大学生物学04-细胞代谢.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,新陈代谢,生物最基本的生命活动，,最重要特征之一；,细胞：,新陈代谢的基本单位；,1,细胞代谢,细胞从环境汲取,能量,、,物质，,在内部进行各种化学变化，,维持自身高度复杂的,有序结构，,保证生命活动的正常进行；,酶：,催化细胞内各种化学变化；,2,能量：,生物利用的能量几乎全都,直接,、,间接,来自,太阳光；,光合作用：,唯一,直接,利用太阳光,的过程；,细胞呼吸：,间接,利用太阳光的过程；,本章内容：,能量、酶,；,细胞呼吸,（,重点,）,、,光合作用,（,重点,）,3,能：,动能、势能,势能：,物体因位置、本身排列,而具有的能量，即,位能；,高处物体；,化学能：,一种势能,生物体内最重要能量形式,电子：,带负电荷，具势能；,细胞中分子：,原子排列 势能；,6,4.1.2 热力学定律,能量可从一种形式转变为另一种形式，生命活动依赖于能量的转变。,热力学定律：,第一定律：,即：,能量守恒定律。,宇宙中总能量不变；能量不能创造、消灭，只能形式转变。,第二定律：,能量转变导致宇宙的无序性增加,7,根据热力学第二定律,推论,一个特定体系的,有序性,其环境的,无序性,生物体是开放体系,生物体不断与环境进行,物质,、,能量交换；,8,细胞：,利用,有序性低的,原料,制造,高度有序的,结构,氨基酸,特定序列的,多肽；,多种大分子,结构复杂的,膜系统；,生长中的生物体或细胞,是熵值不断减少的独立体系；,生存于熵值不断增加的宇宙之中；,（外界环境之中）,9,细胞中能的转换,能的转换 发生部位,化学能转换为渗透能 肾,化学能转换为机械能 肌细胞、纤毛上皮细胞,化学能转换为辐射能 萤火虫发光器官,化学能转换为电能 神经、脑、味觉 感受器,光能转换为化学能 叶绿体,声能转换为电能 内耳,光能转换为电能 视网膜,10,4.1.3 吸能反应和放能反应,化学反应：,放能、吸能反应两大类。,吸能反应：,产物分子中的势能,反应物分子中的势能多。,吸收的能量,=产物分子势能,反应物分子势能；,吸收,周围物质的,能量,贮存,于产物分子中；,11,光合作用,生物界最重要的吸能反应；,反应物：,低能量的CO,2,、H,2,O；,产物：,高能量的糖；,能量来源：,太阳光（光能）,12,放能反应：,产物分子中的化学能,反应物分子中的化学能。,释放的能量,=反应物分子中势能,产物分子中势能；,细胞呼吸产生能量，大部分以,ATP,的,形式贮藏，供细胞各种活动所需。,13,4.1.4 ATP是细胞中的能量通货,ATP,戊糖,含氮碱基腺嘌呤,3个磷酸根,ATP的结构,14,ATP,是各种活细胞内的一种,高能磷酸化合物,A,P,P,P,腺苷,磷酸基团,高能,磷酸键,第二个高能磷酸键相当脆弱，水解时容易断裂，释放出大量的能量,ATP的结构简式：,15,ATP合成酶,ADP,+,Pi,ATP,能量,+,ATP,ADP,+,P i,+,能量,ATP（水解）酶,各项需能的生命活动,ATP循环：,通过ATP的合成和水解使放能反应,所释放的能量用于吸能反应的过程。,16,4.2.1 酶降低反应的活化能,酶：,生物催化剂，2000 多种;,非细胞条件下也能发挥作用。,酶催化作用的原因：,降低反应活化能，加速化学反应进行。,4.2 酶,17,酶,-,底物复合物学说：,E+S E-S E+P,酶的活性部位：,球蛋白表面的小凹或沟状部分。其精确结构决定酶的特异性。,酶促反应的作用机制,18,酶促反应的特点：,（1）高效性：,提高速度 10,6,10,12,倍,（2）特异性或专一性,（3）,可调节性,（4）不稳定性,19,4.2.2,多种因素影响酶的活性,多种环境因素影响：,温度；,pH,盐浓度；,非蛋白辅因子：,无机物（铁、铜、镁离子）,有机物（又称辅酶）,抑制剂,20,酶抑制剂：,停止或减慢酶作用。