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1,课程内容,植物的形态与功能,动物的形态与功能,细胞,遗传与变异,生物进化,生物多样性的进化,生态学与动物行为,2,第二章生命的化学基础,1原子和分子2组成细胞的生物大分子3糖类4脂质5蛋白质6核酸,3,一、生命需要约25种元素,2.1原子和分子,基本元素：C，H，O，N，S，P，Ca等占人体99.35%。,其它元素：Na，K，Fe，Mg，Mn，Zn，Cu，Cl，I等数量少，但作用大。如很多金属元素是酶的辅助因子。,偶然存在的元素：V、Mo、Li、F、Br、Si、As、Sn、等,4,“反自然”现象自然界：C、H、O总和96%,生命体与普通物质的不同,5,微量元素Fe氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。Cu发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。Zn在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。Mo（钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。I缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症。图Co（钴）与酶的活性有关。青春期少女0.015mg/每日。V（钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。,6,Ni（镍）植物中1555ppm,人为0.1ppm；急性白血病.25g/ml,F（氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。,Se（硒）缺硒产生克山病，与肝功能，冠心病发病和防治有关.,7,生物体内最主要的四种元素是H,C,N,O。原子之间形成化合物有两种：共价键和离子键。,二、化合物由元素组成,8,水是极性分子分子之间形成氢键液态水中的水分子具有内聚力例如：水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化例如：冰比水密度低。水是良好的溶剂。水能够电离,9,9,水的特性内聚力（表面张力）强水分子间氢键分子间“黏合”较强内聚力；意义：植物体内，运输中起重要作用；,10,10,比热大水分子间氢键缓和温度变化细胞温度、体温相对恒定代谢速率稳定；密度（与冰相比）大利于水生生物生存。,11,11,良好溶剂生命系统中各种化学反应的理想介质；,12,12,电离H2O氢离子H+羟基离子；H+、OH-必须处于平衡状态大多细胞的pH近于7（中性）pH微小变化危害细胞。,13,几种碳骨架机化合物举例,2.2组成细胞的生物大分子,一、碳是组成细胞中各种大分子的基础,14,4种重要的功能团中羟基（-OH）羰基（-CO）羧基（-COOH）氨基（-NH2）3种含氧、2种含碳，1种含氮,共同点：极性，组成的化合物有亲水性。实际生物分子中含有不止一种功能团。,15,多聚体polymer单体monomer生物大分子4大类：蛋白质（protein）、核酸（nucleicacid）、多糖（polysaccharide）、脂质（lipid）,二、细胞利用少数种类小分子合成许多种生物大分子,16,小分子大分子单糖多糖氨基酸蛋白质核苷酸核酸,17,三、糖类,生命活动所需能量来源；重要的中间代谢产物；构成生物大分子；组成：C:H:O=1:2:1,功能：,18,单糖多羟基酮或醛的化合物。寡糖由两个或以上糖残基两两之间通过脱水而成的。多糖数百至数千个单糖通过脱水而形成的聚合物。,19,重要的单糖,甘油醛核糖脱氧核糖,20,葡萄糖果糖半乳糖,21,（1）双糖如麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等。（2）其他寡糖三糖、四糖等。如棉子糖。,2.寡糖,有少数几个单糖缩合而成的糖。,22,淀粉植物细胞中的储藏营养物，分为直链和支链淀粉。糖原动物细胞中储藏的多糖，又称动物淀粉。纤维素植物细胞壁的主要成分。几丁质、果胶等。,3.多糖,自然界中最多的糖类。有单糖分子（通常为葡萄糖分子）缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子。,23,1脂肪是脂质中主要的贮能分子,四、脂类,24,甘油三酯分子结构,25,动物脂肪和植物脂肪的差别：膳食中的脂肪,脂肪中有多个碳氢链。所以是含能量较多的分子，1g脂肪中贮存的能量约为1g淀粉的2倍。,26,2磷脂、蜡和类固醇都是脂质,磷脂分子结构,27,磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。,28,蜡也是酯，是由一些长链的醇与长链脂肪酸形成的酯。它的疏水性更强，可以保护生物体的表面。例如，植物和动物表面,29,（1）固醇类的内核由4个环组成（2）一些人体重要维生素和激素是固醇（3）胆固醇是细胞的必要成份（4）血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化和心脑血管疾病,30,（四）蛋白质,五、蛋白质,1蛋白质为生命活动所必需，按照蛋白质在体内的功能分为7大类,结构蛋白组成细胞结构的基础；收缩蛋白肌肉运动；贮藏蛋白：卵清蛋白胚胎发育；贮藏蛋白种子萌发；防御蛋白：血清中抗体；转运蛋白：血红蛋白；信号蛋白：细胞间传递信号激素调节机体活动；酶：生物催化剂。