初中教育生命科学四章

1、 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 生物体的能量 热力学定律 细胞的能量通货ATP 酶促反应 影响酶活性的因素 生物代谢 牛牛文库文档分享 n生物体的能量 生命的存在要靠能量,生物本身不 能创造新的能量。几乎所有地球 生命所需要的能量都来自太阳。 自养生物与异养生物。 生态系统中能量的流动是由多样 化的生命过程完成的。 牛牛文库文档分享 n热力学定律 热力学第一定律即能量守恒定 律。 宇宙的能量是一个常数，能量 可以不断被转化和转移，但不 可能被创造，也不可能被消灭。 牛牛文库文档分享 热力学将不能做功的随机和无 序状态的能定义为熵，以S表 示。 宇宙或系统的各种过程总是向 着熵增大的方向进

2、行。 牛牛文库文档分享 热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示。 在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那一部分能 量为自由能，以G表示。 当熵增加时，系统的自由能便会下降，因此有： DG = DH-TDS (T为绝对温度) 生命依靠能量的不断输入一直在与热力学第二定律作抗争。 牛牛文库文档分享 物理和化学过程达到平衡时， 即达到系统的自由能最小而 熵最大。 牛牛文库文档分享 在一个反应中，如果产物比反应物含有更少的自由能，这个反 应便趋向于自发地进行。 自发反应可释放自由能，称为放能反应。 需从外界输入自由能才能进行的反应称为吸能反应。 牛牛文库文档分享 n细胞的能量通货ATP 在活细胞中

3、，能量贮存在腺嘌 呤核苷三磷酸(ATP)中。 ATP ATP水解时，一个高能磷酸键断 裂同时释放出能量。 牛牛文库文档分享 ATP作为细胞能量的通货是如何工作的？ 放能反应和ATP 的合成相偶联， 吸能反应和ATP 的分解相偶联。 牛牛文库文档分享 发光细胞有荧光素酶（E-LH）， 酶促反应使ATP与E-LH先偶联，偶联 的高能中间产物ELH2-AMP在氧气存 在时可释放出能量，并以荧光的形式 发射出来： ATP+E-LH ATP+E-LH E E LHLH2 2-AMP + P-AMP + Pi i E E LHLH2 2-AMP+O-AMP+O2 2 E-P+CO E-P+CO2 2+ +

4、h h 仲夏的夜晚萤火虫如何利用ATP来发光？ 牛牛文库文档分享 n酶促反应 热力学原理只能帮助我们预测一个反应能否发生，却 不能告诉我们反应的速度有多快。 酶是细胞产生的可调节化学反应速度的催化剂。 绝大多数的酶都是蛋白质。 酶在常温、常压、中性pH的温和条件下具有很高的催 化效率。 牛牛文库文档分享 化学键 能障 活化能 酶可以降低活化一个反应所需要的能量 牛牛文库文档分享 酶 + 底物 酶-底物复合物 酶酶 + + 产物产物 E + S E + S E-S E + PE + P 酶与底物结合降低反应的活化能 牛牛文库文档分享 特殊的三维空间结构和构象 酶的活性位点或酶的活性中心 钥匙和锁

5、 诱导契合 酶的活性位点“柔性学说” 酶的特异性（专一性） 牛牛文库文档分享 n影响酶活性的因素 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 无机金属离子辅助因子 有机化合物辅酶递H+或递电子 NADP+和FAD 的递H+和递 电子作用 牛牛文库文档分享 可逆与不可逆抑制剂 竞争性与非竞争性抑制剂 牛牛文库文档分享 酶促反应在细胞中往往不是独 立发生的。 在代谢过程中局部反应对催化 该反应的酶所起的抑制作用， 称为反馈抑制。 细胞自行调节其代谢的一种机 制。 维持细胞稳态的重要机制。 牛牛文库文档分享 n生物代谢 在极其微小的空间内发生着数千种生物化学反应。 代谢是生物体内所有化学反应过程的总称。 代

