高中生物奥赛辅导之六.ppt

高中生物奥赛辅导之六,宣汉中学高二生物组供稿,生物化学,氨基酸等电点,光合作用,生物氧化,酶促反应,主要内容,蛋白质是构成细胞和生物体的基本物质，占细胞干重的一半。所有蛋白质的元素组成都很近似，都含有C、H、O、N四种元素，其中平均含氮量约占16，这是蛋白质在元素组成上的一个特点。蛋白质是一类极为复杂的含氮高分子化合物，其基本组成单位是氨基酸。,通过许多实验证明：对于含有一个氨基和一个羧基的-氨基酸来说，在中性溶液中或固体状态下，主要是以两性离子的形式存在。,中性分子,两性离子,氨基酸由于含有氨基和羧基，因此在化学性质上表现为是的一种兼有弱碱和弱酸的两性化合物。,H,H,(R0),(R-),(R+),氨基酸在溶液中的带电状态，会随着溶液的pH值而变化。如果氨基酸的净电荷等于零，在外加电场中不发生向正极或负极移动的现象，在这种状态下溶液的pH值称为其等电点，常用pI表示。,正极,负极,-,-,+,+,+,+,-,-,正极,负极,-,-,+,+,+,+,-,-,正极,负极,-,-,+,+,+,+,-,-,当溶液的pH值低于某氨基酸的等电点时，则该氨基酸带净正电荷，在电场中向阴极移动。,若溶液的pH值高于某氨基酸的等电点时,则该氨基酸带净负电荷,在电场中向阳极移动。,环境pH=pI,环境pHpI,K1,+H+,(R+),(R0),R+,K1=-,R0,H+,K1,+H+,(R-),R0,K2=-,R-,H+,(R0),-COOH的解离常数用标准NaOH滴定，当R+有一半解离成R0，即R0=R+时，K1=H+。对K1=H+两边取负对数，即pK1=pH(即此时环境中的pH为-COOH的解离常数)。,-N2H的解离常数用标准NaOH滴定，当R0有一半解离成R-，即R0=R+时，K1=H+。对K2=H+两边取负对数，即pK2=pH(即此时环境中的pH为-NH2的解离常数)。,R+,K1=-,R0,H+,pK1=pH,R0,K2=-,R-,H+,pK2=pH,K1K2=-,R+,R0,H+,R0,R-,H+,(因为在等电点时，所带净电荷为0，即R-=R+),K1K2=-,R+,H+,R-,H+,I=H+,=(K1K2),1-2,(I代表等电点的氢离子的浓度),pI=(pK1+pK2),1-2,(等式两边取负对数),例：丙氨酸的pK1(-COOH)=2.34,pK1(-N+H3)=9.69。则丙氨酸的等电点是多少？,(2.34+9.69)/2=6.02,pK1,pK2,pK3,2.09,3.86,9.82,但在等电点时主要以兼性离子(R0)存在，R+和R-很小且相等，R2-或R2+的量可以忽略不计。只要依次写出它从酸性经过中性至碱性溶溶解高过程中的各种离子形式，然后取两性离子两侧的pK值的算术平均值，即可得其pI值。,(R+),(R0),(R-),(R2-),例：根据上面的解离情况，计算出天冬氨酸的等电点是多少？,有的氨基酸因为R基中还含有-NH2或-COOH，它们有多个解离基团，所以有多个pK值。那么我们如何求这些氨基酸的等电点呢？,(2.09+3.86)/2=2.98,返回,一、光合作用的概念及其重大意义,光合作用可概括为含光合色素的植物和细菌，在日光下利用无机物物质(CO2、H2O、H2S等)合成有机物(如C6H12O6)，并释放氧气或其它物质(如S等)的过程。光合细菌根据它们所含光合色素和电子供体的不同而分为产氧光合细菌(如：蓝细菌)和不产氧光合细菌(如紫色细菌)。,光合作用是地球上最大的有机合成反应。每天把大量光能转化为分子形式的化学能，并通过食物链为生物圈的其他成员所利用，是生态系统中的生产者。因此，光能是地球上几乎所有生物所需能量的最终来源。,蓝细菌,绿色植物,二、光合作用的场所,CO2的固定,CO2的还原,三、光合色素种类,光合色素主要有三种类型：叶绿素(叶绿素a、叶绿素b为主)、类胡萝卜素(包括胡萝卜素和叶黄素)和藻胆素(主要有藻红蛋白、藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白)。