能量代謝與生物能的利用PPT課件

1、本章內(nèi)容本章內(nèi)容第1頁/共62頁一、新陳代謝一、新陳代謝（一）新陳代謝的概念：（一）新陳代謝的概念：1 1、概念：、概念： 第2頁/共62頁2 2、類型：、類型：合成代謝：合成代謝： 由小分子合成生物大分子的由小分子合成生物大分子的過程；過程； 耗能耗能分解代謝：分解代謝： 將生物大分子分解成小分子將生物大分子分解成小分子的過程；的過程； 放能放能一、新陳代謝一、新陳代謝第3頁/共62頁新陳代謝 合成代謝（同化作用） 分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝第4頁/共62頁能量代謝：能量代謝： 研究代謝過程中伴隨著生物體的合研究代

2、謝過程中伴隨著生物體的合成代謝分解代謝中能量的變化。成代謝分解代謝中能量的變化。物質(zhì)代謝：物質(zhì)代謝： 即生命物質(zhì)的降解和建成，包即生命物質(zhì)的降解和建成，包括合成代謝和分解代謝。它與能量括合成代謝和分解代謝。它與能量代謝緊密偶聯(lián)、互成因果。代謝緊密偶聯(lián)、互成因果。第5頁/共62頁代謝途徑（代謝途徑（ metabolism pathway) metabolism pathway) ： 指糖、脂類、蛋白質(zhì)、核酸指糖、脂類、蛋白質(zhì)、核酸及水、鹽及水、鹽 代謝的一系列化學(xué)反代謝的一系列化學(xué)反應(yīng)。應(yīng)。代謝物：代謝物： 統(tǒng)指代謝反應(yīng)中任一反應(yīng)物、統(tǒng)指代謝反應(yīng)中任一反應(yīng)物、中間產(chǎn)物或產(chǎn)物。中間產(chǎn)物或產(chǎn)物。一、

3、新陳代謝一、新陳代謝第6頁/共62頁3 3、代謝特點(diǎn)：、代謝特點(diǎn)：1 1）嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)定位）嚴(yán)格的細(xì)胞內(nèi)定位2 2）特異的酶促反應(yīng)）特異的酶促反應(yīng)3 3）共通的代謝間關(guān)聯(lián)）共通的代謝間關(guān)聯(lián)4 4）嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆磻?yīng)順序）嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆磻?yīng)順序5 5）高效率的調(diào)控機(jī)構(gòu)）高效率的調(diào)控機(jī)構(gòu)馬蠅一、新陳代謝總論一、新陳代謝總論第7頁/共62頁中間代謝-物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的分解和合成過程人體細(xì)胞外的消化分為四個(gè)過程：1)口腔內(nèi)的消化 2)胃的消化 3)小腸消化 4)大腸消化第8頁/共62頁（二）研究新陳代謝的方（二）研究新陳代謝的方法：法：1 1、活體內(nèi)與活體外實(shí)驗(yàn)：、活體內(nèi)與活體外實(shí)驗(yàn)：1 1）在活體內(nèi)（）在活體內(nèi)（in

4、vivo）：）： 生物體內(nèi)生物體內(nèi): :動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、組織細(xì)胞培養(yǎng)等。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、組織細(xì)胞培養(yǎng)等。一、新陳代謝一、新陳代謝第9頁/共62頁 例如1904年，德國生物學(xué)家Knoop根據(jù)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)提出脂肪酸 -氧化學(xué)說。 一CH2CH2一CH2CH2一CH2COOH - 2CH3COOH + 一CH2COOH 一CH2一CH2CH2一CH2COOH - 2CH3COOH + 一COOH 第10頁/共62頁2 2）在）在活體外（活體外（in vitro) )：在試管內(nèi)進(jìn)行在試管內(nèi)進(jìn)行: :細(xì)胞切片、勻漿液、提細(xì)胞切片、勻漿液、提 取液等。取液等。 第11頁/共62頁2 2、同位素示蹤法：、同位素示蹤法： 同

