生命活动的能量获取与转换PPT课件

1、1第一节 能量与代谢 一、ATP的结构和功能 二、能量代谢 三、生物催化剂酶 四、生物氧化 五、生物体内复杂的代谢网络第1页/共64页2一、ATPATP的结构和功能第2页/共64页3 ATP 是生物体能量流通的货币有机分子 + O2 + ADP + Pi ATP + CO2ATP + H2O ADP + Pi +能量第3页/共64页4ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫机械能-运动化学能-合成渗透能-分泌吸收电能-生物电热能-体温光能-生物发光第4页/共64页5仲夏的夜晚萤火虫如何利用ATP来发光？ 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-

2、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 ELH2-AMP + Pi ELH2-AMP + O2 E-P + CO2 + h第5页/共64页6二、能量代谢 绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能，利用太阳能合成有机物（光合作用）；除了维持自身的生存还为其他生物提供食物（食物链）。第6页/共64页7第7页/共64页8生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢 通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种大、小分子以供生命活动所需要。 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第8页/共64页9能

3、量代谢 从小分子合成大分子需要消耗能量 n 氨基酸 + 能量 蛋白质2 丙酮酸 + 能量 葡萄糖 从大分子分解为小分子会释放能量 葡萄糖 2 丙酮酸 + 能量第9页/共64页10第10页/共64页11各种生命活动所需能量一览第11页/共64页12三、生物催化剂酶 体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂酶的催化下进行的。 催化剂可以加快化学反应的速度，酶是生物催化剂，它的突出优点是：第12页/共64页13用简单的实验证明酶的催化效率2 H2O2 2 H2O + O2 空白 铁屑 肝糜 肝糜（煮） 第13页/共64页14酶的专一性（特异性） 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

4、和锁，诱导契合 酶的活性位点“柔性学说”第14页/共64页15酶的化学本质是蛋白质 有的酶仅仅由蛋白质组成，如：核糖核酸酶。 有的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与，它们是酶活性所必须的，称为辅酶/辅基或辅助因子。第15页/共64页16羧基肽酶以ZnZn2+2+为辅助因子第16页/共64页17肌红蛋白和血红蛋白以铁卟啉环为辅助因子第17页/共64页18 催化剂只能加速原来可以进行的反应。 即使对可以进行的反应来说，反应物分子应越过一个活化能才能发生反应。 酶作为催化剂的作用是降低活化能。第18页/共64页19底物与酶的结合降低了活化能第19页/共64页20酶使底物分子活化的

5、方式使底物分子产生应力使底物分子电荷变化使底物靠拢第20页/共64页21酶的活性可以调控温度的影响pH的影响第21页/共64页22在代谢途径中调节酶活性 若干酶前后配合完成一系列代谢反应，就形成一条代谢途径。 反馈抑制：一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。第22页/共64页23通过共价调节酶活性 酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合，使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变，称为酶的共价调节。例如：糖原磷酸化酶具有磷酸化位点。第23页/共64页24结构类似物与底物产生竞争性抑制 酶的竞争性抑制：有的酶

6、在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些分子与底物竞争结合酶的活性中心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）第24页/共64页25对氨基苯甲酸（细菌生长因子）对氨基苯磺酸（磺胺药）磺胺类药物竞争性抑制细菌体内的酶第25页/共64页26四、生物氧化 火柴燃烧是纤维素氧化 (C6H12O6)n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 燃烧过程剧烈 在空气中进行 不需要酶参与 一步反应 淀粉的生物氧化 (C6H12O6)n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 过程缓慢 在水环境中进行 需要酶参与 分步进行第26页/共64页27生物氧化的特点 （1）在活体细胞中进行，需酶参加 （2）条件温

7、和 （3）复杂的氧化还原过程 （4）能量逐步储存和转运第27页/共64页28五、生物体内复杂的代谢网络 生物体内许多的分解代谢和合成代谢途径，形成错综复杂的代谢网络。这些代谢途径分布于生活细胞的不同部位。 第28页/共64页29第二节 光合作用 一、光合作用的概念 二、 三、光合作用的机理第29页/共64页30一、光合作用的概念 绿色植物和光合细菌利用太阳能使二氧化碳固定为有机物的过程称为光合作用。 在现在的地球上，光合作用是一切生物得以生存的基础。第30页/共64页31光合作用的早期研究1642年，比利时Helmont1770年英国牧师 Priestley第31页/共64页32氧气的来源 1

8、930年Stanford大学，Niel细菌光合作用：CO2+H2SCH2O+SCO2+H2OCH2O+O2 10年后，同位素示踪实验：CO2+H218OCH2O+18O2 第32页/共64页33二、叶绿体是光合作用进行的场所基粒类囊体内膜外膜第33页/共64页34吸收光能靠叶绿素第34页/共64页35三、光合作用的机理 光反应：在叶绿素参与下，利用光能劈开水分子，放出O2，同时形成两种高能化合物 ATP和 NADPH。 暗反应：把 ATP 和 NADPH 中的能量，用于固定 CO2，生成糖类化合物。第35页/共64页36光系统与光反应 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

