第3讲新陈代谢ppt课件

1、第3讲 生命的新陈代谢沈沈 显显 生生中国科学技术大学生命科学学院中国科学技术大学生命科学学院主要内容主要内容 一、关于酶促反应 二、生物能量的单元ATP 三、细胞呼吸 四、光合作用 五、细胞代谢网络一、关于酶促反应 酶是具生物催化活性的一类蛋白质分子。酶是具生物催化活性的一类蛋白质分子。 根据化学组成，酶分为单纯蛋白质的酶和根据化学组成，酶分为单纯蛋白质的酶和结合蛋白质的酶两大类，后者是由酶蛋白结合蛋白质的酶两大类，后者是由酶蛋白和辅助因子构成的功能单位。辅助因子又和辅助因子构成的功能单位。辅助因子又分为辅酶与酶蛋白质结合疏松的小分子，分为辅酶与酶蛋白质结合疏松的小分子，如如CoA、NAD、

2、NADP和辅基与酶蛋和辅基与酶蛋白质结合紧密的小分子，如白质结合紧密的小分子，如FAD、生物素、生物素2类类 。 酶原酶原新合成的酶蛋白无活性的酶）。新合成的酶蛋白无活性的酶）。酶促反应的特性酶促反应的特性 生物体内代谢活动都是在酶的作用下完成的，生物体内代谢活动都是在酶的作用下完成的，由酶所催化的化学反应，称为酶促反应。由酶所催化的化学反应，称为酶促反应。 1、表现在酶促反应的专一性。酶的专一性表现、表现在酶促反应的专一性。酶的专一性表现在结构专一和立体异构的专一，这些保证了酶在结构专一和立体异构的专一，这些保证了酶对反应底物的专一性识别。对反应底物的专一性识别。 2、是酶促反应的高催化效率

3、。、是酶促反应的高催化效率。 3、酶促反应是在生物体内常温常压条件下进行、酶促反应是在生物体内常温常压条件下进行的反应。细胞的环境温度和细胞内的的反应。细胞的环境温度和细胞内的pH值直接值直接影响酶的活性。影响酶的活性。 二、生物能量的单元二、生物能量的单元ATP 在生态系统中的所有能量都是通过绿色在生态系统中的所有能量都是通过绿色植物固定太阳能而获得的。生物能量的植物固定太阳能而获得的。生物能量的传递与运输、贮存和释放等过程，几乎传递与运输、贮存和释放等过程，几乎都是以都是以ATP作为基本单元的。作为基本单元的。 ATP是由腺嘌呤和戊糖组成，并含有是由腺嘌呤和戊糖组成，并含有3个个磷酸分子，

4、所以叫做三磷酸腺核苷。磷酸分子，所以叫做三磷酸腺核苷。 能量的吸收与释放能量的吸收与释放 在在ATP中有中有2个高能磷酸键，当水解个高能磷酸键，当水解1 mol三三磷酸腺苷酸分子时，可释放磷酸腺苷酸分子时，可释放12000 Cal自由能自由能或或30.5 kJ 能量，而能量，而ATP则转变为则转变为ADP。在。在ADP中只有一个高能磷酸键，若再水解中只有一个高能磷酸键，若再水解1个个磷酸分子，则同样释放磷酸分子，则同样释放12000卡自由能，卡自由能，ADP将转变为将转变为AMP。 三、细胞呼吸三、细胞呼吸 在生物的代谢活动中，生物体内的糖、脂肪和蛋白质等有机物，在细胞内氧化分解成二氧化碳和水

