細胞代謝光合作用

關于細胞代謝光合作用2CO2+H2O+hv有機化合物(化學能)4.1.1自養(yǎng)生物通過光合作用將太陽光能轉(zhuǎn)化為化學能儲存：貯存或被利用4.1生活細胞獲得的能量主要來自太陽能Photosynthesis第2頁,共58頁，2024年2月25日，星期天3

脂類、淀粉、蛋白質(zhì)CO2+H2O+能量用于生物體的各種能量需求，包括做功生物氧化4.1.2

異養(yǎng)生物通過細胞呼吸分解有機物釋放能量做功或合成功能物質(zhì)：第3頁,共58頁，2024年2月25日，星期天4有機分子分解發(fā)熱(體溫)ATP肌肉、纖毛運動物質(zhì)過膜運動合成所需結(jié)構(gòu)成分或功能物質(zhì)生物電第4頁,共58頁，2024年2月25日，星期天生物體把能量用在生命活動的各個方面

生命活動能量消耗(kJ/h)坐著寫字117.23隨意站著125.60散步661.51-967.15游泳2239.94實驗室工作305.65進食117.23騎自行車711.76-2152.02舞蹈845.73-2507.89慢跑3621.85從小分子物質(zhì)合成大分子需要能量胞外物質(zhì)進入細胞需要能量第5頁,共58頁，2024年2月25日，星期天6光合作用是最重要的吸能過程細胞呼吸（有氧氧化）是重要的放能過程葉綠體和線粒體是主要的能量轉(zhuǎn)換器。4.1.3物質(zhì)的合成過程是吸能過程，分解過程是放能過程生命體和生命過程可看作是物質(zhì)和能量的一種轉(zhuǎn)換機構(gòu)和轉(zhuǎn)換過程第6頁,共58頁，2024年2月25日，星期天7CO2+H2O+hvC6H12O6+O2

糖類、脂類、蛋白質(zhì)地球：750億噸C/yearCO2,H2O有機小分子photosynthesis葉綠體線粒體CellularrespirationSunLightATP用于保溫、做功等第7頁,共58頁，2024年2月25日，星期天8光能不能直接轉(zhuǎn)化為糖、脂肪、蛋白質(zhì)等分子中的化學能，需要先轉(zhuǎn)化為ATP后，再用于有機分子的合成；生物體也不能直接利用糖、脂肪、蛋白質(zhì)等化合物中的化學能，而需先將其中的化學能轉(zhuǎn)移到ATP中，再由ATP分解放能供需能過程利用。4.1.4

ATP是生命體的能量通貨第8頁,共58頁，2024年2月25日，星期天930.5kJ/mol第9頁,共58頁，2024年2月25日，星期天10酶也是通過改變反應歷程，降低反應活化能而加快反應速率4.2細胞內(nèi)所有化學反應均需由酶催化完成第10頁,共58頁，2024年2月25日，星期天11相較一般催化反應，酶催化反應具有明顯特征催化效率高；專一性強；反條件溫和；無副反應；催化活力可調(diào)節(jié)等。酶催化反應受到多種因素的影響酶是蛋白質(zhì)，凡能使蛋白質(zhì)變性的因素都能使酶的結(jié)構(gòu)遭受破壞而失去活性。如強酸、強堿、高溫等。第11頁,共58頁，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，為核酶。核酶的發(fā)現(xiàn)，開辟了生物化學研究的新領域，提出了生命起源的新概念：即RNA可能是早于蛋白質(zhì)和DNA出現(xiàn)的生物大分子。第12頁,共58頁，2024年2月25日，星期天134.3

物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運4.3.1膜結(jié)構(gòu)的有序性使物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運具有選擇性膜的選擇透性源于脂雙層和膜上的轉(zhuǎn)運蛋白非極性及弱極性小分子，可自由透過膜;極性分子或帶電粒子，則必須依靠膜上的運載蛋白協(xié)助過膜；較大的固態(tài)或液態(tài)顆粒，則以內(nèi)吞或外排方式過膜。第13頁,共58頁，2024年2月25日，星期天144.3.2物質(zhì)順濃度梯度（化學勢梯度）從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)運輸稱被動轉(zhuǎn)運（或擴散）不需要傳遞蛋白的協(xié)助不需消耗化學能；順濃度梯度進行。