,31,2蛋白质仅有20种氨基酸(aminoacid)组成,（1）碳原子（2）具有氨基和羧基是各种氨基酸的共性（3）各种氨基酸的区别在侧链基团R,32,20种标准氨基酸的英文简写,33,氨基酸的分类,对于20种标准的氨基酸，按照侧链化学性质的不同，可以分为以下三组：疏水性的氨基酸Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和Met带电氨基酸Arg、Lys（+）和Asp、Glu（-）极性氨基酸Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp,34,35,一个氨基酸分子中的-氨基，与另一氨基酸分子中的-羧基脱水缩合，形成肽键，生成的化合物称为二肽。,36,不同数目的氨基酸以肽键顺序相连，这样形成的长短不一的链状分子即是肽或多肽。多肽链的一端有一个-NH2，带这个基团的氨基酸称为肽链的氨基末端氨基酸或称N末氨基酸；另一端有一个-COOH，肽链的羧基末端氨基酸或称C末端氨基酸。,37,1、一级结构2、二级结构3、三级结构4、四级结构,3蛋白质的结构决定其功能,38,蛋白质一级结构,肽键肽链氨基酸排列顺序等,39,二级结构,肽链的主链在空间的走向-螺旋-折叠-转角无规卷曲无序结构,40,-螺旋,指甲、毛发蹄、角、羊毛,41,-折叠,平行-折叠,反平行-折叠,42,折叠:较螺旋伸展的构象，两条或多条肽链间互相以氢键连接起来的成片层状结构，平行或反平行两种类型。,43,蚕丝、蛛丝,44,三级结构,亲水基位于球体表面,疏水基位于球体内部球状蛋白溶于水,45,三级结构（tertiarystructure）在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象。,球蛋白：螺旋+不规则的不成螺旋的部分，并折叠成球形。酶、蛋白质激素、抗体以及细胞质和细胞膜中的蛋白质。,46,三级结构,47,四级结构（quanternarystructure）组成蛋白质的多条肽链在天然构象空间上的排列方式，多以弱键互相连接。疏水力、氢键、盐键每条肽链本身具有一定的三级结构，就是蛋白质分子的亚基。,48,蛋白质的各级结构,氨基酸,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,血红蛋白,49,50,蛋白质结构与功能的关系,一级结构与功能的关系序列分析空间结构与功能的关系结构分析,一级结构即氨基酸顺序,高级结构,生物学功能,51,空间结构与功能的关系,DNA聚合酶活性位点,聚合酶,DNA,52,DNA的空间结构,1952年，以超高分辨率扫描式电子显微镜拍到的DNA照片。,从图上可辨认出DNA是由两条链交缠在一起的螺旋结构,53,1核酸由核苷酸组成,核苷酸是DNA和RNA结构单体。一个核苷酸分子含有一分子戊糖（核糖或脱氧核糖）、一分子磷酸和一个含氮的有机碱（碱基）。,脱氧核糖,磷酸,碱基,54,腺嘌呤脱氧核苷酸,鸟嘌呤脱氧核苷酸,胞嘧啶脱氧核苷酸,胸腺嘧啶脱氧核苷酸,脱氧核苷酸的种类,55,56,戊糖分子上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就形成核苷（脱氧核苷）；核苷（脱氧核苷）与一个磷酸分子结合，就形成一个核苷酸（脱氧核苷酸）。,(1)碱基糖之间是糖苷键(2)糖磷酸之间是磷酸酯键,57,DNA的结构模式图,从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构,放大,DNA的空间结构,58,磷酸,脱氧核糖,含氮碱基,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,59,DNA分子的平面结构,氢键,60,DNA双螺旋的特点如下：,61,1多聚核苷酸链的两个螺旋围绕着一个共同的轴旋转，为右手螺旋。,62,2螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35。,63,3嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖的平面又几乎与碱基的平面垂直。,64,4双螺旋的直径为2nm，相邻碱基之间相距0.34nm，并沿轴旋转36角。因此旋转每隔10个碱基之后，即相距3.4nm之后又转回原位。,65,5两条链是由碱基之间的氢键连在一起的。腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键,66,6长链中的碱基对的排列顺序不受任何限制。碱基对的准确序列携带着遗传信息,67,RNA为单链盘绕，局部形成碱基配对。例如：转运RNA（tRNA）的三叶草结构,68,69,本章小结,1、写出氨基酸的基本通式。2、生物大分子有哪些特性？3、具体写出蛋白质的一至四级结构代表什么？4、DNA双螺旋结构的特点？5、水分子有哪些特性？,70,第三章：细胞结构与细胞通讯,19世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：细胞是植物体和动物体的基本结构单位。,71,（1）细胞是有机体，是所有动、植物的基本结构单位；（2）每个细胞相对独立，一个生物体细胞之间协同配合；（3）新细胞由老细胞繁殖产生。