6、谢酶控制下的化学反应和能量转化。 细胞不是一个装满了各种酶和底物的口袋。 细胞复杂的结构特别是膜的结构固定了各代谢反应的空间 和时间，使它们高度有序并可以被控制和调节。 牛牛文库文档分享 细胞利用能量（ATP）完成各种工作。 牛牛文库文档分享 代谢途径就像复杂道路交通图。 牛牛文库文档分享 1853年，法国科学家Tour正在发酵的啤酒含有酵母菌。 同年，德国科学家Schwann酵母菌在酒发酵中的关键作用。 n 巴斯德（Pasteur）与生物发酵 科学界的排斥 o 现代化学之父Lavoiser坚持发酵只是 一种简单的化学反应，即： C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 o Liebig的

7、嘲笑 不公正地解雇。 1854年 “巴斯德消毒法”。酵母菌的 大量繁殖实验酵母菌的代谢活动是 发酵的最重要因素。 细胞体外的发酵也必须要有酶的参与。 牛牛文库文档分享 细胞呼吸产生能量 细胞呼吸的化学过程 ATP形成机理和能量形成的统计 其它营养物质的转化 牛牛文库文档分享 n 细胞呼吸产生能量 细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢 途径。 细胞呼吸是一种氧化反应。 有机化合物有机化合物+O+O2 2COCO2 2+ +能量能量 “燃料”包括糖类、脂肪、蛋白质等。 C C6 6H H12 12O O6 6+6O +6O2 26CO6CO2 2+6H+6H2 2O+O+能量（能量（ATP+ATP+

8、热量）热量） 细胞呼吸主要在线粒体中进行，温和条 件和酶的参与调控。 牛牛文库文档分享 在有氧环境中，酵母细胞消耗氧气来 分解葡萄糖并获得能量，同时产生二 氧化碳。 在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分解 成酒精（乙醇）和二氧化碳。 在有氧环境中，食物分子被充分氧化， 可产生比无氧环境更多的能量。 发酵是典型的细胞呼吸过程 牛牛文库文档分享 慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，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。 人体细胞的呼吸过程 牛牛文库文档分享 细胞呼吸定义为生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得 能量的过程。 通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是相互关联的。 呼吸

9、运动与细胞呼吸 牛牛文库文档分享 获得电子还原反应；失去电子氧化反应。 氧化还原反应细胞中氢及其电子从一个化合物向另一 个化合物转移。 氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢中最基本的反 应。 牛牛文库文档分享 被转移的氢原子所携带的能量储藏在新化学键中。 还原态的NADH、NADPH和FADH2等还可将所接受的电子和 氢传递给其他传递体如细胞色素、辅酶Q等。 牛牛文库文档分享 储藏在葡萄糖等食物分子中的化 学能经细胞呼吸释放，以高能磷 酸键的形式贮藏在ATP分子中。 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。 牛牛

10、文库文档分享 在生物体中，ATP不断地消耗和再生，维持着生命的高度有 序状态。 动物细胞呼吸的“燃料”。 ATPATP和和ADPADP分子的相互转换分子的相互转换 牛牛文库文档分享 一个人每天大约需要消耗45 Kg ATP，但每一时刻贮存在 人体里的ATP不到1g。即每个细胞每秒钟大约可形成一千 万个ATP， 每摩尔ATP 水解形成ADP，可产生7.3 Kcal/mol 的能量。 一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的ATP， 可提供大约2200 Kcal的能量。 牛牛文库文档分享 n 细胞呼吸的化学过程 细胞呼吸是由一系列化学反 应组成的一个连续完整的代 谢过程。 每一步化学反应都需

11、要特定 的酶参与才能完成。 细胞呼吸的3个阶段。 牛牛文库文档分享 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，但后期共产出4分子ATP，还形成 高能化合物NADH。最终产物是丙酮酸。 糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个三碳的 丙酮酸，净产生2个ATP，生成1分子NADH， 糖酵解不需要氧参与。 牛牛文库文档分享 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。 牛牛文库文档分享 电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从

