增普通生物学-第三章细胞代谢

第三章细胞代谢一、生命和能二、化学平衡三、酶四、生物氧化五、葡萄糖的氧化分解六、光合作用七、细胞中各种物质代谢的关系一、生命和能热力学第二定律和耗散结构理论认为：在封闭系统中，任何自发过程都会导致系统熵值增加，从而使系统向无序化发展。但是，在开放系统中，系统和外界有物质和能量的交换，就有可能从外界引入负熵来抵消自发过程中所产生的正熵，从而提高或维持系统的有序化。生物体内的能量转换：起重要作用的是化学能，往往以ATP作为能量转换的媒介。返回二、化学平衡1、自发反应：不需要外界供能就能自发进行的反应。在很多情况下，可逆反应在某个方向上的反应占优势，对于自发反应而言，就是正方向的反应占了绝对的优势。对于可逆反应A+BC+D，平衡常数Keq=[C][D][A][B]2、可逆反应：除放射性元素的衰变外，其他的化学反应一般都在正反两个方向上同时进行，称可逆反应。3、平衡常数：当反应达到平衡时，生成物浓度的乘积与反应物浓度乘积之比叫做平衡常数。关于平衡常数的几点说明（1）若Keq等于或接近于1，则反应在正反两个方向上都能比较顺利地进行；（2）若Keq的值远离1，则反应在某个方向上占优势。若Keq远小于1：正反应很难进行，逆反应容易进行若Keq远大于1：正反应很容易进行，逆反应很难进行（3）自发反应往往Keq很大，同时释放自由能，即生成物的自由能小于反应物的自由能，反应中自由能的变化ΔG是个负值。一般ΔG越小，Keq就越大，正反应就越容易。4、耦联反应总反应：AB+D实际上：AB+C①，CD②反应①的平衡常数Keq＝[B][C][A]生物体内的反应往往以耦联反应的形式出现，也就是说，在反应物形成终产物的过程中，还会出现中间产物，使反应分几步进行。返回三、酶人们对酶的探索在很大程度上与生产实践中对酒精发酵的研究有关。1857年，法国微生物学家巴斯德指出，酒精发酵是酵母细胞活动的结果，必须依赖活的酵母细胞才能进行。1897年，毕西纳把酵母细胞研碎，然后用其提取液进行酒精发酵，结果成功。证明虽然酶由活细胞产生，但在细胞外也能发挥作用。1、酶促反应特点和作用机制（1）酶和一般催化剂的共性①用量少而催化效率高②不改变化学反应的平衡点③能够降低反应的活化能（2）酶作为生物催化剂的特性①催化效率比一般催化剂高②具有高度的专一性③酶的活力受多种因素的影响④酶容易失活（3）关于酶的专一性的假说目前一般认为，在酶促反应中，酶先与底物形成不稳定的中间产物，然后中间产物再分解，释放出酶，并生成终产物，即：E（酶）+S（底物）ES（中间产物）E+P（终产物）此即为酶促反应的中间产物学说，其中，酶和底物的结合具有高度的专一性。①“钥匙－锁”模型（“锁－钥”模型）如同“一把钥匙开一把锁”那样，一种酶的活性部位只能与具有某种特定构象的底物结合，而不能与具有其它构象的底物结合。返回当酶和底物相互靠近但尚未接触时，底物就能诱导酶蛋白的构象朝着有利于和底物结合的方向变化，从而使底物和酶的活性部位结合。一种酶只能受一种或一类底物的诱导。②“诱导－楔合”模型四、生物氧化（一）概念糖类、脂类、Pr

