能量与代谢1课件

生命活动的能量来源？ATP物质？？？伴随能量转化的物质循环？生命活动中的能量与代谢1、生物体与环境的物质、能量交换能量的来源物质的来源2、细胞内物质和能量的转化物质/能量的载体合成代谢与分解代谢细胞“燃烧”能源物质的基本过程：代谢：英文metabolism物质的转化：无机物与有机物间，有机物之间，小分子与大分子间光合作用、光反应、暗反应、固氮作用、呼吸作用糖酵解、发酵、三羧酸循化、氧化磷酸化你知道这些名词的含义吗？从能量与代谢的观点来看生命活动环境（能量：化学能／光能物质：碳源／氮源．．．）生物体化学能（高能磷酸键、高能电子）自身物质代谢废物运动、能量耗散代谢：化学反应的总称酶催化氧化还原反应与能量2H++2e-

H2-0.42NAD++2H++2e-

NADH+H+-0.32S+2H++2e-

H2S-0.274SO4-2+8H++8e-

H2S-0.22pyruvate+2H++2e-

lactate-0.185FAD+2H++2e-

FADH+H+-0.18cytochromeb(Fe3+)+e-

cytochromeb(Fe+2)0.075ubiquinone+2H++2e-

ubiquinoneH20.10cytochromec(Fe+3)+e-

cytochromec(Fe+2)0.254NO3-+2H++2e-

NO2-+H2O0.421NO2-+8H++6e-

NH40.44Fe+3+e-

Fe+20.771O2+4H++4e-

2H2O0.815电子受体氧化还原电位电子从低氧化还原电位的物质传递到高电位的物质时，放出能量反之，将电子从高氧化还原电位的物质传递到低电位的物质时，需要吸收能量。生物体与环境的物质与能量交换依赖光能依赖化学能电子供体电子受体电子供体电子受体（被氧化）e（被还原）（如H2O）（如CO2，NAD+）光照光照ADP+PiATPe+能量同时考虑物质、能量的来源自养生物（以二氧化碳为碳源）异养生物（以有机物为碳源）化学能异养生物：LithotrophicBacteria吃岩石的细菌NitrifyingBacteria：NH3+11/2O2

HNO2+H2O不需要太阳能的深海生态系统深海火山口BlacksmokerGianttubewormSymbioticbacteria

physiologicalgroupenergysourceoxidizedendproductorganismhydrogenbacteriaH2H2OAlcaligenes,PseudomonasmethanogensH2H2OMethanobacteriumcarboxydobacteriaCOCO2Rhodospirillum,Azotobacternitrifyingbacteria*NH3NO2Nitrosomonasnitrifyingbacteria*NO2NO3NitrobactersulfuroxidizersH2SorSSO4Thiobacillus,SulfolobusironbacteriaFe++Fe+++Gallionella,Thiobacillu部分微生物所利用的能源物质需氧生物与厌氧生物产能反应是否以氧为最终电子受体需氧生物强迫性需氧Obligateaerobes条件性需氧Facultativeanaerobes厌氧生物强迫性厌氧

electronacceptorreducedendproductnameofprocessorganismO2H2OaerobicrespirationEscherichia,StreptomycesNO3NO2,NH3orN2denitrificationBacillus,PseudomonasSO4SorH2SsulfatereductionDesulfovibriofumaratesuccinateanaerobicrespiration

EscherichiaCO2CH4methanogenesisMethanococcus有的微生物在其细胞呼吸中不以氧为最终电子受体

光能自养生物：太阳能转化为化学能（通过还原碳）化学能异养生物：通过氧化含碳化合物获得能量

氧循环、碳循环与能量转化以高能磷酸键形势储存能量分解代谢合成代谢分解代谢的总体框架第一步：大分子水解为单体蛋白质20种氨基酸多糖单糖脂类甘油和脂肪酸分解代谢：第二步：单体化解为更简单的代谢中间物氨基酸脱氨Alpha-酮酸，进入三羧酸循环或生成丙酮酸或乙酰辅酶A葡萄糖丙酮酸甘油丙酮酸脂肪酸乙酰辅酶A丙酮酸转化为乙酰辅酶A葡萄糖的利用:糖酵解途径发生在细胞质中的9步反应。参与化合物：①葡萄糖，②ADP和磷酸，③NAD+。起始阶段还需要消耗2分子ATP来启动。糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个三碳的丙酮酸，2H2O净产生2个ATP，生成2分子NADH，糖酵解不需要氧参与。能量物质的燃烧：

