江西省德興市高中生物 細(xì)胞與生物大分子 4 細(xì)胞代謝課件.ppt

1 普通生物學(xué) 細(xì)胞和生物大分子 細(xì)胞代謝 第四章細(xì)胞代謝 2 新陳代謝生物最基本的生命活動(dòng) 最重要特征之一 細(xì)胞 新陳代謝的基本單位 3 細(xì)胞代謝細(xì)胞從環(huán)境汲取能量 物質(zhì) 在內(nèi)部進(jìn)行各種化學(xué)變化 維持自身高度復(fù)雜的有序結(jié)構(gòu) 保證生命活動(dòng)的正常進(jìn)行 酶 催化細(xì)胞內(nèi)各種化學(xué)變化 4 能量 生物利用的能量幾乎全都直接 間接來自太陽光 光合作用 唯一直接利用太陽光的過程 細(xì)胞呼吸 間接利用太陽光的過程 本章內(nèi)容 能量 酶 細(xì)胞呼吸 重點(diǎn) 光合作用 重點(diǎn) 5 4 1能與細(xì)胞4 1 1能是作功的本領(lǐng) 4 1 2熱力學(xué)定律4 1 3吸能反應(yīng) 放能反應(yīng)4 1 4atp是細(xì)胞中的能量通貨 4 1 1能是作功的本領(lǐng)生物體內(nèi)作的功多種多樣 肌肉收縮 生物體運(yùn)動(dòng) 物質(zhì)流動(dòng) 細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)合成等 作功都要消耗能量 沒有能 生物就不可能存活 6 7 能 動(dòng)能 勢(shì)能 勢(shì)能 物體因位置 本身排列而具有的能量 即位能 高處物體 化學(xué)能 一種勢(shì)能生物體內(nèi)最重要能量形式電子 帶負(fù)電荷 具勢(shì)能 細(xì)胞中分子 原子排列 勢(shì)能 8 4 1 2熱力學(xué)定律能量可從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式 生命活動(dòng)依賴于能量的轉(zhuǎn)變 熱力學(xué)定律 第一定律 即 能量守恒定律 宇宙中總能量不變 能量不能創(chuàng)造 消滅 只能形式轉(zhuǎn)變 第二定律 能量轉(zhuǎn)變導(dǎo)致宇宙的無序性增加 9 根據(jù)熱力學(xué)第二定律推論一個(gè)特定體系的有序性 其環(huán)境的無序性 生物體是開放體系生物體不斷與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì) 能量交換 10 細(xì)胞 利用有序性低的原料 制造高度有序的結(jié)構(gòu) 氨基酸 特定序列的多肽 多種大分子 結(jié)構(gòu)復(fù)雜的膜系統(tǒng) 生長中的生物體或細(xì)胞是熵值不斷減少的獨(dú)立體系 生存于熵值不斷增加的宇宙之中 外界環(huán)境之中 11 4 1 3吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 放能 吸能反應(yīng)兩大類 吸能反應(yīng) 產(chǎn)物分子中的勢(shì)能 反應(yīng)物分子中的勢(shì)能多 吸收的能量 產(chǎn)物分子勢(shì)能 反應(yīng)物分子勢(shì)能 吸收周圍物質(zhì)的能量 貯存于產(chǎn)物分子中 12 13 光合作用生物界最重要的吸能反應(yīng) 反應(yīng)物 低能量的co2 h2o 產(chǎn)物 高能量的糖 能量來源 太陽光 光能 14 放能反應(yīng) 產(chǎn)物分子中的化學(xué)能 反應(yīng)物分子中的化學(xué)能 釋放的能量 反應(yīng)物分子中勢(shì)能 產(chǎn)物分子中勢(shì)能 