非極性和弱極性小分子物質(zhì)可透過膜從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)擴散O2、CO2在血漿和細胞內(nèi)的交換第14頁,共58頁，2024年2月25日，星期天154.3.3

滲透是水分子的被動轉(zhuǎn)運

水在膜內(nèi)外的滲透可影響細胞內(nèi)外水的平衡及細胞的形態(tài)：IsotonicsolutionHypotonicsolutionHypertonicsolution(1)Normal(4)Flaccid(2)Lysing(5)Turgid(3)Shriveled(6)ShriveledANIMALCELLPLANTCELLPlasma

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

permeable

membraneHYPERTONICSOLUTIONSelectively

permeable

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

非脂溶性的極性分子需在傳遞蛋白的協(xié)助下，順濃度梯度透過膜。特點：需要轉(zhuǎn)運蛋白的協(xié)助；不需消耗化學能；順濃度梯度進行。兩種方式:由通道蛋白或由傳遞蛋白協(xié)助4.3.4專一蛋白使被動轉(zhuǎn)運易化——易化擴散（促進運輸）第17頁,共58頁，2024年2月25日，星期天18Solute

moleculeTransport

protein轉(zhuǎn)運蛋白協(xié)助物質(zhì)過膜具有許多特點對被轉(zhuǎn)運物質(zhì)具有選擇性——專一性具有飽和性能被底物類似物抑制形成親水通道引起轉(zhuǎn)運蛋白構(gòu)象變化，在膜的另一側(cè)釋放底物第18頁,共58頁，2024年2月25日，星期天194.3.5物質(zhì)在載體的協(xié)助下，逆電化學梯度的跨膜運輸稱主動轉(zhuǎn)運特點：逆電化學式進行需要轉(zhuǎn)運蛋白幫助；需要消耗化學能來克服電化學勢。舉例：K+、Na+的跨膜運輸?shù)?9頁,共58頁，2024年2月25日，星期天20K+、Na+的跨膜轉(zhuǎn)運第20頁,共58頁，2024年2月25日，星期天21物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運分子通道蛋白載體蛋白簡單擴散通道介導擴散載體介導擴散主動轉(zhuǎn)運被動轉(zhuǎn)運電梯度化學第21頁,共58頁，2024年2月25日，星期天22協(xié)同運輸：某種物質(zhì)在順電化學梯度運輸?shù)耐瑫r，協(xié)助另一物質(zhì)跨膜運輸。葡萄糖、氨基酸的轉(zhuǎn)運第22頁,共58頁，2024年2月25日，星期天234.3.6大分子物質(zhì)或顆粒物質(zhì)通過胞吞和胞吐跨膜轉(zhuǎn)運(endocytosis)胞吞有三種類型：吞噬；胞飲；受體介導的胞吞C受體介導的胞吞第23頁,共58頁，2024年2月25日，星期天24CYTOPLASM胞吐第24頁,共58頁，2024年2月25日，星期天4.4.1

人們對光合作用的認識歷經(jīng)300多年4.4光合作用1642年，VanHelmont：水柳樹試驗；17世紀后葉：植物葉片上有氣孔，與空氣發(fā)生作用1770年，Priestley：綠色植物釋放氧氣；18世紀中葉：植物生長需要泥土、空氣、水三要素第25頁,共58頁，2024年2月25日，星期天261779年荷蘭植物生理學家Ingenhousz：植物釋放氧需要陽光，且僅發(fā)生在植物的綠色部分；1782年，植物在光照時，吸收CO2，放出O219世紀后半葉，完成了對光合作用的基本認識

CO2+H2O

C6H12O6+O2hv第26頁,共58頁，2024年2月25日，星期天綠色植物在光照時放出氧第27頁,共58頁，2024年2月25日，星期天281940sMelvinCalvin及其同行：

利用同位素示蹤證實：光合作用放出的O2來自H2O

1930SStanford的研究生Niel:

光合作用放出的O2來源于H2O。依據(jù)：紫硫菌：CO2+2H2S(CH2O)+2S+H2O植物：CO2+2H2O(CH2O)+O2+H2O第28頁,共58頁，2024年2月25日，星期天29光合作用放出的O2來自H2O的裂解ATPO18O18O2NADPHADPNADP+光能CO2H2O葡萄糖Calvin循環(huán)類囊體光反應碳反應第29頁,共58頁，2024年2月25日，星期天301905年Blackman:

