生命科學與生物技術導論：06講-生命活動的能量獲取與轉換

1、1第第6講講 生命活動的能量生命活動的能量 獲取與轉換獲取與轉換 第一節(jié)第一節(jié) 能量與代謝能量與代謝 第二節(jié)第二節(jié) 光合作用光合作用 第三節(jié)第三節(jié) 細胞呼吸細胞呼吸2第一節(jié)第一節(jié) 能量與代謝能量與代謝 一、一、ATPATP的結構和功能的結構和功能 二、能量代謝二、能量代謝 三、生物催化劑三、生物催化劑酶酶 四、生物氧化四、生物氧化 五、生物體內復雜的代謝網(wǎng)絡五、生物體內復雜的代謝網(wǎng)絡3一、一、ATPATP的結構和功能的結構和功能4 ATP是生物體能量的基本交換單位是生物體能量的基本交換單位有機分子有機分子 + O2 + ADP + Pi ATP + CO2ATP + H2O ADP + Pi

2、+能量能量5ATP是生物系統(tǒng)能量交換的是生物系統(tǒng)能量交換的中心中心熒火蟲熒火蟲機械能機械能-運動運動化學能化學能-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6仲夏的夜晚螢火蟲如何利用仲夏的夜晚螢火蟲如何利用ATP來發(fā)光？來發(fā)光？ 發(fā)光細胞有熒光素酶（發(fā)光細胞有熒光素酶（E-LHE-LH），），酶促反應使酶促反應使ATPATP與與E-LHE-LH先偶聯(lián)，偶先偶聯(lián)，偶聯(lián)的高能中間產物聯(lián)的高能中間產物E E LH2-AMPLH2-AMP在氧在氧氣存在時可釋放出能量，并以熒氣存在時可釋放出能量，并以熒光的形式發(fā)射出來：光的形式發(fā)射出來： A

3、TP + E-LH ATP + E-LH E E LHLH2 2-AMP + P-AMP + Pi i E E LHLH2 2-AMP + O-AMP + O2 2 E-P + CO E-P + CO2 2 + + h h7二、能量代謝二、能量代謝 綠色植物和光合細菌把太陽能轉變?yōu)榛瘜W能，利綠色植物和光合細菌把太陽能轉變?yōu)榛瘜W能，利用太陽能合成有機物（用太陽能合成有機物（光合作用光合作用）；除了維持自）；除了維持自身的生存還為其他生物提供食物（身的生存還為其他生物提供食物（食物鏈食物鏈）。）。89生命活動的原動力在于生物體生命活動的原動力在于生物體內一刻不停的內一刻不停的新陳代謝新陳代謝 通過

4、新陳代謝不斷把太陽能或食物中貯通過新陳代謝不斷把太陽能或食物中貯存的存的能量能量，轉化為可供生命活動利用的，轉化為可供生命活動利用的能量，不斷制造出各種能量，不斷制造出各種大、小分子大、小分子以供以供生命活動所需要。生命活動所需要。 物質代謝物質代謝由底物分子變成產物分子由底物分子變成產物分子 能量代謝能量代謝消耗能量或釋放能量消耗能量或釋放能量10能量代謝能量代謝 從小分子合成大分子需要消耗從小分子合成大分子需要消耗能量能量 n n 氨基酸氨基酸 + + 能量能量 蛋白質蛋白質2 2 丙酮酸丙酮酸 + + 能量能量 葡萄糖葡萄糖 從大分子分解為小分子會釋放從大分子分解為小分子會釋放能量能量

5、葡萄糖葡萄糖 2 2 丙酮酸丙酮酸 + + 能量能量1112各種生命活動所需能量一覽各種生命活動所需能量一覽13三、生物催化劑三、生物催化劑酶酶 體內的新陳代謝過程又都是在生物催化體內的新陳代謝過程又都是在生物催化劑劑酶酶的催化下進行的。的催化下進行的。 催化劑可以加快化學反應的速度，酶是生催化劑可以加快化學反應的速度，酶是生物催化劑，它的突出優(yōu)點是：物催化劑，它的突出優(yōu)點是：14用簡單的實驗證明酶的催化效率用簡單的實驗證明酶的催化效率2 H2O2 2 H2O + O2 空白空白 鐵屑鐵屑 肝糜肝糜 肝糜（煮）肝糜（煮） 15酶的專一性（特異性）酶的專一性（特異性） 特殊的三維空間結構和構象特