12、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。 牛牛文库文档分享 电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合 物，这些复合物包含了一系列的电子传递体。 牛牛文库文档分享 n ATP形成机理和能量形成的统计 在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转 移到ADP分子上。 牛牛文库文档分享 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。 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

13、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。 牛牛文库文档分享 糖酵解：底物水平的磷酸 化产生4个ATP，己糖活化 消耗2个ATP，脱氢反应产 生2个NADH，经电子传递 链生成4或6个ATP。 Krebs循环：底物水平的 磷酸化产生2个ATP，脱氢 反应产生8个NADH和2个 FADH2，8个NADH经电子传 递链生成24个ATP，2个 FADH2经电子传递链生成4 个ATP。 牛牛文库文档分享 在呼吸链电子传递过程中，每分子NADH产生3分子ATP， 每分子FAD

14、H2产生2分子ATP，1分子葡萄糖通过有氧呼吸共形 成36或38个ATP。整个有氧呼吸过程净产生36还是38个ATP取 决于糖酵解阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜进入呼 吸链时是否消耗能量，按甘油磷酸环路穿过线粒体膜需要消 耗2分子ATP，按苹果酸-天冬氨酸环路则不需要消耗ATP。 牛牛文库文档分享 n 其他营养物质的氧化 生物大分子需要经过消 化作用生成单体小分子 的葡萄糖、氨基酸或脂 肪酸等。 消化作用常常发生在细 胞外，而不是在细胞质 内，它是一种在酶作用 下的水解过程。 牛牛文库文档分享 氨基酸与脂肪酸的氧 化是先转变为某种中 间产物，然后进入糖 酵解或三羧酸循环。 氨基酸脱氨

15、变成三羧 酸循环中的有机酸。 脂肪酸可以与辅酶A结 合后氧化生成乙酰辅 酶A而进入三羧酸循环。 甘油则可以转变为磷 酸甘油醛进入糖酵解 过程。 牛牛文库文档分享 食物分子的氧化分解 即细胞呼吸过程捕获 能量； 食物分子的分解又为 生物大分子的合成和 细胞、组织和生物体 的组成提供原料。 牛牛文库文档分享 光合作用的早期研究化学过程 光合自养生物是生物圈的生产者 光的性质与叶绿素 光系统与光反应 暗反应与葡萄糖的形成 牛牛文库文档分享 n 光合作用的早期研究 1642年 比利时科学家 Helmont 1770年英国牧师 Priestley 大玻璃罩 老鼠 蜡烛 显微镜 气孔 牛牛文库文档分享 氧

16、气的来源 1930年，Stanford大学 Niel 细菌光合作用： CO2 + H2S CH2O + S CO2 + H2O CH2O + O2 植物的光合作用表达式 牛牛文库文档分享 10年后 同位素示踪 CO2 + H218O CH2O + 18O2 证明：在光合作用中，不是CO2而是H2O被光解放出了O2。 牛牛文库文档分享 n 光合自养生物是生物圈的生产者 光合自养生物 植 物利用太阳能制造食 物分子供自我代谢需 要，原料CO2和H2O， 为其它的生命直接或 间接地提供了食物， 是生物圈的生产者； 光合自养生物主要 种类 陆生植物 藻类 光合细菌 食肉动物 食草动物 牛牛文库文档分享

