细胞代谢光合作用

关于细胞代谢光合作用2CO2+H2O+hv有机化合物(化学能)4.1.1自养生物通过光合作用将太阳光能转化为化学能储存：贮存或被利用4.1生活细胞获得的能量主要来自太阳能Photosynthesis第2页,共58页，2024年2月25日，星期天3

脂类、淀粉、蛋白质CO2+H2O+能量用于生物体的各种能量需求，包括做功生物氧化4.1.2

异养生物通过细胞呼吸分解有机物释放能量做功或合成功能物质：第3页,共58页，2024年2月25日，星期天4有机分子分解发热(体温)ATP肌肉、纤毛运动物质过膜运动合成所需结构成分或功能物质生物电第4页,共58页，2024年2月25日，星期天生物体把能量用在生命活动的各个方面

生命活动能量消耗(kJ/h)坐着写字117.23随意站着125.60散步661.51-967.15游泳2239.94实验室工作305.65进食117.23骑自行车711.76-2152.02舞蹈845.73-2507.89慢跑3621.85从小分子物质合成大分子需要能量胞外物质进入细胞需要能量第5页,共58页，2024年2月25日，星期天6光合作用是最重要的吸能过程细胞呼吸（有氧氧化）是重要的放能过程叶绿体和线粒体是主要的能量转换器。4.1.3物质的合成过程是吸能过程，分解过程是放能过程生命体和生命过程可看作是物质和能量的一种转换机构和转换过程第6页,共58页，2024年2月25日，星期天7CO2+H2O+hvC6H12O6+O2

糖类、脂类、蛋白质地球：750亿吨C/yearCO2,H2O有机小分子photosynthesis叶绿体线粒体CellularrespirationSunLightATP用于保温、做功等第7页,共58页，2024年2月25日，星期天8光能不能直接转化为糖、脂肪、蛋白质等分子中的化学能，需要先转化为ATP后，再用于有机分子的合成；生物体也不能直接利用糖、脂肪、蛋白质等化合物中的化学能，而需先将其中的化学能转移到ATP中，再由ATP分解放能供需能过程利用。4.1.4

ATP是生命体的能量通货第8页,共58页，2024年2月25日，星期天930.5kJ/mol第9页,共58页，2024年2月25日，星期天10酶也是通过改变反应历程，降低反应活化能而加快反应速率4.2细胞内所有化学反应均需由酶催化完成第10页,共58页，2024年2月25日，星期天11相较一般催化反应，酶催化反应具有明显特征催化效率高；专一性强；反条件温和；无副反应；催化活力可调节等。酶催化反应受到多种因素的影响酶是蛋白质，凡能使蛋白质变性的因素都能使酶的结构遭受破坏而失去活性。如强酸、强碱、高温等。第11页,共58页，2024年2月25日，星期天12某些RNA具有催化功能——核酶核酶（ribozyme）——某些具有催化功能的RNA，为核酶。核酶的发现，开辟了生物化学研究的新领域，提出了生命起源的新概念：即RNA可能是早于蛋白质和DNA出现的生物大分子。第12页,共58页，2024年2月25日，星期天134.3

物质的跨膜转运4.3.1膜结构的有序性使物质过膜转运具有选择性膜的选择透性源于脂双层和膜上的转运蛋白非极性及弱极性小分子，可自由透过膜;极性分子或带电粒子，则必须依靠膜上的运载蛋白协助过膜；较大的固态或液态颗粒，则以内吞或外排方式过膜。第13页,共58页，2024年2月25日，星期天144.3.2物质顺浓度梯度（化学势梯度）从高浓度侧向低浓度侧运输称被动转运（或扩散）不需要传递蛋白的协助不需消耗化学能；顺浓度梯度进行。

非极性和弱极性小分子物质可透过膜从高浓度侧向低浓度侧扩散O2、CO2在血浆和细胞内的交换第14页,共58页，2024年2月25日，星期天154.3.3

渗透是水分子的被动转运

水在膜内外的渗透可影响细胞内外水的平衡及细胞的形态：IsotonicsolutionHypotonicsolutionHypertonicsolution(1)Normal(4)Flaccid(2)Lysing(5)Turgid(3)Shriveled(6)ShriveledANIMALCELLPLANTCELLPlasma

membrane第15页,共58页，2024年2月25日，星期天16SolutemoleculewithclusterofwatermoleculesHypotonicsolutionSolutemoleculeHYPOTONICSOLUTIONHypertonicsolutionSelectively

permeable

membraneHYPERTONICSOLUTIONSelectively

permeable

membraneNETFLOWOFWATERWatermolecule第16页,共58页，2024年2月25日，星期天17

非脂溶性的极性分子需在传递蛋白的协助下，顺浓度梯度透过膜。特点：需要转运蛋白的协助；不需消耗化学能；顺浓度梯度进行。两种方式:由通道蛋白或由传递蛋白协助4.3.4专一蛋白使被动转运易化——易化扩散（促进运输）第17页,共58页，2024年2月25日，星期天18Solute