有氧呼吸与无氧呼吸（发酵）有氧途径：NADH以氧作为电子的受体被氧化发酵途径：NADH以有机代谢中间物作为电子受体被氧化能量物质的燃烧：

有氧呼吸与无氧呼吸（发酵）有氧途径：NADH以氧作为电子的受体被氧化发酵途径：NADH以有机代谢中间物作为电子受体被氧化有氧呼吸的总体框架发生在线粒体中。分解丙酮酸形成2分子CO2、8个H，3分子NADH和1分子FADH2，及1分子ATP。Krebs循环也是放能反应过程

Krebs循环三羧酸循环（TCA)柠檬酸循环有氧途径三羧酸循环特点1)乙酰辅酶A参于2）丙酮酸脱羧产生1分子NADH3)2次脱羧,产生2个C024）3次NAD+,1次FAD+还原，产生3分子NADH，1分子FADH5）伴有一次底物磷酸化，产生1分子ATP6)反应在线粒体基质中进行丙酮酸脱氢酶复合物NADH载有的能量如何被转化为ATP？电子传递链与氧化磷酸化1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。化学渗透学说当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的H+质子便穿过膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）而返回到线粒体的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。电子传递链：高能电子从NADH和FADH2最终传递给分子氧，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分子中，每分子NADH产生3分子ATP质子梯度驱动ATP的合成。ATP合成酶由暴露在线粒体基质中的F1单元、与膜结合的Fo单元组成F1的三维空间结构。它由三个alpha、三个beta、一个gamma亚基构成F1催化ATP合成的模型由F1单元组成的分子马达：实验观察到ATP水解与gamma亚基旋转的耦合ATP水解与gamma亚基旋转的耦合F1单向旋转的模型Fo与F1间的耦合（模型）质子跨膜运动推动Fo的a亚基绕C12的转动细胞“燃烧”一分子葡萄糖产生多少ATP？葡萄糖中大约40-50%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。呼吸作用受到的调控：反馈调控激素--〉CAMP--〉外部信号的调控作用双功能酶CauseofPompedisease.....

Pompediseaseiscausedbyacompleteorpartialdeficiencyofthelysosomalenzyme,alpha-glucosidase.Thisenzymeisnecessarytobreakdownglycogenandtoconvertitintoglucose.Withoutthisenzyme,glycogen,athickstickysubstance,accumulatesinthelysosomes(sacswithinthemusclecells)andleadstoseveremuscledegradation.Itpredominatelyaffectstheheart,skeletal,andrespiratorymusclesofthepatient.代谢失调与疾病例：糖元葡萄糖Galactosemiaisaninheriteddisorder。Itoccursatarateofapproximately1outof60,000births.Thereare3formsofthedisease--galactose-1phosphateuridyltransferasedeficiency(classicgalactosemia)anddeficiencyofgalactosekinaseorgalactose-6-phosphateepimerase.Ofthese,thegalactose-1-phosphatetransferasedeficiencyisthemostsevere(andmorecommon).Peoplewithgalactosemiaareunabletofullymetabolizethesimplesugargalactose.Galactosemakesuphalfofthesugar,calledlactose,thatisfoundinmilk.Lactoseiscalledadisaccharide(dimeaning2andsaccharidemeaningsugar)sincelactoseismadeupoftwosugars,galactoseandglucose,boundtogether.Galatosemia半乳糖MSUDisametabolicdisorderwhichaffectsthemetabolismofthebranchedchainaminoacids(BCAAs)leucine,isoleucine,andvaline.TheBCAAsareessentialaminoacidsandmustbeobtainedfromdietaryprotein.Whenmoreproteinisconsumedthanisneededforgrowth,thebranchedchainaminoacidsaredegradedtogenerateenergy.Breakdownoftheseaminoacidsinvolvesaseriesofchemicalreactionsmediatedbyanenzymesystemconsistingof6components,eachmanufacturedunderthedirectionofadifferentgene.InMSUD,oneorseveralofthesegenesismutated,resultinginaninefficientenzymecomplexandaffectingtheconversionofBCAAstoenergy.Theaffectedenzyme(branchedchainketo-aciddehydrogenasecomplex)normallycatalyzesthesecondstepofthedegradation,astepwhichissharedbyallthreeBCAAs.BecausethedegradationcannotproceedinMSUD,metabolitesaccumulatetotoxiclevelsandcauseillness.Theurineofaffectedchildrenhasasweetodorresemblingmaplesyrup(thusthename,maplesyrupurinedisease).InotherpartsoftheworldthesweetodormaybedescribedasburntsugarorIndianspice-like.Theodorisfromaderivativeofisoleucine.支链氨基酸支链酮酸ATP的产生1、底物水平磷酸化2.氧化磷酸化经过电子传递系统，NADH被氧化，ATP被合成ATP的产生ATP的产生3.光合磷酸化光合作用:生物圈的第一生产力能量捕获CO2固定O2释放植物和光能自养微生物能进行光合作用Crosssectionofaleaf基质类囊体基粒叶绿体的结构

