《普通生物学》课件04-细胞代谢-西南大学课件

1、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

2、.4 ATP是细胞中的能量通货64.1.1 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。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；84.1.2 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

3、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 细胞中能的转换 能的转换 发生部位化学能转换为渗透能 肾化学能转换为机械能 肌细胞、纤毛上皮细胞化学能转换为辐射能 萤火虫发光器官化学能转换为电能 神经、脑、味觉 感受器光能转换为化学能 叶绿体声能转换为电能 内耳光能转换为电能 视网膜124.1.3 吸能反应和放能反应化学反应

4、：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。 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；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。154.1.4 ATP是细胞中的能量通货ATP戊糖含氮碱基腺嘌呤3个磷酸根ATP的结构16ATP是各种活细胞内的一种高能磷酸化合物 A P P P

5、腺苷磷酸基团 高能磷酸键第二个高能磷酸键相当脆弱，水解时容易断裂，释放出大量的能量 ATP的结构简式： 17ATP合成酶ADP + Pi ATP能量 +ATP ADP + P i + 能量ATP（水解）酶各项需能的生命活动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。184.2.1 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。4.2 酶19酶-底物复合物学说： E+S E-S E+P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20 酶

6、促反应的特点：（1）高效性：提高速度 1061012 倍（2）特异性或专一性（3）可调节性（4）不稳定性214.2.2 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22 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。23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，

7、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。24构象相似非活性中心结合254.2.3 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。264.3 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27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

8、。葡萄糖的氧化分解： C6H12O6+6O2 6CO2+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“嫦娥二号”发射升空瞬间294.3.2 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。3031 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

9、行。324.3.3 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。33344.3.4 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，沿呼吸链上各电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平顺序传递，最后到达分子氧。35细胞呼吸中的电子传

10、递链36 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。37电子传递体和蛋白质复合体38电化学梯度H+H+ADPATP化学渗透学说39 呼吸作用产生的ATP统计1分子葡萄糖经呼吸作用产生的ATP：糖酵解底物水平磷酸化己糖分子活化产生2 NADH4ATP （细胞质）-2ATP （细胞质）5 或 3ATP（线粒体）丙酮酸脱羧2 NADH5 ATP （线粒体）三羧酸循环底物水平磷酸化产生6 NADH 2 FADH2 2 ATP （线

11、粒体）15ATP （线粒体）3 ATP （线粒体）总计32 或 30 ATP40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。41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。42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

12、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。434.3.5 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。4445（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。46474.3.6 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

13、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各种分子分解代谢的三个阶段氧化磷酸化柠檬酸循环ADP+Pi乙酰CoACoA淀 粉脂 肪蛋 白 质葡萄糖甘油 脂肪酸氨基酸第一阶段第二阶段第三阶段2HCO2ATPO2 H2O49 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。50脂肪酸脂肪甘

14、油蛋白质氨基酸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。4.4 光合作用524.4.1 光合作用引论1.光合作用的发现柳树实验：17世纪van Helmont将2.3 kg的小柳树种在90.8 kg干土中，雨水浇5年后，小柳树重76.7kg，而土仅减少57 g。由此，他认为植物从水中取得所需的物质。Joseph Priestley（1772）：密闭容器、小鼠、薄荷；Jan Ingenhousz（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. D

15、e Saussure（1804）:水参与光合作用；j. Sachs（1864）：光合作用产生葡萄糖 。 光 CO2+H2O (CH2O)+O2 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+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2542.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

16、把CO2转变为糖，并将能量贮存在糖分子内。55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。56光反应碳反应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德国科学家恩吉尔曼（C. Engelmann）实验：研究光合作用的

17、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。59 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。602.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12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：

18、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光子 激发天线叶绿素 共振传递能量 P700、P680 放出高能电子 受体 电子传递链62叶绿体中有两种光系统：PS I：反应中心叶绿素吸收高峰在700 nm，称P700PS II：P680为反应中心。 2个光系统之间有电子传递链相连接。633.光合电子传递链64两光合作用系统间的协同作用65 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氧化磷酸化、光合磷酸化

19、比较67光合磷酸化与氧化磷酸化的异同项 目相同点不同点光合磷酸化氧化磷酸化进行部位均在膜上进行类囊体膜线粒体内膜ATP形成均经ATP合成酶形成在膜外侧在膜内侧电子传递均有一系列电子传递体在光合链上在呼吸链上能量状况均有能量转换来自光能的激发，贮藏能量来自底物的分解，释放能量H2O的关系均与H2O有关H2O的光解H2O的生成质子泵均有质子泵参与PQ穿梭将H+泵到膜内UQ穿梭将H+泵到膜外68非环式光合磷酸化 PS I、PS II 2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。69环式光合磷酸化： 当NADP+

20、供应不足时，PS I中P700释放的电子经可溶性Fd PQ Cytb6-f PC P700环式光合磷酸化不生成NADPH，也不发生水的裂解和O2的释放，只是电子在电子传递链上传递时，有一定的质子积累，可形成一定量的ATP。70714.4.3 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。723个阶段： CO2固定 氧化还原反应 RuB

21、P的再生73卡尔文循环的总变化： 3分子CO2消耗6分子NADPH和9分子ATP，形成一分子G3P。 其中NADPH、ATP来源于光反应，因此必须有光反应才能进行碳反应。而碳反应后产生的NADP+及ADP又回到类囊体，再次用于进行光反应。742. 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75 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。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。77C4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