5、，并释放出能量的过程，称为生物氧化，又叫细胞呼吸。 细胞呼吸所产生的CO2和消耗的O2的分子比CO2/O2），称为呼吸商respiratory quotient, 简称R. Q.）。例如，葡萄糖的R. Q.=1，蛋白质的R. Q.0.80，脂肪的R. Q. 0.71。 细胞呼吸的过程与步骤细胞呼吸的过程与步骤 根据受氢过程中氢受体性质的不同，可把生根据受氢过程中氢受体性质的不同，可把生物氧化分为有氧呼吸和无氧呼吸。物氧化分为有氧呼吸和无氧呼吸。 有氧呼吸可分为有氧呼吸可分为3个过程，即糖酵解、三羧酸个过程，即糖酵解、三羧酸循环和呼吸链电子传递链）。循环和呼吸链电子传递链）。 糖酵解糖酵解 糖酵

6、解是指在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是不需要氧气的，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，在有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。糖酵解总共包括10个连续步骤，均由对应的酶催化。总反应为： 葡萄糖 + 2ATP + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2丙酮酸 + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O 糖酵解的过程糖酵解的过程三羧酸循环三羧酸循环 三羧酸循环是在线粒体内进行的，这是有氧呼吸的核三羧酸循环是在线粒体内进行的，这是有氧呼吸的核心部分，所以人们称线粒体

7、是生命体的心部分，所以人们称线粒体是生命体的“动力工厂动力工厂”。糖酵解生成的糖酵解生成的H+需要从细胞质中转运到线粒体腔中，需要从细胞质中转运到线粒体腔中，这个过程可以通过质子泵完成，也可由磷酸式丙酮酸这个过程可以通过质子泵完成，也可由磷酸式丙酮酸加加H+异构化后，直接通过线粒体外膜和内膜进入内异构化后，直接通过线粒体外膜和内膜进入内腔。在线粒体基质中进行，因为在这个循环中的几个腔。在线粒体基质中进行，因为在这个循环中的几个主要的中间代谢物是含有主要的中间代谢物是含有3个羧基的有机酸，所以叫个羧基的有机酸，所以叫做三羧酸循环。由于其中的第一个生成物是柠檬酸，做三羧酸循环。由于其中的第一个生成

8、物是柠檬酸，因此，又称为柠檬酸循环。有时以发现者因此，又称为柠檬酸循环。有时以发现者Hans Krebs命名为命名为Krebs循环。反应过程的酶，除了琥珀酸脱氢循环。反应过程的酶，除了琥珀酸脱氢酶是定位于线粒体内膜上以外，其余的均位于线粒体酶是定位于线粒体内膜上以外，其余的均位于线粒体基质中。基质中。呼吸链呼吸链 呼吸链专门从事电子的传递，这条途径位于线呼吸链专门从事电子的传递，这条途径位于线粒体内膜上，传递的载体是一系列的蛋白质和粒体内膜上，传递的载体是一系列的蛋白质和小分子辅基。一对电子通过这个呼吸链传递，小分子辅基。一对电子通过这个呼吸链传递，最终与最终与O2结合，生成结合，生成O2-，

9、再与，再与2个个H+结合形结合形成水。因为电子从高能向低能方向传递，所以，成水。因为电子从高能向低能方向传递，所以，每个每个NADH所释电子在传递过程中释放能量可所释电子在传递过程中释放能量可生成了生成了2.5ATP，而每个，而每个FADH2所释放电子在所释放电子在传递过程中释放能量可生成传递过程中释放能量可生成1.5ATP。在电子。在电子传递途径中，电子释放的能量推动传递途径中，电子释放的能量推动ATP的形成，的形成，这称为氧化磷酸化。这称为氧化磷酸化。 能量利用率能量利用率 1 mol/L葡萄糖氧化释放2872kJ; 过去计算净得36ATP 30.5X36=1098kJ 1098/2872

10、 = 38% 新的算法净得：26ATP 30.5X26 = 793kJ 793 /2872 =31.1 % 内燃机的热效率25%。无氧呼吸代谢途径无氧呼吸代谢途径 无氧呼吸或无氧途径无氧呼吸或无氧途径anaerobic pathway是指有些细菌利用硝酸盐是指有些细菌利用硝酸盐NO3-）、亚硝酸）、亚硝酸盐盐NO2-）、硫酸盐）、硫酸盐SO42-）或其它无机化）或其它无机化合物来代替氧作为最终的电子受体，进行呼吸合物来代替氧作为最终的电子受体，进行呼吸的代谢方式。它和有氧呼吸的过程和机制基本的代谢方式。它和有氧呼吸的过程和机制基本是相同的。是相同的。 常见的无氧呼吸是发酵常见的无氧呼吸是发酵f