,细胞学说：,72,最初提出细胞学说观点的两篇论文是:德国植物学家施莱登1938年发表的论文:论植物发现;德国动物学家施旺1939年发表的论文:动、植物结构与生长相似性的显微研究。,73,扫描电镜（SEM）,透射电镜（TEM）,74,2分级分离技术可用于研究活的样本,细胞的分级分离是将细胞破碎，将其中的的各种细胞器分开，从而可以分别研究它们的功能。最有效的仪器是超速离心机。沉降系数的S单位。S表示的是大分子或颗粒在超速离心时的沉降行为，其大小与颗粒的密度、形状、沉降介质的密度均有关。沉降系数越大，分子或颗粒就越大。利用分级分离技术，可以制备比较大量的各种细胞器的制剂，以便仔细研究其功能。,75,3细胞的概貌,最小的细胞是支原体细胞，直径只有100nm；最大的细胞是鸟卵，肉眼可见。细胞的大小和细胞的机能是相适应的。例如，神经细胞、鸟卵。一般说来，生物体积的增加，是由于细胞数目增加，而不是由于细胞体积加大。单细胞生物仅有一个细胞；而多细胞生物的细胞数目和生物体的大小成正比。,76,4两类细胞：原核细胞和真核细胞,原核细胞：不含细胞核(nucleus)原核细胞所形成的生物称为原核生物(prokaryotes)，包括所有的细菌(bacteria)。真核细胞：有细胞核。真核细胞构成的生物称为真核生物(eukaryotes)，包括动物（animal）、植物（plant）、真菌(fungi)以及介于动植物之间的原生生物(protista)。,77,原核细胞,遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜支原体目前发现的最小最简单的细胞细菌(Bacteria)蓝藻又称蓝细菌,78,79,以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。,真核细胞,3.2真核细胞的结构,80,1细胞核是真核细胞的控制中心,核被膜双层膜，具核孔核基质(核液)染色质由DNA和蛋白质组成核仁富含蛋白质和RNA的区域，核糖体的装配场所。,81,核被膜,核被膜的组成：外核膜内核膜核周腔核孔,82,核被膜的功能,构成核、质之间的天然选择性屏障避免生命活动的彼此干扰保护DNA不受细胞骨架运动所产生的机械力的损伤核质之间的物质交换与信息交流,83,染色质,染色质：分成常染色质，即细丝状的部分；和异染色质，即染色较深的团块。组成：DNA和蛋白质，及少量RNA。分成组蛋白和非组蛋白两类。组蛋白是碱性蛋白，分为H1、H2A、H2B、H3、H4共5种。它们与DNA相结合；非组蛋白种类多，如DNA聚合酶、RNA聚合酶等。核小体：直径10nm。4对组蛋白分子。连接DNA：与核小体上的DNA相加，约为200碱基对。,84,核小体和染色质,85,核仁,细胞间期核中个或几个浓密的球形小体称为核仁形状、大小、和数目因物种和生理状态而异,核仁,86,有由蛋白质成分组成的纤维状网，网孔中充以液体。是核的支架，并为染色质的代谢活动提供附着的场所。,核基质,87,内质网的两种基本类型：粗面内质网光面内质网,2内质网与核糖体,88,内质网,光面内质网的形态：分支管状或小泡状，无核糖体附着。,89,粗面内质网的功能蛋白质合成与加工脂类的合成,粗面内质网的形态：呈扁平囊状，排列整齐，有核糖体附着。,90,蛋白质合成,分泌蛋白整合膜蛋白细胞器内蛋白,91,光面内质网的功能脂类、类固醇激素的合成肝的解毒作用肝细胞葡萄糖释放（G-6PG)肌细胞贮存Ca2+,92,原核细胞与真核细胞的核糖体外形和功能基本相同，但大小不同核糖体的主要成分为rRNA(5060%)和蛋白质(4050%)，构成大小亚基,核糖体,93,3高尔基体合成、分拣并将产物运出细胞,高尔基体的形态结构由扁平囊和大小不等囊泡组成具有极性的细胞器面向核的凸面为形成面或顺面(cis面)远离核的凹面为成熟面或反面(trans面),94,反面,顺面,高尔基体的功能区隔,95,高尔基体的功能,多糖合成蛋白质分类、包装、运输,蛋白质修饰与加工,内质网,高尔基体,96,4溶酶体起消化作用,溶酶体是单层膜包裹的小泡，由高尔基体断裂产生，内含60种以上的水解酶。溶酶体的功能是消化从外界吞入的颗粒和细胞本身产生的碎渣。食物泡+溶酶体次级溶酶体。溶酶体是酸性的，PH4.8或更低，而各种水解酶只有在酸性环境中才有活性。,97,高尔基体,溶酶体,98,初级溶酶体,次级溶酶体,残体,99,溶酶体参与细胞消化,100,5液泡有多种功能,植物细胞中普遍存在。有单层细胞膜包裹。分生组织细胞的液泡多而小，而成熟细胞的液泡大，且占据细胞的中央。,植物液泡的作用：,调节细胞渗透压以及收集代谢废物。液泡中的花青素还决定花、果实和叶的颜色。,101,6.线粒体和质体等进行能量交换,线粒体:细胞呼吸并产生ATP的重要场所,线粒体一般呈粒状或杆状，一般直径0.5-1m，长1.5-3.0m。,102,线粒体的结构组成：线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。,103,线粒体结构,104,ATP合成酶复合体,嵴,105,功能：呼吸作用进行的场所，生命活动的“动力工厂”，是三羧酸循环、电子传递和ATP生成的场所。,106,质体,白色体有色体,叶绿体：果实成熟有色质体白色质体：贮存淀粉有色质体：果实、花、秋叶中，含色素,前质体,光,107,108,（1）叶绿体膜：叶绿体外被由双层膜组成，膜间为10-20nm的膜间隙。外膜的渗透性大，如核苷、无机磷、蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。