6、殊的三維空間結構和構象 酶的活性位點或酶的活性中心酶的活性位點或酶的活性中心 鑰匙和鎖，誘導契合鑰匙和鎖，誘導契合 酶的活性位點酶的活性位點“柔性學說柔性學說”16酶的化學本質是蛋白質酶的化學本質是蛋白質 有的酶僅僅由蛋白質組有的酶僅僅由蛋白質組成，如：成，如：核糖核酸酶。核糖核酸酶。 有的酶除了主要由蛋白有的酶除了主要由蛋白質組成外，還有一些質組成外，還有一些金金屬離子或小分子屬離子或小分子參與，參與，它們是酶活性所必須的，它們是酶活性所必須的，稱為稱為輔酶輔酶/ /輔基輔基或或輔助輔助因子。因子。17羧基羧基肽酶肽酶以以ZnZn2+2+為輔為輔助因助因子子18肌紅蛋白和血紅蛋白以鐵卟啉肌紅

7、蛋白和血紅蛋白以鐵卟啉環(huán)為輔助因子環(huán)為輔助因子19有沒有非蛋白質的酶？有沒有非蛋白質的酶？P95P80RNA20 催化劑催化劑只能只能加速加速原來原來可以進行的可以進行的反應。反應。 即使對可以進行的反即使對可以進行的反應來說，反應物分子應來說，反應物分子應越過一個應越過一個活化能活化能才才能發(fā)生反應。能發(fā)生反應。 酶作為催化劑的作用酶作為催化劑的作用是是降低活化能。降低活化能。21底物與酶的結合降低了活化能底物與酶的結合降低了活化能22酶使底物分子酶使底物分子活化活化的的方式方式使底物分子產生應力使底物分子產生應力使底物分子電荷變化使底物分子電荷變化使底物靠攏使底物靠攏23酶的活性可以調控酶

8、的活性可以調控溫溫度度的的影影響響pH的的影影響響24在代謝途徑中調節(jié)酶活性在代謝途徑中調節(jié)酶活性 若干酶前后配合完成一若干酶前后配合完成一系列代謝反應，就形成系列代謝反應，就形成一條一條代謝途徑。代謝途徑。 反饋抑制：一條代謝途反饋抑制：一條代謝途徑的終產物，有時可與徑的終產物，有時可與該代謝途徑的第一步反該代謝途徑的第一步反應的酶相結合，結合的應的酶相結合，結合的結果使這個酶活性下降，結果使這個酶活性下降，從而使整條代謝途徑的從而使整條代謝途徑的反應速度慢起來。反應速度慢起來。25通過共價調節(jié)酶活性通過共價調節(jié)酶活性 酶蛋白分子可以和一酶蛋白分子可以和一個基團形成共價結合，個基團形成共價結

9、合，使酶蛋白分子結構發(fā)使酶蛋白分子結構發(fā)生改變，使酶活性發(fā)生改變，使酶活性發(fā)生改變，稱為生改變，稱為酶的共酶的共價調節(jié)。價調節(jié)。例如：例如：糖原糖原磷酸化酶具有磷酸化磷酸化酶具有磷酸化位點位點。26結構類似物與底物產生競爭性抑制結構類似物與底物產生競爭性抑制 酶的酶的競爭性抑制競爭性抑制：有：有的酶在遇到一些化學的酶在遇到一些化學結構與底物相似的分結構與底物相似的分子時，這些分子與底子時，這些分子與底物物競爭結合競爭結合酶的酶的活性活性中心中心，亦會表現(xiàn)出酶，亦會表現(xiàn)出酶活性的降低（抑制）活性的降低（抑制）27對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸（細菌生長因子）（細菌生長因子）對氨基苯磺對氨基苯磺酸酸（磺