11、ermentation），它），它是一些厌氧细菌和酵母菌等在无氧条件下获取是一些厌氧细菌和酵母菌等在无氧条件下获取能量的过程，利用丙酮酸作为最终的电子受体。能量的过程，利用丙酮酸作为最终的电子受体。 光呼吸光呼吸(photorespiration) 植物的绿色组织以光合作用的中间产物为底物而发生的吸收氧气、释放二氧化碳的过程，由于此过程只在光照下发生，故称作为光呼吸。由于光呼吸的底物乙醇酸和其氧化产物乙醛酸，以及后者经转氨作用形成的甘氨酸皆为C2化合物，因此光呼吸途径又称为C2光呼吸碳氧循环(C2 photorespiration carbon oxidation cycle，PCO循环)，简

12、称C2循环。 光合作用的本质 定义：在叶绿体内的类囊体上，以H2O和CO2为原料，利用许多酶的催化作用，把光能转变为化学能的过程。 本质：光能电能ATP有机物化学能 过程： 光反应 有光条件下 类囊体膜上 H2O的光解； ATP的形成光合磷酸化Z链） 暗反应 有光或无光 叶绿体基质 CO2的固定； ATP的消耗；糖的形成卡尔文循环光合作用色素光合作用色素 高等植物有两类色素：叶绿素和橙黄色的类胡萝高等植物有两类色素：叶绿素和橙黄色的类胡萝卜素，通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为卜素，通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3:1。叶绿素又分叶绿素叶绿素又分叶绿素a、叶绿素、叶绿素b、叶绿素、叶绿素c、叶

13、绿、叶绿素素d，只有叶绿素，只有叶绿素a是主要色素，其他包括类胡萝是主要色素，其他包括类胡萝卜素都是辅助色素。藻类植物的辅助色素是藻胆卜素都是辅助色素。藻类植物的辅助色素是藻胆类色素。高等植物的叶绿素类色素。高等植物的叶绿素a和叶绿素和叶绿素b的比例约的比例约为为3: l。 叶绿体中色素的种类色素名称色素名称植物类群植物类群吸收光谱范围或光色吸收光谱范围或光色叶叶绿绿素素叶绿素叶绿素a叶绿素叶绿素b叶绿素叶绿素c叶绿素叶绿素d所有进行光合作用的植物所有进行光合作用的植物包括：高等植物、绿藻、包括：高等植物、绿藻、裸藻、硅藻、裸藻、硅藻、红藻、褐藻红藻、褐藻 650-700nm，420-450n

14、m 470-500nm，640-660nm红光和蓝紫光红光和蓝紫光细菌叶绿细菌叶绿素素菌绿素菌绿素紫色硫细菌紫色硫细菌绿色硫细菌绿色硫细菌近于红光和蓝紫光近于红光和蓝紫光类胡萝卜类胡萝卜素素胡萝卜素胡萝卜素叶黄素叶黄素大部分植物、细菌大部分植物、细菌 400-500nm蓝光和蓝绿光蓝光和蓝绿光藻胆素藻胆素藻蓝素藻蓝素藻红素藻红素红藻、蓝藻红藻、蓝藻橙红光橙红光 600-670 nm绿光绿光 540-575 nm光合单位光合单位(photosynthetic unit) 存在于类囊体膜上能进行完整光反应的存在于类囊体膜上能进行完整光反应的最小结构单位。包括最小结构单位。包括PS与与PS两个反两个

