生命科学与生物技术导论：06讲-生命活动的能量获取与转换

1、1第第6讲讲 生命活动的能量生命活动的能量 获取与转换获取与转换 第一节第一节 能量与代谢能量与代谢 第二节第二节 光合作用光合作用 第三节第三节 细胞呼吸细胞呼吸2第一节第一节 能量与代谢能量与代谢 一、一、ATPATP的结构和功能的结构和功能 二、能量代谢二、能量代谢 三、生物催化剂三、生物催化剂酶酶 四、生物氧化四、生物氧化 五、生物体内复杂的代谢网络五、生物体内复杂的代谢网络3一、一、ATPATP的结构和功能的结构和功能4 ATP是生物体能量的基本交换单位是生物体能量的基本交换单位有机分子有机分子 + O2 + ADP + Pi ATP + CO2ATP + H2O ADP + Pi

2、+能量能量5ATP是生物系统能量交换的是生物系统能量交换的中心中心荧火虫荧火虫机械能机械能-运动运动化学能化学能-合成合成渗透能渗透能-分泌吸收分泌吸收电能电能-生物电生物电热能热能-体温体温光能光能-生物发光生物发光6仲夏的夜晚萤火虫如何利用仲夏的夜晚萤火虫如何利用ATP来发光？来发光？ 发光细胞有荧光素酶（发光细胞有荧光素酶（E-LHE-LH），），酶促反应使酶促反应使ATPATP与与E-LHE-LH先偶联，偶先偶联，偶联的高能中间产物联的高能中间产物E E LH2-AMPLH2-AMP在氧在氧气存在时可释放出能量，并以荧气存在时可释放出能量，并以荧光的形式发射出来：光的形式发射出来： A

3、TP + 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 + + h h7二、能量代谢二、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（用太阳能合成有机物（光合作用光合作用）；除了维持自）；除了维持自身的生存还为其他生物提供食物（身的生存还为其他生物提供食物（食物链食物链）。）。89生命活动的原动力在于生物体生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的内一刻不停的新陈代谢新陈代谢 通过

4、新陈代谢不断把太阳能或食物中贮通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的存的能量能量，转化为可供生命活动利用的，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种能量，不断制造出各种大、小分子大、小分子以供以供生命活动所需要。生命活动所需要。 物质代谢物质代谢由底物分子变成产物分子由底物分子变成产物分子 能量代谢能量代谢消耗能量或释放能量消耗能量或释放能量10能量代谢能量代谢 从小分子合成大分子需要消耗从小分子合成大分子需要消耗能量能量 n n 氨基酸氨基酸 + + 能量能量 蛋白质蛋白质2 2 丙酮酸丙酮酸 + + 能量能量 葡萄糖葡萄糖 从大分子分解为小分子会释放从大分子分解为小分子会释放能量能量

5、葡萄糖葡萄糖 2 2 丙酮酸丙酮酸 + + 能量能量1112各种生命活动所需能量一览各种生命活动所需能量一览13三、生物催化剂三、生物催化剂酶酶 体内的新陈代谢过程又都是在生物催化体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂剂酶酶的催化下进行的。的催化下进行的。 催化剂可以加快化学反应的速度，酶是生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：物催化剂，它的突出优点是：14用简单的实验证明酶的催化效率用简单的实验证明酶的催化效率2 H2O2 2 H2O + O2 空白空白 铁屑铁屑 肝糜肝糜 肝糜（煮）肝糜（煮） 15酶的专一性（特异性）酶的专一性（特异性） 特殊的三维空间结构和构象特

6、殊的三维空间结构和构象 酶的活性位点或酶的活性中心酶的活性位点或酶的活性中心 钥匙和锁，诱导契合钥匙和锁，诱导契合 酶的活性位点酶的活性位点“柔性学说柔性学说”16酶的化学本质是蛋白质酶的化学本质是蛋白质 有的酶仅仅由蛋白质组有的酶仅仅由蛋白质组成，如：成，如：核糖核酸酶。核糖核酸酶。 有的酶除了主要由蛋白有的酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些质组成外，还有一些金金属离子或小分子属离子或小分子参与，参与，它们是酶活性所必须的，它们是酶活性所必须的，称为称为辅酶辅酶/ /辅基辅基或或辅助辅助因子。因子。17羧基羧基肽酶肽酶以以ZnZn2+2+为辅为辅助因助因子子18肌红蛋白和血红蛋白以铁卟啉肌红