10、胺藥）（磺胺藥）磺胺類藥物競爭性抑制細菌體內磺胺類藥物競爭性抑制細菌體內的酶的酶28四、生物氧化四、生物氧化 火柴燃燒是纖維素氧化火柴燃燒是纖維素氧化 (C(C6 6H H1212O O6 6) )n n + O+ O2 2 n CO n CO2 2 + nH+ nH2 2O + O + 能量能量 燃燒過程劇烈燃燒過程劇烈 在空氣中進行在空氣中進行 不需要酶參與不需要酶參與 一步反應一步反應 淀粉的生物氧化淀粉的生物氧化 (C(C6 6H H1212O O6 6) )n n + O+ O2 2 n COn CO2 2 + nH+ nH2 2O + O + 能量能量 過程緩慢過程緩慢 在水環(huán)境中

11、進行在水環(huán)境中進行 需要酶參與需要酶參與 分步進行分步進行29生物氧化的特點生物氧化的特點 （1 1）在活體細胞中進行，需酶參加）在活體細胞中進行，需酶參加 （2 2）條件溫和）條件溫和 （3 3）復雜的氧化還原過程）復雜的氧化還原過程 （4 4）能量逐步儲存和轉運）能量逐步儲存和轉運30五、生物體內復雜的代謝網(wǎng)絡五、生物體內復雜的代謝網(wǎng)絡 生物體內許多的生物體內許多的分分解代謝解代謝和和合成代謝合成代謝途徑，形成錯綜復途徑，形成錯綜復雜的雜的代謝網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡。這。這些代謝途徑分布于些代謝途徑分布于生活細胞的不同部生活細胞的不同部位。位。 31第二節(jié)第二節(jié) 光合作用光合作用 一、光合作用的概念

12、一、光合作用的概念 二、二、 三、光合作用的機理三、光合作用的機理32一、光合作用的概念一、光合作用的概念 綠色植物和光合細綠色植物和光合細菌利用太陽能使二菌利用太陽能使二氧化碳固定為有機氧化碳固定為有機物的過程稱為物的過程稱為光合光合作用作用。 在現(xiàn)在的地球上，在現(xiàn)在的地球上，光合作用是一切生光合作用是一切生物得以生存的基礎。物得以生存的基礎。33光合作用的早期研究光合作用的早期研究16421642年，比利時年，比利時HelmontHelmont17701770年英國牧師年英國牧師 PriestleyPriestley34氧氣的來源氧氣的來源 1930年年Stanford大學，大學，Niel

13、細菌光合作用：細菌光合作用：CO2+H2SCH2O+SCO2+H2OCH2O+O2 10年后，同位素示蹤實驗：年后，同位素示蹤實驗：CO2+H218OCH2O+18O2 35二、葉綠體是光合作用進行的二、葉綠體是光合作用進行的場所場所基?；ｎ惸殷w類囊體內膜內膜外膜外膜36吸收光能靠葉綠素吸收光能靠葉綠素37三、光合作用的機理三、光合作用的機理 光反應：在葉綠素參光反應：在葉綠素參與下，利用光能劈開與下，利用光能劈開水分子，放出水分子，放出O2，同，同時形成兩種高能化合時形成兩種高能化合物物 ATP和和 NADPH。 暗反應：把暗反應：把 ATP 和和 NADPH 中的能量，中的能量，用于固定

14、用于固定 CO2，生成，生成糖類化合物糖類化合物。38光系統(tǒng)與光反應光系統(tǒng)與光反應 由葉綠素分子及其蛋白復合物、天線色素系由葉綠素分子及其蛋白復合物、天線色素系統(tǒng)和電子受體等組成的單位稱為統(tǒng)和電子受體等組成的單位稱為光系統(tǒng)光系統(tǒng)。光。光反應由兩個光系統(tǒng)及電子傳遞鏈來完成。反應由兩個光系統(tǒng)及電子傳遞鏈來完成。 光系統(tǒng)光系統(tǒng)I（PSI）含有被稱為）含有被稱為“P700”的高度特的高度特化的葉綠素化的葉綠素a分子分子 光系統(tǒng)光系統(tǒng)II（PSII）含有另一種被稱為）含有另一種被稱為“P680”高度特化的葉綠素高度特化的葉綠素a分子分子 電子傳遞時，能量逐漸下降，形成跨膜的質電子傳遞時，能量逐漸下降，形