内膜的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸、甘油酸、丙糖磷酸，双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜。,109,（2）类囊体是单层膜围成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分，光能向化学能的转化是在类囊体上进行的，因此又称光合膜。扁平囊相叠基粒以基粒类囊体连通膜系统；,110,7微体是与H2O2代谢有关的细胞器,单层膜包裹的小泡，外形与溶酶体相似。分成过氧化物酶体和乙醛酸循环体两种。,过氧化物酶体,乙醛酸循环体,动、植物细胞都有，内含氧化酶。细胞中20%的脂肪酸在其中氧化分解。氧化反应产生的H2O2由所含的过氧化氢酶分解。,只存在于植物细胞。脂类转化为糖及参与光呼吸。,111,8.细胞骨架维持细胞形状并控制其运动,分布与真核细胞内的蛋白质纤维组成网状结构，与细胞器的空间分布、功能活动、物质运输、能量转换及信息传递等有关，在细胞中起到“骨骼和肌肉”作用。组成细胞骨架的三类蛋白纤维：微管微丝中间纤维,细胞骨架结构,112,微管,，球状微管蛋白组成中空管，直径25nm功能：维持细胞形态细胞器定位胞内物质运输鞭毛、纤毛、染色体运动,113,以细胞核为中心向外放射状排列的微管纤维（红色）,114,微丝,肌动蛋白组成的微丝，直径7nm功能：维持细胞形态细胞分裂肌肉收缩,115,中间丝（纤维）,多种蛋白组成直径10nm细胞中含量丰富功能：承受机械压力,116,鞭毛和纤毛：,中心粒：,基粒：,细胞表面的附属物，有运动的功能。两者基本结构相同，区别主要在于长度和数量。它们的结构成分是微管，在横切面上呈9（2）+2排列。,由微管构成，呈9（3）+0排列。基粒与鞭毛和纤毛的基部相连。,由微管构成的细胞器，结构和基粒相似。中心粒位于中心体（微管组织中心）中。,9鞭毛、纤毛、中心粒与运动有关,117,细胞壁是植物细胞区别于动物细胞的显著特点之一。细胞壁保护植物细胞，维持其形状，并使它不能吸收过量的水分。,10细胞壁包被着植物细胞,118,1细胞壁的分层胞间层主要由果胶质组成初生壁主要由纤维素和果胶质组成次生壁主要由木质素和纤维素组成2细胞壁的特化木化角化栓化矿化,119,细胞壁的分层,120,11动物细胞有胞外基质和细胞连接,分布于细胞外空间由蛋白质和多糖构成网络结构,胞外基质,121,细胞连接,细胞与细胞间、细胞与细胞外空间的结构关系称为细胞连接。紧密连接桥粒间隙连接,122,紧密连接两个相邻细胞之间的细胞膜紧密靠拢，两膜之间不留空隙，使胞外的物质不能通过,123,桥粒,在皮肤、子宫颈处的上皮细胞之间有一种非常牢固的细胞连接，叫桥粒,124,间隙连接,两细胞之间有很窄的间隙，其宽度不过2-3nm，贯穿于间隙之间有一系列通道，使两细胞的细胞质相连。,125,3.3生物膜-流动镶嵌模型,各种细胞器的膜和核膜、质膜在分子结构上是一样的，它们统称为生物膜。生物膜厚越78nm，真核细胞的生物膜占细胞干重的7080%，最多的是内质网膜。生物膜把细胞空间分隔开，使细胞具有了界限分明、工作性质各异的单位。生物膜的这种分隔也使膜面积加，提高了物质合成、运输等多种生命活动的效率。生物膜主要由脂类和蛋白质分子以非共价键组合装配而成。骨架是脂双层，其中有以不同方式镶嵌其间的蛋白质分子。此外，质膜的表面还有糖类分子。生物膜不是固定不变的，而是经常处于动态变化之中。,126,主要化学成分：蛋白质、脂类（磷脂）、糖类,基本支架：磷脂双分子层,动物细胞质膜的结构模型,127,磷脂分子,128,细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层；流动镶嵌模型突出了膜的流动性和不对称性：,流动镶嵌模型,129,1膜是流动的,细胞膜中脂类和蛋白质分子的运动性在生理状态下，膜脂双分子层处于液晶态，既具有液态的流动性，也具有固态分子的有序性。温度的改变可调节膜脂的状态。,侧向运动转动翻转运动左右摆动,膜脂分子运动方式,130,胆固醇,胆固醇是中性脂类，它散布于磷脂分子之间，其极性头部紧靠磷脂分子的极性头部，甾环固定在碳氢链上，对膜稳定性起重要作用。,131,2膜是镶嵌的,蛋白质以不同方式镶嵌或附着于脂双层上,132,膜蛋白:根据膜蛋白分离的难易及其与脂分子的结合方式，膜蛋白可分为两大类型：膜周边蛋白、膜内在蛋白。(1)内在膜蛋白与膜结合非常紧密，穿过脂双层的疏水核心，许多都是整个的穿过膜(2)膜周边蛋白，完全不埋在脂双层中，他们像附属物一样与膜内在蛋白发生疏松的结合。,133,膜内在蛋白,膜周边蛋白,134,3膜上的糖类为细胞间识别所必需,糖蛋白糖脂,糖以共价键与膜上的蛋白或脂肪结合，糖只存在于质膜的外层,细胞识别关键在于识别细胞表面的糖分子，例如。,135,“流动镶嵌模型”要点,流动性不对称性,136,137,3.4细胞通讯,是细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制，对环境作出综合反应的细胞行为。举例:肾上腺素引起肌肉细胞中糖原水解为葡萄糖的全部信号转导。,138,三个阶段：信号接受信号转导响应,139,信号接受,配体与受体结合配体：细胞外的信号分子，包括激素、神经递质、抗原、药物以及其它有生物活性的化学物质，它们都必须与受体特异结合，通过受体的介导作用，才能对细胞产生效应。