新版细胞代谢专业知识讲座

生命化学基础2细胞结构与细胞通讯3细胞代谢4细胞分裂和分化5第1篇细胞1新版细胞代谢专业知识讲座第1页细胞代谢44.1能与细胞4.2生物催化剂——酶4.3细胞呼吸4.4光合作用2新版细胞代谢专业知识讲座第2页4.1能与细胞

3新版细胞代谢专业知识讲座第3页物质代谢能量代谢同化作用异化作用合成物质贮存能量分解物质释放能量新陈代谢新陈代谢是生物体内进行化学改变总称是物质和能量改变生命活动过程4新版细胞代谢专业知识讲座第4页化学能是活生物体内最主要能量形式。细胞中能量转化效率不可能是100%，总有一部分转化为热形式逃逸。细胞代谢

吸能反应——合成放能反应——分解5新版细胞代谢专业知识讲座第5页能利用6新版细胞代谢专业知识讲座第6页ATP是细胞中惯用能量载体——能量通货7新版细胞代谢专业知识讲座第7页8新版细胞代谢专业知识讲座第8页4.2生物催化剂——酶9新版细胞代谢专业知识讲座第9页用量少而催化效率高不改改变学反应平衡点可降低反应活化能1、酶促反应特点与普通催化剂相比有以下共性：10新版细胞代谢专业知识讲座第10页高效性特异性反应条件温和易变性失活酶活性是受调控酶作为生物催化剂特征绝对一专一性相对专一性立体构型专一性11新版细胞代谢专业知识讲座第11页2.酶活性中心酶是生物大分子，酶作为蛋白质，其分子体积比底物分子体积要大得多。在反应过程中酶与底物接触结合时，只限于酶分子少数基团或较小部位。酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应部位，称为酶活性中心（activesite）。12新版细胞代谢专业知识讲座第12页酶活性中心包含两个功效部位：一个是结合部位，是酶与底物结合基团，决定酶专一性；另一个是催化部位，催化底物敏感键发生化学改变基团，决定酶催化能力。酶活性中心基团均属于必须基团，但必须基团还包含除活性中心之外、对酶表现活力所必须基团，如Ser羟基、Cys巯基、His咪唑基等，它们不与底物结合、或直接参予引发中间产物分解反应，而仅仅是维持酶分子空间构象所必须。13新版细胞代谢专业知识讲座第13页3.影响酶作用原因影响酶促反应原因常有酶浓度、底物浓度、产物浓度、辅因子、pH值、温度、抑制剂、激活剂等。14新版细胞代谢专业知识讲座第14页酶浓度影响15新版细胞代谢专业知识讲座第15页21345678002

4

68Substrate(mmole)Product806040200JuangRH()BCbasics底物浓度影响16新版细胞代谢专业知识讲座第16页温度影响17新版细胞代谢专业知识讲座第17页与酶蛋白结合紧密不易分开者称辅基。与酶蛋白结合疏松，易与酶蛋白分开称辅酶。游离金属离子(如Mg2+、Mn2+等)，称辅助因子。全酶=酶蛋白+辅基(辅酶)辅因子影响18新版细胞代谢专业知识讲座第18页pH影响19新版细胞代谢专业知识讲座第19页抑制剂影响20新版细胞代谢专业知识讲座第20页非竞争性抑制剂竞争性抑制剂21新版细胞代谢专业知识讲座第21页产物浓度影响22新版细胞代谢专业知识讲座第22页23新版细胞代谢专业知识讲座第23页生物一切活动都需要能量。能量起源于糖、脂类和蛋白质在体内氧化。糖、脂类和蛋白质等有机物质在活细胞内氧化分解，产生CO2和H2O并释放能量过程称生物氧化，亦称细胞呼吸(cellrespiration）。4.3细胞呼吸24新版细胞代谢专业知识讲座第24页生物呼吸作用包含有氧呼吸和无氧呼吸。