,竞争性抑制剂,、,非竞争性抑制剂,两类,。,竞争性抑制剂：,与底物分子构象相似，竞争酶,活性部位，酶不能与底物结合，降低酶活性。,非竞争性抑制剂：,结构与底物不同，与酶的 其它部位结合，酶分子形状变化，活性部位不再与底物结合，抑制酶活性。,21,抑制剂的作用,可逆,或,不可逆。,竞争性抑制剂的作用可逆；,不可逆抑制剂：与酶分子结合，使之永久,失活，甚至使酶分子受到破坏。,杀虫剂：,有机磷杀虫剂抑制乙酰胆碱脂酶，,抗菌素：,青霉素抑制细菌转肽酶。,22,构象相似,非活性中心结合,23,4.2.3 核酶,核酶：,RNA生物催化剂,种类：,催化分子内反应,RNA的一段在该分子内改换位置，此RNA分子既是底物又是催化剂（即核酶）。,催化分子间反应,催化别的分子反应，RNA核酶分子本身无变化，如催化促进线粒体内DNA复制的反应。,24,4.3 细胞呼吸,4.3.1 细胞呼吸引论,细胞,呼吸,：,细胞在有氧条件下从食物分子,（主要是葡萄糖）中取得能量的过程。,常温进行，能量 贮存ATP中;,有控制的氧化还原作用,25所有细胞都必须通过氧化有机物释放能量，供生命活动之需。,葡萄糖的氧化分解：,C,6,H,12,O,6,+6O,2,6CO,2,+6H,2,O+能,细胞内呼吸作用分为3个阶段：,1）,糖酵解；,2）,柠檬酸循环；,3）,电子传递链,26,“嫦娥二号”发射升空瞬间,27,4.3.2 糖酵解,一系列反应，细胞质中，不需氧。,总反应：,葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD,+,2丙酮酸+2,ATP,+2,NADH,+2H,+,+2H,2,O,底物水平磷酸化：,底物上的高能磷酸键转移到ADP，生成ATP的磷酸化。,28,29,丙酮酸氧化脱羧,丙酮酸 扩散 进入线粒体，继续氧化。,丙酮酸氧化脱羧，与辅酶A结合成活化的,乙酰辅酶A(乙酰CoA),，进入三羧酸循环。,释放1分子CO,2,，生成1分子NADH。,丙酮酸氧化脱羧、柠檬酸循环,在线粒体,基质,中进行。,30,4.3.3,柠檬酸循环,又称,三羧酸循环,或,Krebs循环。,琥珀酸脱氢酶,位于线粒体内膜，其余在线粒体基质中。,1分子葡萄糖在柠檬酸循环中产生4个,CO,2,分子，6个,NADH,分子，2个,FADH,2,分子和2个,ATP,分子。,各种细胞的呼吸作用都有柠檬酸循环；,柠檬酸循环是,最经济,和,最有效率,的氧化系统。,31,32,4.3.4 电子传递链和氧化磷酸化,NADH,、,FADH,2,中的,能,通过,电子传递链,释放并转移到,ATP,中。,电子传递链：,存在于线粒体内膜上的一系列电子传递体。,糖酵解、柠檬酸循环产生的,NADH,和,FADH,2,中的高能电子，沿呼吸链上各电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平顺序传递，最后到达分子,氧,。,33,细胞呼吸中的电子传递链,34,氧化磷酸化：,电子传递过程中高能电子释放的能，通过磷酸化被储存到,ATP,中。这里发生的,磷酸化作用,和,氧化过程,的电子传递紧密相关，称,氧化磷酸化,。,化学渗透学说：,1961,英,Mitchell,提出，,解释氧化磷酸化的作用机制。