叶绿素chlorophyll,a,b胡萝卜素carotenoids,藻胆素phycobilins光合作用的色素叶绿素

叶绿素分子由碳和氮原子组成卟啉环与叶醇侧链相连结叶醇侧链插入到类囊体膜中

叶绿素的分子结构及吸收光谱1883年，德国Engelmann水绵丝状绿藻螺旋带状叶绿体好氧游动的细菌棱镜不同波长的光向着红光和蓝光区域聚集6.4 光系统与光反应光反应发生在类囊体膜上暗反应发生在叶绿体的基质中光系统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光系统。光反应由两个光系统及电子传递链来完成。光能的捕获紫细菌捕光蛋白(LH)与光合反应中心(RC)圆柱体：蛋白质二级结构方块：色素分子RC光反应水的分解（O2释放，NADPH生成）ATP合成光子照射到某些生物分子电子跃迁到更高的能量水平激发态：叶绿素分子是一种可以被可见光激发的色素分子，在光子驱动下发生的得失电子反应是光合作用过程中最基本的反应。光合磷酸化光合磷酸化指叶绿体在光作用下催化ADP+磷酸生成ATP的过程光系统类型光合作用的原初过程chl*+Achl++A-A被还原,chl被氧化chl-++Dchl+D+D+AD++A-光引起氧化还原反应,产生电荷分离人造光反应中心?C·

+-PA-PB-QA-QB·

-光诱导:光反应的调节光活化的叶绿素分子可能变成具有强烈反应活性氧化自由基。类胡萝卜素可以将其“淬灭”其他色素分子也可以有淬灭作用。受到酶的调节。暗反应：CO2固定三分子二磷酸核酮糖(15C)--〉六分子三磷酸甘油醛(totalof18C)1分子产物5分子再生为二磷酸核酮糖3CO2+9ATP+6NADPH

glyceraldehyde-3-phosphate+9ADP+8Pi+6NADP+开尔文循环1：碳的固定2：磷酸甘油酸的还原3：二磷酸核酮糖的再生催化CO2固定的酶：RUBISCO光呼吸作用CO2浓度增加通常能加强光合作用.在CO2浓度较低的情况下：RUBISCO具有氧化酶的活性，光呼吸作用TheuptakeofO2byRUBISCOforms:the3-carbonmolecule3-phosphoglycericacid—justasintheCalvincyclethe2-carbonmoleculeglycolate.--〉CO2凡是在叶肉细胞中,通过卡尔文循环,将二氧化碳固定,生成富含能量的三碳化合物,甘油醛3-磷酸(G3P)的植物,被称为C3植物

大豆,燕麦,小麦,水稻C4植物PEPcarboxylase,whichhasastrongeraffinityforcarbondioxidethandoesRuBPcarboxylaseCO2被浓缩RUBISCO在高CO2,低O2分压的环境中催化。。Atnight,CAMplantstakeinCO2throughtheiropenstomata（气孔）

TheCO2joinswithPEPtoformthe4-carbonoxaloaceticacid（草酰乙酸）Thisisconvertedto4-carbonmalicacid（苹果酸）

thataccumulatesduringthenightinthecentralvacuoleofthecells.Inthemorning,thestomataclose(thusconservingmoistureaswellasreducingtheinwarddiffusionofoxygen).Theaccumulatedmalicacidleavesthevacuole（液泡）andisbrokendowntoreleaseCO2.TheCO2istakenupintotheCalvin(C3)cycle.2.CAM植物：C4与C3循环在时间上分开必须先被转化为氨(NH4)or硝酸盐(NO3).固氮菌：将氮气转化为氨氮的固定大气中氮气含量：79%但绝大多数生物不能利用它为氮源。氮循环固氮反应：N2+8H++8e-+16ATP=2NH3+H2+16ADP+16Piprokaryotes(thebacteriaandrelatedorganisms),usinganenzymecomplextermednitrogenas