17、 叶绿体和光合膜 叶片 叶绿体 分布于叶肉组织 气孔控制着CO2 和O2进出 叶绿体的形状类似于一个凸透镜，直径范围为2-7 m。叶绿体 外包被是双层生物膜，膜内含有称为基质的致密液体，悬浮分布于 基质中的是一些膜系统，它们是一系列排列整齐的扁平囊状结构称 之为类囊体。部分类囊体相互垛叠在一起像一摞硬币，称为基粒。 牛牛文库文档分享 光合膜 是植物利用光 能制造食物分子最 重要的场所。 牛牛文库文档分享 n光的性质与叶绿素 光是一种电磁波 粒子性质 光子的能量与其波长成反比， 紫光波长最短，能量最大；红光波长较长，能量小。日光经过棱 镜折射，形成连续不同波长的光，即可见光谱。 光的性质 牛牛文

18、库文档分享 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。 牛牛文库文档分享 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。 光合作用的色素 主要包括叶绿素a， 叶绿素b，胡萝卜素， 藻胆素等。 叶绿素a启动光 反应。 牛牛文库文档分享 问题:为什么植物都是绿色绿色的？ 牛牛文库文档分享 不同波长光作用下的光合效率称为作用光谱 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

19、光 向着红光和蓝 光区域聚集。 牛牛文库文档分享 分光光度计 牛牛文库文档分享 n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 牛牛文库文档分享 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。 含有被称为“P700”的高度特化的叶绿素a分子 含有另一种被称为“P680”高度特化的叶绿素a分 子 叶绿素b 胡萝卜素 天线色素复合物吸收或捕获太阳能传递给 P700和P680 反应中心叶绿素分子被激发 放出高能电子 牛牛文库文档分享 光系统I中 P700被光能激发 原初电子受体 传给铁氧还蛋 白 最终

20、电子受体NADP+ 一个氢质子被结合形成还原型的NADPH 形成电子空穴 光系统II的反应中心P680分子受光激发 电子传递链 原初电 子受体质体醌、细胞色素b6-f复合物和质体蓝素到P700 填充了 P700的电子空穴 电子传递时能量逐渐下降 形成跨膜的质子梯度 导致ATP的 形成 在光系统II中被激发后失去电子的P680分子如何再生？ 水裂解 填补空穴 氧气释放 提供氢质子用以形成NADPH. 光能传递和电子传递链 牛牛文库文档分享 非环路的光合磷酸化途径和电子传递链 牛牛文库文档分享 环路光合磷酸化 环路 高能电子 原初电子受体、铁氧还蛋白、细胞色素、 质体蓝素 氧化型的P700分子 基

21、态 电子的能量逐渐降低 ATP 牛牛文库文档分享 光反应小结： 1.叶绿素吸收光能并将光能转化为电能，即造成从叶绿素分子 起始的电子流动。 2.在电子流动过程中，通过氢离子的化学渗透，形成了ATP， 电能被转化为化学能。 3.一些由叶绿素捕获的光能还被用于水的裂解，又称为水的光 解，氧气从水中被释放出来。 4.电子沿传递链最终达到最终电子受体NADP+，同时一个来源于 水的氢质子被结合，形成了还原型的NADPH，电能又再一次被转化 为化学能，并储存于NADPH中。 牛牛文库文档分享 n暗反应（卡尔文循环）与葡萄糖的形成 12NADPH+12H+18ATP+6CO2 C6H12O6+12NADP

22、+18ADP+18Pi 叶绿体基质中 不断消耗ATP和 NADPH，固定CO2形 成葡萄糖的循环反 应，Calvin循环。 牛牛文库文档分享 二磷酸甘油醛作为中间产物的代谢 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 生命活动需要能量，代谢是发生在生物体内的化学物质和能量的转 化过程。生命活动符合热力学第一定律和热力学第二定律。生命依靠不断 地输入能量维持高度有序的整体。光能自养生物依赖于光合作用、异养生 物依赖消耗有机质来补充能量。ATP是细胞的能量通货，生物体内放能反 应与ATP的合成相偶联，吸能反应与ATP的分解相偶联。 细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径，主要在线粒体中进行， 在温和条件和酶的参与调控下，通过一系列氧化还原反应，将储藏在葡萄 糖等中的化学能释放，并以高能磷酸