,35,电子传递体和蛋白质复合体,36,电化学梯度,H,+,H,+,ADP,ATP,化学渗透学说37,呼吸作用产生的ATP统计,1分子葡萄糖经过呼吸作用产生的ATP统计：,糖酵解,底物水平磷酸化,己糖分子活化,产生2 NADH,4ATP （细胞质）,-2ATP （细胞质）,5 或 3ATP（线粒体）,丙酮酸脱羧,2 NADH,5 ATP （线粒体）,三羧酸循环,底物水平磷酸化,产生6 NADH,2 FADH,2,2 ATP （线粒体）,15ATP（线粒体）,3 ATP （线粒体）,总计,32 或 30 ATP,38,糖酵解产生的2分子,NADH,不能在,细胞质,中进行氧化磷酸化，因为：,氧化磷酸化只能在线粒体中通过电子传递链进行；,NADH,不能透过线粒体膜。,实际通过,磷酸甘油环路,或,苹果酸天冬氨酸环路,进行。,39,磷酸甘油环路,NADH,本身不进入线粒体，它的电子由3-磷酸甘油带入线粒体。,3-磷酸甘油穿膜运输2个电子，消耗1分子,ATP,，因此，1个,NADH,实际上只形成,1.5,分子,ATP,。,40,苹果酸天冬氨酸环路,NADH,的电子由苹果酸带入线粒体，苹果酸释放电子成草酰乙酸，草酰乙酸再转变成天冬氨酸穿过线粒体膜进入细胞质；细胞质中天冬氨酸再经草酰乙酸转变成苹果酸，进入下一轮循环。此过程,NADH,的电子运输不耗能，1个,NADH,形成,2.5,分子,ATP,。,41,4.3.5,发酵作用,无氧呼吸：,细菌等利用,无机物代替氧作为最终的电子受体,进行呼吸发酵：,厌氧细菌和酵母菌在无氧条件下获取能量的过程。,（1）酒精发酵：,葡萄糖,经糖酵解成,丙酮酸,，丙酮酸脱羧，放出,CO,2,而成,乙醛,，乙醛接受H,还原成,酒精,。,42,43,（2）乳酸发酵：,某些微生物（乳酸菌）、高等动物（人）,葡萄糖,酵解产生的,丙酮酸,不经过脱羧，直接接受H,还原成,乳酸,。,无氧呼吸的效率远比有氧呼吸低(1/20)，但可作为,O,2,供应不及时的应急措施,。,44,45,4.3.6 各种分子的分解和合成,氨基酸、脂肪酸的氧化，都首先转化为某种,中间代谢物,，再进入,糖酵解,或,柠檬羧酸循环,。,氨基酸氧化：,先脱氨，再进入呼吸代谢途径。,脂肪酸氧化：,转化为乙酰CoA，再进入柠檬酸循环。,甘油：,转变为磷酸甘油醛，进入糖酵解过程。,46,各种分子分解代谢的三个阶段,氧化磷酸化,柠檬酸循环,ADP+Pi,乙酰CoA,CoA,淀 粉,脂 肪,蛋 白 质,葡萄糖,甘油 脂肪酸,氨基酸,第一阶段,第二阶段,第三阶段,2H,CO,2,ATP,O,2,H,2,O,47,能的利用,细胞呼吸作用释放的能用于细胞的各种,生命活动：,(1)细胞生长、分裂时合成物质；,(2)恒温动物维持体温；,(3)细胞主动运输；,(4)动物机械活动；,(5)萤火虫发光、电鳗放电等,*能都由ATP的化学键能转变而来。,48,脂肪酸,脂肪,甘油,蛋白质,氨基酸,49,光合作用,：,绿色自养植物将,光能,转换为有机分子的,化学能,的过程。,光合作用为异养生物提供食物和氧气，是地球上绝大多数生物赖以生存的基础。,4.4 光合作用,50,4.4.1 光合作用引论,1.光合作用的发现,柳树实验：,17世纪van Helmont将2.3 kg的小柳树种在90.8 kg干土中，雨水浇5年后，小柳树重76.7kg，而土仅减少57 g。由此，他认为植物从水中取得所需的物质。,Joseph Priestley（1772）,：密闭容器、小鼠、薄荷；,Jan Ingenhousz（1779）,：植物净化空气依赖光照；,J.Senebier（1782）,：植物照光吸收CO,2,，释放O,2;,N.T.De Saussure（1804）,:水参与光合作用；,j.Sachs（1864）,：光合作用产生葡萄糖。,光,CO,2,+H,2,O (CH,2,O)+O,2,绿色细胞,51,希尔反应：,1937，R.Hill用离体叶绿体培养证明，光合作用放出的O,2,，来自H,2,O。