现代生物学导论-03-能量与代谢.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,*,生命活动中的能量与代谢,1、生物体与环境的物质、能量交换,能量的来源,物质的来源,2、细胞内物质和能量的转化,物质/能量的载体,合成代谢与分解代谢,细胞“燃烧”能源物质的基本过程：,代谢：英文metabolism,物质的转化：无机物与有机物间，有机物之间，小分子与大分子间,光合作用、光反应、暗反应、固氮作用、呼吸作用,糖酵解、发酵、三羧酸循化、氧化磷酸化,你知道这些名词的含义吗？,从能量与代谢的观点来看生命活动,环境,（能量：化学能光能,物质：碳源氮源）,生物体,化学能（高能磷酸键、高能电子）,自身物质,代谢废物,运动、能量耗散,代谢：化学反应的总称,酶,催化,化学能：,放能反应,热力学第一定律：总能量守恒,第二定律：自发过程朝总自由能降低的方向进行,氧化还原反应与能量,2H,+,+2e,-,H,2,-0.42,NAD,+,+2H,+,+2e,-,NADH+H,+,-0.32,S+2H,+,+2e,-,H,2,S,-0.274,SO,4,-2,+8H,+,+8e,-,H,2,S,-0.22,pyruvate+2H,+,+2e,-,lactate,-0.185,FAD+2H,+,+2e,-,FADH+H,+,-0.18,cytochrome b(Fe,3+,)+e,-,cytochrome b(Fe,+2,),0.075,ubiquinone+2H,+,+2e,-,ubiquinone H2,0.10,cytochrome c(Fe,+3,)+e,-,cytochrome c(Fe,+2,),0.254,NO,3,-,+2H,+,+2e,-,NO,2,-,+H,2,O,0.421,NO,2,-,+8H,+,+6e,-,NH,4,0.44,Fe,+3,+e,-,Fe,+2,0.771,O,2,+4H,+,+4e,-,2H,2,O,0.815,电子受体,氧化还原电位,电子从低氧化还原电位的物质传递到高电位的物质时，放出能量,反之，将电子从高氧化还原电位的物质传递到低电位的物质时，需要吸收能量。,生物体与环境的物质与能量交换,依赖光能,依赖化学能,电子供体,电子受体,电子供体,电子受体,（被氧化）,e,（被还原）,（如H2O）,（如CO2，NAD+）,光照,光照,ADP+Pi,ATP,e,+能量,化学能异养生物：Lithotrophic Bacteria吃岩石的细菌,Nitrifying Bacteria：,NH,3,+1 1/2 O,2,HNO,2,+H,2,O,不需要太阳能的深海生态系统,深海火山口,Black smoker,Giant tube worm,Symbiotic bacteria,physiological group,energy source,oxidized end product,organism,hydrogen bacteria,H2,H2O,Alcaligenes,Pseudomonas,methanogens,H2,H2O,Methanobacterium,carboxydobacteria,CO,CO2,Rhodospirillum,Azotobacter,nitrifying bacteria*,NH3,NO2,Nitrosomonas,nitrifying bacteria*,NO2,NO3,Nitrobacter,sulfur oxidizers,H2S or S,SO4,Thiobacillus,Sulfolobus,iron bacteria,Fe+,Fe+,Gallionella,Thiobacillu,部分微生物所利用的能源物质,细胞内物质和能量的转化,物质,小分子,生物大分子,合成代谢,分解代谢,能量,需氧生物与厌氧生物,产能反应是否以氧为最终电子受体,需氧生物,强迫性需氧,Obligate aerobes,条件性需氧,Facultative anaerobes,厌氧生物,强迫性厌氧,electron acceptor,reduced end product,name of process,organism,O2,H2O,aerobic respiration,Escherichia,Streptomyces,NO3,NO2,NH3 or N2,denitrification,Bacillus,Pseudomonas,SO4,S or H2S,sulfate reduction,Desulfovibrio,fumarate,succinate,anaerobic respiration,Escherichia,CO2,CH4,methanogenesis,Methanococcus,有的微生物在其细胞呼吸中不以氧为最终电子受体,光能自养生物：太阳能转化为化学能（通过还原碳）,化学能异养生物：通过氧化含碳化合物获得能量,氧循环、碳循环与能量转化,NADH作为通用的电子/能量载体,以高能磷酸键形势储存能量,分解代谢,合成代谢,合成分解代谢：共同的中间分子，作为物质能量的载体,辅酶A,丙酮酸,乙酰辅酶A,（CH3COCOOH）,分解代谢的总体框架,第一步：大分子水解为单体,蛋白质,20种氨基酸,多糖,单糖,脂类,甘油和脂肪酸,分解代谢：,第二步：单体化解为更简单的代谢中间物,氨基酸,脱氨,Alpha-酮酸，进入三羧酸循环或生成丙酮酸或乙酰辅酶A,葡萄糖,丙酮酸,甘油,丙酮酸,脂肪酸,乙酰辅酶A,丙酮酸转化为乙酰辅酶A,第三步：乙酰辅酶A的燃烧,葡萄糖的利用:糖酵解途径,发生在细胞质中的9步反应。