白天有機(jī)酸脫羧釋放CO2用于光合作用課件

第四章

細(xì)胞代謝第四章

細(xì)胞代謝11生物體的能量生命活動(dòng)需要能量代謝是化學(xué)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化過程生命的存在要靠能量,生物本身不能創(chuàng)造新的能量。幾乎所有地球生命所需要的能量都來(lái)自太陽(yáng)自養(yǎng)生物與異養(yǎng)生物生態(tài)系統(tǒng)中能量的流動(dòng)是由多樣化的生命過程完成的1生物體的能量生命活動(dòng)需要能量代謝是化學(xué)物質(zhì)和2熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律宇宙的能量是一個(gè)常數(shù)，能量可以不斷被轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，但不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅2熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律2熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定3熱力學(xué)將不能做功的隨機(jī)和無(wú)序狀態(tài)的能定義為熵，以S表示宇宙或系統(tǒng)的各種過程總是向著熵增大的方向進(jìn)行熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)將不能做功的隨機(jī)和無(wú)序狀態(tài)的能定義為熵，以S表示熱4熱力學(xué)將系統(tǒng)中總的熱量稱為焓，以H表示在恒定溫度和壓力條件下總能量中可以做功的那一部分能量為自由能，以G表示當(dāng)熵增加時(shí)，系統(tǒng)的自由能便會(huì)下降，因此有：DG=DH-TDS(T為絕對(duì)溫度)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)師崃W(xué)第二定律熱力學(xué)將系統(tǒng)中總的熱量稱為焓，以H表示熱力學(xué)第二定律5物理和化學(xué)過程達(dá)到平衡時(shí)，即達(dá)到系統(tǒng)的自由能最小而熵最大3吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)物理和化學(xué)過程達(dá)到平衡時(shí)，即達(dá)到系統(tǒng)的自由能最小而熵最大36在一個(gè)反應(yīng)中，如果產(chǎn)物比反應(yīng)物含有更少的自由能，這個(gè)反應(yīng)便趨向于自發(fā)地進(jìn)行自發(fā)反應(yīng)可釋放自由能，稱為放能反應(yīng)需從外界輸入自由能才能進(jìn)行的反應(yīng)稱為吸能反應(yīng)光合作用是吸能反應(yīng)呼吸作用是放能反應(yīng)在一個(gè)反應(yīng)中，如果產(chǎn)物比反應(yīng)物含有更少的自由能，這個(gè)反應(yīng)便趨74細(xì)胞的能量通貨——ATP在活細(xì)胞中，能量貯存在腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)中ATPATP水解時(shí)，一個(gè)高能磷酸鍵斷裂同時(shí)釋放出能量

ATP+H2O——>ADP+Pi

G=-30.5kJ/molNH24細(xì)胞的能量通貨——ATP在活細(xì)胞中，能量貯存在腺嘌呤核8ATP作為細(xì)胞能量的通貨是如何工作的？放能反應(yīng)和ATP的合成相偶聯(lián)，吸能反應(yīng)和ATP的分解相偶聯(lián)ATP作為細(xì)胞能量的通貨是如何工作的？放能反應(yīng)和ATP的合成9細(xì)胞利用能量（ATP）完成各種工作細(xì)胞利用能量（ATP）完成各種工作10

發(fā)光細(xì)胞有熒光素酶（E-LH），酶促反應(yīng)使ATP與E-LH先偶聯(lián)，偶聯(lián)的高能中間產(chǎn)物E

LH2-AMP在氧氣存在時(shí)可釋放出能量，并以熒光的形式發(fā)射出來(lái)：ATP+E-LH

E

LH2-AMP+PiE

LH2-AMP+O2

E-P+CO2+h

仲夏的夜晚螢火蟲如何利用ATP來(lái)發(fā)光？

發(fā)光細(xì)胞有熒光素酶（E-LH），酶促反應(yīng)使ATP與E-L11熱力學(xué)原理只能幫助我們預(yù)測(cè)一個(gè)反應(yīng)能否發(fā)生，卻不能告訴我們反應(yīng)的速度有多快酶是細(xì)胞產(chǎn)生的可調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)速度的催化劑絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)酶在常溫、常壓、中性pH的溫和條件下具有很高的催化效率二、酶酶是具有催化作用的蛋白質(zhì)