,40年代初，用,18,O,同位素示踪，,更进一步证明光合作用放出的O,2,，来自H,2,O。,光合作用通式：,6CO,2,+12H,2,O,C,6,H,12,O,6,+6H,2,O+6,O,2,52,2.光合作用概述,光合作用是地球上最重要的化学过程，为地球上绝大多数的生物提供食物。,自养生物：,能进行光合作用的生物是自养生物。,异养生物：,依靠光合作用产物生活的生物是异养生物。,光合作用是吸能反应，利用太阳光能把CO,2,转变为糖，并将能量贮存在糖分子内。,53,光合作用分两个阶段：,光反应：,将光能变成化学能并产生氧气。在,叶绿体类囊体膜,中，发生水的光解、O,2,的释放、ATP及NADPH的生成，需要光。,碳反应：,在叶绿体,基质,中，利用光反应形成的ATP和NADPH，将CO,2,还原为,糖,，不需光直接参与，但也必须在光下进行。,54,光反应,碳反应,55,4.4.2 光反应,1.叶绿素对光的吸收,在高等植物中，光合色素位于类囊体膜中。,作用：,吸收日光,。,吸收光谱：,光合色素对不同波长光的吸收率。,吸收高峰在红光区、蓝光区，绿光被大量反射或透射过叶片，故植物叶片显示为绿色。,56,德国科学家,恩吉尔曼（C.Engelmann）实验：,研究光合作用的作用光谱，,水绵，好氧细菌，棱镜，显微镜，,得出在红光区和蓝光区光合作用最强。,57,主要作用的色素是,叶绿素,叶绿素a,、,叶绿素b,，,叶绿体中还有,类胡萝卜素,胡萝卜素、叶黄素,。,直接参与光合作用的色素只有,叶绿素a,；,叶绿素b,和,类胡萝卜素,吸收的光传递给叶绿,素a后才能被光合作用利用，称为,辅助色素,。,色素吸收光的实质是,色素分子中的一个电子得到,光子中的能量，从基态进入激发态，成为激发电子。,58,2.光系统,光系统：,叶绿体中的光合色素有规律地组成的许多特殊的功能单位。,每一系统包含250-400个叶绿素和其他色素分子。,反应中心：,光系统中12个高度特化的叶绿素a分子，在红光区的吸收高峰略远于一般叶绿素a分子。,天线色素：,光系统中作用中心以外的所有各种色素分子。,作用,将吸收的光能传递给作用中心的叶绿素a分子。,59,光子 激发天线叶绿素 共振传递能量 P700、P680,放出高能电子 受体 电子传递链,60,叶绿体中有两种光系统：,PS I：,反应中心叶绿素吸收高峰在700 nm，称P700,PS II：,P680为反应中心。,2个光系统之间有,电子传递链,相连接。,61,3.光合电子传递链,62,两光合作用系统间的协同作用,63,光合磷酸化：,光合作用中，质子穿过类囊体膜上的ATP合成酶复合体上的管道从类囊体腔流向叶绿体基质，同时将能量通过磷酸化而贮存在ATP中，这一磷酸化过程在光合作用过程中发生，称为,光合磷酸化。,64,氧化磷酸化、光合磷酸化,比较,65,光合磷酸化与氧化磷酸化的异同,项 目,相同点,不同点,光合磷酸化,氧化磷酸化,进行,部位,均在膜上进行,类囊体膜,线粒体内膜,ATP,形成,均经ATP合成酶形成,在膜外侧,在膜内侧,电子,传递,均有一系列电子传递体,在光合链上,在呼吸链上,能量,状况,均有能量转换,来自光能的激发，贮藏能量,来自底物的分解，释放能量,H,2,O的关系,均与H,2,O有关,H,2,O的光解,H,2,O的生成,质子泵,均有质子泵参与,PQ穿梭将H,+,泵到膜内,UQ穿梭将H,+,泵到膜外,66,非环式光合磷酸化,PS I,、,PS II 2,个系统参与，伴随水的裂解、,O,2,的释放、,NADPH,的形成、,ATP,的形成等作用过程，电子传递的途径不是环式的，故称为：,非环式光合磷酸化。