家讲座,第83页,叶绿素,：640660nm 红光、430450nm蓝紫光吸收最强,类胡罗卜素,：吸收带在400500nm蓝紫光,红、蓝光最强,84,细胞代谢医学宣教专家讲座,第84页,3.2 电子传递与光合磷酸化,原初反应使光系统反应中心发生电荷分离，产生高能电子推进光合膜上电子传递。,电子传递结果：,引发水裂解放氧和 NADP,+,还原。,建立跨膜质子动力势，开启光合磷酸化，成ATP。,85,细胞代谢医学宣教专家讲座,第85页,（一）光系统,进行光吸收功效单位称为光系统,是由光合色素、蛋白质组成复合物。每一个光系统含有两个主要成份捕光复合物(light-harvesting complex)和光反应中心复合物(reaction-center complex)。光系统中光吸收色素功效像是一个天线，将捕捉光能传递给中心一对叶绿素a,由叶绿素a激发一个电子，并进入光合作用电子传递链。,在叶绿体类囊体上光合链进行,光合链：定位在光合膜上，由多个电子传递,体组成电子传递轨道。,电子传递,86,细胞代谢医学宣教专家讲座,第86页,光系统（PS）,吸收高峰为波长680nm处，又称P,680,。最少包含12条多肽链。位于基粒于基质非接触区域类囊体膜上。包含一个集光复合体（light-hawesting comnplex，LHC）、一个反应中心和一个含锰原子放氧复合体（oxygen evolving complex）。,光系统（PSI）,能被波长700nm光激发，又称P,700,。包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。由集光复合体和作用中心组成。结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊叶绿素为中心色素外外，其它叶绿素都是天线色素。,87,细胞代谢医学宣教专家讲座,第87页,（二）电子传递,H,2,O 1/2O,2,+2H,+,+2e,-,NADP,+,+2e,-,+2H,+,NADPH,+H,+,88,细胞代谢医学宣教专家讲座,第88页,（三）光合磷酸化,在相关条件下，当电子沿电子传递链传递时，合成了ATP，这一过程称为光合磷酸化，所以光合磷酸化是指在光下把无机Pi和ADP转化为ATP形成高能磷酸键过程。,ADPPi,光,ATP,指在光合作用过程中，将水光解产生电,子经电子传递链所释放能量，储存在由,ADP磷酸化形成高能磷酸键过程。,类型：,非循环式光合磷酸化：最终产物ATP、NADPH和水,循环式光合磷酸化：仅有ATP，无NADPH和水,89,细胞代谢医学宣教专家讲座,第89页,关于光合磷酸化，可由英国米切而（P.Mitchell）提出化学渗透学说来解释,1水裂解释放H,留在膜内侧（类囊体腔）,2电子沿传递体传递，其中PQ在传递电子同时可接收膜外侧（基质）H,转移到膜内侧，上述就会造成H,差（膜内侧质子浓度高而膜外侧低，膜内侧电位较膜外侧高）。,3因为PS和PS电子传递体在膜上排列，内侧电位高。,这么造成类囊体膜内外H,浓度差和电位差，二者合称为质子动力，又称为光合磷酸化动力。,所以，当H,沿着浓度梯度返回到膜外侧时，在ATP合酶作用下，ADP和Pi脱水形成ATP。,90,细胞代谢医学宣教专家讲座,第90页,（四）ATP合成酶,1结构,一个是突出于膜表面亲水性CF,1,复合体，另一个是埋置于膜内疏水性CF,0,复合体。,又因它可将ATP合成与电子传递和H,跨膜转运偶联，故又称为偶联因子。,酶结合部位位于CF,1,，CF,1,很轻易被EDTA（乙烯二胺四乙酸）溶液除去，这时类囊体膜便失去合成ATP能力。,2功效 ADPPi ATP,91,细胞代谢医学宣教专家讲座,第91页,3.3 碳同化,碳同化（碳反应,）,：,植物利用光反应中形成ATP、NADPH将CO2转化成稳定碳水化合物过程。（叶绿体利用光反应产生NADPH和ATP化学能,将CO2还原合成糖，称为碳反应,碳反应在叶绿体基质中进行。）,类型：依据最初产物碳原子数目及碳代谢特点，高等植物固定CO,2,生化路径分有3种：卡尔文循环（C,3,路径）、C,4,路径和景天科酸代谢路径（CAM路径），其中以卡尔文循环为最基本路径，同时也只有这条路径才具备合成淀粉等产物能力。其余两种是辅助形式，只能起固定、运转、浓缩CO,2,作用，单独不能形成淀粉等碳水化合物。,92,细胞代谢医学宣教专家讲座,第92页,1、C3路径：羧化阶段；还原阶段；再生阶段,6 PGA,6GAP,输出1分子GAP,（细胞质中）,5GAP,3RuBP,固定,还原,再生,3磷酸甘油酸,甘油醛3 磷酸,核酮糖1,5二磷酸,卡尔文循环,93,细胞代谢医学宣教专家讲座,第93页,因为这个循环中CO,2,受体是一个戊糖磷酸（核酮糖戊磷酸），故又称为还原戊糖磷酸路径，这个路径中CO,2,被固定形成最初产物是一个三碳化合物，故称为C,3,路径。