15、反应中心的约应中心的约600个叶绿素分子以及连结这个叶绿素分子以及连结这两个反应中心的光合电子传递链，是进两个反应中心的光合电子传递链，是进行捕集光能，释放氧气和还原行捕集光能，释放氧气和还原NADP的的功能单位。功能单位。 反应中心反应中心(reaction center) 发生原初反应的最小单位。它是由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子受体与次级电子供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质等组分组成的。 爱默生增益效应爱默生增益效应(Emerson enhancement effect) 由由Emerson首先发现的，在用长波红光首先发现的，在用长波红光(如如6

16、80nm)照射时补加一点波长较短的光照射时补加一点波长较短的光(如如650nm)，则光合作用的量子产额就会立刻提，则光合作用的量子产额就会立刻提高，比用这两种波长的光单独照射时的总和还高，比用这两种波长的光单独照射时的总和还要高。这一现象也称为双光增益效应。这是由要高。这一现象也称为双光增益效应。这是由于光合作用的两个光反应分别由光系统于光合作用的两个光反应分别由光系统和光和光系统系统进行协同作用而完成的。进行协同作用而完成的。 光合光合“午睡现象午睡现象”(midday depression of photosynthesis) 指植物的光合速率在中午前后下降的现指植物的光合速率在中午前后下

17、降的现象。引起光合象。引起光合“午睡的主要因素是大午睡的主要因素是大气干旱和土壤干旱。另外，中午及午后气干旱和土壤干旱。另外，中午及午后的强光、高温、低的强光、高温、低CO2浓度等条件也会浓度等条件也会使光合速率在中午或午后降低。使光合速率在中午或午后降低。 希尔反应希尔反应(Hill reaction) 离体叶绿体在有适当的电子受体存在时，光下离体叶绿体在有适当的电子受体存在时，光下分解水并放出氧气的反应。希尔分解水并放出氧气的反应。希尔(Robert.Hill，1939)发现在分离的叶绿体发现在分离的叶绿体(实际是被膜破裂的实际是被膜破裂的叶绿体叶绿体)悬浮液中加入适当的电子受体悬浮液中加

18、入适当的电子受体(如草酸如草酸铁铁)，照光时可使水分解而释放氧气，照光时可使水分解而释放氧气，(同时高同时高铁盐被还原成低铁盐铁盐被还原成低铁盐)，这个反应被称为希尔，这个反应被称为希尔反应。其中的电子受体被称为希尔氧化剂。反应。其中的电子受体被称为希尔氧化剂。 荧光现象荧光现象(fluorescence phenomenon) 叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色，这种现象称为叶绿素的荧光现象。激发态的叶绿素分子回到基态时，可以以发光的形式释放能量。处在激发态的叶绿素分子回至基态时所发出的光称为荧光。由于能量的损耗，辐射出的光能必定低于吸收的光能，因此叶绿素荧光的波长要比吸收的波长长

19、些。故为暗红色。 卡尔文循环卡尔文循环(Calvin cycle) 美国生物化学家、植物生理学家卡尔文和本森等从1946年起利用14C同位素示踪技术和纸层析技术，研究了小球藻、栅列藻等植物光合作用中二氧化碳同化过程。发现碳同化的初级产物是 3-磷酸甘油酸(PGA)，并确定二氧化碳的受体是核酮糖-1，5-二磷酸。经10年的研究，弄清了光合作用中二氧化碳同化的循环式途径，即光合碳循环还原戊糖磷酸循环），这是植物光合碳代谢的基本途径，亦被称为卡尔文循环或卡尔文-本森(Calvin-Benson)循环。为此，卡尔文被授予1961年度的诺贝尔化学奖。 C途径途径(C pathway)和和C植物植物(C plant) C途径亦即卡尔文循环。由于这条光合碳同化途径中CO2固定后形成的最初产物3-磷酸甘油酸为三碳化合物，所以这条途径称C途径，也叫做C光合碳还原循环，并把只具有C途径的植物称为C植物。C植物大多为温带和寒带植物。水稻、小麦、棉花、大豆、油菜等多数作物为C植物。 C4途径