15、成跨膜的質子梯度，導致子梯度，導致ATP的形成。的形成。39非環(huán)路的光合磷酸化途徑和電非環(huán)路的光合磷酸化途徑和電子傳遞鏈子傳遞鏈40環(huán)路的光合磷酸化途徑和電子環(huán)路的光合磷酸化途徑和電子傳遞鏈傳遞鏈41光反應的要點光反應的要點 葉綠素吸收光能，一些用于水的裂解，其它轉化葉綠素吸收光能，一些用于水的裂解，其它轉化為電能，即造成從葉綠素分子起始的電子流動。為電能，即造成從葉綠素分子起始的電子流動。 在電子流動過程中，通過氫離子的化學滲透，形在電子流動過程中，通過氫離子的化學滲透，形成了成了ATP，電能被轉化為化學能。，電能被轉化為化學能。 電子沿傳遞鏈最終達到電子受體電子沿傳遞鏈最終達到電子受體NA

16、DP+，同時一，同時一個來源于水的氫質子被結合，電能又再一次轉化個來源于水的氫質子被結合，電能又再一次轉化為化學能，并儲存于為化學能，并儲存于NADPH中。中。 光合作用的暗反應依賴于光反應中形成的光合作用的暗反應依賴于光反應中形成的ATP和和NADPH。423-磷酸甘油酸磷酸甘油酸中間物中間物葡萄糖等葡萄糖等CO2二磷酸核二磷酸核酮糖酮糖3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛暗反應暗反應卡爾文循環(huán)卡爾文循環(huán)巨型太陽能電站巨型太陽能電站4344幻想？幻想？ 有朝一日，科學家將光合作用機理搞清楚，有朝一日，科學家將光合作用機理搞清楚，并將植物光合作用的全套基因轉移到人的并將植物光合作用的全套基因轉移到人的頭發(fā)

17、中，在頭發(fā)中模擬光合作用的過程，頭發(fā)中，在頭發(fā)中模擬光合作用的過程，那么，只要在人的頭上撒點水、再曬曬太那么，只要在人的頭上撒點水、再曬曬太陽，在頭發(fā)中便完成了二氧化碳加水合成陽，在頭發(fā)中便完成了二氧化碳加水合成葡萄糖的過程，葡萄糖從頭發(fā)中輸送到人葡萄糖的過程，葡萄糖從頭發(fā)中輸送到人體的各部分，吃飯的歷史使命便可宣告結體的各部分，吃飯的歷史使命便可宣告結束了。束了。45第三節(jié)第三節(jié) 細胞呼吸細胞呼吸 一、細胞呼吸產生能量一、細胞呼吸產生能量 二、糖酵解途徑二、糖酵解途徑 三、三羧酸循環(huán)三、三羧酸循環(huán) 四、電子傳遞鏈四、電子傳遞鏈46一、細胞呼吸產生能量一、細胞呼吸產生能量 細胞呼吸是生物體獲得

18、能量的主要代謝途徑細胞呼吸是生物體獲得能量的主要代謝途徑 細胞呼吸是一種氧化反應細胞呼吸是一種氧化反應 有機化合物有機化合物+O2CO2+能量能量 “燃料燃料”包括糖類、脂肪、蛋白質等包括糖類、脂肪、蛋白質等C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量（能量（ATP+熱量）熱量） 細胞呼吸主要在線粒體中進行，溫和條件和細胞呼吸主要在線粒體中進行，溫和條件和酶的參與調控酶的參與調控47發(fā)酵是典型的細胞呼吸過程發(fā)酵是典型的細胞呼吸過程 在有氧環(huán)境中，酵母細胞消耗氧氣在有氧環(huán)境中，酵母細胞消耗氧氣來分解葡萄糖并獲得能量，同時產來分解葡萄糖并獲得能量，同時產生生CO2 在缺氧環(huán)境中，酵母菌將葡萄糖分