高等植物中含有前两类，藻胆素仅存在于藻类中。,类囊体膜上分布有光合色素、电子传递体、ATP酶等。,光合色素的形成与光、温度、营养元素、氧气、水等有关。植物体内不同光合色素对光波的选择吸收是植物在长期进化中形成的对生态环境的适应，这使植物可利用各种不同波长的光进行光合作用。,叶绿素最强的吸收区有两处：波长640-660nm的红光部分和430-450nm的蓝紫光部分。叶绿素对橙光、黄光吸收较少，尤以对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。(曲线2-叶绿素a,3-叶绿素b),类胡萝卜素的吸收带在400500nm的蓝紫光区，它们基本不吸收红橙黄光，从而呈现橙黄色或黄色。,(曲线5-胡萝卜素),藻蓝蛋白的吸收光谱最大值是在橙红光部分，而藻红蛋白则是在绿光部分。,(曲线4),光合色素的吸收光谱,光合作用过程,原初反应,电子传递,光合磷酸化,H2O,光,e-、H+,O2,ADP,ATP,NADP+,NADPH,CO2同化,有机物,CO2,光反应阶段,暗反应阶段,H2O,四、原初反应,光能的吸收、传递和转换过程是通过原初反应完成的。,当波长范围为400700nm的可见光照到绿色植物上时，聚光系统的色素分子吸收光量子被激发起来。光能在色素分子间以诱导共振方式进行传递。能量可以在相同色素分子之间传递，也可以在不同色素分子之间传递。,大量的光能吸收、聚集，并迅速传递到作用中心色素分子，以进行能量转换，进行能量转换的部位称为作用中心。光合作用中心至少包括一个光能转换色素分子(P)、一个原初电子受体(A)和一个原初电子供体(D)，才能导致电荷分离，将光能转换为电能，并且累积起来。,作用中心色素分子一般用其对光线吸收高峰的波长作标志。高等植物的两个光系统有各自的反应中心-PS和PS反应中心中，其对光线吸收高峰的波长分别为700nm、680nm。分别用P700和P680来表示。,DPADP*ADP+A-D+PA-,原初电子受体是指直接接受作用中心色素分子传来电子的物体。原初电子供体，是指以电子直接供给作用中心色素分子的物体。光合作用的原初反应是连续不断地进行的，因此必须有连续不断的最终电子供体和最终电子受体，构成电子的“源”和“流”。PS和PS反应中心中的原初电子供体很相似，但原初电子受体不同。,五、电子传递,高等植物最终的电子供体是水，最终的电子受体是NADP。聚光色素分子将光能吸收、传递至作用中心后，使作用中心(P)被激发而成为激发态，放出电子给原初电子受体(A)，中心色素失去的电子可由原初电子供体(D)来补充，于是中心色素恢复原状，而原初电子供体被氧化。这样不断地氧化还原，就把电子不断地传递给原初电子受体，从而完成了光能转换为电能的过程。,2H2O,NADPH,NADP+,4H+O2,4e-,DPAD+PA-,光合色素吸收光能后，把能量聚集到反应中心一种特殊状态的叶绿素a分子，引起电荷分离和光化学反应。一方面将水氧化，放出氧气；另一方面把电子传递给辅酶(NADP+），将它还原成NADPH，其间经过一系列电子传递体。,由于在光合作用的电子传递链中有两个光系统，它们都能吸收光能进行光反应，所以会形成两个高峰,通常用Z形图来表示电子传递过程。根据电子的最后去向,分为两种方式:非循环式电子传递途径和循环式电子传递途径。,(2)电子传递有两处是逆电势梯度，即P680至P680*，P700至P700*，这种逆电势梯度的“上坡”电子传递均由聚光色素复合体吸收光能后推动，而其余电子传递都是顺电势梯度进行的。,(1)电子传递链主要由光合膜上的PS、Cytb6/f复合体、PS三个复合体串联组成。,在非循环式电子传递中,电子从经PS、PQ(质体醌)、Cytb(细胞色素b)、Cytf(细胞色素f)、PC(质体蓝)、PS、Fd(铁氧化还原蛋白),最后传递给NADP+。非循环式电子传递由PSII发出。非循环式电子传递能使水在光下分解，每次使2H2O分解成4H+O2+4e-。,非循环式电子传递,循环式电子传递中，PSI被激发从PC中夺取电子并传递给Fd后，不用于NADP+还原，而是交回PQ，就构成封闭式的循环电子传递，其中有电子传递Cytb、Cytf、Pc参加。