等有机物在活细胞内氧化分解，产生CO2和水，并释放能量的过程叫生物氧化，也叫细胞呼吸。（二）生物氧化过程中的电子传递氧化－还原反应的实质是物质之间的电子转移过程。在生物氧化过程中，电子转移和H的转移相伴而生，其中涉及到一系列辅酶，主要有NAD+、NADP+、FMN、FAD、辅酶Q、细胞色素等。细胞色素又包括细胞色素a、a3、b、c、c1、f等。其中，细胞色素c最容易分离，而细胞色素a、a3到目前还不能分离，有人将其统称为细胞色素aa3，细胞色素a3是细胞色素中唯一能直接被O2氧化的，又叫细胞色素氧化酶。细胞中能直接从底物获得电子和H的传递体叫初级电子受体，如NAD+、NADP+、FMN、FAD等，它们获得电子和H之后，可分别转变成NADH、NADPH、FMNH2、FADH2，然后它们再把所获得的电子和H转移给其它电子传递体，如辅酶Q和细胞色素。（三）生物氧化的特点1、生物氧化是在体温条件下，在中性或近中性的水环境中进行的，并在多种酶的催化下，通过一系列的反应逐步释放能量。2、生物氧化所产生的能量，通常先储存在特殊的高能化合物中，主要是ATP，再由ATP为生物体内的需能反应提供能量。返回五、葡萄糖的氧化分解（一）过程葡萄糖（G）在细胞内的氧化分解大体包括4个步骤：糖酵解、丙酮酸氧化脱羧、柠檬酸循环、电子传递链。1、糖酵解（部位：细胞质基质）第一阶段：①

G磷酸化G＋ATP己糖激酶Mg2+G－6－P＋ADP（糖酵解第一个限速步骤）②

G－6－P异构酶果糖－6－磷酸③果糖－6－磷酸＋ATP磷酸果糖激酶Mg2+果糖－1,6－二磷酸＋ADP（糖酵解的第二个限速步骤）④果糖－1,6－二磷酸F－1,6－2P醛缩酶磷酸二羟丙酮＋3－磷酸甘油醛⑤磷酸二羟丙酮磷酸丙糖异构酶3－磷酸甘油醛第一阶段使G磷酸化并分裂形成2个3碳化合物，净消耗2个ATP。第二阶段：⑥3－磷酸甘油醛+NAD++Pi3－磷酸甘油醛脱氢酶1,3－二磷酸甘油酸＋NADH+H+⑦1,3－二磷酸甘油酸＋ADP磷酸甘油酸激酶Mg2+3－磷酸甘油酸＋ATP（第一次产生ATP，底物水平磷酸化）第三阶段：⑧3－磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶Mg2+2－磷酸甘油酸⑨2－磷酸甘油酸烯醇化酶Mg2+或Mn2+磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）＋H2O⑩PEP＋ADP丙酮酸激酶K+和Mg2+或Mn2+丙酮酸＋ATP（第三个限速步骤；第二次产生ATP，底物水平磷酸化）糖酵解小结1分子G通过糖酵解分解成2分子丙酮酸，在第一阶段消耗2个ATP，在第二、第三阶段各产生2个ATP，因此，净增加2个ATP，同时还得到2分子NADH。糖酵解总反应式：G+2ADP+2Pi+2NAD+2丙酮酸＋2ATP+2NADH+2H++2H2O2、丙酮酸氧化脱羧（部位：线粒体基质）丙酮酸+CoA－SH+NAD+丙酮酸脱氢酶系乙酰CoA＋CO2+NADH+H+（在细胞呼吸中第一次放出CO2，并得到2分子的NADH）3、柠檬酸循环（部位：线粒体基质）共8步：①乙酰CoA＋草酰乙酸＋H2O柠檬酸合成酶柠檬酸＋CoA－SH（柠檬酸合成酶是柠檬酸循环中第一个调节酶，也是最关键的调节酶）②柠檬酸顺乌头酸酶顺乌头酸＋H2O顺乌头酸＋H2O顺乌头酸酶异柠檬酸③异柠檬酸＋NAD+异柠檬酸脱氢酶α－酮戊二酸＋NADH+H++