这些信号分子，统称为配体。受体：能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。,140,膜表面受体主要有三类：离子通道型受体（ion-channel-linkedreceptor）；G蛋白耦联型受体（G-protein-linkedreceptor）；酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor）。,141,142,信号转导途径,信号转导途径的作用是把信号从受体上传递到细胞内发生专一的响应。一个受体活化另一个受体，第二个受体又活化第三个，如此等等。如图3.31,143,响应,信号转导的最终结果是细胞对信号的响应。如图3.31,144,本章小结,1.动植物细胞的区别2.真核细胞各种细胞器的结构和功能3.生物膜流动镶嵌型的特点4.描述细胞信号转导途径的3个阶段。,145,第四章:细胞代谢,一、能与细胞二、酶三、物质的跨膜运输四、细胞呼吸五、光合作用,146,新陈代谢,是生物体内进行的物质和能的变化的总称是最基本的生命活动过程新陈代谢,物质代谢,能量代谢,同化作用,异化作用,合成物质,贮存能量,分解物质,释放能量,147,ATP是生物体能量流通的货币,一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用。,148,生物体把能量用在生命活动的各个方面,ATP,生物电,物质进出细胞,合成其它形式的能量分子如：NADPH,发热（体温）,运动,149,能分为动能和势能动能：势能：活细胞中的分子，由于其原子中的排列而具有势能，这种势能就是活细胞做各种功的化学能。所以，化学能是分子中的势能，是活的生物体内最重要的能量形式。,4.1能与细胞,4.1.1能是做功的本领,150,生物体是一个开放体系，它的物质和能量总是不断地与其环境之间发生交换。开放体系是所有生物的特点。一个特定体系的有序性要增加，其环境的无序性便必须增加。这一概念完全适用于细胞的活动。细胞是利用有序性较低的原料制造高度有序的结构。,4.1能与细胞,4.1.2热力学定律,151,热力学第一定律：宇宙中的总能量是固定不变的。,152,热力学第二定律即：能的每一次转化总要失去一些可用的自由能，总要导致熵的增加，而熵的增加则意味着有序性的降低，所以生物从外界摄取自由能来保持甚至加强它的有序状态。,生物摄取低熵状态的食物通过代谢将它们转化为高熵（不稳定）排出体外避免了由于生物代谢导致总熵增加维持了生物内部的有序性。,153,吸能反应是指反应产物分子中的势能比反应物分子中的势能多。举例放能反应与吸能反应相反，其产物分子中的化学能少于反应物分子中的化学能。举例每一个活细胞中都要发生千百种放能反应和吸能反应，所有这些反应总称为细胞代谢。,4.1能与细胞,4.1.3吸能反应和放能反应,154,一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用。,4.1.4ATP是细胞中的能量通货,4.1能与细胞,155,下图,156,157,生物体把能量用在生命活动的各个方面,158,生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢。通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种大、小分子以供生命活动所需要。体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂-酶的催化下进行的。,4.2酶,159,细胞中促进化学反应速度的催化剂;2000多种;在非细胞条件下也能发挥作用。,160,牛胰核糖核酸酶（RNase）,返回,161,催化剂只能催化原来可以进行的反应，加快其反应速度。即使对可以进行的反应来说，反应物分子应越过一个活化能才能发生反应。酶作为催化剂的作用是降低活化能。,4.2.1酶降低反应的活化能,162,酶的催化机理是降低活化能,163,酶是如何降低活化能的呢?,首先需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有酶的活性部位。然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来。酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。,164,底物分子结合在酶的活性部位,165,使底物靠拢,使底物分子产生应力,使底物分子电荷变化,166,温度：只有在最适温度下酶活性最高pH和盐的浓度也影响酶的活性许多种酶的正常活动还需要非蛋白质成分的参与，这些成分为辅因子。另一大类影响酶的活性的化学物质是酶的抑制剂竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂。,4.2.2多种因素影响酶的活性,167,竞争性抑制有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些分子与底物竞争结合酶的活性中心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）。这种情况称为酶的竞争性抑制。,168,竞争性抑制剂在结构上与底物相似,169,对氨基苯甲酸（细菌生长因子）,对氨基苯磺酸（磺胺药）,磺胺类药物竞争性抑制细菌体内的酶,170,非竞争性抑制剂：不占据活性部位，但它与酶分子的结合使酶分子的形状发生变化，从而使活性部位不再适合接纳底物分子。