循环式电子传递由PSI发出。循环式电子传递不能使水在光下分解，但细胞色素b/f复合物将基质中的质子泵人内囊体腔内，进一步增加质子浓度梯度。,循环式电子传递(红线部分所示),六、光合磷酸化,光合电子传递导致了NADPH的产生，NADPH贮存了部分能量。而另一部分能量在电子传递过程中转化成了ATP的磷酸键能。后者称为光合磷酸化。,PSII吸收能量后放出电子，经电子受体传至膜外表面的电子受体PQ，PQ接受电子后并从基质中摄取两个质子，还原为PQH2，PQH2穿膜移到膜内表面，将质子释放到类囊体腔内，又而电子经Cytb/fPCPSIFDNADP+，让NADP+还原为NADPH。,在整个电子传递过程中，PQ既是电子载体又是质子载体，通过PQ的氧化还原，使H+从膜外转移到膜内，水光解产生的H+也在膜内侧，结果使膜内侧的H+浓度增加，形成了类囊体内外两侧的H+浓度差，由于在膜两侧存在质子电动势差，推动H通过膜中的CF0而到膜外，通过膜外的CF1发生磷酸化作用，使ADP与Pi形成ATP。,叶绿体进行光合磷酸化必须同时具备:(1)电子传递;(2)类囊体膜内外有质子梯度;(3)有活性的ATP酶。常见的光合磷酸化抑制剂有三类：(1)电子传递抑制剂(抑制光合电子传递)(2)解偶联剂(解除磷酸化反应与电子传递之间偶联)(3)能量传递抑制剂(直接作用ATP酶抑制磷酸化作用),七、C3途径,3-甘油醛,3-甘油酸,P,P,卡尔文循环,在卡尔文循环中,固定CO2产生的中间体是三碳的3-磷酸-甘油酸,所以将CO2的这种固定途径称为C3途径,并将通过这种途径固定CO2的植物称为C3植物。C3循环分为三个阶段:羧化、还原和RuBP的再生。,羧化,还原,RuBP再生,卡尔文循环的产物不是葡萄糖，而是3-P-甘油醛。一部分进一步合成葡萄糖，一部分再生出RuBP.,八、C4途径,PEP(CO2最初受体),OAA(最初产物),C4途径中,C02受体是叶肉细胞质中的PEP,其最初产物为草酰乙酸OAA,因而称为C4途径。在C4植物中，CO2在叶肉细胞中先按照C4途径被固定，然后在维管束鞘细胞中仍旧是通过卡尔文循环而被还原。PEP羧化酶对CO2的亲和力极强，甚至当CO2浓度降低时也能固定CO2。,磷酸烯醇式丙酮酸,光反应阶段,暗反应阶段,返回,一、酶的特点,酶是由活细胞产生的、具有催化活性和高度专一性的特殊有机物。酶被称为生物催化剂，生物体内错综复杂的代谢反应必须具有酶才能按一定规律有条不紊地进行。酶缺陷或酶活性被抑制都会引起疾病(如白化病)。,和一般催化剂的共性：酶在催化反应加快进行时，在反应前后酶本身没有数量和性质上的改变，因而很少量的酶就可催化大量的物质发生反应。酶只能催化热力学上允许进行的反应，而不能使本来不能进行的反应发生。酶只能使反应加快达到平衡，而不能改变达到平衡时反应物和产物的浓度(即不能改变化学平衡)。因此，酶既能加快正反应进行，也能加快逆反应进行。酶促反应究竟朝哪个方向进行，取决于反应物和产物的浓度。酶的特性：最突出的是它的高效性、专一性、反应所需条件温和、容易失活。,二、酶的化学本质,结合酶的辅因子有的是金属离子,有的是小分子有机化合物。通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基。辅酶或辅基并没有本质的差别,只不过是它们与蛋白质部分结合的牢固程度不同而已。通常把与酶蛋白结合比较松的，用透析法可除去的小分子有机物称为辅酶；反之为辅基。在酶的催化过程中，辅酶或辅基的作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程。金属在酶分子中或作为酶活性部位的组成成分，或帮助形成酶活性所必需的构象。,RNA类,蛋白质类,单纯酶,结合酶,脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶，成分中有蛋白质。,转氨酶、碳酸酐酶、乳酸脱氢酶及其他氧化还原酶,酶蛋白与辅因子单独存在时，均无催化活力，只有二者结合成完整的分子时，才具有活力。