7、蛋白和血红蛋白以铁卟啉环为辅助因子环为辅助因子19有没有非蛋白质的酶？有没有非蛋白质的酶？P95P80RNA20 催化剂催化剂只能只能加速加速原来原来可以进行的可以进行的反应。反应。 即使对可以进行的反即使对可以进行的反应来说，反应物分子应来说，反应物分子应越过一个应越过一个活化能活化能才才能发生反应。能发生反应。 酶作为催化剂的作用酶作为催化剂的作用是是降低活化能。降低活化能。21底物与酶的结合降低了活化能底物与酶的结合降低了活化能22酶使底物分子酶使底物分子活化活化的的方式方式使底物分子产生应力使底物分子产生应力使底物分子电荷变化使底物分子电荷变化使底物靠拢使底物靠拢23酶的活性可以调控酶

8、的活性可以调控温温度度的的影影响响pH的的影影响响24在代谢途径中调节酶活性在代谢途径中调节酶活性 若干酶前后配合完成一若干酶前后配合完成一系列代谢反应，就形成系列代谢反应，就形成一条一条代谢途径。代谢途径。 反馈抑制：一条代谢途反馈抑制：一条代谢途径的终产物，有时可与径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。反应速度慢起来。25通过共价调节酶活性通过共价调节酶活性 酶蛋白分子可以和一酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合，个基团形成共价结

9、合，使酶蛋白分子结构发使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变，使酶活性发生改变，称为生改变，称为酶的共酶的共价调节。价调节。例如：例如：糖原糖原磷酸化酶具有磷酸化磷酸化酶具有磷酸化位点位点。26结构类似物与底物产生竞争性抑制结构类似物与底物产生竞争性抑制 酶的酶的竞争性抑制竞争性抑制：有：有的酶在遇到一些化学的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分结构与底物相似的分子时，这些分子与底子时，这些分子与底物物竞争结合竞争结合酶的酶的活性活性中心中心，亦会表现出酶，亦会表现出酶活性的降低（抑制）活性的降低（抑制）27对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸（细菌生长因子）（细菌生长因子）对氨基苯磺对氨基苯磺酸酸（磺

10、胺药）（磺胺药）磺胺类药物竞争性抑制细菌体内磺胺类药物竞争性抑制细菌体内的酶的酶28四、生物氧化四、生物氧化 火柴燃烧是纤维素氧化火柴燃烧是纤维素氧化 (C(C6 6H H1212O O6 6) )n n + O+ O2 2 n CO n CO2 2 + nH+ nH2 2O + O + 能量能量 燃烧过程剧烈燃烧过程剧烈 在空气中进行在空气中进行 不需要酶参与不需要酶参与 一步反应一步反应 淀粉的生物氧化淀粉的生物氧化 (C(C6 6H H1212O O6 6) )n n + O+ O2 2 n COn CO2 2 + nH+ nH2 2O + O + 能量能量 过程缓慢过程缓慢 在水环境中

11、进行在水环境中进行 需要酶参与需要酶参与 分步进行分步进行29生物氧化的特点生物氧化的特点 （1 1）在活体细胞中进行，需酶参加）在活体细胞中进行，需酶参加 （2 2）条件温和）条件温和 （3 3）复杂的氧化还原过程）复杂的氧化还原过程 （4 4）能量逐步储存和转运）能量逐步储存和转运30五、生物体内复杂的代谢网络五、生物体内复杂的代谢网络 生物体内许多的生物体内许多的分分解代谢解代谢和和合成代谢合成代谢途径，形成错综复途径，形成错综复杂的杂的代谢网络代谢网络。这。这些代谢途径分布于些代谢途径分布于生活细胞的不同部生活细胞的不同部位。位。 31第二节第二节 光合作用光合作用 一、光合作用的概念

12、一、光合作用的概念 二、二、 三、光合作用的机理三、光合作用的机理32一、光合作用的概念一、光合作用的概念 绿色植物和光合细绿色植物和光合细菌利用太阳能使二菌利用太阳能使二氧化碳固定为有机氧化碳固定为有机物的过程称为物的过程称为光合光合作用作用。 在现在的地球上，在现在的地球上，光合作用是一切生光合作用是一切生物得以生存的基础。物得以生存的基础。33光合作用的早期研究光合作用的早期研究16421642年，比利时年，比利时HelmontHelmont17701770年英国牧师年英国牧师 PriestleyPriestley34氧气的来源氧气的来源 1930年年Stanford大学，大学，Niel

13、细菌光合作用：细菌光合作用：CO2+H2SCH2O+SCO2+H2OCH2O+O2 10年后，同位素示踪实验：年后，同位素示踪实验：CO2+H218OCH2O+18O2 35二、叶绿体是光合作用进行的二、叶绿体是光合作用进行的场所场所基粒基粒类囊体类囊体内膜内膜外膜外膜36吸收光能靠叶绿素吸收光能靠叶绿素37三、光合作用的机理三、光合作用的机理 光反应：在叶绿素参光反应：在叶绿素参与下，利用光能劈开与下，利用光能劈开水分子，放出水分子，放出O2，同，同时形成两种高能化合时形成两种高能化合物物 ATP和和 NADPH。 暗反应：把暗反应：把 ATP 和和 NADPH 中的能量，中的能量，用于固定