細(xì)胞呼吸產(chǎn)生能量 大部分以atp的形式貯藏 供細(xì)胞各種活動(dòng)所需 15 4 1 4atp是細(xì)胞中的能量通貨 atp的結(jié)構(gòu) 16 atp是各種活細(xì)胞內(nèi)的一種高能磷酸化合物 atp的結(jié)構(gòu)簡式 17 atp循環(huán) 通過atp的合成和水解使放能反應(yīng)所釋放的能量用于吸能反應(yīng)的過程 4 2 1酶降低反應(yīng)的活化能酶 生物催化劑 2000多種 非細(xì)胞條件下也能發(fā)揮作用 酶催化作用的原因 降低反應(yīng)活化能 加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行 18 4 2酶 19 酶的活性部位 球蛋白表面的小凹或溝狀部分 其精確結(jié)構(gòu)決定酶的特異性 酶促反應(yīng)的作用機(jī)制 酶促反應(yīng)的特點(diǎn) 1 高效性 提高速度106 1012倍 2 特異性或?qū)Ｒ恍?3 可調(diào)節(jié)性 4 不穩(wěn)定性 20 4 2 2多種因素影響酶的活性多種環(huán)境因素影響 溫度 ph 鹽濃度 非蛋白輔因子 無機(jī)物 鐵 銅 鎂離子 有機(jī)物 又稱輔酶 抑制劑 21 22 輔酶傳遞輔酶i nad h原子 電子 輔酶ii nadp h原子 電子 黃素單核苷酸 fmn h原子 電子 黃素腺嘌呤二核苷酸 fad h原子 電子 輔酶q coq h原子 電子 輔酶a coa 酰基生物素 biotin 羧基 23 酶抑制劑 停止或減慢酶作用 競爭性抑制劑 非競爭性抑制劑兩類 競爭性抑制劑 與底物分子構(gòu)象相似 競爭酶活性部位 酶不能與底物結(jié)合 降低酶活性 非競爭性抑制劑 結(jié)構(gòu)與底物不同 與酶的其它部位結(jié)合 酶分子形狀變化 活性部位不再與底物結(jié)合 抑制酶活性 24 抑制劑的作用可逆或不可逆 競爭性抑制劑的作用可逆 不可逆抑制劑 與酶分子結(jié)合 使之永久失活 甚至使酶分子受到破壞 殺蟲劑 有機(jī)磷殺蟲劑抑制乙酰膽堿脂酶 抗菌素 青霉素抑制細(xì)菌轉(zhuǎn)肽酶 25 26 4 2 3核酶 核酶 rna生物催化劑種類 催化分子內(nèi)反應(yīng)rna的一段在該分子內(nèi)改換位置 此rna分子既是底物又是催化劑 即核酶 催化分子間反應(yīng)催化別的分子反應(yīng) rna核酶分子本身無變化 如催化促進(jìn)線粒體內(nèi)dna復(fù)制的反應(yīng) 27 4 3細(xì)胞呼吸 4 3 1細(xì)胞呼吸引論細(xì)胞呼吸 細(xì)胞在有氧條件下從食物分子 主要是葡萄糖 中取得能量的過程 常溫進(jìn)行 能量貯存atp中 有控制的氧化還原作用 所有細(xì)胞都必須通過氧化有機(jī)物釋放能量 供生命活動(dòng)之需 葡萄糖的氧化分解 c6h12o6 6o26co2 6h2o 能細(xì)胞內(nèi)呼吸作用分為3個(gè)階段 1 糖酵解 2 檸檬酸循環(huán) 3 電子傳遞鏈 28 29 嫦娥二號(hào) 發(fā)射升空瞬間 4 3 2糖酵解一系列反應(yīng) 細(xì)胞質(zhì)中 不需氧 總反應(yīng) 葡萄糖 2adp 2pi 2nad 2丙酮酸 2atp 2nadh 2h 2h2o底物水平磷酸化 底物上的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移到adp 生成atp的磷酸化 30 31 丙酮酸氧化脫羧丙酮酸擴(kuò)散進(jìn)入線粒體 繼續(xù)氧化 丙酮酸氧化脫羧 與輔酶a結(jié)合成活化的乙酰輔酶a 乙酰coa 