,酶蛋白,辅因子,嗜热四膜虫转录产生的rRNA的自我剪接。,羧肽酶(含Zn),固氮酶(含Fe、Mn),三、酶的活性中心和必需基团,活性中心(或称活性部位)是指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。对于单纯酶来说，它是由一些氨基酸残基的侧链基团组成的。对于结合酶来说，辅酶或辅基上的某一部分结构往往也是活性部位的组成部分。,酶的活性中心的必需基团可分为两种：一种是与作用物结合的必需基团，称为结合基团，它决定酶的专一性；另一种是促进作用物发生化学变化的基团，称为催化基团，它决定酶的催化能力。活性中心必需基团的作用，一方面使底物与酶依一定构型而结合成为复合物，这样有利于相互影响和作用；另一方面影响底物分子某些键的稳定性，键被打断或形成新的键，从而催化其转变。酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。,一个反应体系中，任何反应物分子都有进行化学反应的可能，但并非全部反应物分子都进行反应。因为在反应体系中各个反应物分子所含的能量高低不同，只有那些含能量达到或超过一定数值(此能量数值称为此反应的能阈)的分子，才能发生反应，这些分子称为活化分子，使一般分子变为活化分子所需的能量(即分子激活态与基态之间的能量差)称为活化能。,酶的催化作用就是降低化学反应的活化能，如下图图所示。由于在催化反应中只需较少的能量就可使反应物进入“激活态”，所以同非催化反应相比，活化分子的数量大大增加，从而加快了反应速度。,三、酶为何具有高效性？,四、酶为何具有专一性？,锁与钥匙学说(lockandkeythoery)：认为底物分子或底物分子的一部分象钥匙那样，专一地楔入到酶的活性中心部位，也就是说底物分子进行化学反应的部位与酶分子上有催化效能的必需基团间具有紧密互补的关系。,问题：此学说不能解释酶促反应中的逆反应。,“诱导楔合”假说：当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。近年来X衍射分析的实验结果支持这一假说，证明了酶与底物结合时，确有显著的构象变化。,五、影响酶催化反应的因素,1.酶的浓度:当底物浓度大大超过酶的浓度，酶的浓度与反应速度呈正比关系.,2.底物浓度：在酶浓度不变的情况下,底物浓度对反应速度影响的作图呈现矩形双曲线。当底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系。随着底物浓度的升高，反应速度的增加幅度不断下降。如果继续加大底物浓度，其反应速度不再增加，说明酶已被底物所饱和。所有酶都有饱和现象，只是达到饱和时所需的底物浓度各不相同。,米氏方程1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。,Km米氏常数Vmax最大反应速度,测定Km和V的方法很多，最常用的是双倒数作图法。,米氏常数Km的测定：,米氏常数(Km)的意义,不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。,由米氏方程可知,当反应速度等于最大反应速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=S米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。米氏常数的单位为mol/L。,激活剂是指能增强酶活性的物质。抑制剂是能降低酶的活性,甚至使酶完全丧失活性的物质。,3.激活剂和抑制剂,抑制剂对酶活性的抑制作用包括不可逆抑制和可逆抑制两类：不可逆抑制作用:其抑制剂通常以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合，使酶失活。如有机磷化合物能与许多种酶活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。