,卡尔文循环（Calvin cycle）:,是全部植物光合作用碳同化基本路径,94,细胞代谢医学宣教专家讲座,第94页,Rubisco,2,指进入叶绿体CO,2,与受体RuBP结合，并水解产生 PGA过程.,3RuBP+3CO,2,+3H,2,O 6PGA+6H,+,RuBP：核酮糖1,5二磷酸,PGA：3磷酸甘油酸,羧化阶段：,95,细胞代谢医学宣教专家讲座,第95页,还原阶段：,指利用同化力将3磷酸甘油酸还原为甘油醛3 磷酸(GAP),6 PGA+6ATP+6NADPH+6H,+,6GAP+6ADP+6,NADP,+,+6Pi,PGA,羧化阶段产生PGA是一个有机酸，还未到达糖能级，为了把PGA转化成糖，要消化光反应中产生同化力。ATP是提供能量，NADPH提供还原力使PGA羧基转变成GAP醛基，这也是光反应与暗反应繁荣联接点。当CO,2,被还原为PGAld时光合作用贮能过程即能完成。,96,细胞代谢医学宣教专家讲座,第96页,再生阶段：,指由甘油醛3 磷酸重新形成RuBP（核酮糖-1,-5-二磷酸）过程。,5GAP3ATP+2H,2,O,3 RuBP+3ADP+2Pi+3H,+,97,细胞代谢医学宣教专家讲座,第97页,2.磷酸丙糖转运,98,细胞代谢医学宣教专家讲座,第98页,3、C,4,路径,玉米、高粱、甘蔗等近种植物,C,3,植物光合细胞主要为叶肉细胞,C,4,植物光合细胞有叶肉细胞和维管束鞘细胞,强光、高温、干燥条件 光合速率C,4,植物大于C3植物,99,细胞代谢医学宣教专家讲座,第99页,C,4,路径可分四个阶段：,叶肉细胞中,PEPCO,2,草酰乙酸,苹果酸从叶肉细胞,鞘细胞中，苹果酸脱羧，放出 CO,2,，生成丙酮,酸，CO,2,进入C,3,路径,丙酮酸回到叶肉细胞转变为磷酸烯醇式丙酮酸,胞间连丝,鞘细胞,苹果酸,PEP羧化酶,(磷酸烯醇式丙酮酸),100,细胞代谢医学宣教专家讲座,第100页,C,4,植物固定碳模式,叶肉细胞,维管束鞘细胞,CO,2,CO,2,PEP,草酰乙酸,苹果酸,苹果酸,丙酮酸,CO,2,卡尔文循环,丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,101,细胞代谢医学宣教专家讲座,第101页,C3植物和C4植物,项 目,C3 植 物,C4 植 物,定 义,光合作用CO2固定碳仅转移到C3中植物,光合作用CO2固定碳首先转移到C4中，然后转移到C3种植物,叶片,结构,区分,维管束,鞘细胞,不含叶绿体,细胞比较大，含没有基粒叶绿体，数多、个体大,叶肉,细胞,排列疏松，都含叶绿体,含叶绿体，部分叶肉细胞与维管束鞘细胞共同围绕着维管束,举 例,小麦、水稻,玉米、甘蔗,102,细胞代谢医学宣教专家讲座,第102页,3、景天科酸代谢路径,103,细胞代谢医学宣教专家讲座,第103页,4、光呼吸,概念：1920年,德国生化学家Otto Warburg最先注意到提升O,2,浓度会抑制CO,2,固定,这种抑制作用是光呼吸引发。光呼吸是一个依靠光来消耗O,2,放出CO,2,作用。在光存在下,光呼吸降低了光合作用效率,因为它氧化光合作用中产生还原型碳原子,同时消耗了大量能量。,Rubisco 加氧酶活性,Rubisco除了作为羧化酶催化将CO2添加到核酮糖1,5二磷酸,生成两分子3-磷酸甘油酸外,也可作为加氧酶,利用分子氧催化核酮糖1,5二磷酸裂解成3-磷酸甘油和磷酸乙醇酸(phosphoglycolate,)。,104,细胞代谢医学宣教专家讲座,第104页,4、环境原因影响光合作用,光,CO,2,温度,水分,矿质营养,105,细胞代谢医学宣教专家讲座,第105页,1 光照,光饱和点：在一定范围内，光合速率伴随光照强度增加而提升；但不超出一定范围后，光合速率增加减慢；当光照强度继续增加至某一光强时，光合速率就不再增加，这种现象称为光饱和现象，开始到达光饱和现象时光照强度，称为光饱和点。,光强度,光合速率,106,细胞代谢医学宣教专家讲座,第106页,2.温度,低温：酶促反应下降,高温：（1）叶绿体酶钝化，叶绿体和细胞质结构受到破坏,（2）高温时呼吸速率大于光合速率，净光合速率下降。,3.CO,2,CO,2,浓度,光合速率,当,CO,2,继续提升时光合速率随,CO,2,增加而变慢，当,CO,2,到达某一范围时，光合速率到达最大值不会再增加，光合速率开始到达最大值时,CO,2,被称为,CO,2,饱和点。,107,细胞代谢医学宣教专家讲座,第107页,思索题,1.简述Na+-K+泵 主要内容及主动转运特点。,108,细胞代谢医学宣教专家讲座,第108页,哇！,终于结束了。,109,细胞代谢医学宣教专家讲座,第109页,