進(jìn)入三羧酸循環(huán) 釋放1分子co2 生成1分子nadh 丙酮酸氧化脫羧 檸檬酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行 32 4 3 3檸檬酸循環(huán)又稱三羧酸循環(huán)或krebs循環(huán) 琥珀酸脫氫酶位于線粒體內(nèi)膜 其余在線粒體基質(zhì)中 1分子葡萄糖在檸檬酸循環(huán)中產(chǎn)生4個(gè)co2分子 6個(gè)nadh分子 2個(gè)fadh2分子和2個(gè)atp分子 各種細(xì)胞的呼吸作用都有檸檬酸循環(huán) 檸檬酸循環(huán)是最經(jīng)濟(jì)和最有效率的氧化系統(tǒng) 33 34 4 3 4電子傳遞鏈和氧化磷酸化nadh fadh2中的能通過電子傳遞鏈釋放并轉(zhuǎn)移到atp中 電子傳遞鏈 存在于線粒體內(nèi)膜上的一系列電子傳遞體 糖酵解 檸檬酸循環(huán)產(chǎn)生的nadh和fadh2中的高能電子 沿著呼吸鏈上各電子傳遞體的氧化還原反應(yīng)而從高能水平向低能水平順序傳遞 最后到達(dá)分子氧 35 36 細(xì)胞呼吸中的電子傳遞鏈 37 氧化磷酸化 電子傳遞過程中高能電子釋放的能 通過磷酸化被儲(chǔ)存到atp中 這里發(fā)生的磷酸化作用和氧化過程的電子傳遞緊密相關(guān) 稱氧化磷酸化 化學(xué)滲透學(xué)說 1961英mitchell提出 解釋氧化磷酸化的作用機(jī)制 38 電子傳遞體和蛋白質(zhì)復(fù)合體 39 化學(xué)滲透學(xué)說 呼吸作用產(chǎn)生的atp統(tǒng)計(jì)1分子葡萄糖經(jīng)過呼吸作用產(chǎn)生的atp統(tǒng)計(jì) 40 41 糖酵解產(chǎn)生的2分子nadh不能在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行氧化磷酸化 因?yàn)?氧化磷酸化只能在線粒體中通過電子傳遞鏈進(jìn)行 nadh不能透過線粒體膜 實(shí)際通過磷酸甘油環(huán)路或蘋果酸 天冬氨酸環(huán)路進(jìn)行 42 磷酸甘油環(huán)路nadh本身不進(jìn)入線粒體 它的電子由3 磷酸甘油帶入線粒體 3 磷酸甘油穿膜運(yùn)輸2個(gè)電子 消耗1分子atp 因此 1個(gè)nadh實(shí)際上只形成1 5分子atp 43 蘋果酸 天冬氨酸環(huán)路nadh的電子由蘋果酸帶入線粒體 蘋果酸釋放電子成草酰乙酸 草酰乙酸再轉(zhuǎn)變成天冬氨酸穿過線粒體膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì) 細(xì)胞質(zhì)中天冬氨酸再經(jīng)草酰乙酸轉(zhuǎn)變成蘋果酸 進(jìn)入下一輪循環(huán) 此過程nadh的電子運(yùn)輸不耗能 1個(gè)nadh形成2 5分子atp 4 3 5發(fā)酵作用無氧呼吸 細(xì)菌等利用無機(jī)物代替氧作為最終的電子受體進(jìn)行呼吸 發(fā)酵 厭氧細(xì)菌和酵母菌在無氧條件下獲取能量的過程 1 酒精發(fā)酵 葡萄糖經(jīng)糖酵解成丙酮酸 丙酮酸脫羧 放出co2而成乙醛 乙醛接受h 還原成酒精 44 45 46 2 乳酸發(fā)酵 某些微生物 乳酸菌 高等動(dòng)物 人 葡萄糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸不經(jīng)過脫羧 直接接受h 還原成乳酸 無氧呼吸的效率遠(yuǎn)比有氧呼吸低 1 20 但可作為o2供應(yīng)不及時(shí)的應(yīng)急措施 47 4 3 6各種分子的分解和合成氨基酸 脂肪酸的氧化 都首先轉(zhuǎn)化為某種中間代謝物 再進(jìn)入糖酵解或檸檬羧酸循環(huán) 氨基酸氧化 先脫氨 再進(jìn)入呼吸代謝途徑 脂肪酸氧化 轉(zhuǎn)化為乙酰coa 再進(jìn)入檸檬酸循環(huán) 甘油 轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岣视腿?