熱力學(xué)原理只能幫助我們預(yù)測(cè)一個(gè)反應(yīng)能否發(fā)生，卻不能告訴我們反12化學(xué)鍵能障活化能酶的催化作用機(jī)理酶可以降低活化一個(gè)反應(yīng)所需要的能量化學(xué)鍵能障活化能酶的催化作用機(jī)理酶可以降低13酶+底物

酶-底物復(fù)合物

酶+產(chǎn)物

E+S

E-S

E+P酶與底物結(jié)合降低反應(yīng)的活化能酶+底物酶-底物復(fù)合物酶+產(chǎn)物酶與底物結(jié)14

特殊的三維空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)象酶的活性位點(diǎn)或酶的活性中心鑰匙和鎖誘導(dǎo)契合酶的活性位點(diǎn)“柔性學(xué)說”酶的特異性（專一性）特殊的三維空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)象酶的特異性（專一性）15

影響酶活性的因素溫度的影響影響酶活性的因素16pH的影響pH的影響17輔助因子的作用

無(wú)機(jī)金屬離子——輔助因子有機(jī)化合物——輔酶——遞H+或遞電子NADP+和FAD的遞H+和遞電子作用輔助因子的作用無(wú)機(jī)金屬離子——輔助因子NADP+和FAD的18酶的抑制劑

可逆與不可逆抑制劑競(jìng)爭(zhēng)性與非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑酶的抑制劑可逆與不可逆抑制劑19反饋抑制酶促反應(yīng)在細(xì)胞中往往不是獨(dú)立發(fā)生的在代謝過程中局部反應(yīng)對(duì)催化該反應(yīng)的酶所起的抑制作用，稱為反饋抑制細(xì)胞自行調(diào)節(jié)其代謝的一種機(jī)制維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制反饋抑制酶促反應(yīng)在細(xì)胞中往往不是獨(dú)立發(fā)生的20三、細(xì)胞呼吸1概念：呼吸作用是指生物從周圍空氣中吸入氧氣，又向其中呼出二氧化碳的過程。是一種氣體交換。細(xì)胞呼吸指細(xì)胞在有氧條件下從食物分子（主要是葡萄糖）中獲得能量的過程。三、細(xì)胞呼吸1概念：21細(xì)胞呼吸是生物體獲得能量的主要代謝途徑細(xì)胞呼吸是一種氧化反應(yīng)有機(jī)化合物+O2→CO2+能量“燃料”包括糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量（ATP+熱量）細(xì)胞呼吸主要在線粒體中進(jìn)行，溫和條件和酶的參與調(diào)控2細(xì)胞呼吸產(chǎn)生能量細(xì)胞呼吸是生物體獲得能量的主要代謝途徑2細(xì)胞呼吸產(chǎn)生能量22慢跑，細(xì)胞消耗氧氣來(lái)分解葡萄糖并獲得能量，同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳和水快跑，細(xì)胞將葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳人體細(xì)胞的呼吸過程慢跑，細(xì)胞消耗氧氣來(lái)分解葡萄糖并獲得能量，同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳和23貯藏在葡萄糖等食物分子中的化學(xué)能經(jīng)細(xì)胞呼吸釋放，以高能磷酸鍵的形式貯藏在ATP分子中葡萄糖中大約40%

50%的能量被轉(zhuǎn)化貯藏在ATP中，而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)只有15%

25%轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，細(xì)胞呼吸的產(chǎn)能效率高

ATP的產(chǎn)生和應(yīng)用貯藏在葡萄糖等食物分子中的化學(xué)能經(jīng)細(xì)胞呼吸釋放，以高能磷酸鍵24在生物體中，ATP不斷地消耗和再生，維持著生命的高度有序狀態(tài)動(dòng)物細(xì)胞呼吸的“燃料”