,171,酶的抑制剂或有的可逆的，有的不可逆的。竞争性抑制剂的作用是可逆的。条件？酶的抑制剂的应用：举例：,172,4.2.3核酶,长期以来，一直公认所有的酶都是蛋白质，但是，1981年美国科学家发现，细胞中与RNA分子有关的某些反应却是由RNA本身所催化的，而不是由蛋白质催化的。,173,两类核酶：一类是催化分子内的反应，即分子的一部分与另一部分反应。例如RNA的一段在该分子内改换位置。另一类核酶则催化分子间的反应，就是别的分子发生反应而作为核酶的RNA分子在反应前后无变化。,174,细胞维持正常生命活动的基础之一,4.3物质的跨膜运输,175,决定选择透性的因素有二：脂双层和转运蛋白。脂双层是亲脂性的。烃类、二氧化碳和氧溶于脂双层中，所以易于透过质膜。亲水性物质通过转运蛋白出入细胞，避免了与膜中亲脂部分的接触，这是由于转运蛋白提供了专门通道供这些物质通过。膜的选择透性决定于脂双层本身的限制和转运蛋白的专一性。,4.3.1膜的选择透性源于其分子组成,176,被动转运-物质顺浓度梯度运输,简单扩散,4.3.2被动转运是穿过膜的扩散,177,4.3.3渗透是水的被动转运,高渗溶液低渗溶液图4-7渗透现象,178,无壁细胞的水分平衡许多生活在低渗或高渗环境中的动物都有特殊的渗透调节的适应以控制水分平衡。例如草履虫,179,有壁细胞的水分平衡植物、藻类、细菌和真菌的细胞有细胞壁，它们的水分平衡原理相同。这些细胞在低渗溶液中是膨胀的，在等渗溶液中是萎蔫的。在高渗溶液中则发生质壁分离,180,易化扩散(需载体蛋白),4.3.4专一蛋白使被动转运易化,181,主动转运,Na+-K+泵由ATP提供能量,4.3.5主动转运是逆浓度梯度的转运,182,协同运输：Na+-K+泵与载体蛋白协同作用,主动转运,183,胞饮吞噬,胞吞：,4.3.6胞吞和胞吐转运大分子,184,胞吐,185,细胞呼吸：细胞在有氧条件下从食物分子（主要是葡萄糖）中取得能量的过程。有氧呼吸：指生活细胞利用分子氧，将某些有机物质彻底氧化分解，形成CO2和H2O,同时释放能量的过程。C6H12O6+6O26CO2+6H2O能量无氧呼吸指生活细胞在无氧条件下，把某些有机物分解成为不彻底的氧化产物，同时释放能量的过程。C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量,酶,酶,4.4细胞呼吸,4.4.1细胞呼吸引论,186,生物体内氧化分步骤进行,淀粉,葡萄糖,丙酮酸,CO2+H2O,ATP,187,细胞呼吸包含的过程：,一般可分为三个主要阶段：以葡萄糖为例糖酵解柠檬酸循环电子传递链(chainofelectrontransport),188,(1)糖酵解（EMP途径）就是葡萄糖的分解，其最终产物是丙酮酸。即己糖分解成丙酮酸的过程。反应进行部位：细胞质特点：不需O2的参与由特定的酶催化（氧化作用的O2来自水分子和被氧化的糖分子）,4.4.2糖酵解,189,全过程：12步骤，11酶,葡萄糖C-C-C-C-C-C,淀粉、糖原等,葡萄糖-6-磷酸C-C-C-C-C-C-P,ATP,ADP,果糖-6-磷酸C-C-C-C-C-C-P,果糖1,-6-二磷酸C-C-C-C-C-C-P,ATP,ADP,3-磷酸甘油醛PGAL(2分子)磷酸二羟丙酮,2NAD+,2Pi,2NADH+2H+,1,3-二磷酸甘油酸(2分子),1、消耗ATP2分子,细质,190,3-磷酸甘油酸（2分子）,2磷酸甘油酸（2分子）,磷酸烯醇式丙酮酸（2分子）,丙酮酸（2分子）,2、产生ATP4分子,191,返回,糖酵解途径,192,总反应式：葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O糖酵解过程中：一个分子的葡萄糖分解为2分子的丙酮酸利用2个ATP，产生4个ATP，净得2个ATP；2个分子的NAD+被还原，产生了2个NADH+H+,193,与葡萄糖氧化分解产生能量有关的三条代谢途径,A、糖酵解途径六个碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮酸，净得两个ATP，同时还产生NADH。糖酵解途径可以在无氧情况下进行，但是要解决NADH变回到NAD问题。,194,糖酵解生理意义,是无氧呼吸和有氧呼吸的共同途径糖酵解最终产物丙酮酸可通过各种代谢途径生成不同物质是厌氧生物糖分解和获取能量的主要方式多数反应均可逆转，为糖异生作用提供了基本途径,195,三羧酸循环三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH和FADH2，然后再逐步传递给氧。,4.4.3柠檬酸循环,196,三羧酸循环（TCA循环）,部位：线粒体基质内特点：需要氧参与和多种酶的催化过程：是包括三羧酸和二羧酸的循环逐步脱羧脱氢，彻底氧化分解的过程,197,TCA循环过程（9步反应）,丙酮酸在有氧条件下进入线粒体，氧化脱羧与辅酶A结合成为活化的乙酰CoA；释放出1分子CO2，同时发生NAD的还原。,丙酮酸乙酰辅酶A,氧化脱羧,198,返回,丙酮酸,三个二氧化碳,三羧酸循环,199,在呼吸链起端，电子处在高能水平，传递到O2时，处于低能水平。传递过程中释出的能量，用于产生ATP。