江西省德兴市高中生物 细胞与生物大分子 4 细胞代谢课件.ppt

1 普通生物学 细胞和生物大分子 细胞代谢 第四章细胞代谢 2 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 3 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 4 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 5 4 1能与细胞4 1 1能是作功的本领 4 1 2热力学定律4 1 3吸能反应 放能反应4 1 4atp是细胞中的能量通货 4 1 1能是作功的本领生物体内作的功多种多样 肌肉收缩 生物体运动 物质流动 细胞内物质合成等 作功都要消耗能量 没有能 生物就不可能存活 6 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 13 光合作用生物界最重要的吸能反应 反应物 低能量的co2 h2o 产物 高能量的糖 能量来源 太阳光 光能 14 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 15 4 1 4atp是细胞中的能量通货 atp的结构 16 atp是各种活细胞内的一种高能磷酸化合物 atp的结构简式 17 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 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 18 4 2酶 19 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 酶促反应的特点 1 高效性 提高速度106 1012倍 2 特异性或专一性 3 可调节性 4 不稳定性 20 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 21 22 辅酶传递辅酶i nad h原子 电子 辅酶ii nadp h原子 电子 黄素单核苷酸 fmn h原子 电子 黄素腺嘌呤二核苷酸 fad h原子 电子 辅酶q coq h原子 电子 辅酶a coa 酰基生物素 biotin 羧基 23 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 24 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 25 26 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 27 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 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 c6h12o6 6o26co2 6h2o 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 28 29 嫦娥二号 发射升空瞬间 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 2atp 2nadh 2h 2h2o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 30 31 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co2 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 32 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co2分子 6个nadh分子 2个fadh2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 33 34 4 3 4电子传递链和氧化磷酸化nadh fadh2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fadh2中的高能电子 沿着呼吸链上各电子传递体的氧化还原反应而从高能水平向低能水平顺序传递 最后到达分子氧 35 36 细胞呼吸中的电子传递链 37 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 38 电子传递体和蛋白质复合体 39 化学渗透学说 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 40 41 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 42 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 43 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 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co2而成乙醛 乙醛接受h 还原成酒精 44 45 46 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o2供应不及时的应急措施 47 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 48 49 50 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 51 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 52 4 4光合作用 4 4 1光合作用引论1 光合作用的发现柳树实验 17世纪vanhelmont将2 3kg的小柳树种在90 8kg干土中 雨水浇5年后 小柳树重76 7kg 而土仅减少57g 由此 他认为植物从水中取得所需的物质 josephpriestley 1772 密闭容器 小鼠 薄荷 janingenhousz 1779 植物净化空气依赖光照 j senebier 1782 植物照光吸收co2 释放o2 n t desaussure 1804 水参与光合作用 j sachs 1864 光合作用产生葡萄糖 光6co2 6h2oc6h12o6 6o2绿色细胞 53 希尔反应 1937 r hill用离体叶绿体培养证明 光合作用放出的o2 来自h2o 40年代初 用18o同位素示踪 更进一步证明光合作用放出的o2 来自h2o 光合作用通式 6co2 12h2oc6h12o6 6h2o 6o2 54 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co2转变为糖 并将能量贮存在糖分子内 55 56 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 o2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co2还原为糖 不需光直接参与 但也必须在光下进行 57 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 58 59 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 60 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 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1 2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 61 62 63 叶绿体中有两种光系统 psi 反应中心叶绿素吸收高峰在700nm 称p700psii p680为反应中心 2个光系统之间有电子传递链相连接 64 3 光合电子传递链 65 两光合作用系统间的协同作用 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 66 67 氧化磷酸化 光合磷酸化比较 68 光合磷酸化与氧化磷酸化的异同 69 非环式光合磷酸化psi psii2个系统参与 伴随水的裂解 o2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 70 71 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co2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 co2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 72 73 3个阶段 co2固定 氧化还原反应 rubp的再生 2 c4植物和光呼吸c3途径和c3植物 co2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co2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co2不能进入叶片 o2不能逸出co2分压低 o2分压高 74 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o2 释放co2的呼吸 过程 co2分压低 o2分压高时 rubp与o2结合而发生 来自叶绿体的乙醇酸在过氧化物酶体中氧化 75 76 吸收o2放出co2 光照下 co2低 o2浓度增高时进行 分解有机物 不产生atp或nadph 77 c4途径和c4植物 co2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co2固定途径的植物称为c4植物 c3和c4叶结构的不同 c3 c4 78 co2 co2 c3 c4 79 景天酸途径 cam途径 在仙人掌科