5、位素標(biāo)記某種代謝物，然后追蹤同位元素在體內(nèi)的變化途徑，就能獲得有關(guān)代謝途徑的豐富知識(shí)。一、新陳代謝一、新陳代謝第12頁/共62頁3 3、代謝途徑阻斷等方、代謝途徑阻斷等方法法 用抗代謝物或酶抑制劑阻抑中間用抗代謝物或酶抑制劑阻抑中間代謝的某一環(huán)節(jié)，使中間物積累，代謝的某一環(huán)節(jié)，使中間物積累，便于分析和推測(cè)代謝情況。便于分析和推測(cè)代謝情況。一、新陳代謝一、新陳代謝第13頁/共62頁1、下列關(guān)于新陳代謝敘述中不正確的是（ ）A、新陳代謝是一切生物生存的基本條件B、新陳代謝的過程是生物體自我更新的過程C、新陳代謝過程中包含著物質(zhì)變化和能量變化D、新陳代謝包括同化作用和異化作用兩個(gè)完全對(duì)立的過程2、一

6、個(gè)長(zhǎng)期生病、逐漸消瘦。他的新陳代謝的特點(diǎn)是（ ）作用占有優(yōu)勢(shì)。第14頁/共62頁( ( D,異化)二、生物能學(xué)二、生物能學(xué) 生物體內(nèi)新陳代謝的規(guī)律生物體內(nèi)新陳代謝的規(guī)律（一）熱力學(xué)第一定律與生物體系（一）熱力學(xué)第一定律與生物體系 熱力學(xué)第一定律：能量即不能創(chuàng)造也不能消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。1 1、生物體系是一個(gè)開放體系。、生物體系是一個(gè)開放體系。特點(diǎn)：特點(diǎn)：與環(huán)境有物質(zhì)交換和能量交換。與環(huán)境有物質(zhì)交換和能量交換。 第15頁/共62頁2 2、化學(xué)能的變化：、化學(xué)能的變化：光能光能 化學(xué)能化學(xué)能二、生物能學(xué)二、生物能學(xué)光合生物機(jī)械能電能熱能輻射能生物體與環(huán)境的總能量保持不變。特點(diǎn)：能

7、量逐步釋放。第16頁/共62頁（二）熱力學(xué)第二定律與生物體（二）熱力學(xué)第二定律與生物體系系 熱力學(xué)第二定律：指任何一種物理或化學(xué)的過程都自發(fā)地趨向于增加體系與環(huán)境的總熵。第17頁/共62頁自由能：生物體（或恒溫恒壓）用以作功的能量。在沒有作功條件時(shí)，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适Аｌ兀夯靵y度或無序性，是一種無用的能。生命依靠能量的不斷輸入一直在與熱力學(xué)第二定律作抗?fàn)?。?8頁/共62頁G = H - TS 該方程式表說明： G 0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)給體系補(bǔ)充自由能時(shí)，才能推動(dòng) 反應(yīng)進(jìn)行。 G=0 ，表明體系已處于平衡狀態(tài)。 對(duì)于 A +B C +D G= -2.303RTlgK K=CD/AB第19

8、頁/共62頁（三） 高能化合物與ATP的作用 高能化合物-隨水解反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)放出大量自由能的化合物。 高能磷酸化合物-含有高能磷酸轉(zhuǎn)移基團(tuán)的化合物。常用 p表示。例如：葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖 + ADP第20頁/共62頁 生物體內(nèi)的放能反應(yīng)與吸能反應(yīng)偶聯(lián)，最基本的形式是通過高能化合物生物體內(nèi)的放能反應(yīng)與吸能反應(yīng)偶聯(lián)，最基本的形式是通過高能化合物實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)的1 1、類型：、類型：1 1）磷氧鍵型：如）磷氧鍵型：如ATPATP等等2 2）氮磷鍵型：如磷酸肌酸等）氮磷鍵型：如磷酸肌酸等3 3）硫酯鍵型：如脂酰）硫酯鍵型：如脂酰CoACoA等等4 4）甲硫鍵型：）甲硫鍵型：S-S-腺