進(jìn)入糖酵解過程 48 49 50 能的利用細(xì)胞呼吸作用釋放的能用于細(xì)胞的各種生命活動(dòng) 1 細(xì)胞生長 分裂時(shí)合成物質(zhì) 2 恒溫動(dòng)物維持體溫 3 細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸 4 動(dòng)物機(jī)械活動(dòng) 5 螢火蟲發(fā)光 電鰻放電等 能都由atp的化學(xué)鍵能轉(zhuǎn)變而來 51 光合作用 綠色自養(yǎng)植物將光能轉(zhuǎn)換為有機(jī)分子的化學(xué)能的過程 光合作用為異養(yǎng)生物提供食物和氧氣 是地球上絕大多數(shù)生物賴以生存的基礎(chǔ) 52 4 4光合作用 4 4 1光合作用引論1 光合作用的發(fā)現(xiàn)柳樹實(shí)驗(yàn) 17世紀(jì)vanhelmont將2 3kg的小柳樹種在90 8kg干土中 雨水澆5年后 小柳樹重76 7kg 而土僅減少57g 由此 他認(rèn)為植物從水中取得所需的物質(zhì) josephpriestley 1772 密閉容器 小鼠 薄荷 janingenhousz 1779 植物凈化空氣依賴光照 j senebier 1782 植物照光吸收co2 釋放o2 n t desaussure 1804 水參與光合作用 j sachs 1864 光合作用產(chǎn)生葡萄糖 光6co2 6h2oc6h12o6 6o2綠色細(xì)胞 53 希爾反應(yīng) 1937 r hill用離體葉綠體培養(yǎng)證明 光合作用放出的o2 來自h2o 40年代初 用18o同位素示蹤 更進(jìn)一步證明光合作用放出的o2 來自h2o 光合作用通式 6co2 12h2oc6h12o6 6h2o 6o2 54 2 光合作用概述光合作用是地球上最重要的化學(xué)過程 為地球上絕大多數(shù)的生物提供食物 自養(yǎng)生物 能進(jìn)行光合作用的生物是自養(yǎng)生物 異養(yǎng)生物 依靠光合作用產(chǎn)物生活的生物是異養(yǎng)生物 光合作用是吸能反應(yīng) 利用太陽光能把co2轉(zhuǎn)變?yōu)樘?并將能量貯存在糖分子內(nèi) 55 56 光合作用分兩個(gè)階段 光反應(yīng) 將光能變成化學(xué)能并產(chǎn)生氧氣 在葉綠體類囊體膜中 發(fā)生水的光解 o2的釋放 atp及nadph的生成 需要光 碳反應(yīng) 在葉綠體基質(zhì)中 利用光反應(yīng)形成的atp和nadph 將co2還原為糖 不需光直接參與 但也必須在光下進(jìn)行 57 4 4 2光反應(yīng)1 葉綠素對(duì)光的吸收在高等植物中 光合色素位于類囊體膜中 作用 吸收日光 吸收光譜 光合色素對(duì)不同波長光的吸收率 吸收高峰在紅光區(qū) 藍(lán)光區(qū) 綠光被大量反射或透射過葉片 故植物葉片顯示為綠色 58 59 德國科學(xué)家恩吉爾曼 c engelmann 實(shí)驗(yàn) 研究光合作用的作用光譜 水綿 好氧細(xì)菌 棱鏡 顯微鏡 得出在紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)光合作用最強(qiáng) 