,4.4.4电子传递链和氧化磷酸化,200,下图,呼吸链：电子逐步传递到氧,201,返回,202,203,返回,糖酵解,三羧酸循环,呼吸链,204,总之，在有氧条件下，细胞呼吸中每氧化一分子葡萄糖，最多可产生30或32个ATP.,205,无氧呼吸：无机物代替氧作为最终的电子受体进行呼吸。发酵：厌氧细菌和酵母菌在无氧条件下获取能量的过程。,酒精发酵:,乳酸发酵:,4.4.5发酵作用,206,酒精发酵用途:,乳酸发酵用途:,制酒,酸菜、酸奶、奶酪,207,生物体可利用各种有机分子作燃料,除了葡萄糖，其他生物分子，包括脂类、氨基酸、核苷酸等，都可以通过三羧酸循环途径，彻底氧化为CO2和H2O，同时产生能量。对于人体来说，最适宜的燃料是葡萄糖。代谢作用是生命的核心，它有两个方面：一个是细胞呼吸，是从食物中收集能量的过程；另一个是各种生物合成途径，是建造细胞各种成分的过程。,4.4.6各种分子的分解和合成,208,209,呼吸作用的意义,为生物的生命活动提供能量呼吸作用形成的中间产物是进一步合成生物体内新的有机物的物质基础在植物体内的碳、氮、脂肪代谢活动中起枢纽作用,210,光合作用,指光合生物吸收太阳能，并将其转变成有机化合物中化合能的过程。光合生物：绿色植物、藻类：CO2+2H2O*(CH2O)+O2*+H2O紫硫细菌：CO2+2H2S(CH2O)+H2O+2S氢细菌：CO2+2H2(CH2O)+H2O,4.5光合作用,211,返回,绿叶中的光合作用,212,1.光合作用的发现,荷兰医生VanHelmon(范海尔蒙）在1648年做了第一个探索光合作用的实质性实验。将一株5磅重的小树种在重200磅的干土中，用雨水浇灌5年，不供给其它营养物质，小树长成重169磅植株，而土壤重量基本上不变。,干土,五年后,浇水,4.5.1光合作用引论,213,普列斯特莱实验,1772年，JosephPriestley首次报导了有关气体参与光合作用的证据。他的实验是让一支蜡烛在盖有薄荷枝条的玻璃罩内燃烧熄灭。结论：普列斯特莱Priestley认为，植物消耗CO2而产生O2，使火焰和小鼠得以生存。,214,普列斯特莱实验,蜡烛任其燃烧直至熄灭,没有蜡烛,没有植物,蜡烛能再次点燃,老鼠活着,植物死亡,蜡烛不能燃烧,老鼠死亡,间隔几天,间隔几天,间隔几天,215,光合作用的因子,在以后连续几年中，其他研究者继续了普列斯特莱的工作。瑞士的一位牧师JeanSenebier(吉恩塞内毕尔）发现，植物生长时其碳的含量亦同时增加，此种碳的来源是CO2，并且光合作用中氧的释放与CO2的吸收同时进行，即：O2来自CO2。Senebier的结论：光合作用中CO2被分解时其中的碳被结合到植物体的有机物中，而O2被释放，即：CO2+H2O=CH2On+O2。,216,总结实验得出结论,植物消耗CO2，把它转变成化合物(淀粉和葡萄糖)，提出了“固碳”这个名词，表示食物的制造过程。在固碳时，植物同时释放O2。植物只有在阳光下才能固碳，它们利用太阳光而不是热能，把光合作用(photosynthesis)看作固碳的同名词应用。只有植物的绿色部分产生O2，即光合作用需要叶绿素。,217,当时留下的疑问?,绿色植物怎样俘获阳光？植物如何利用太阳能？O2来自CO2，还是来自H2O？光合作用中，植物如何利用CO2制造出碳水化合物的？,218,阿农实验,首先，他供给叶绿体ADP(ATP的低能形式)和NADP，不给叶绿体提供CO2，结果ADPATP，NADPNADPH2，同时释放氧气。由此得出，光反应的作用之一就是把能储存在ATP和NADPH2中。其次，他从叶绿体中完全去除叶绿素，而把酶提取出来，在完全黑暗的条件下，把这些植物酶与ATP、NADPH2、CO2混合在一起，结果制造出碳水化合物。到此时，阿农成功地以实验方法区分出光反应和暗反应，证实了布莱克曼的推断，并揭示了ATP和NADPH2就是Blackman所说的X物质。,叶绿体（叶绿素和酶）,ADP,NADP,ATP,NADPH2,光反应,暗反应,仅仅是酶,碳水化合物(CH2O)n,CO2,O2,219,光反应的具体过程,1956年，RobertEmersom等证明，用两束单色光(如：670nm和710nm)同时照射叶绿体，光合作用的效率大大高于用总强度相同的单波长光照射的效率。由此得出光反应也包括两个不同的过程：即光系统P700(PS:NADP+2H+2e-NADPH2+2e-)和光系统P680(PS:H2O1/2O2+2H+2e-(水是氢供体)。以后阿农和卡尔文追踪了活动辅酶的步骤，经过长期的探索，才了解到P57图中的光反应过程。归结起来如下：H2O被光解：2H2O4e-+4H+O2,即氧气被释放出来，H+与活化叶绿素的高能电子结合共同把NADP还原成高能NADPH2，低能电子则和电子链结合，将吸收的光能转移给叶绿素分子中的电子，使其上升到较高的能级，具有较高能级电子的叶绿素分子称为被“激发”，激发态瞬息即逝，电子又跌回到它先前的能级，同时放出能量。,220,卡尔文和本森实验证实暗反应,卡尔文(Calvin)和本森(Benson)利用小球藻研究暗反应。他们在一个玻璃器皿中装上培养物，加入放射性的碳酸氢盐，通过不同时间的光照，把混合物的样品转移到酒精中，以此杀死细胞并阻止酶的活动，然后用色谱法和放射自显影鉴定由碳酸氢盐中的14C所合成的物质。结果发现：主要产物是3-磷酸甘油酸PGA，从而了解到光合作用暗反应中固定CO2的途径，为了记念它的发现者，这个途径称为Calvin卡尔文循环。,221,植物光合作用：氧化还原反应CO2被还原成糖H2O被氧化成O2光能被固定并转换成化学能,实验结论：,222,2.