9、苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸二、生物能學(xué)二、生物能學(xué)第21頁/共62頁機(jī)械能機(jī)械能-運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)化學(xué)能化學(xué)能-合成合成滲透能滲透能-分泌吸收分泌吸收電能電能-生物電生物電熱能熱能-體溫體溫光能光能-生物發(fā)光生物發(fā)光ATPATP是生物系統(tǒng)能量交換的中心是生物系統(tǒng)能量交換的中心熒火蟲熒火蟲2.2.ATPATP的特殊作的特殊作用用二、生物能學(xué)二、生物能學(xué)第22頁/共62頁 其他三磷酸核苷也可作為能量直接來源。 如 三磷酸尿苷（UTP）-用于多糖的合成。 ATP + UDP ADP + UTP 三磷酸胞苷（CTP）-用于磷酯的合成。 ATP + CDP ADP + CTP 三磷酸鳥苷（GTP）-用于蛋白質(zhì)的合成

10、 。 ATP + GDP ADP + GTP 磷酸肌酸-是動(dòng)物組織中的能量貯存形式。 第23頁/共62頁ATP ADPN C NHNHCH2HOOCCH3磷酸肌酸PO-OO-肌酸N C NH2NHCH2HOOCCH3第24頁/共62頁三、生物氧化三、生物氧化（一）概念：（一）概念：概念：概念：有機(jī)物質(zhì)（糖、脂肪和蛋白質(zhì)）在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解而生成COCO2 2和H H2 2O O并釋放出能量的過程稱為生物氧化。 生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。第25頁/共62頁生物氧化生物氧化 燃燒燃燒特點(diǎn)：特點(diǎn)： 在活體細(xì)胞中進(jìn)行，需酶參加在活體細(xì)胞中進(jìn)行，需酶參加 溫和條件溫和條件 復(fù)雜的

11、氧化還原過程復(fù)雜的氧化還原過程 能量逐步釋放，以能量逐步釋放，以ATPATP形式儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)形式儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn) 真核細(xì)胞在線粒體內(nèi)膜，原核細(xì)胞在質(zhì)真核細(xì)胞在線粒體內(nèi)膜，原核細(xì)胞在質(zhì) 膜上進(jìn)行。膜上進(jìn)行。第26頁/共62頁類型：類型：1 1、電子轉(zhuǎn)移：、電子轉(zhuǎn)移：2 2、氫原子的轉(zhuǎn)移：、氫原子的轉(zhuǎn)移：3 3、有機(jī)還原劑直接加氧、有機(jī)還原劑直接加氧: :三、生物氧化三、生物氧化第27頁/共62頁加水脫氫加水脫氫( (實(shí)質(zhì)是加氧反應(yīng)實(shí)質(zhì)是加氧反應(yīng)) ) 酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)+2H+ 2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH第28頁/共62頁 （二） CO2的生成生物

12、體內(nèi)CO2的生成來源于有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔?。?9頁/共62頁-脫羧 （羧基位置）-脫羧分類單純脫羧（不伴氧化）氧化脫羧（伴氧化）節(jié)第30頁/共62頁 1. 1. -單純脫羧 COOHC =OCH2COOH2. 2. -單純脫羧COOHC =O + CO2 CH3 O CH3 C H + CO2 O CH3 C COOH返回第31頁/共62頁 1. 1. -氧化脫羧2.2.-氧化脫羧 O CH3CCOOH + CoASH + NAD+ O CH3C SCoA + NADH + H+ + CO2COOHC =O + CO2 +NADPH + H+ CH3COOHCHOH + NAD

13、P+CH2COOH返回第32頁/共62頁（三） H2O的生成代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合生成水。生物體主要以脫氫酶脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系，以促進(jìn)水的生成。MH2M遞氫體遞氫體H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ還原型氧化型Cyt遞電子體 b, c1, c, aa32H+2e O2O2-H2O脫氫酶脫氫酶氧化酶第33頁/共62頁1 1、呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）：、呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）： 代謝物上氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)一系列電子傳遞體，最后傳遞給代謝物上氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)一系列電子傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子而生成水的過程。被激活