可逆的抑制作用：包括竞争性抑制与非竞争性抑制两种。,在竞争性抑制中，抑制剂常与底物的结构相似，它与底物共同竞争酶的活性中心，从而阻碍底物与酶的结合，如丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。,非竞争性抑制中的抑制剂可以与酶活性中心外的部位可逆结合，这种结合不影响酶对底物的结合。底物与抑制剂之间无竞争关系，但酶一底物一抑制剂不能进一步释放出产物。,返回,生物体需要的能量主要是通过代谢物在体内氧化而获得的。物质在生物体内经过氧化最后生成水和CO2并释放能量的过程，称为生物氧化，由于这一过程是在组织细胞内进行的，表现为细胞摄取O2而释放CO2，因此生物氧化又称为细胞呼吸。,一、概述,生物氧化的一般过程,e-H+,生物氧化与化学氧化的异同,二、线粒体氧化体系,生物体内存在多种氧化体系，其中最重要的是线粒体氧化体系。此外还有微粒体氧化体系、过氧化体氧化体系、细菌的生物氧化体系等。,4,20,细胞质基质,线粒体,6,12,6,2,1,CO2,CO2,CO2,NADH2,NADH2,NADH2,FADH2,NADH2,丙酮酸(c3),CO2的形成：经过脱羧形成。如一分子G可形成6分子CO2。,H2O的形成：脱下的24个氢经过一系列传递后，最后交给6分子O2，而生成12分子水。,ATP的形成：底物水平磷酸化(产生的ATP极少)氧化磷酸化(形成ATP的主要途径)。,H2O,H2O,H2O,H2O的消耗共消耗6分子水,C6H12O6,C3H4O3,2NADH2,从氧化物上脱下来的氢原子或氢原子的电子，经过各种载体的传递，最后使氧原子激活生成水，这些传递氢原子和电子的载体称为呼吸链。呼吸链存在于线粒体的内膜。,三、呼吸链,从组成看呼吸链被分为四个部分，为NADH-Q还原酶(复合体)、琥珀酸-Q还原酶(复合体)、细胞色素还原酶(复合体)和细胞色素氧化酶(复合体)。,FADH氧化呼吸链琥珀酸复合体Q复合体Cytc复合体O2,两条呼吸链的排列顺序：,NADH,Q,O2,琥珀酸,线粒体内膜,线粒体基质侧,线粒体胞液侧,1.NADH氧化呼吸链NADH复合体Q复合体Cytc复合体O2,(能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质),呼吸链抑制剂,鱼藤酮粉蝶霉素A、异戊巴比妥,抗霉素A二巯基丙醇,CO、CN-、N3-及H2S,噻吩甲酰三氟丙酮,四、ATP的生成和利用,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温),高能磷酸键：水解时释放的能量大于20.92KJ/mol的磷酸酯键,常表示为P。高能磷酸化合物：含有高能磷酸键的化合物.,生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心,在分解代谢过程中,底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布,形成高能磷酸化合物,然后将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的过程。,底物水平磷酸化,磷酸烯酵式丙酮酸,丙酮酸,ATP,伴随电子从底物到氧的传递，ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程。是需氧细胞生命活动的主要能量来源，产生ATP的主要途径。真核生物的电子传递和氧化磷酸化在细胞的线粒体内膜发生的作用，原核生物则是在浆膜发生。,氧化磷酸化,线粒体含有两层膜，中间有膜间隙。外膜大约一半脂类和一半蛋白质构成，蛋白质含有线粒体孔道蛋白构成外膜孔道，能通过Mr小于40005000的物质，包括质子。,内膜约含20的脂和80的蛋白质，蛋白质比例比细胞的其他任何膜含量都高。内膜有许多富含蛋白质的跨膜颗粒，包括电子从NADH和FADH2到O2的电子传递链，物质的跨膜运送者。20脂主要构成内膜的磷脂双层，降低了内膜对质子的通透性，这需形成质子泵.,NADH,Q