,参与化合物：葡萄糖，ADP和磷酸，NAD+。起始阶段还需要消耗2分子ATP 来启动。,糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个三碳的丙酮酸，2 H2O,净产生2个ATP，生成2分子NADH，糖酵解不需要氧参与。,能量物质的燃烧：有氧呼吸与无氧呼吸（发酵）,有氧途径：NADH以氧作为电子的受体被氧化,发酵途径：NADH以有机代谢中间物作为电子受体被氧化,发酵途径的通式,乙醇发酵,能量物质的燃烧：有氧呼吸与无氧呼吸（发酵）,有氧途径：NADH以氧作为电子的受体被氧化,发酵途径：NADH以有机代谢中间物作为电子受体被氧化,有氧呼吸的总体框架,发生在线粒体中。,分解丙酮酸形成2分子CO2、8个H，3分子NADH和1分子FADH2，及1分子ATP。,Krebs循环也是放能反应过程,Krebs,循环 三羧酸循环（,TCA),柠檬酸循环,有氧途径,三羧酸循环特点,1)乙酰辅酶A参于,2）丙酮酸脱羧产生1分子NADH,3)2次脱羧,产生2个C0,2,4）3次NAD,+,1次FAD,+,还原，产生3,分子NADH，1分子FADH,5）伴有一次底物磷酸化，产生1,分子ATP,6)反应在线粒体基质中进行,丙酮酸脱氢酶复合物,NADH载有的能量如何被转化为ATP？,电子传递链与氧化磷酸化,1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。,化学渗透学说,当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的,H,+,质子便穿过膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（,ATP,合成酶）而返回到线粒体的基质中，所释放的能使,ADP,与磷酸结合生成,ATP,。,电子传递链：高能电子从NADH 和FADH2最终传递给分子氧，同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径贮存到ATP分子中，,每分子NADH产生3分子ATP,质子梯度驱动ATP的合成。ATP合成酶由暴露在线粒体基质中的F1单元、与膜结合的Fo单元组成,F1的三维空间结构。它由三个alpha、三个beta、一个gamma亚基构成,F1催化ATP合成的模型,由F1单元组成的分子马达：实验观察到ATP水解与gamma亚基旋转的耦合,ATP水解与gamma亚基旋转的耦合,F1单向旋转的模型,Fo与F1间的耦合（模型）,质子跨膜运动推动Fo的a亚基绕C12的转动,细胞“燃烧”一分子葡萄糖产生多少ATP？,葡萄糖中大约,40-50%,的能量被转化储存在,ATP,中，而汽车发动机只有,15-25%,转化为动能，细胞呼吸的产能效率高。,呼吸作用受到的调控：反馈调控,激素-CAMP-,外部信号的调控作用,双功能酶,Cause of Pompe disease.,Pompe disease is caused by a complete or partial deficiency of the lysosomal enzyme,alpha-glucosidase.This enzyme is necessary to break down glycogen and to convert it into glucose.Without this enzyme,glycogen,a thick sticky substance,accumulates in the lysosomes(sacs within the muscle cells)and leads to severe muscle degradation.It predominately affects the heart,skeletal,and respiratory muscles of the patient.,代谢失调与疾病,例：,糖元,葡萄糖,Galactosemia is an inherited disorder。It occurs at a rate of approximately 1 out of 60,000 births.There are 3 forms of the disease-galactose-1 phosphate uridyl transferase deficiency(classic galactosemia)and deficiency of galactose kinase or galactose-6-phosphate epimerase.Of these,the galactose-1-phosphate transferase deficiency is the most severe(and more common).,People with galactosemia are unable to fully metabolize the simple sugar