14、的氧分子而生成水的過程。2 2、呼吸鏈的類型：、呼吸鏈的類型：1 1）NADHNADH呼吸鏈：呼吸鏈：產(chǎn)生產(chǎn)生3 3個(gè)個(gè)ATPATP2 2）FADHFADH2 2呼吸鏈：呼吸鏈：產(chǎn)生產(chǎn)生2 2個(gè)個(gè)ATPATP第34頁/共62頁NADH電子傳遞鏈 FADH2電子傳遞鏈 第35頁/共62頁3 3、呼吸鏈的組分：、呼吸鏈的組分： 呼吸鏈的組成:脫氫酶、呼吸傳遞體、未端氧化酶組成的生物氧化酶體系。三、生物氧化三、生物氧化第36頁/共62頁 1)脫氫酶及與其相聯(lián)系的傳遞體脫氫酶及與其相聯(lián)系的傳遞體 煙煙 酰胺腺嘌呤核苷酸類輔酶酰胺腺嘌呤核苷酸類輔酶 有兩種：有兩種：NAD -輔酶輔酶I（CO I） 和和

15、 NADP -輔酶輔酶II（CO II） 黃素脫氫酶類輔基黃素脫氫酶類輔基 有兩種：有兩種： FMN 和和 FAD 輔酶輔酶Q（泛醌）泛醌）第37頁/共62頁（泛醌、亦簡(jiǎn)稱Q Q。是許多酶的輔酶) )v是脂溶性醌類化合物，而且分子較小，可在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴(kuò)散。* *功能基團(tuán)是苯醌, ,通過醌/ /酚的互變傳遞氫，Q (Q (醌型結(jié)構(gòu)) ) 很容易接受2 2個(gè)電子和2 2個(gè)質(zhì)子，還原成QH2QH2（還原型）；QH2QH2也容易給出2 2個(gè)電子和2 2個(gè)質(zhì)子，重新氧化成Q Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。 返回第38頁/共62頁 2)、電子傳遞與末端氧化酶

16、體系 細(xì)胞色素氧化酶體系 這是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)在呼吸鏈中，依靠活性中心 中鐵的化合的價(jià)變化而傳遞電子。目前發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素有多種如 a、a3、b、 c1 、 c2等，在呼吸鏈中的排列序順為 b c1 c a a3 O2 鐵硫蛋白類（FeS)通過鐵硫中心Fe2+ / Fe3+ 進(jìn)行電子傳遞。 酚氧化酶體系 通過Cu+ / Cu2+ 進(jìn)行電子傳遞。抗壞血酸氧化酶體系 通過Cu+ / Cu2+ 進(jìn)行電子傳遞。第39頁/共62頁 v 是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質(zhì)（有顏色），高等動(dòng)物線粒體呼吸鏈中主要含有5 5種細(xì)胞色素a a、a3a3、 b b、 c c 、c1c1等。v 細(xì)胞色素主要是通

17、過輔基中Fe3+ Fe3+ Fe2+ Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用。一個(gè)細(xì)胞色素每次傳遞一個(gè)電子。（cytochrome,cyt）下頁第40頁/共62頁v鐵硫聚簇（Fe-SFe-S中心）主要以（ Fe-S Fe-S ） (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或 (4 (4Fe-4S) Fe-4S) 形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵硫蛋白。下頁第41頁/共62頁+e-e-返回第42頁/共62頁 NADH 鏈 2H+ 2eSH2 NAD FMNH2 CO Q 2cyt- Fe2+ 1/2O2 S NADH2 FMN CO QH2 2cyt- Fe3+ O2- H2O 2e 第43頁/共62頁

18、4. 呼吸鏈中傳遞體的順序呼吸鏈中傳遞體的順序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18魚藤酮安密妥 E0 低高 抑制劑：呼吸毒物(阻斷電子傳遞)抗霉素A氰化物，CO，疊氮化合物阿的平解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑:破壞呼吸鏈釋放的能量用于破壞呼吸鏈釋放的能量用于ATP合成合成如如:2,4-二硝基苯酚、二硝基苯酚、P-三氟甲氧基苯腙二氰化物、雙香豆三氟甲氧基苯腙二氰化物、雙香豆素都是常解偶聯(lián)劑。素都是常解偶聯(lián)劑。并不并不抑制電子傳遞抑制電子傳遞)第44頁/共62頁（四） 氧化磷酸化作用伴隨著放能的氧化作用而