,67,环式光合磷酸化：,当NADP,+,供应不足时，PS I中P700释放的电子经,可溶性Fd PQ Cytb6-f PC,P700,环式光合磷酸化,不生成NADPH，也不发生水的裂解和O,2,的释放，只是电子在电子传递链上传递时，有一定的质子积累，可形成一定量的ATP。,68,69,4.4.3 碳反应,1.光合碳还原循环,碳反应：叶绿体,基质,中进行；,光反应中生成的,ATP,和,NADPH,在CO,2,的还原中分别被用作能源和还原物质。,RuBP羧化酶,（Rubisco）:,二磷酸核酮糖羧化酶,Calvin循环：,CO,2,固定和还原为糖的全部过程。,生产一个可用于细胞代谢和合成的G3P，需要9个ATP分子和6个NADPH分子参与。,70,3个阶段：,CO,2,固定,氧化还原反应,RuBP的再生,71,卡尔文循环的总变化：,3分子CO,2,消耗6分子NADPH和9分子ATP，形成一分子G3P。,其中NADPH、ATP来源于光反应，因此必须有光反应才能进行碳反应。而碳反应后产生的NADP,+,及ADP又回到类囊体，再次用于进行光反应。,72,2.C4植物和光呼吸,C3途径和C3植物：,CO,2,固定的第一个产物是三碳的3-磷酸甘油酸，因而称C3途径。具有这一CO,2,固定途径的植物称为C3植物。,干旱炎热时关闭气孔，减少水分蒸发，但同时CO,2,不能进入叶片，O,2,不能逸出,CO,2,分压低、O,2,分压高,73,光呼吸,光呼吸：,植物在光照下、在光合作用的同时发生的吸收O,2,、释放CO,2,的呼吸。,过程：,CO,2,分压低、O,2,分压高时，RuBP与O,2,结合而发生。,来自叶绿体的,乙醇酸,在,过氧化物酶体,中氧化。,74,吸收O,2,放出CO,2,；,光照下，CO,2,低，,O,2,浓度增高时进行;,分解有机物，不产,生ATP或NADPH。,75,C4途径和C4植物：,CO,2,固定的第一个产物是四碳的草酰乙酸，因而称C4途径。具有这一CO,2,固定途径的植物称为C4植物。,C3和C4叶结构的不同。,C 3,C 4,76,CO,2,磷酸烯醇式丙酮酸,草酰乙酸,苹果酸,丙酮酸,CO,2,C 3,C 4,77,景天酸途径（,CAM,途径）,在仙人掌科、凤梨科等植物中进行。,生长在干旱地区，气孔白天关闭，夜间张开。,78,(1)夜间固定CO,2,，产生苹果酸，贮藏于液泡中。,(2)白天有机酸脱羧，参加卡尔文循环。,79,4.4.4 环境因素影响光合作用,内部因素对光合作用的影响,不同叶龄,叶绿素含量和,RuBP,羧化酶活性不同,光合能力不同,.,影响光合作用最大的环境因素有,3,种：,光强度、温度、,CO,2,浓度,80,（1）,光：,能量来源；,调节气孔，,控制CO,2,供应,光饱和点：,光合速率达到最大值的最低光照强度。,81,82,（2）温度,一定范围内，随温度增高光合作用增强，温度过高，光合速率下降。,低温：酶钝化 叶绿体结构破坏,高温：酶失活 叶绿体结构破坏 蒸腾失水多,气孔开度小 CO,2,吸收少,最高温度：4050,三基点 最适温度：2535,最低温度：57,83,（3）二氧化碳光合作用的原料,CO,2,饱和点：植物的光合速率随着CO,2,浓度增高而增高，但达到一定浓度后，再增高CO,2,浓度，光合速率不再增加，此时的CO,2,浓度称为CO,2,饱和点。,与光强度对光合作用的影响类似。,84,85,（4）水分：光合作用的原料,缺水光合速率降低,气孔开度减小，CO,2,供应减少；,叶片生长缓慢，光合面积减少；,光合产物运输受阻，反馈抑制增强。,86,（5）矿质元素：,N、Mg-叶绿素组成,P、Cu、Fe-磷酸化（NADP、ATP）,K、Mg-激活剂,K-气孔调节,Fe、Cu、Zn、Mn-叶绿素合成,Cl、Mn-水光解（活化剂）,87,Thanks!,普通生物学 细胞和生物大分子 细胞代谢,88,