CO2（柠檬酸循环中第一次氧化脱羧；异柠檬酸脱氢酶是柠檬酸循环中的第二个调节酶）④

α－酮戊二酸＋NAD+＋CoA－SHα－酮戊二酸脱氢酶系琥珀酰CoA＋NADH+H++

CO2（柠檬酸循环中第二个氧化脱羧反应）⑤琥珀酰CoA＋GDP+Pi琥珀酰CoA合成酶琥珀酸＋GTP＋CoA－SHGTP+ADP二磷酸核苷激酶ATP+GDP（柠檬酸循环中唯一的一次底物水平磷酸化）⑥琥珀酸＋FAD琥珀酸脱氢酶延胡索酸＋FADH2（柠檬酸循环中第三个氧化反应；琥珀酸脱氢酶是柠檬酸循环中唯一一个以FAD为辅酶的酶，也是柠檬酸循环中唯一一个位于线粒体内膜上的酶，直接与线粒体内膜上的电子传递链相联系）⑦延胡索酸＋H2O延胡索酸酶苹果酸⑧苹果酸＋NAD+苹果酸脱氢酶草酰乙酸＋NADH+H+（柠檬酸循环中第4次氧化反应，也是最后一次）柠檬酸循环小结：1分子G通过糖酵解和丙酮酸氧化脱羧形成的2分子乙酰CoA，经过柠檬酸循环，共形成2个ATP、6个NADH、2个FADH2，并放出4个CO2。一次柠檬酸循环包括2次脱羧反应、4次氧化作用，其中3次氧化作用以NAD+为电子受体，1次以FAD为电子受体。ATP只在一步反应中产生。柠檬酸循环的意义①柠檬酸循环的基本功能是分解代谢，将底物乙酰CoA氧化成CO2，伴随着将氧化的能量以还原辅酶并最终以ATP的形式储存起来，是生物分解代谢的一种方式。②它在生物需氧能量代谢中起中心作用，几乎所有分解代谢途径最终都是进入柠檬酸循环而被彻底氧化，是体内产生ATP的主要途径。③为合成代谢途径提供前体。4、电子传递链和氧化磷酸化（部位：线粒体内膜上）（1）电子传递链概念线粒体内膜上存在着由多种酶和辅酶所组成的递氢体、递电子体，它们按一定的顺序排列，将H和电子按顺序传递，使代谢物脱下的H最终形成水，这一系列递氢体和递电子体所组成的链叫电子传递链或呼吸链。（2）电子传递过程NADHFMN和Fe－S蛋白组成的复合物辅酶QCytb、Cytc1和Fe－S蛋白组成的复合物CytcCytaa3和2个铜原子组成的复合物O2（形成水）FADH2电子传递过程：（3）电子传递的抑制剂①鱼藤酮：阻断电子从NADH向辅酶Q的传递②抗霉素A：阻断电子从Cytb向Cytc1的传递③氰化物、CO等：阻断电子从Cytaa3向O2的传递（4）氧化磷酸化概念电子传递过程中耦联着ADP磷酸化的作用，就叫氧化磷酸化。（5）氧化磷酸化耦联机制——化学渗透学说位于线粒体内膜上的电子传递链可以看成是H+泵，电子传递所释放的能量将H+从线粒体基质移向膜间腔，也就是内膜外侧，造成内膜外侧H+浓度较大，从而形成H+跨膜电位梯度及跨膜电位差（外正内负），于是内膜外侧的H+顺着电化学梯度，通过线粒体内膜上ATP合成酶复合体所形成的通道，从膜间腔又流回H+浓度较低的线粒体基质中，这个过程中释放的能量促使ADP形成ATP。（6）氧化磷酸化的耦联部位NADHFMN、Fe－S蛋白复合物CoQCytcCytaa3O2FADH2CytbCytc1①