有氧呼吸是在有氧气条件下，细胞内有机物被彻底氧化分解，最终生成CO2和H2O，并释放出大量能量过程。有氧呼吸反应式是:25新版细胞代谢专业知识讲座第25页

无氧呼吸是指在缺氧条件下，细胞内有机物不能被彻底氧化分解，能量释放相对较少过程。这个过程在微生物中亦称为发酵，如酒精发酵、乳酸发酵。26新版细胞代谢专业知识讲座第26页糖酵解无氧呼吸糖酵解路径(glycolyticpathway)是指细胞在胞浆中分解葡萄糖生成丙酮酸过程，此过程中伴有少许ATP生成。糖酵解分为两个阶段共9个反应，每个分子葡萄糖经第一阶段共4个反应，消耗2个分子ATP为耗能过程，第二阶段5个反应生成4个分子ATP为释能过程。糖氧化27新版细胞代谢专业知识讲座第27页己糖激酶磷酸己糖异构酶磷酸果糖激酶醛缩酶磷酸丙糖异构酶3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸变位酶烯醇化酶丙酮酸激酶28新版细胞代谢专业知识讲座第28页糖酵解过程详细图解29新版细胞代谢专业知识讲座第29页丙酮酸去路酒精发酵乳酸发酵三羧酸循环30新版细胞代谢专业知识讲座第30页丙酮酸氧化脱羧有氧呼吸丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA,是连接糖酵解和三羧酸循环纽带

丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大多酶复合体，包含丙酮酸脱氢酶E1、二氢硫辛酸乙酰转移酶E2、二氢硫辛酸脱氢酶E3三种不一样酶及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸，FAD,NAD+,CoA及Mg2+六种辅助因子组装而成。丙酮酸+CoA+NAD+乙酰CoA+C2O+NADH+H+31新版细胞代谢专业知识讲座第31页在有氧情况下，葡萄糖酵解产生丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成C2O和H2O并产生能量过程，称为柠檬酸循环，亦称为三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle，TCA）。因为它是由H.A.Krebs（德国）正式提出，所以又称Krebs循环。柠檬酸循环有氧呼吸三羧酸循环在线粒体基质中进行。32新版细胞代谢专业知识讲座第32页三羧酸循环33新版细胞代谢专业知识讲座第33页三羧酸循环34新版细胞代谢专业知识讲座第34页35新版细胞代谢专业知识讲座第35页36新版细胞代谢专业知识讲座第36页电子传递链（呼吸链）呼吸链(respiratorychain)是由一系列递氢体和递电子体按一定次序排列所组成连续反应体系，它将代谢物脱下成对氢原子交给氧生成水，同时有ATP生成。实际上呼吸链作用代表着线粒体最基本功效，呼吸链中递氢体和递电子体就是能传递氢原子或电子载体，因为氢原子能够看作是由H+和e组成，所以递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。37新版细胞代谢专业知识讲座第37页递氢体和递电子体按一定次序排列38新版细胞代谢专业知识讲座第38页氧化磷酸化:由呼吸底物脱下氢，经过呼吸链电子传递抵达氧，所发生ADP磷酸化形成ATP作用称氧化磷酸化作用。底物水平磷酸化：ADP或一些其它核苷二磷酸磷酸化是经过来自一个代谢底物磷酸基转移实现。这种磷酸化与电子转递链无关。磷酸化作用光合磷酸化:光合作用中，磷酸化和电子传递是偶联，在光下把无机磷和ADP转化成ATP。39新版细胞代谢专业知识讲座第39页底物水平磷酸化40新版细胞代谢专业知识讲座第40页其它营养物质氧化分解蛋白质氧化分解蛋白质也可被用作能量起源，他们首先被分解为氨基酸。氨基酸在氧化之前，先要经过脱氨转变成某种有机酸，才能进人呼吸代谢路径。比如，丙氨酸脱氨生成丙酮酸，谷氨酸脱氨生成a-酮戊二酸，天冬氨酸脱氨生成草酰乙酸，这些有机酸就可进入柠檬酸循环了。其它一些氨基酸，除脱氨以外，可能还要经过几步反应，然后才能转变为柠檬酸循环中有机酸。41新版细胞代谢专业知识讲座第41页脂肪氧化分解脂肪分解脂肪酸甘油磷酸甘油醛糖酵解乙酰辅酶ATAC脂肪（甘油三酯）在体内主要功效是氧化分解,为机体提供生命活动所需要能量。1g脂肪所产生ATP是1g淀粉2倍。42新版细胞代谢专业知识讲座第42页各种物质代谢相互关系合成代谢和分解代谢两个“往返”过程基本一样，但不完全一致。各种分子代谢路径都是连通。43新版细胞代谢专业知识讲座第43页脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi大分子降解成基本结构单位生物氧化三个阶段NADPH共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分经过磷酸化储存在ATP中小分子化合物分解成共同中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）44新版细胞代谢专业知识讲座第44页PEP丙酮酸生酮氨基酸-酮戊二酸核糖-5-磷酸

甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨丙氨酸甘氨酸丝氨酰苏氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羟丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸胆固醇亮氨酸赖氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸异亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸异亮氨酸甲硫酰氨苏氨酸缬氨酸琥珀酰CoA苹果酸草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸乙醛酸蛋白质淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰氨组氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二单酰CoA1-磷酸葡萄糖45新版细胞代谢专业知识讲座第45页4.4光合作用46新版细胞代谢专业知识讲座第46页光合作用场所类囊体膜光合膜47新版细胞代谢专业知识讲座第47页光合作用(Photosynthesis)是植物、藻类和一些细菌利用叶绿素，在可见光照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气生化过程。光合作用所释放O2终究来自H2O还是CO2？试验：只有供给H218O时，生成氧才是18O2CO2+H2O（光）→（CH2O）+O2

吸能反应合成反应光合作用引论48新版细胞代谢专业知识讲座第48页Experiment#1H218OCO2CO2CO2CO2CO2CO2CO2H2OC18O2C18O2C18O2C18O2C18O2C18O2C18O2Experiment#218Oxygen(HeavyOxygen)IsotopeExperiment…

18O2

O249新版细胞代谢专业知识讲座第49页光合作用过程：

光反应（lightreaction）碳反应（carbonreaction）光合作用步骤：（1）光能吸收，传递和转化。（原初反应）（2）电能转变成活跃化学能。（电子传递和光合磷酸化）（3）活跃化学能转变为稳定化学能。（碳同化）50新版细胞代谢专业知识讲座第50页光反应电子传递和光合磷酸化光能吸收光能传递和转化电能转变成活跃化学能叶绿素光系统51新版细胞代谢专业知识讲座第51页叶绿体色素叶绿素chlorophyll类胡萝卜素carotenoid藻胆素phycobilin

叶绿素a叶绿素bα胡萝卜素β胡萝卜素叶黄素藻红素藻蓝素52新版细胞代谢专业知识讲座第52页叶绿素：chlorophyll（1）种类：a,b（2）性质：不溶于水，易溶于酒精，丙酮等有机溶剂（3）颜色：a（蓝绿色）b（黄绿色）（4）化学结构：叶绿酸酯卟啉环头部：含有极性，可结合水或Pr叶绿醇尾部：是叶绿素亲脂主要原因（5）功效：a：吸收红光和蓝光，部分分子能够将光能转化为电能b：吸收蓝光和橙色光，只含有搜集和传递光能功效。辅助色素。53新版细胞代谢专业知识讲座第53页

类胡萝卜素：carotenoid（1）种类：胡萝卜素（carotene橙色）、

叶黄素（xanthophyllLutein黄色）（2）性质：不溶于水，易溶于有机溶剂（3）功效：辅助色素，预防强光伤害叶绿素

α

βLutein54新版细胞代谢专业知识讲座第54页

藻胆素：phycobilin（1）种类：藻红素phycoerythrobilin（红色）、藻蓝素phycocyanobilin

（蓝色）（2）性质：易溶于水，不溶于有机溶剂，与蛋白质结合形成藻胆蛋白（3）功效：搜集光能55新版细胞代谢专业知识讲座第55页光合色素吸收光谱（absorptionspectrum）56新版细胞代谢专业知识讲座第56页光系统Ⅰ（PSⅠ，PhotosystemⅠ）长波光反应，作用中心色素为P700，可将电子传给NADP使其还原成NADPH。光系统Ⅱ（PSⅡ，PhotosystemⅡ）短波光反应，作用中心色素为P680，使水光解放氧，将水中电子夺取交给PSⅠ。

光系统57新版细胞代谢专业知识讲座第57页光反应是由两个光系统即PSI和PSII开启。连接两个光反应之间电子传递，是由一系列相互衔接电子传递物质(光合电子传递链)完成。在光反应电子传递过程中能产生ATP，称为光合磷酸化。

光合磷酸化分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化。

58新版细胞代谢专业知识讲座第58页1.原初反应（primaryreaction）1．色素分类：作用中心色素聚光色素2．光合作用单位（photosyntheticunit）光合作用单位=聚光色素系统+反应中心3．光能吸收和传递：光→天线色素吸收光量子而激发→光量子在叶绿体色素之间传递→大量光能集中传到作用中心。59新版细胞代谢专业知识讲座第59页D原初电子供体；P作用中心色素分子；A原初电子受体NADP+光光eDPAH2O