光合作用包括一個依賴光、不依賴溫度和一個依賴溫度、不依賴光的兩個過程第30頁,共58頁，2024年2月25日，星期天光合作用（photosynthesis)：是指自養(yǎng)生物綠色細胞捕獲和利用太陽能，將無機小分子合成有機物，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能并儲存在有機分子中的過程。總結(jié)：綠色植物利用太陽能，通過光反應和碳反應兩個過程，使水裂解放出O2，同時將CO2還原成糖。第31頁,共58頁，2024年2月25日，星期天324.4.2

光反應實現(xiàn)光能的轉(zhuǎn)換、H2O的裂解和O2的釋放光反應：在葉綠體類囊體膜上，光合色素吸收光能，裂解H2O并放出O2，同時生成ATP和NADPH的過程。H2O+NADP+

NADPH

+H+

+

O2

ADPATPhv第32頁,共58頁，2024年2月25日，星期天33光反應在葉綠體類囊體膜上進行類囊體內(nèi)類囊體膜上含有：葉綠素A和B、胡蘿卜素、葉黃素等色素分子第33頁,共58頁，2024年2月25日，星期天34植物光合作用光譜好氧細菌的分布顯示葉綠素的作用光譜光合色素可吸收光能，其主要吸收波長在紅光和藍光區(qū)第34頁,共58頁，2024年2月25日，星期天352.2.3光能的接受和轉(zhuǎn)換由光合色素完成

光合色素第35頁,共58頁，2024年2月25日，星期天36光合色素：葉綠體中所含的參與光合作用的色素。有葉綠素A、葉綠素B、胡蘿卜素、葉黃素等。輔助色素：捕捉光能，并通過誘導共振方式傳遞至作用中心色素分子作用中心色素：特化葉綠素a，與蛋白質(zhì)結(jié)合，一對異二聚體，既能捕獲光能，又能將光能轉(zhuǎn)換成電能（還原勢、電子傳遞電勢）光能的接受和轉(zhuǎn)換由光合色素完成第36頁,共58頁，2024年2月25日，星期天37photosystemPrimary

electronacceptorPhotonReactioncenterPigmentmoleculesofantenna光合色素在葉綠體內(nèi)膜上組成兩個光反應系統(tǒng)，PhotosystemⅠ,PhotosystemⅡ第37頁,共58頁，2024年2月25日，星期天38光系統(tǒng)

①少數(shù)P680分子：——反應中心②光反應中心蛋白：主要有D1、D2③天線葉綠素：與葉黃素等輔助色素一起接受與捕捉光能，并傳遞給P680；光系統(tǒng)Ⅱ①1-2個P700分子：——光反應中心②光反應中心蛋白：主要有PSAa,PSAb，與P700緊密結(jié)合③天線葉綠素：與類胡蘿卜素一起接受與捕捉光能，并傳遞給P700；兩系統(tǒng)之間又由電子傳遞鏈相連，共同完成光反應第38頁,共58頁，2024年2月25日，星期天39類囊體腔

(highH+)Thylakoid

membraneStroma

(lowH+)LightAntenna

moleculesLightELECTRONTRANSPORT

CHAINATPSYNTHASEPhotosystemⅡPhotosystemⅠ第39頁,共58頁，2024年2月25日，星期天40光系統(tǒng)Ⅰ的主要特征是使NADP+還原

其作用中心是P700。當PSI的作用中心色素分子P700吸收光能而被激發(fā)后，將電子供給Fd（鐵氧還蛋白），在NADP+還原酶的參與下，F(xiàn)d將NADP＋還原成NADPH＋H＋2.2.6

光系統(tǒng)Ⅱ的光反應是短波反應，主要特征是水的光解和放氧,并使P700還原

其作用中心是P680，它吸收光能，將水分解，奪取水中的電子供給光系統(tǒng)Ⅰ。第40頁,共58頁，2024年2月25日，星期天41基態(tài)P700鐵氧還蛋白PSⅠ天線色素分子hν激發(fā)態(tài)基態(tài)天線分子E激發(fā)態(tài)缺2eP700分子2e可溶鐵氧還蛋白NADP+NADPHH+激發(fā)態(tài)PSⅡ天線色素分子hυ基態(tài)P680E激發(fā)態(tài)缺2eP6802eQPQCytb6-fPCH2O2e+2H++1/2O2內(nèi)囊體基質(zhì)ADP+PiATP葉綠體基質(zhì)返回原初電子受體原初電子受體第41頁,共58頁，2024年2月25日，星期天42光反應產(chǎn)物O2的釋放：NADPH的生成：ATP的生成：——供生物呼吸為碳反應提供能量和還原劑