ATP的產(chǎn)生和應(yīng)用ATP和ADP分子的相互轉(zhuǎn)換在生物體中，ATP不斷地消耗和再生，維持著生命的高度有序狀態(tài)25體重70kg的男子不同活動(dòng)時(shí)所需要的能量（kj/h)活動(dòng)能量活動(dòng)能量靜坐419鋸木頭2010站立，放松440游泳2093快打字586跑步（5.3km/h)2387步行（4.2km/h)837快步（5.3km/h)2722做木工1004上樓梯4605體重70kg的男子不同活動(dòng)時(shí)所需要的能量（kj/h)活動(dòng)能量26某些食物所含的熱量（kj/100g)食物熱量食物熱量大米1448牛肉226面粉1465雞蛋577玉米面1423鯉魚456花生仁（生）1247蘋果218黃豆1502菠菜100豬肉1654植物油3761某些食物所含的熱量（kj/100g)食物熱量食物熱量大米1427獲得電子——還原反應(yīng)；失去電子——氧化反應(yīng)氧化還原反應(yīng)——細(xì)胞中氫及其電子從一個(gè)化合物向另一個(gè)化合物轉(zhuǎn)移氧化還原反應(yīng)是呼吸作用和光合作用等代謝中最基本的反應(yīng)氧化還原反應(yīng)獲得電子——還原反應(yīng)；失去電子——氧化反應(yīng)氧化還原反應(yīng)28被轉(zhuǎn)移的氫原子所攜帶的能量?jī)?chǔ)藏在新化學(xué)鍵中氧化還原反應(yīng)XH2(還原型底物)＋NAD+→X(氧化型底物)＋NADH＋H+XH2(還原型底物)＋NADP+→X(氧化型底物)＋NADPH＋H+XH2(還原型底物)＋FAD+→X(氧化型底物)＋FADH2還原態(tài)的NADH、NADPH和FADH2等還可將所接受的電子和氫傳遞給其他傳遞體如細(xì)胞色素、輔酶Q等被轉(zhuǎn)移的氫原子所攜帶的能量?jī)?chǔ)藏在新化學(xué)鍵中氧化還原反應(yīng)X29細(xì)胞呼吸是由一系列化學(xué)反應(yīng)組成的一個(gè)連續(xù)完整的代謝過程每一步化學(xué)反應(yīng)都需要特定的酶參與才能完成細(xì)胞呼吸的3個(gè)階段3細(xì)胞呼吸的化學(xué)過程概述細(xì)胞呼吸是由一系列化學(xué)反應(yīng)組成的一個(gè)連續(xù)完整的代謝過程330發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中的9步反應(yīng)參與化合物：①葡萄糖，②ADP和磷酸，③NAD+。起始階段還需要消耗2分子ATP來(lái)啟動(dòng)，但后期共產(chǎn)出4分子ATP，還形成高能化合物NADH。最終產(chǎn)物是丙酮酸糖酵解將六碳的葡萄糖分解成2個(gè)三碳的丙酮酸，凈產(chǎn)生2個(gè)ATP，生成1分子NADH，糖酵解不需要氧參與糖酵解發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中的9步反應(yīng)糖酵解31發(fā)生在線粒體中分解丙酮酸形成2分子CO2、8個(gè)H，3分子NADH和1分子FADH2，及1分子ATPKrebs循環(huán)也是放能反應(yīng)過程