19、在缺氧環(huán)境中，酵母菌將葡萄糖分解成乙醇和解成乙醇和CO2 在有氧環(huán)境中，食物分子被充分氧在有氧環(huán)境中，食物分子被充分氧化，可產生比無氧環(huán)境更多的能量化，可產生比無氧環(huán)境更多的能量48人體細胞的呼吸過程人體細胞的呼吸過程 慢跑，細胞消耗氧慢跑，細胞消耗氧氣來分解葡萄糖并氣來分解葡萄糖并獲得能量，同時產獲得能量，同時產生生CO2和水和水 快跑，細胞將葡萄快跑，細胞將葡萄糖分解成乳酸和糖分解成乳酸和CO249呼吸運動與細胞呼吸呼吸運動與細胞呼吸 細胞呼吸定義為生物細胞消耗氧氣來分解食物分子細胞呼吸定義為生物細胞消耗氧氣來分解食物分子并獲得能量的過程。并獲得能量的過程。 通常意義的呼吸運動與細胞呼吸是

20、相互關聯(lián)的通常意義的呼吸運動與細胞呼吸是相互關聯(lián)的50ATP的產生和使用的產生和使用 儲藏在葡萄糖等食物分子中的儲藏在葡萄糖等食物分子中的化學能經(jīng)細胞呼吸釋放，以高化學能經(jīng)細胞呼吸釋放，以高能磷酸鍵的形式貯藏在能磷酸鍵的形式貯藏在ATPATP分分子中。子中。 葡萄糖中大約葡萄糖中大約40%40%的能量被轉的能量被轉化儲存在化儲存在ATPATP中，而汽車發(fā)動中，而汽車發(fā)動機只有機只有15-25%15-25%轉化為動能，細轉化為動能，細胞呼吸的產能效率高。胞呼吸的產能效率高。51細胞呼吸的化學過程細胞呼吸的化學過程 細胞呼吸是由一系列細胞呼吸是由一系列化學反應組成的一個化學反應組成的一個連續(xù)完整的

21、代謝過程連續(xù)完整的代謝過程 每一步化學反應都需每一步化學反應都需要特定的酶參與才能要特定的酶參與才能完成完成 細胞呼吸的細胞呼吸的3 3個階段個階段52二、二、糖糖酵酵解解途途徑徑1 1，6-6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸甘油醛磷酸甘油醛1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸53糖酵解的結果糖酵解的結果 參與化合物：葡萄糖，參與化合物：葡萄糖，ADPADP和磷酸，和磷酸，NADNAD+ +。起始階段還需要消耗。起始階段還需要消耗2 2分子分子ATP ATP 來啟動，但后期共產出來啟動，但后期共產出4 4分子分子ATPATP，還形成，還形成高能

22、化合物高能化合物NADHNADH。最終產物是丙酮酸。最終產物是丙酮酸。 糖酵解將六碳的葡萄糖分解成糖酵解將六碳的葡萄糖分解成2 2個三碳的個三碳的丙酮酸，凈產生丙酮酸，凈產生2 2個個ATPATP，生成，生成1 1分子分子NADHNADH，糖酵解不需要氧參與。糖酵解不需要氧參與。54丙酮丙酮酸可酸可以進以進行無行無氧發(fā)氧發(fā)酵酵55丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA草酰草酰琥珀酸琥珀酸-酮酮戊二酸戊二酸琥珀琥珀酸酸延胡延胡索酸索酸蘋果蘋果酸酸草酰草酰乙酸乙酸檸檬檸檬酸酸琥珀酰琥珀酰CoA異檸異檸檬酸檬酸定義：定義：在有氧條件下，酵在有氧條件下，酵解產物丙酮酸被氧化分解解產物丙酮酸被氧化分解成成CO