moleculeTransport

protein转运蛋白协助物质过膜具有许多特点对被转运物质具有选择性——专一性具有饱和性能被底物类似物抑制形成亲水通道引起转运蛋白构象变化，在膜的另一侧释放底物第18页,共58页，2024年2月25日，星期天194.3.5物质在载体的协助下，逆电化学梯度的跨膜运输称主动转运特点：逆电化学式进行需要转运蛋白帮助；需要消耗化学能来克服电化学势。举例：K+、Na+的跨膜运输第19页,共58页，2024年2月25日，星期天20K+、Na+的跨膜转运第20页,共58页，2024年2月25日，星期天21物质的跨膜转运转运分子通道蛋白载体蛋白简单扩散通道介导扩散载体介导扩散主动转运被动转运电梯度化学第21页,共58页，2024年2月25日，星期天22协同运输：某种物质在顺电化学梯度运输的同时，协助另一物质跨膜运输。葡萄糖、氨基酸的转运第22页,共58页，2024年2月25日，星期天234.3.6大分子物质或颗粒物质通过胞吞和胞吐跨膜转运(endocytosis)胞吞有三种类型：吞噬；胞饮；受体介导的胞吞C受体介导的胞吞第23页,共58页，2024年2月25日，星期天24CYTOPLASM胞吐第24页,共58页，2024年2月25日，星期天4.4.1

人们对光合作用的认识历经300多年4.4光合作用1642年，VanHelmont：水柳树试验；17世纪后叶：植物叶片上有气孔，与空气发生作用1770年，Priestley：绿色植物释放氧气；18世纪中叶：植物生长需要泥土、空气、水三要素第25页,共58页，2024年2月25日，星期天261779年荷兰植物生理学家Ingenhousz：植物释放氧需要阳光，且仅发生在植物的绿色部分；1782年，植物在光照时，吸收CO2，放出O219世纪后半叶，完成了对光合作用的基本认识

CO2+H2O

C6H12O6+O2hv第26页,共58页，2024年2月25日，星期天绿色植物在光照时放出氧第27页,共58页，2024年2月25日，星期天281940sMelvinCalvin及其同行：

利用同位素示踪证实：光合作用放出的O2来自H2O

1930SStanford的研究生Niel:

光合作用放出的O2来源于H2O。依据：紫硫菌：CO2+2H2S(CH2O)+2S+H2O植物：CO2+2H2O(CH2O)+O2+H2O第28页,共58页，2024年2月25日，星期天29光合作用放出的O2来自H2O的裂解ATPO18O18O2NADPHADPNADP+光能CO2H2O葡萄糖Calvin循环类囊体光反应碳反应第29页,共58页，2024年2月25日，星期天301905年Blackman:

光合作用包括一个依赖光、不依赖温度和一个依赖温度、不依赖光的两个过程第30页,共58页，2024年2月25日，星期天光合作用（photosynthesis)：是指自养生物绿色细胞捕获和利用太阳能，将无机小分子合成有机物，将太阳能转化为化学能并储存在有机分子中的过程。总结：绿色植物利用太阳能，通过光反应和碳反应两个过程，使水裂解放出O2，同时将CO2还原成糖。第31页,共58页，2024年2月25日，星期天324.4.2

光反应实现光能的转换、H2O的裂解和O2的释放光反应：在叶绿体类囊体膜上，光合色素吸收光能，裂解H2O并放出O2，同时生成ATP和NADPH的过程。H2O+NADP+

NADPH

+H+

+

O2

ADPATPhv第32页,共58页，2024年2月25日，星期天33光反应在叶绿体类囊体膜上进行类囊体内类囊体膜上含有：叶绿素A和B、胡萝卜素、叶黄素等色素分子第33页,共58页，2024年2月25日，星期天34植物光合作用光谱好氧细菌的分布显示叶绿素的作用光谱光合色素可吸收光能，其主要吸收波长在红光和蓝光区第34页,共58页，2024年2月25日，星期天352.2.3光能的接受和转换由光合色素完成

光合色素第35页,共58页，2024年2月25日，星期天36光合色素：叶绿体中所含的参与光合作用的色素。有叶绿素A、叶绿素B、胡萝卜素、叶黄素等。辅助色素：捕捉光能，并通过诱导共振方式传递至作用中心色素分子作用中心色素：特化叶绿素a，与蛋白质结合，一对异二聚体，既能捕获光能，又能将光能转换成电能（还原势、电子传递电势）光能的接受和转换由光合色素完成第36页,共58页，2024年2月25日，星期天37photosystemPrimary

electronacceptorPhotonReactioncenterPigmentmoleculesofantenna光合色素在叶绿体内膜上组成两个光反应系统，PhotosystemⅠ,PhotosystemⅡ第37页,共58页，2024年2月25日，星期天38光系统

①少数P680分子：——反应中心②光反应中心蛋白：主要有D1、D2③天线叶绿素：与叶黄素等辅助色素一起接受与捕捉光能，并传递给P680；光系统Ⅱ①1-2个P700分子：——光反应中心②光反应中心蛋白：主要有PSAa,PSAb，与P700紧密结合③天线叶绿素：与类胡萝卜素一起接受与捕捉光能，并传递给P700；两系统之间又由电子传递链相连，共同完成光反应第38页,共58页，2024年2月25日，星期天39类囊体腔