60 主要作用的色素是葉綠素 葉綠素a 葉綠素b 葉綠體中還有類胡蘿卜素 胡蘿卜素 葉黃素 直接參與光合作用的色素只有葉綠素a 葉綠素b和類胡蘿卜素吸收的光傳遞給葉綠素a后才能被光合作用利用 稱為輔助色素 色素吸收光的實(shí)質(zhì)是色素分子中的一個(gè)電子得到光子中的能量 從基態(tài)進(jìn)入激發(fā)態(tài) 成為激發(fā)電子 2 光系統(tǒng)光系統(tǒng) 葉綠體中的光合色素有規(guī)律地組成的許多特殊的功能單位 每一系統(tǒng)包含250 400個(gè)葉綠素和其他色素分子 反應(yīng)中心 光系統(tǒng)中1 2個(gè)高度特化的葉綠素a分子 在紅光區(qū)的吸收高峰略遠(yuǎn)于一般葉綠素a分子 天線色素 光系統(tǒng)中作用中心以外的所有各種色素分子 作用 將吸收的光能傳遞給作用中心的葉綠素a分子 61 62 63 葉綠體中有兩種光系統(tǒng) psi 反應(yīng)中心葉綠素吸收高峰在700nm 稱p700psii p680為反應(yīng)中心 2個(gè)光系統(tǒng)之間有電子傳遞鏈相連接 64 3 光合電子傳遞鏈 65 兩光合作用系統(tǒng)間的協(xié)同作用 光合磷酸化 光合作用中 質(zhì)子穿過類囊體膜上的atp合成酶復(fù)合體上的管道從類囊體腔流向葉綠體基質(zhì) 同時(shí)將能量通過磷酸化而貯存在atp中 這一磷酸化過程在光合作用過程中發(fā)生 稱為光合磷酸化 66 67 氧化磷酸化 光合磷酸化比較 68 光合磷酸化與氧化磷酸化的異同 69 非環(huán)式光合磷酸化psi psii2個(gè)系統(tǒng)參與 伴隨水的裂解 o2的釋放 nadph的形成 atp的形成等作用過程 電子傳遞的途徑不是環(huán)式的 故稱為 非環(huán)式光合磷酸化 70 71 4 4 3碳反應(yīng)1 光合碳還原循環(huán)碳反應(yīng) 葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行 光反應(yīng)中生成的atp和nadph在co2的還原中分別被用作能源和還原物質(zhì) rubp羧化酶 rubisco 二磷酸核酮糖羧化酶calvin循環(huán) co2固定和還原為糖的全部過程 生產(chǎn)一個(gè)可用于細(xì)胞代謝和合成的g3p 需要9個(gè)atp分子和6個(gè)nadph分子參與 72 73 3個(gè)階段 co2固定 氧化還原反應(yīng) rubp的再生 2 c4植物和光呼吸c(diǎn)3途徑和c3植物 co2固定的第一個(gè)產(chǎn)物是三碳的3 磷酸甘油酸 因而稱c3途徑 具有這一co2固定途徑的植物稱為c3植物 干旱炎熱時(shí)關(guān)閉氣孔 減少水分蒸發(fā) 但同時(shí)co2不能進(jìn)入葉片 o2不能逸出co2分壓低 o2分壓高 74 光呼吸光呼吸 植物在光照下 在光合作用的同時(shí)發(fā)生的吸收o2 釋放co2的呼吸 過程 co2分壓低 o2分壓高時(shí) rubp與o2結(jié)合而發(fā)生 來自葉綠體的乙醇酸在過氧化物酶體中氧化 75 76 吸收o2放出co2 光照下 co2低 o2濃度增高時(shí)進(jìn)行 分解有機(jī)物 不產(chǎn)生atp或nadph 77 c4途徑和c4植物 co2固定的第一個(gè)產(chǎn)物是四碳的草酰乙酸 因而稱c4途徑 具有這一co2固定途徑的植物稱為c4植物 c3和c4葉結(jié)構(gòu)的不同 c3 c4 78 co2 co2 c3 c4 79 景天酸途徑 cam途徑 在仙人掌科