②

③

5、G氧化分解所产生的ATP统计糖酵解：己糖分子活化(G磷酸化和F－1,6－2P的形成)－2ATP底物水平磷酸化4ATP产生2个NADH，通过电子传递链4或6ATP丙酮酸氧化脱羧：产生2个NADH6ATP柠檬酸循环：底物水平磷酸化2ATP产生6个NADH18ATP产生2个FADH24ATP合计：36或38ATP注意：为何糖酵解产生的2个NADH通过电子传递链有时产生4个ATP，有时产生6个ATP？因为糖酵解是在细胞质基质中进行的，而电子传递链和氧化磷酸化的部位是在线粒体内膜上，所以糖酵解产生的NADH必须穿过线粒体内膜进入线粒体，才能发生氧化磷酸化产生ATP。但线粒体内膜对NADH又是不通透的。糖酵解产生的NADH所携带的高能电子可通过2种途径进入线粒体：①磷酸甘油环路磷酸二羟丙酮3－磷酸甘油NADH＋H+NAD＋3－磷酸甘油磷酸二羟丙酮><FADFADH2细胞质基质线粒体基质线粒体膜②苹果酸－天冬氨酸环路苹果酸草酰乙酸NADH＋H+NAD＋草酰乙酸苹果酸细胞质基质线粒体基质线粒体膜NADH＋H+NAD＋天冬氨酸天冬氨酸6、细胞呼吸效率G通过细胞呼吸所释放的能量，有38％用来形成ATP，转变为可供细胞直接利用的化学能；其余的能量以热能形式散失。7、无氧呼吸最常见的无氧呼吸是发酵。（这里主要介绍酒精发酵和乳酸发酵）有氧呼吸和无氧呼吸在前面阶段的过程是一样的，都是1分子G通过糖酵解形成2分子丙酮酸。此后，丙酮酸的去向发生分叉。（1）有氧条件下：丙酮酸氧化脱羧，形成乙酰CoA，进入柠檬酸循环。（2）无氧条件下：①酒精发酵（一般发生在酵母菌等微生物和植物细胞中）1G2丙酮酸2乙醛丙酮酸脱羧酶2乙醇＋2ATP＋2CO2＋2H2ONADH＋H+NAD＋②乳酸发酵（一般发生在乳酸菌等微生物和高等动物中）1G2丙酮酸NADH＋H+2乳酸＋2ATP＋2H2ONAD＋乳酸脱氢酶8、其它物质的氧化分解除糖类外，Pr和脂肪也能氧化分解提供能量。但它们在氧化分解时，先转变成某种中间代谢物，然后进入糖酵解或柠檬酸循环而被彻底氧化。例如，Pr先分解成aa，然后各种aa通过脱氨基作用等反应，生成相应的中间代谢物而进入柠檬酸循环。脂肪酸可以先跟CoA结合，并消耗1个ATP形成脂酰CoA，然后再通过若干次β氧化，形成乙酰CoA，每形成一个乙酰CoA就能产生5个ATP，而形成的乙酰CoA可以进入柠檬酸循环继续氧化。脂肪的贮能效率很高，同等质量的脂肪所储存的能量是G或aa的2倍多，因此被很多动植物用来作为重要的贮能物质。六、光合作用（Photosynthesis）1、光合作用的发现公元前3世纪，古希腊，亚里士多德：土壤是构成植物体的原料。17世纪初，布鲁塞尔，VanHelmont：柳树生长实验（水是构成植物体的原料）1772，英国，JosephPriestley：植物能延长密闭容器中小鼠的生命实验（植物能净化空气）1779，荷兰，JanIngenhousz：确定光合作用需要光1782，日内瓦，J.Senebier：确定光合作用的原料之一是CO2，产物中含O21804，日内瓦，N.T.deSaussure：认为光合作用的原料中含水1864，J.V.Sachs：确定光合作用产物中含糖类1937，英国，R.Hill：发现离体叶绿体在无CO2条件下也能放出O2（光合作用产生的O2不是来自CO2）20世纪40年代初：同位素示踪实验（光合作用产生的O2来自水）至此，光合作用的反应物和产物已全部弄清。2、光合色素和光系统（1）光合色素高等植物叶绿体的光合色素位于类囊体的膜上，包括叶绿素和类胡萝卜素。①吸收光谱叶绿素是一类含镁的卟啉衍生物，包括叶绿素a和叶绿素b。叶绿素在吸收光谱中有2个吸收峰，分别位于红光区（640～660nm）和蓝紫光区（430～450nm），即主要吸收红光和蓝紫光，而对黄、橙、绿光吸收较少，对绿光吸收最少，因此叶绿素溶液呈绿色。