作用中心光合单位原初反应过程天线色素eeeH+60新版细胞代谢专业知识讲座第60页2.电子传递与光合磷酸化61新版细胞代谢专业知识讲座第61页光合电子传递链组成：质体醌(PQ)，细胞色素，质体蓝素(PC)等。作用：在两个光系统间传送电子62新版细胞代谢专业知识讲座第62页光系统I所产生电子(水光解释出电子)，经过一系列传递，在细胞色索链上引发ATP形成，并把电子传递到光系统I上去，深入提升能位，使H+还原NADP+成NADPH+。在这个过程中，电子传递不回到原来起点，是一个开放“道路”，故称为非环式光合磷酸化。非循环式光合磷酸化noncyclicphotophosphorylation63新版细胞代谢专业知识讲座第63页noncyclicphotophosphorylation64新版细胞代谢专业知识讲座第64页循环式光合磷酸化(cyclicphotophosphorylation)光系统I产生电子经过Fd(含铁氧化还原蛋白)和Cytb563等以后，只引发ATP形成，不伴随其它反应。在这个过程中，电子经过一系列传递后降低了能位，最终经过PC重新回到原来起点，电子传递是一个闭合回路，故称为环式光合磷酸化。65新版细胞代谢专业知识讲座第65页cyclicphotophosphorylation66新版细胞代谢专业知识讲座第66页RuBPCO2CH2OeˉH+ADP+PiATPNADPNADPH+H+光2光1O2H2O光能吸收电子传递和光合磷酸化碳同化67新版细胞代谢专业知识讲座第67页电子传递链和光合磷酸化(引自Solomon，et.al.，)电子传递68新版细胞代谢专业知识讲座第68页经过光反应后，由光能转变来电能暂时贮存在ATP和NADPH中，叶绿素有了ATP和NADPH,就为下一步暗反应中同化CO2、形成糖类创造了必要条件。69新版细胞代谢专业知识讲座第69页3.CO2固定和还原光合作用第三步是二氧化碳固定和把它还原为糖类，这个过程是在叶绿体间质中进行，而且不需要光照条件，所以叫做暗反应。卡尔文循环（C3路径）C4路径CAM路径70新版细胞代谢专业知识讲座第70页卡尔文循环（C3路径

）大部分植物都是经过C3路径来固定二氧化碳。这种植物称作C3植物。卡尔文循环可分为3个阶段：羧化、还原、RuBP（核酮糖二磷脂）再生。71新版细胞代谢专业知识讲座第71页72新版细胞代谢专业知识讲座第72页C4路径生活在干旱地域植物，为了预防水分蒸发，会关闭气孔，CO2就不能进入叶中，没有稳定CO2供给同化作用，叶细胞中CO2浓度深入下降。不过，叶绿体中水光解继续进行，因为释放O2不能扩散出叶，使得细胞内O2浓度不停增加，轻易发生RuBP氧化，进而严重影响光合作用。为了不受恶劣环境影响，确保光合作用效率，生长在这些环境下植物采取了不一样CO2固定方式。73新版细胞代谢专业知识讲座第73页在C4植物中，CO2固定反应是在叶肉细胞胞质溶胶中进行，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下将CO2连接到磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)上，形成四碳酸：草酰乙酸。草酰乙酸被转变成其它四碳酸(苹果酸和天冬氨酸)后运输到维管束鞘细胞，在维管束鞘细胞中被降解成CO2和丙酮酸，CO2在维管束鞘细胞中进入卡尔文循环。而C3植物叶细胞光合作用发生在叶肉细胞中。74新版细胞代谢专业知识讲座第74页C4路径概要(引自Solomon，et.al.，)75新版细胞代谢专业知识讲座第75页CAM植物也是经过PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）羧化酶固定CO2，固定反应发生在胞质溶胶中，产生大量四碳酸：苹果酸。夜间形成苹果酸暂时储存在叶肉细胞中央液泡中，到了白天，气孔关闭，PEP羧化酶暂时失活，苹果酸从液泡扩散到胞质溶胶中，然后被裂解释放CO2，进入卡尔文循环。到了夜间，气孔又打开，PEP羧化酶被激活，开始新循环。CAM植物与C4植物相同之处是CO2需要固定两次，不一样之处是CAM植物不需要两种类型细胞协同工作。景天酸代谢（CAM）路径76新版细胞代谢专业知识讲座第76页光叶绿体卡尔文循环CH2OG6PF6PFBP2×PEP草酰乙酸苹果酸丙酮酸线粒体CO2苹果酸液泡CO2晚间白天景天酸代谢（CAM）路径77新版细胞代谢专业知识讲座第77页CAM植物仙人球凤梨78新版细胞代谢专业知识讲座第78页79新版细胞代谢专业知识讲座第79页项目光反应暗