14、用于固定 CO2，生成，生成糖类化合物糖类化合物。38光系统与光反应光系统与光反应 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统和电子受体等组成的单位称为光系统光系统。光。光反应由两个光系统及电子传递链来完成。反应由两个光系统及电子传递链来完成。 光系统光系统I（PSI）含有被称为）含有被称为“P700”的高度特的高度特化的叶绿素化的叶绿素a分子分子 光系统光系统II（PSII）含有另一种被称为）含有另一种被称为“P680”高度特化的叶绿素高度特化的叶绿素a分子分子 电子传递时，能量逐渐下降，形成跨膜的质电子传递时，能量逐渐下降，形

15、成跨膜的质子梯度，导致子梯度，导致ATP的形成。的形成。39非环路的光合磷酸化途径和电非环路的光合磷酸化途径和电子传递链子传递链40环路的光合磷酸化途径和电子环路的光合磷酸化途径和电子传递链传递链41光反应的要点光反应的要点 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。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，形在电子流动过程中，通过氢离子的化学渗透，形成了成了ATP，电能被转化为化学能。，电能被转化为化学能。 电子沿传递链最终达到电子受体电子沿传递链最终达到电子受体NA

16、DP+，同时一，同时一个来源于水的氢质子被结合，电能又再一次转化个来源于水的氢质子被结合，电能又再一次转化为化学能，并储存于为化学能，并储存于NADPH中。中。 光合作用的暗反应依赖于光反应中形成的光合作用的暗反应依赖于光反应中形成的ATP和和NADPH。423-磷酸甘油酸磷酸甘油酸中间物中间物葡萄糖等葡萄糖等CO2二磷酸核二磷酸核酮糖酮糖3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛暗反应暗反应卡尔文循环卡尔文循环巨型太阳能电站巨型太阳能电站4344幻想？幻想？ 有朝一日，科学家将光合作用机理搞清楚，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并将植物光合作用的全套基因转移到人的头发

17、中，在头发中模拟光合作用的过程，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体的各部分，吃饭的历史使命便可宣告结束了。束了。45第三节第三节 细胞呼吸细胞呼吸 一、细胞呼吸产生能量一、细胞呼吸产生能量 二、糖酵解途径二、糖酵解途径 三、三羧酸循环三、三羧酸循环 四、电子传递链四、电子传递链46一、细胞呼吸产生能量一、细胞呼吸产生能量 细胞呼吸是生物体获得

18、能量的主要代谢途径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细胞呼吸是一种氧化反应 有机化合物有机化合物+O2CO2+能量能量 “燃料燃料”包括糖类、脂肪、蛋白质等包括糖类、脂肪、蛋白质等C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量（能量（ATP+热量）热量） 细胞呼吸主要在线粒体中进行，温和条件和细胞呼吸主要在线粒体中进行，温和条件和酶的参与调控酶的参与调控47发酵是典型的细胞呼吸过程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，同时产来分解葡萄糖并获得能量，同时产生生CO2 在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分

19、在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分解成乙醇和解成乙醇和CO2 在有氧环境中，食物分子被充分氧在有氧环境中，食物分子被充分氧化，可产生比无氧环境更多的能量化，可产生比无氧环境更多的能量48人体细胞的呼吸过程人体细胞的呼吸过程 慢跑，细胞消耗氧慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并气来分解葡萄糖并获得能量，同时产获得能量，同时产生生CO2和水和水 快跑，细胞将葡萄快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和糖分解成乳酸和CO249呼吸运动与细胞呼吸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。并获得能量的过程。 通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是

20、相互关联的通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是相互关联的50ATP的产生和使用的产生和使用 储藏在葡萄糖等食物分子中的储藏在葡萄糖等食物分子中的化学能经细胞呼吸释放，以高化学能经细胞呼吸释放，以高能磷酸键的形式贮藏在能磷酸键的形式贮藏在ATPATP分分子中。子中。 葡萄糖中大约葡萄糖中大约40%40%的能量被转的能量被转化储存在化储存在ATPATP中，而汽车发动中，而汽车发动机只有机只有15-25%15-25%转化为动能，细转化为动能，细胞呼吸的产能效率高。胞呼吸的产能效率高。51细胞呼吸的化学过程细胞呼吸的化学过程 细胞呼吸是由一系列细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个化学反应组成的一个连续完整的

21、代谢过程连续完整的代谢过程 每一步化学反应都需每一步化学反应都需要特定的酶参与才能要特定的酶参与才能完成完成 细胞呼吸的细胞呼吸的3 3个阶段个阶段52二、二、糖糖酵酵解解途途径径1 1，6-6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸甘油醛磷酸甘油醛1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸53糖酵解的结果糖酵解的结果 参与化合物：葡萄糖，参与化合物：葡萄糖，ADPADP和磷酸，和磷酸，NADNAD+ +。起始阶段还需要消耗。起始阶段还需要消耗2 2分子分子ATP ATP 来启动，但后期共产出来启动，但后期共产出4 4分子分子ATPATP，还形成，还形成高能