galactose.Galactose makes up half of the sugar,called lactose,that is found in milk.Lactose is called a disaccharide(di meaning 2 and saccharide meaning sugar)since lactose is made up of two sugars,galactose and glucose,bound together.,Galatosemia,半乳糖,MSUD is a metabolic disorder which affects the metabolism of the branched chain amino acids(BCAAs)leucine,isoleucine,and valine.The BCAAs are essential amino acids and must be obtained from dietary protein.When more protein is consumed than is needed for growth,the branched chain amino acids are degraded to generate energy.Breakdown of these amino acids involves a series of chemical reactions mediated by an enzyme system consisting of 6 components,each manufactured under the direction of a different gene.In MSUD,one or several of these genes is mutated,resulting in an inefficient enzyme complex and affecting the conversion of BCAAs to energy.The affected enzyme(,branched chain keto-acid dehydrogenase complex,)normally catalyzes the second step of the degradation,a step which is shared by all three BCAAs.Because the degradation cannot proceed in MSUD,metabolites accumulate to toxic levels and cause illness.The urine of affected children has a sweet odor resembling maple syrup(thus the name,maple syrup urine disease).In other parts of the world the sweet odor may be described as burnt sugar or Indian spice-like.The odor is from a derivative of isoleucine.,支链氨基酸,支链酮酸,ATP的产生,1、底物水平磷酸化,2.氧化磷酸化,经过电子传递系统，NADH,被氧化，ATP被合成,ATP的产生,ATP的产生,3.光合磷酸化,光合作用:生物圈的第一生产力,能量捕获,CO2固定,O2释放,植物和光能自养微生物能进行光合作用,Cross section of a leaf,基质,类囊体,基粒,叶绿体的结构,叶绿素 chlorophyll,a,b,胡萝卜素 carotenoids,藻胆素 phycobilins,光合作用的色素,叶绿素,叶绿素分子由碳和氮原子组成 卟啉环与叶醇侧链相连结 叶醇侧链插入到类囊体膜中,叶绿素的分子结构及吸收光谱,1883年，德国 Engelmann,水绵 丝状绿藻 螺旋带状叶绿体 好氧游动的细菌,棱镜 不同波长的光,向着红光和蓝光区域聚集,6.4光系统与光反应,光反应,发生在类囊体膜上,暗反应,发生在叶绿体的基质中,光系统,由叶绿素分子及其蛋白复合物、天线色素系统和电子受体等组成的单位称为光系统。,光反应由两个光系统及电子传递链来完成。,光能的捕获,紫细菌捕光蛋白(LH)与光合反应中心(RC),圆柱体：蛋白质二级结构,方块：色素分子,RC,光反应,水的分解（O2释放，NADPH生成）,ATP合成,光子照射到某些生物分子 电子跃迁到更高的能量水平 激发态：,叶绿素分子是一种可以被可见光激发的色素分子，在光子驱动下发生的得失电子反应是光合作用过程中最基本的反应。,光合磷酸化,光合磷酸化指叶绿体在光作用下催化ADP+磷酸生成 ATP的过程,光系统类型,光合作用的原初过程,chl*+A chl,+,+A,-,A被还原,chl被氧化,chl,-+,+D chl+D,+,D+A D,+,+A,-,光引起氧化还原反应,产生电荷分离,人造光反应中心?,C,+,-P,A,-P,B,-Q,A,-Q,B,-,光诱导:,光反应的调节,光活化的叶绿素分子可能变成具有强烈反应活性氧化自由基。