Krebs循環(huán)發(fā)生在線粒體中Krebs循環(huán)32電子傳遞鏈就是通過一系列的氧化還原反應(yīng)，將高能電子從NADH和FADH2最終傳遞給分子氧，同時(shí)隨著電子能量水平的逐步下降，高能電子所釋放的化學(xué)能就通過磷酸化途徑貯存到ATP分子中電子傳遞鏈和氧化磷酸化電子傳遞鏈就是通過一系列的氧化還原反應(yīng)，將高能電子從NADH33電子傳遞鏈又稱呼吸鏈，主要成分是線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物，這些復(fù)合物包含了一系列的電子傳遞體電子傳遞鏈和氧化磷酸化電子傳遞鏈又稱呼吸鏈，主要成分是線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物，這34在有氧環(huán)境中，酵母細(xì)胞消耗氧氣來(lái)分解葡萄糖并獲得能量，同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳在缺氧環(huán)境中，酵母菌將葡萄糖分解成酒精（乙醇）和二氧化碳在有氧環(huán)境中，食物分子被充分氧化，可產(chǎn)生比無(wú)氧環(huán)境更多的能量

4酵母菌的發(fā)酵作用發(fā)酵是典型的細(xì)胞呼吸過程在有氧環(huán)境中，酵母細(xì)胞消耗氧氣來(lái)分解葡萄糖并獲得能量，同時(shí)產(chǎn)35生物大分子需要經(jīng)過消化作用生成單體小分子的葡萄糖、氨基酸或脂肪酸等消化作用常常發(fā)生在細(xì)胞外，而不是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，它是一種在酶作用下的水解過程5其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的氧化消化作用生物大分子需要經(jīng)過消化作用生成單體小分子的葡萄糖、氨基酸或脂36氨基酸與脂肪酸的氧化是先轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N中間產(chǎn)物，然后進(jìn)入糖酵解或三羧酸循環(huán)氨基酸脫氨變成三羧酸循環(huán)中的有機(jī)酸脂肪酸可以與輔酶A結(jié)合后氧化生成乙酰輔酶A而進(jìn)入三羧酸循環(huán)甘油則可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岣视腿┻M(jìn)入糖酵解過程蛋白質(zhì)和脂肪的氧化氨基酸與脂肪酸的氧化是先轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N中間產(chǎn)物，然后進(jìn)入糖酵解或37食物分子的氧化分解即細(xì)胞呼吸過程捕獲能量食物分子的分解又為生物大分子的合成和細(xì)胞、組織和生物體的組成提供原料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解可提供生物分子合成的原料食物分子的氧化分解即細(xì)胞呼吸過程捕獲能量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解可38四光合作用四光合作用39光合作用的早期研究

1642年比利時(shí)科學(xué)家

Helmont1770年英國(guó)牧師

Priestley大玻璃罩老鼠蠟燭顯微鏡氣孔光合作用的早期研究1770年英國(guó)牧師顯微鏡氣孔40白天有機(jī)酸脫羧釋放CO2用于光合作用課件41（一）光合作用的概念和意義光合作用是指綠色植物和光合細(xì)菌利用光能把二氧化碳和水合成有機(jī)物的過程。CO2＋H2O*CH2O＋H2O＋O2*綠色植物光（一）光合作用的概念和意義光合作用是指綠色植物和光合細(xì)菌利用42光合作用的意義光合作用是綠色植物（主要在葉片中）吸收日光能量，利用二氧化碳和水，合成有機(jī)物質(zhì)，并釋放氧的過程。在這個(gè)過程中，無(wú)機(jī)物質(zhì)（二氧化碳和水）被轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)，日光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能。所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，主要是糖（葡萄糖等），被轉(zhuǎn)變的化學(xué)能貯藏在有機(jī)物質(zhì)中。光合作用的意義光合作用是綠色植物（主要在葉片中）吸收日光能量43光合作用的意義光合作用所釋放的氧是生物生存的必需條件。所產(chǎn)生的糖是植物自身生長(zhǎng)發(fā)育所必需的有機(jī)物質(zhì)，也是進(jìn)一步合成淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素及其他有機(jī)物質(zhì)的原料。糧、棉、油、木材和其他農(nóng)、林產(chǎn)品，都是光合作用的產(chǎn)物。我們吃的糧食、燒的柴就是利用其中所貯藏的能量。所以，光合作用是生物體內(nèi)所有物質(zhì)代謝和能量代謝的基礎(chǔ)，在新陳代謝各個(gè)途徑中它占有獨(dú)特的地位；它對(duì)自然界的生態(tài)平衡和人類的生存都具有極為重大的意義。光合作用的意義光合作用所釋放的氧是生物生存的必需條件。所產(chǎn)生44（二）光合器與光合色素