类胡萝卜素包括叶黄素和胡萝卜素，它们在吸收光谱中的最大吸收峰位于蓝紫光区。②作用光谱指不同波长的光所引起的光合作用效率。叶绿素是高等植物的主要光合色素，而类胡萝卜素是辅助色素。（2）光系统由光合色素装配成的、能够把吸收的光能聚集到光反应中心的系统，叫光系统。与光系统组成相关的2个现象：①虽然叶绿素在波长为680～700nm时仍有较强的吸收，但光合作用效率在680nm以上时急剧下降，这种现象叫红降。②当用波长为700nm和600nm的光同时照射时，光合作用的速度比分别用700nm或600nm的光照射时所产生的光合作用的总和还要大，这种现象叫双光增益效应或爱默生效应。这两个现象使人们设想，光合作用可能是通过2个光系统接力完成的，分别叫光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ），使两者发挥最大效能的光的波长不同。进一步研究表明，PSⅠ和PSⅡ都含有少数几个特化的叶绿素a，PSⅠ的特化叶绿素a在红光区的吸收峰位于700nm处，叫P700，是PSⅠ的反应中心；PSⅡ的特化叶绿素a在红光区的吸收峰位于680nm处，叫P680，是PSⅡ的反应中心。除P700和P680之外，其余的叶绿素叫天线叶绿素，它们和类胡萝卜素一起，负责捕捉光能，并把光能传递给P700和P680。3、光合作用的过程（1）光反应原初反应：光合作用中发生于最起始阶段的反应叫原初反应，它是光合作用中直接与光能利用联系着的反应，包括光能的吸收、传递和转换过程。通过水的光解和电子传递所积累的质子位于类囊体腔中，使类囊体膜的内外两侧形成跨膜H+梯度，H+可穿过类囊体膜上的ATP合成酶复合体，从类囊体腔进入叶绿体基质，这个过程中释放的能量促使促使ADP磷酸化为ATP，这个过程即光合磷酸化。光合磷酸化：由光照引起的电子传递与磷酸化作用相耦联而生成ATP的过程，叫光合磷酸化。非环式光合磷酸化和环式光合磷酸化（2）暗反应光反应的电子传递和光合磷酸化都发生在叶绿体的类囊体膜上，而暗反应发生在叶绿体基质中。暗反应的过程，也就是CO2被固定并还原的过程。（光反应模式图）①卡尔文循环（TheCalvinCycle）大多数绿色植物的暗反应是通过卡尔文循环来完成的。固定CO2的RuBP羧化酶，是CO2形成有机物的关键酶，占叶绿体Pr总量的50％，也是生物界最丰富的Pr。卡尔文循环的最终产物是3－磷酸甘油醛，它是一个三碳糖，固定CO2的第一个产物PGA也是一个三碳糖，因此，通过卡尔文循环来固定和还原CO2的植物叫C3植物。在卡尔文循环中，每形成一个可用于合成G的3－磷酸甘油醛，要消耗9个ATP和6个NADPH，它们都由光反应提供。（光合作用全程浏览）②C4途径某些禾本科植物和生活在高强光、热带地区的植物，通过C4途径来固定CO2，因为CO2被固定后的第一个产物是四碳化合物，这类植物就叫C4植物。C4植物的叶片结构与C3植物不同。在C4途径中，叶肉细胞用来固定CO2的是磷酸烯醇式丙酮酸，催化该反应的是PEP羧化酶。（具体过程）C4植物和C3植物的暗反应，最终都是通过卡尔文循环来完成CO2的还原，只不过最初固定CO2的步骤有所不同。C4植物的光合效率通常要高于C3植物（原因之一：PEP羧化酶固定CO2的能力极强）4、光呼吸（2）过程在叶绿体中，RuBP羧化酶的催化作用具有两重性：CO2浓度较高时，它催化RuBP与CO2结合；而O2浓度较高时，它催化RuBP与O2结合，生成3－磷酸甘油酸和2－磷酸乙醇酸，后者进一步水解成乙醇酸和磷酸。乙醇酸是光呼吸的底物，它在叶绿体中形成后，就进入过氧化物酶体，在这里被氧化成Gly，然后Gly进入线粒体，在这里，2分子的Gly转变为Ser并放出CO2。所以光呼吸是在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体3种细胞器共同作用下完成的。（1）概念：光呼吸是指植物的绿色细胞