光合作用概述,叶绿体,叶片是光合作用主要器官,叶绿体是光合作用最重要细胞器,类囊体膜：光反应,基质：暗反应,223,叶绿体中的叶绿素是进行光合作用必不可少的成份。在叶绿体中进行的光合作用，又可以分为两个步骤：光反应：在叶绿素参与下，把光能用来劈开水分子，放出O2，同时造成两种高能化合物ATP和NADPH。碳反应：把ATP和NADPH中的能量，用于固定CO2，生成糖类化合物。这个过程必须在光下进行，但是不需要光直接参加。,224,Lightreaction（光反应）通过叶绿素等光合色素吸收、传递光能，并将光能转化为化学能，形成ATP和NADPH的过程。在类囊体膜上进行包括原初反应、电子传递和光合磷酸化carbonreactions（碳反应）利用光反应所形成的能量（ATP和NADPH）（同化力），将二氧化碳合成糖类的过程。这个过程必须在光下进行，但是不需要光直接参加。在叶绿体基质中进行,光合作用的过程：光反应和暗反应,225,226,光合作用过程中根据能量转变的性质：原初反应:光能电能电子传递与光合磷酸化：电能碳同化：活跃化学能稳定化学能,活跃化学能,227,光,吸收光能,天线色素,传递,光能,O2,ADP+Pi,CO2,中心色素,夺取e-,分解,H2O,H+,ATP,酶,酶,NADPH,NADP,C3,C5,酶,酶,CO2,还原,多种酶催化,固定,失e-,光能转换成电能,电能转换成活跃化学能,活跃化学能转换成稳定化学能,228,返回,吸收光能靠叶绿素,229,1.叶绿素对光的吸收,指从光合色素分子被光激发到引起第一个光化学反应为止的过程。包括：光能的吸收和传递光化学反应,4.5.2光反应,230,光能吸收与传递,光量子吸收与色素分子结构有关（高等植物）叶绿素：叶绿素a、叶绿素b类胡萝卜素：叶黄素、胡罗卜素色素吸收光的实质是色素中的一个电子得到了光子中的能量，称为高能电子。,231,2.光系统,光系统是由许多种分子组成的，其中有叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、几种蛋白质分子和光合作用的原处电子受体（作用中心、天线色素和几种电子载体）。作用中心天线色素光系统I和光系统II,4.5.2光反应,232,叶绿素：640660nm红光、430450nm蓝紫光吸收最强类胡罗卜素：吸收带在400500nm蓝紫光,红、蓝光最强,233,3光合电子传递链,原初反应使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动光合膜上电子传递。电子传递的结果：引起水的裂解放氧和NADP+的还原建立跨膜质子动力势，启动光合磷酸化，形成ATP,234,电子传递,在叶绿体类囊体上的光合链进行光合链：定位在光合膜上，由多个电子传递体组成的电子传递轨道。,235,光合磷酸化,指在光合作用过程中，将水光解产生的电子经电子传递链所释放的能量，储存在由ADP磷酸化形成的高能磷酸键的过程。,236,卡尔文循环：植物利用光反应中形成的ATP、NADPH将CO2转变为磷酸丙糖的复杂生化反应。类型：根据最初产物碳原子数目及碳代谢特点分为：C3途径C4途径CAM途径,4.5.3碳反应,1、光合碳还原循环,237,C3途径：CO2的固定（羧化阶段）；氧化还原反应；RuBP的再生,6PGA,6GAP,输出1分子GAP,（细胞质中）,5GAP,3RuBP,固定,还原,再生,3磷酸甘油酸,甘油醛3磷酸,核酮糖1,5二磷酸,238,羧化阶段：,指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的过程.3RuBP+3CO2+3H2O6PGA+6H+RuBP：核酮糖1,5二磷酸PGA：3磷酸甘油酸,239,还原阶段：,指利用同化力将3磷酸甘油酸还原为甘油醛3磷酸(GAP)6PGA+6ATP+6NADPH+6H+,6GAP+6ADP+6NADP+6Pi,240,再生阶段：,指由甘油醛3磷酸重新形成RuBP过程。5GAP3ATP+2H2O,3RuBP+3ADP+2Pi+3H+,241,C4途径,玉米、高粱、甘蔗等近2000种植物,C3植物光合细胞主要为叶肉细胞C4植物光合细胞有叶肉细胞和维管束鞘细胞,强光、高温、干燥条件光合速率C4植物大于C3植物,242,叶肉细胞,鞘细胞,243,C3植物和C4植物,244,4、影响光合作用因素,光CO2温度水分矿质营养,245,第五章：细胞的分裂和分化,246,5.1.1原核细胞以二分分裂增殖,5.1细胞有丝分裂和细胞周期,247,细菌细胞分裂,原核细胞分裂,248,染色体复制时，细胞就长大。复制完成，细胞也长大了一倍时，质膜就向内陷，把细胞一分为二。,249,细胞周期,1概念细胞从第一次分裂开始到第二次分裂开始，这段时间称为一个细胞周期。,（1）真核细胞周期：真核“细胞周期”也称“细胞分裂周期”，是指一个细胞经生长、分裂而增殖成子细胞所经历的全过程，通常可分为若干阶段，即G1期、S期、G2期和M期。,250,通常细胞周期可以区分为：G1期S期DNA合成期G2期分裂期(M期)在这个阶段可以在显微镜下看到细胞分裂过程。,间期,251,细胞分裂周期,252,2.2细胞周期不同时期的主要事件：G1期：与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝缩。S期：DNA复制G2期：DNA复制完成，在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子。M期：细胞分裂期有丝分裂细胞核及染色体分裂胞