光合器：葉肉細(xì)胞的葉綠體是光合作用的細(xì)胞器（二）光合器與光合色素45

葉綠體的結(jié)構(gòu)葉綠體的結(jié)構(gòu)46光合色素種類葉綠素類：葉綠素a、b、c、d類胡蘿卜素：胡蘿卜素、葉黃素藻膽素：藻紅素、藻藍(lán)素光合色素種類葉綠素類：葉綠素a、b、c、d47葉綠素的分子式葉綠素的分子式48葉綠素的結(jié)構(gòu)式葉綠素的結(jié)構(gòu)式49葉綠素

葉綠素分子由碳和氮原子組成卟啉環(huán)與葉醇側(cè)鏈相連結(jié)葉醇側(cè)鏈插入到類囊體膜中

光合作用的色素主要包括葉綠素a、葉綠素b、胡蘿卜素、藻膽素等

葉綠素a啟動(dòng)光反應(yīng)葉綠素

葉綠素分子由碳和氮原子組成卟啉環(huán)與葉醇側(cè)鏈相連50問題:為什么植物都是綠色的？問題:為什么植物都是綠色的？51幾種光合色素的吸收光譜幾種光合色素的吸收光譜52幾種光合色素的吸收區(qū)域葉綠素類：藍(lán)紫光、紅光葉綠素a紅光區(qū)吸收帶偏長(zhǎng)波方向，藍(lán)紫光區(qū)偏短波方向葉綠素a和b對(duì)綠光吸收很少，故呈綠色，葉綠素a藍(lán)綠色和葉綠素b呈黃綠色類胡蘿卜素：只吸收藍(lán)紫光不吸收紅橙及黃光，故呈橙黃色和黃色藻膽素：主要吸收綠、橙光藻紅素吸收綠光，藻藍(lán)素吸收橙紅光幾種光合色素的吸收區(qū)域葉綠素類：藍(lán)紫光、紅光53熒光現(xiàn)象熒光現(xiàn)象54（三）光合作用過程（三）光合作用過程551原初反應(yīng)指葉綠素分子被光激發(fā)，到引起原初光化學(xué)反應(yīng)的過程包括了光物理過程和光化學(xué)過程光能電能1原初反應(yīng)指葉綠素分子被光56

光系統(tǒng)與光反應(yīng)光反應(yīng)發(fā)生在類囊體膜上碳反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的基質(zhì)中 光系統(tǒng)與光反應(yīng)光反應(yīng)發(fā)生在類囊體膜上572光合電子傳遞與光合磷酸化2光合電子傳遞與光合磷酸化58白天有機(jī)酸脫羧釋放CO2用于光合作用課件59非環(huán)路的光合磷酸化途徑和電子傳遞鏈非環(huán)路的光合磷酸化途徑和電子傳遞鏈603光合碳同化過程3光合碳同化過程61卡爾文循環(huán)——C3途徑卡爾文循環(huán)——C3途徑62C3植物與C4植物葉結(jié)構(gòu)的比較C3植物與C4植物葉結(jié)構(gòu)的比較63C4植物玉米花環(huán)狀維管束細(xì)胞的解剖結(jié)構(gòu)圖

緊密的維管束鞘四周被大的維管束鞘細(xì)胞環(huán)繞包圍。在這類作物中大的葉綠體分布在維管束鞘細(xì)胞的外圍，維管束細(xì)胞被葉肉細(xì)胞包圍。C4植物玉米花環(huán)狀維管束細(xì)胞的解剖結(jié)構(gòu)圖

緊密的維管