,类胡萝卜素可以将其“淬灭”,其他色素分子也可以有淬灭作用。,受到酶的调节。,暗反应：CO2固定,三分子二磷酸,核酮糖,(,15 C,),-六分子 三磷酸甘油醛(total of,18 C,),1分子产物,5分子再生为二磷酸核酮糖,3 CO,2,+9 ATP+6 NADPH,glyceraldehyde-3-phosphate+9 ADP+8 P,i,+6 NADP,+,开尔文循环,1：碳的固定,2：磷酸甘油酸的还原,3：二磷酸核酮糖的再生,催化CO2固定的酶：RUBISCO,光呼吸作用,CO2浓度增加通常能加强光合作用.,在CO2浓度较低的情况下：,RUBISCO具有氧化酶的活性，光呼吸作用,The uptake of O,2,by RUBISCO forms:,the 3-carbon molecule 3-phosphoglyceric acid just as in the Calvin cycle,the 2-carbon molecule,glycolate,.,-CO,2,凡是在叶肉细胞中,通过卡尔文循环,将二氧化碳固定,生成富含能量的三碳化合物,甘油醛 3-磷酸(G3P)的植物,被称为C,3,植物大豆,燕麦,小麦,水稻,C4植物,PEP carboxylase,which has a stronger affinity for carbon dioxide than does RuBP carboxylase,CO2被浓缩,RUBISCO在高CO2,低O2分压的环境中催化。,。,At night,CAM plants take in CO,2,through their open stomata,（气孔）,The CO,2,joins with PEP to form the,4,-carbon,oxaloacetic,acid,（,草酰乙酸）,This is converted to,4,-carbon,malic,acid,（,苹果酸）,that accumulates during the night in the central vacuole of the cells.,In the morning,the stomata close(thus conserving moisture as well as reducing the inward diffusion of oxygen).,The accumulated,malic,acid leaves the vacuole,（液泡）,and is broken down to release CO,2,.,The CO,2,is taken up into the Calvin(C,3,)cycle.,2.CAM植物：C4 与C3循环在时间上分开,必须先被转化为氨(NH4)or 硝酸盐(NO3).,固氮菌：将氮气转化为氨,氮的固定,大气中氮气含量：79%,但绝大多数生物不能利用它为氮源。,氮循环,固氮反应：,N,2,+8H+8e,-,+16 ATP=2NH,3,+H,2,+16ADP+16 Pi,prokaryotes(the bacteria and related organisms),using an enzyme complex termed,nitrogenase,.This enzyme consists of two proteins-an iron protein and a molybdenum-iron protein,as shown below.,nitrogenase,根瘤菌与固氮酶,Type of fixation,N,2,fixed(10,12,g per year,or 10,6,metric tons per year),Non-biological,Industrial,about 50,Combustion,about 20,Lightning,about 10,Total,about 80,Biological,Agricultural land,about 90,Forest and non-agricultural land,about 50,Sea,about 35,Total,about 175,富营养化带来的生态问题,氮循环与富营养化,农业发展导致固氮量增加。,去硝化细菌增长赶不上固氮的增长。,有机化的氮增加。,水体富营养化。,SO,4,-2,+2 ATP+2 NADPH+H,+,+serine+acetyl-CoA,cysteine+AMP+ADP+3 P,i,+NADP,+,硫循环,作业（,书面完成，写上姓名、学号交刘兢老师,）,根据你自己对讲课内容的理解，用文字方式简明扼要地综述以下内容：,（1）主要生物大分子类型、化学结构、功能？,（2）细胞如何将氧化葡萄糖以获得能量？,（3）光合作用,总结,1、生命的化学组成,碳骨架与官能团，水溶液环境的作用，,单体、缩合反应,糖苷键、磷酸二酯键、肽键,双分子层、双螺旋、蛋白质的二级结构、空间结构,2、能量转化与物质代谢,光能与化学能、自养与异养、需氧与厌氧、合成代谢与分解代谢,ATP与NADH，糖酵解、丙酮酸与乙酰辅酶A、三羧酸循环、,有氧呼吸与发酵,呼吸作用、化学渗透假说与分子马达,光合作用光反应、暗反应、开尔文循环,RUBISCO与光呼吸、C3、C4、CAM植物,3、氮循环与富营养化,