19、進(jìn)行的磷酸化。主要由：主要由： ADP + Pi + 能量 ATP少數(shù)情況：少數(shù)情況： AMP + PPi + 能量 ATP1. ATP的生成（1）底物水平磷酸化（2）電子傳遞體系磷酸化第45頁/共62頁 1) 底物水平 磷酸化-是指底物在氧化過程中，分子內(nèi)部能量重新分布而形成為一種高能磷酸化合物。這種高能磷酸化合物的基團(tuán)和鍵能可轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。 例如： O CHO C-O P COOH | + H3 P O4 | | CHOH CHOH CHOH | NAD NADH+ + H+ | ADP ATP | CH2 O-P CH2 -O -P CH2 -O -P 2)、電子傳遞水平磷酸

20、化 (注意產(chǎn)能部位) 電子傳遞水平磷酸化-發(fā)生在呼吸傳遞上，底物脫下的氫進(jìn)入電子傳遞體系，最后和氧生成水。同時(shí)在這個(gè)過程中產(chǎn)生大量能量，并貯存在ATP中。 NADH FMN CO Q b c1 c a a3 O2 p p p ADPATP ADPATP ADPATP P/O-指消耗1 mol 氧所消耗無機(jī)磷酸的 mol 數(shù)。也就是指每消耗1 mol O2 所生成ATP的 mol 數(shù)。 實(shí)驗(yàn)證明： NADH2 P/O = 3 FADH2 P/O = 2 第46頁/共62頁2. 胞液中NADPH和NADH的氧化磷酸化NADPH + H+NADP+異檸檬酸線粒體內(nèi)膜異檸檬酸穿梭作用異檸檬酸NAD +

21、-酮戊二酸NADH + H+呼吸鏈(3ATP)-酮戊二酸第47頁/共62頁NADH + H+NAD+二羥磷酸丙酮甘油-磷酸線粒體內(nèi)膜甘油-磷酸穿梭作用甘油-磷酸FAD二羥磷酸丙酮FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2(2ATP)第48頁/共62頁酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋果酸蘋果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈(3ATP)蘋果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)NADH系統(tǒng)第49頁/共62頁3. 氧化磷酸化作用機(jī)理化學(xué)滲透學(xué)說 氧化磷酸化作用的關(guān)鍵因素是質(zhì)子（H+）梯度和完整的線粒體內(nèi)膜?；瘜W(xué)偶聯(lián)學(xué)說(高能中間產(chǎn)物學(xué)說) )形成高能中間產(chǎn)物，促使ATP生成。結(jié)構(gòu)(構(gòu)象）偶聯(lián)學(xué)

22、說Ared + Box 2eA*ox +BredA*ox + ADP +Pi Aox + ATP第50頁/共62頁1961年，英國科學(xué)家Mitchell提出化學(xué)滲透學(xué)說由此榮獲1978年的諾貝爾獎(jiǎng)。n 化學(xué)滲透學(xué)說 第51頁/共62頁4 非線粒體氧化體系與ATP合成無關(guān)，但具有重要生理功能。1). 微粒體氧化體系催化分子氧中二個(gè)氧原子分別進(jìn)行不同的反應(yīng)。一個(gè)O加到底物分子上，另一個(gè)O則與NADPH上的二個(gè)H作用形成H2O，不生成ATP。加單氧酶。生理功能：膽酸生成中環(huán)核羥化；不飽和脂肪酸雙鍵引進(jìn)；維生素D活化；藥物、致癌物和毒物的氧化解毒等。RH + O2 + NADPH + H+ ROH + NADP + H2O第52頁/共62頁加雙氧酶 此酶催化氧分子直接加到作用物分子上 O2,加雙氧酶 -胡蘿卜素 2視黃醛第53頁/共62頁2). 過氧化物酶體系氧是維持生命必需的物質(zhì),但也有毒性,機(jī)體長(zhǎng)時(shí)間在純氧中呼吸可致呼吸紊亂,乃至死亡.這與生物氧化過程中大量產(chǎn)生過氧