這種有兩個光系統(tǒng)參與，并伴隨著H2O的裂解、氧的釋放和NADPH的生成的磷酸化作用稱為非環(huán)式光合磷酸化。H2O+NADP+

NADPH+H++O2ADPATPhv第42頁,共58頁，2024年2月25日，星期天43P700釋放的電子經(jīng)原初電子受體傳遞給Fd

PQ

Cytb6-f

PC而又回到P700。這一過程稱為環(huán)式光合磷酸化

特點：不裂解水,不放出氧氣；

也不產(chǎn)生NADPH；

但仍可產(chǎn)生一定量的ATP。NADP+不足時，電子沿一條環(huán)形途徑傳遞回到P700

，稱環(huán)路光合磷酸化。第43頁,共58頁，2024年2月25日，星期天44鐵氧還蛋白細胞色素復合物質(zhì)體蘭素P700ATP鐵氧還蛋白NADP+還原酶NADP+NADPH2e原初電子受體QPQ原初電子受體P6802elight第44頁,共58頁，2024年2月25日，星期天454.4.3

光反應生成的NADPH在葉綠體基質(zhì)中通過一個循環(huán)過程將CO2還原成糖---碳反應碳反應:是指在葉綠體基質(zhì)中，利用光反應產(chǎn)生的ATP和NADPH作為能源和還原劑，將CO2還原成糖的過程。

部位：葉綠體基質(zhì)中；原料：CO2、NADPH、ATP、CO2受體RuBP及有關酶；過程：Calvin循環(huán)第45頁,共58頁，2024年2月25日，星期天46Figure7.10BCalvincycle是一個耗能的氧化還原過程INPUT:StepCarbonfixation.Inareactioncatalyzedbyrubisco,3moleculesofCO2arefixed.11StepEnergyconsumptionandredox.23PPP626ATP6ADP+P6NADPH6NADP+6PG3PStepReleaseofonemoleculeofG3P.3CALVIN

CYCLEOUTPUT:PGlucose

andother

compounds1G3PStepRegenerationofRuBP.4G3P43ADP3ATP3CO25PRuBP63-PGA3第46頁,共58頁，2024年2月25日，星期天476RuBP+6CO22G3P+6RuBP18ATP12NADP+12NADPH18ADP+18Pi循環(huán)一次

在Calvin循環(huán)循環(huán)中，CO2固定的第一級產(chǎn)物為三碳的PGA，這類植物稱C3植物，CO2的這種固定途徑稱為C3途徑。

2G3P

————

C6H1206

完成一次Calvincycle生成一分子3-磷酸甘油醛第47頁,共58頁，2024年2月25日，星期天48光合作用的化學反應過程回顧:光合作用利用光能制造食物LightChloroplastPhotosystemII

ElectrontransportchainsPhotosystemICalvincycleStromaElectronsLIGHTREACTIONSCALVINCYCLECellularrespirationCelluloseStarchOtherorganiccompounds第48頁,共58頁，2024年2月25日，星期天4.4.4C3植物在干旱炎熱的氣候條件下產(chǎn)生光呼吸現(xiàn)象光照、高O2、低CO2線粒體過氧化物酶體葉綠體植物在光照條件下，在光合作用的同時，吸收O2放出CO2的過程。第49頁,共58頁，2024年2月25日，星期天50

有些植物固定CO2的第一產(chǎn)物不是3-磷酸甘油酸，而是四碳的有機化合物如草酰乙酸、蘋果酸等，再經(jīng)一系列變化轉(zhuǎn)變?yōu)樘牵@一途徑稱C4途徑。具有C4途徑的植物稱為C4植物。C4途徑實際上是CO2的一種傳遞途徑，CO2最終仍要進入Calvin循環(huán)合成糖。對高溫干旱地區(qū)植物，C4途徑是一種有效捕獲CO2的途徑。（why?)

說明：4.4.5

有些植物固定CO2的第一產(chǎn)物不是3-磷酸甘油酸，而是四碳的有機化合物第50頁,共58頁，2024年2月25日，星期天51C3植物與C4植物