23、CO2 2和和H H2 2O,O,并以并以ATPATP形式形式貯備大量能量的代謝系統(tǒng)貯備大量能量的代謝系統(tǒng)3ATP3ATPCOCO2 21ATP1ATP2ATP2ATP3ATP3ATP加入加入2C2C3ATP3ATPCOCO2 2三、三羧酸循環(huán)三、三羧酸循環(huán)56三羧酸循環(huán)的結果和意義三羧酸循環(huán)的結果和意義 結果：結果： 分解丙酮酸形成分解丙酮酸形成2分分子子CO2、8分子分子NADH和和2分子分子FADH2，及，及2分子分子ATP。 意義：意義： 1 1、提供能量、提供能量 2 2、為其他物質的合、為其他物質的合成提供成提供C C骨架骨架 3 3、溝通脂肪、蛋白、溝通脂肪、蛋白質等有機物代謝質

24、等有機物代謝57四、四、 電子傳遞鏈電子傳遞鏈 電子傳遞鏈就是通過一系列的氧化還原反應，將高能電子傳遞鏈就是通過一系列的氧化還原反應，將高能電子電子從從NADH 和和FADH2最終傳遞給最終傳遞給O O2 2，同時隨著電子，同時隨著電子能量水平的逐步下降，高能電子所釋放的化學能就通能量水平的逐步下降，高能電子所釋放的化學能就通過磷酸化途徑貯存到過磷酸化途徑貯存到ATP分子中，也分子中，也稱為稱為氧化磷酸化氧化磷酸化。58組成電子傳遞鏈的載體組成電子傳遞鏈的載體59化學滲透學說化學滲透學說 1961年，英國年，英國Mitchell提出提出 進行電子傳遞時，電子能量進行電子傳遞時，電子能量逐步降低

25、，脫下的逐步降低，脫下的H+便穿過便穿過膜從線粒體基質進入到內膜膜從線粒體基質進入到內膜外腔，造成跨膜質子梯度，外腔，造成跨膜質子梯度，從而導致化學滲透發(fā)生。從而導致化學滲透發(fā)生。 H+順梯度從外腔經(jīng)內膜通道順梯度從外腔經(jīng)內膜通道（ATP合成酶）返回線粒體合成酶）返回線粒體的基質中，所釋放的能使的基質中，所釋放的能使ADP與磷酸結合生成與磷酸結合生成ATP。 60糖代謝小結糖代謝小結 1個葡萄糖通過有氧呼吸個葡萄糖通過有氧呼吸共形成共形成36或或38個個ATP。 ATP的量取決于糖酵解的量取決于糖酵解階段產生于細胞質中的階段產生于細胞質中的NADH穿過線粒體膜進穿過線粒體膜進入呼吸鏈時是否消耗

26、能入呼吸鏈時是否消耗能量，按甘油磷酸環(huán)路穿量，按甘油磷酸環(huán)路穿過線粒體膜需要消耗過線粒體膜需要消耗2分分子子ATP，按蘋果酸，按蘋果酸-天冬天冬氨酸環(huán)路則不需要消耗氨酸環(huán)路則不需要消耗ATP。61其他糖代謝途徑其他糖代謝途徑 1、磷酸戊糖途徑、磷酸戊糖途徑(HMS) ：產生：產生NADPH和核糖和核糖 2、糖異生作用：非糖物質形成葡萄糖、糖異生作用：非糖物質形成葡萄糖 3、糖原的合成與分解：主要在肝臟和肌、糖原的合成與分解：主要在肝臟和肌肉細胞中肉細胞中 4、植物體內生醇發(fā)酵和乙醛酸循環(huán)、植物體內生醇發(fā)酵和乙醛酸循環(huán)62糖原?。禾窃纸夂咸窃。禾窃纸夂铣擅傅那啡币鸪擅傅那啡币鸬脱前Y：胰島素分低血糖癥：胰島素分泌或應用過量泌或應用過量高血糖癥及糖尿?。焊哐前Y及糖尿?。貉堑膩碓春腿ヂ烽g血糖的來源和去路間失去動態(tài)平衡失去動態(tài)平衡欠缺欠缺G-6-P G-6-P 酶時表現(xiàn)為酶時表現(xiàn)為肝大，瘦，重低血糖等肝大，瘦，重低血糖等當血糖濃度低于當血糖濃度低于4545mgmg% %時，會出現(xiàn)驚厥和昏迷時，會出現(xiàn)驚厥和昏迷稱稱“低血糖休克低血糖休克”血糖高于血糖高于120mg%120mg%時稱為時