9、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。 光系统I（PSI）含有被称为“P700”的高度特化的叶绿素a分子 光系统II（PSII）含有另一种被称为“P680”高度特化的叶绿素a分子 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。第36页/共64页37非环路的光合磷酸化途径和电子传递链第37页/共64页38环路的光合磷酸化途径和电子传递链第38页/共64页39光反应的要点 叶绿素吸收光能，一些用于水的裂解，其它转化为电能，即造成从叶绿素分子起始的电子流动。 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。 电子沿传递链最终达到电子受体NA

10、DP+，同时一个来源于水的氢质子被结合，电能又再一次转化为化学能，并储存于NADPH中。 光合作用的暗反应依赖于光反应中形成的ATP和NADPH。第39页/共64页403-磷酸甘油酸中间物葡萄糖等CO2二磷酸核酮糖3-磷酸甘油醛暗反应卡尔文循环第40页/共64页41幻想？ 有朝一日，科学家将光合作用机理搞清楚，并将植物光合作用的全套基因转移到人的头发中，在头发中模拟光合作用的过程，那么，只要在人的头上撒点水、再晒晒太阳，在头发中便完成了二氧化碳加水合成葡萄糖的过程，葡萄糖从头发中输送到人体的各部分，吃饭的历史使命便可宣告结束了。第41页/共64页42第三节 细胞呼吸 一、细胞呼吸产生能量 二、

11、糖酵解途径 三、三羧酸循环 四、电子传递链第42页/共64页43一、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+O2CO2+能量 “燃料”包括糖类、脂肪、蛋白质等C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量（ATP+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第43页/共64页44发酵是典型的细胞呼吸过程 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CO2 在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分解成乙醇和CO2 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第44页/共64页45人体细胞的呼吸过程 慢跑，

12、细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生CO2和水 快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和CO2第45页/共64页46呼吸运动与细胞呼吸 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第46页/共64页47ATP的产生和使用 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%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。第47页/共64页48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要特定的

13、酶参与才能完成 细胞呼吸的3个阶段第48页/共64页49二、糖酵解途径1，6-二磷酸果糖磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸第49页/共64页50糖酵解的结果 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。第50页/共64页51丙酮酸可以进行无氧发酵第51页/共64页52丙酮酸乙酰CoA草酰琥珀酸-酮戊二酸琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸柠檬酸琥珀酰CoA异柠檬酸定义：

14、在有氧条件下，酵解产物丙酮酸被氧化分解成CO2和H2O,并以ATP形式贮备大量能量的代谢系统3ATPCO21ATP2ATP3ATP加入2C3ATPCO2三、三羧酸循环第52页/共64页53三羧酸循环的结果和意义 结果： 分解丙酮酸形成2分子CO2、8分子NADH和2分子FADH2，及2分子ATP。 意义： 1、提供能量 2、为其他物质的合成提供C骨架 3、沟通脂肪、蛋白质等有机物代谢第53页/共64页54四、 电子传递链 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NADH 和FADH2最终传递给O2，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

15、子中，也称为氧化磷酸化。第54页/共64页55组成电子传递链的载体第55页/共64页56化学渗透学说 1961年，英国Mitchell提出 进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的H+便穿过膜从线粒体基质进入到内膜外腔，造成跨膜质子梯度，从而导致化学渗透发生。 H+顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）返回线粒体的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。 第56页/共64页57糖代谢小结 1个葡萄糖通过有氧呼吸共形成36或38个ATP。 ATP的量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

16、氨酸环路则不需要消耗ATP。第57页/共64页58其他糖代谢途径 1、磷酸戊糖途径(HMS) ：产生NADPH和核糖 2、糖异生作用：非糖物质形成葡萄糖 3、糖原的合成与分解：主要在肝脏和肌肉细胞中 4、植物体内生醇发酵和乙醛酸循环第58页/共64页59糖原病：糖原分解合成酶的欠缺引起低血糖症：胰岛素分泌或应用过量高血糖症及糖尿病：血糖的来源和去路间失去动态平衡欠缺G-6-P 酶时表现为肝大，瘦，重低血糖等当血糖浓度低于45mg%时，会出现惊厥和昏迷称“低血糖休克”血糖高于120mg%时称为高血糖。血糖含量超过肾糖阈值160180mg%时，会出现糖尿糖代谢紊乱引发的病症第59页/共64页60蛋白质和脂肪的氧化 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。 氨基酸脱氨变成三羧酸循环中的有机酸 脂肪酸可与辅酶A结合后氧化生成乙酰辅酶A 甘油则可转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程第60页/共64页61本讲摘要 ATP是生物系统能量交换的中心 体内的新陈代谢过程都是在酶的催化下进行的，其突出优点是效率高、底物专一和可调节。 光合作用包括光反应和暗反应2个过程：前者是在叶绿素