22、化合物高能化合物NADHNADH。最终产物是丙酮酸。最终产物是丙酮酸。 糖酵解将六碳的葡萄糖分解成糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2 2个三碳的个三碳的丙酮酸，净产生丙酮酸，净产生2 2个个ATPATP，生成，生成1 1分子分子NADHNADH，糖酵解不需要氧参与。糖酵解不需要氧参与。54丙酮丙酮酸可酸可以进以进行无行无氧发氧发酵酵55丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA草酰草酰琥珀酸琥珀酸-酮酮戊二酸戊二酸琥珀琥珀酸酸延胡延胡索酸索酸苹果苹果酸酸草酰草酰乙酸乙酸柠檬柠檬酸酸琥珀酰琥珀酰CoA异柠异柠檬酸檬酸定义：定义：在有氧条件下，酵在有氧条件下，酵解产物丙酮酸被氧化分解解产物丙酮酸被氧化分解成成CO

23、CO2 2和和H H2 2O,O,并以并以ATPATP形式形式贮备大量能量的代谢系统贮备大量能量的代谢系统3ATP3ATPCOCO2 21ATP1ATP2ATP2ATP3ATP3ATP加入加入2C2C3ATP3ATPCOCO2 2三、三羧酸循环三、三羧酸循环56三羧酸循环的结果和意义三羧酸循环的结果和意义 结果：结果： 分解丙酮酸形成分解丙酮酸形成2分分子子CO2、8分子分子NADH和和2分子分子FADH2，及，及2分子分子ATP。 意义：意义： 1 1、提供能量、提供能量 2 2、为其他物质的合、为其他物质的合成提供成提供C C骨架骨架 3 3、沟通脂肪、蛋白、沟通脂肪、蛋白质等有机物代谢质

24、等有机物代谢57四、四、 电子传递链电子传递链 电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子电子从从NADH 和和FADH2最终传递给最终传递给O O2 2，同时随着电子，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过磷酸化途径贮存到ATP分子中，也分子中，也称为称为氧化磷酸化氧化磷酸化。58组成电子传递链的载体组成电子传递链的载体59化学渗透学说化学渗透学说 1961年，英国年，英国Mitchell提出提出 进行电子传递时，电子能量进行电子传递时，电子能量逐步降低

25、，脱下的逐步降低，脱下的H+便穿过便穿过膜从线粒体基质进入到内膜膜从线粒体基质进入到内膜外腔，造成跨膜质子梯度，外腔，造成跨膜质子梯度，从而导致化学渗透发生。从而导致化学渗透发生。 H+顺梯度从外腔经内膜通道顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）返回线粒体合成酶）返回线粒体的基质中，所释放的能使的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成与磷酸结合生成ATP。 60糖代谢小结糖代谢小结 1个葡萄糖通过有氧呼吸个葡萄糖通过有氧呼吸共形成共形成36或或38个个ATP。 ATP的量取决于糖酵解的量取决于糖酵解阶段产生于细胞质中的阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜进穿过线粒体膜进入呼吸链时是否消耗

26、能入呼吸链时是否消耗能量，按甘油磷酸环路穿量，按甘油磷酸环路穿过线粒体膜需要消耗过线粒体膜需要消耗2分分子子ATP，按苹果酸，按苹果酸-天冬天冬氨酸环路则不需要消耗氨酸环路则不需要消耗ATP。61其他糖代谢途径其他糖代谢途径 1、磷酸戊糖途径、磷酸戊糖途径(HMS) ：产生：产生NADPH和核糖和核糖 2、糖异生作用：非糖物质形成葡萄糖、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、糖原的合成与分解：主要在肝脏和肌肉细胞中肉细胞中 4、植物体内生醇发酵和乙醛酸循环、植物体内生醇发酵和乙醛酸循环62糖原病：糖原分解合糖原病：糖原分解合成酶的欠缺引起成酶的欠缺引起低血糖症：胰岛素分低血糖症：胰岛素分泌或应用过量泌或应用过量高血糖症及糖尿病：高血糖症及糖尿病：血糖的来源和去路间血糖的来源和去路间失去动态平衡失去动态平衡欠缺欠缺G-6-P G-6-P 酶时表现为酶时表现为肝大，瘦，重低血糖等肝大，瘦，重低血糖等当血糖浓度低于当血糖浓度低于4545mgmg% %时，会出现惊厥和昏迷时，会出现惊厥和昏迷称称“低血糖休克低血糖休克”血糖高于血糖高于120mg%120mg%时称为时