(highH+)Thylakoid

membraneStroma

(lowH+)LightAntenna

moleculesLightELECTRONTRANSPORT

CHAINATPSYNTHASEPhotosystemⅡPhotosystemⅠ第39页,共58页，2024年2月25日，星期天40光系统Ⅰ的主要特征是使NADP+还原

其作用中心是P700。当PSI的作用中心色素分子P700吸收光能而被激发后，将电子供给Fd（铁氧还蛋白），在NADP+还原酶的参与下，Fd将NADP＋还原成NADPH＋H＋2.2.6

光系统Ⅱ的光反应是短波反应，主要特征是水的光解和放氧,并使P700还原

其作用中心是P680，它吸收光能，将水分解，夺取水中的电子供给光系统Ⅰ。第40页,共58页，2024年2月25日，星期天41基态P700铁氧还蛋白PSⅠ天线色素分子hν激发态基态天线分子E激发态缺2eP700分子2e可溶铁氧还蛋白NADP+NADPHH+激发态PSⅡ天线色素分子hυ基态P680E激发态缺2eP6802eQPQCytb6-fPCH2O2e+2H++1/2O2内囊体基质ADP+PiATP叶绿体基质返回原初电子受体原初电子受体第41页,共58页，2024年2月25日，星期天42光反应产物O2的释放：NADPH的生成：ATP的生成：——供生物呼吸为碳反应提供能量和还原剂

这种有两个光系统参与，并伴随着H2O的裂解、氧的释放和NADPH的生成的磷酸化作用称为非环式光合磷酸化。H2O+NADP+

NADPH+H++O2ADPATPhv第42页,共58页，2024年2月25日，星期天43P700释放的电子经原初电子受体传递给Fd

PQ

Cytb6-f

PC而又回到P700。这一过程称为环式光合磷酸化

特点：不裂解水,不放出氧气；

也不产生NADPH；

但仍可产生一定量的ATP。NADP+不足时，电子沿一条环形途径传递回到P700

，称环路光合磷酸化。第43页,共58页，2024年2月25日，星期天44铁氧还蛋白细胞色素复合物质体兰素P700ATP铁氧还蛋白NADP+还原酶NADP+NADPH2e原初电子受体QPQ原初电子受体P6802elight第44页,共58页，2024年2月25日，星期天454.4.3

光反应生成的NADPH在叶绿体基质中通过一个循环过程将CO2还原成糖---碳反应碳反应:是指在叶绿体基质中，利用光反应产生的ATP和NADPH作为能源和还原剂，将CO2还原成糖的过程。

部位：叶绿体基质中；原料：CO2、NADPH、ATP、CO2受体RuBP及有关酶；过程：Calvin循环第45页,共58页，2024年2月25日，星期天46Figure7.10BCalvincycle是一个耗能的氧化还原过程INPUT:StepCarbonfixation.Inareactioncatalyzedbyrubisco,3moleculesofCO2arefixed.11StepEnergyconsumptionandredox.23PPP626ATP6ADP+P6NADPH6NADP+6PG3PStepReleaseofonemoleculeofG3P.3CALVIN

CYCLEOUTPUT:PGlucose

andother

compounds1G3PStepRegenerationofRuBP.4G3P43ADP3ATP3CO25PRuBP63-PGA3第46页,共58页，2024年2月25日，星期天476RuBP+6CO22G3P+6RuBP18ATP12NADP+12NADPH18ADP+18Pi循环一次

在Calvin循环循环中，CO2固定的第一级产物为三碳的PGA，这类植物称C3植物，CO2的这种固定途径称为C3途径。

2G3P

————

C6H1206

完成一次Calvincycle生成一分子3-磷酸甘油醛第47页,共58页，2024年2月25日，星期天48光合作用的化学反应过程回顾:光合作用利用光能制造食物LightChloroplastPhotosystemII

ElectrontransportchainsPhotosystemICalvincycleStromaElectronsLIGHTREACTIONSCALVINCYCLECellularrespirationCelluloseStarchOtherorganiccompounds第48页,共58页，2024年2月25日，星期天4.4.4C3植物在干旱炎热的气候条件下产生光呼吸现象光照、高O2、低CO2线粒体过氧化物酶体叶绿体植物在光照条件下，在光合作用的同时，吸收O2放出CO2的过程。第49页,共58页，2024年2月25日，星期天50

有些植物固定CO2的第一产物不是3-磷酸甘油酸，而是四碳的有机化合物如草酰乙酸、苹果酸等，再经一系列变化转变为糖，这一途径称C4途径。具有C4途径的植物称为C4植物。C4途径实际上是CO2的一种传递途径，CO2最终仍要进入Calvin循环合成糖。对高温干旱地区植物，C4途径是一种有效捕获CO2的途径。（why?)

说明：4.4.5

有些植物固定CO2的第一产物不是3-磷酸甘油酸，而是四碳的有机化合物第50页,共58页，2024年2月25日，星期天51C3植物与C4植物