生命活动的能量获取与转换.ppt

1 第7讲生命活动的能量获取与转换 第一节能量与代谢第二节光合作用第三节细胞呼吸 2 第一节能量与代谢 一 ATP的结构和功能二 能量代谢三 生物催化剂 酶四 生物氧化五 生物体内复杂的代谢网络 3 一 ATP的结构和功能 4 ATP是生物体能量的基本交换单位 有机分子 O2 ADP Pi ATP CO2ATP H2O ADP Pi 能量 5 ATP是生物系统能量交换的中心 荧火虫 机械能 运动化学能 合成渗透能 分泌吸收电能 生物电热能 体温光能 生物发光 6 仲夏的夜晚萤火虫如何利用ATP来发光 发光细胞有荧光素酶 E LH 酶促反应使ATP与E LH先偶联 偶联的高能中间产物E LH2 AMP在氧气存在时可释放出能量 并以荧光的形式发射出来 ATP E LH E LH2 AMP PiE LH2 AMP O2 E P CO2 h 7 二 能量代谢 绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能 利用太阳能合成有机物 光合作用 除了维持自身的生存还为其他生物提供食物 食物链 8 食物链 9 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 物质代谢 由底物分子变成产物分子能量代谢 消耗能量或释放能量 10 能量代谢 从小分子合成大分子需要消耗能量n氨基酸 能量 蛋白质2丙酮酸 能量 葡萄糖从大分子分解为小分子会释放能量葡萄糖 2丙酮酸 能量 11 能量贮存在ATP中然后用在生命活动的各个方面 12 各种生命活动所需能量一览 13 三 生物催化剂 酶 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 催化剂可以加快化学反应的速度 酶是生物催化剂 它的突出优点是 催化效率高专一性质可以调节 14 用简单的实验证明酶的催化效率 2H2O2 2H2O O2 空白铁屑肝糜肝糜 煮 15 酶的专一性 特异性 特殊的三维空间结构和构象酶的活性位点或酶的活性中心钥匙和锁 诱导契合酶的活性位点 柔性学说 16 酶的化学本质是蛋白质 有的酶仅仅由蛋白质组成 如 核糖核酸酶 有的酶除了主要由蛋白质组成外 还有一些金属离子或小分子参与 它们是酶活性所必须的 称为辅酶 辅基或辅助因子 17 羧基肽酶以Zn2 为辅助因子 18 肌红蛋白和血红蛋白以铁卟啉环为辅助因子 肌红蛋白 血红蛋白 铁卟啉辅基 19 有没有非蛋白质的酶 P95 P80 RNA 20 酶催化作用的机理 降低活化能 催化剂只能加速原来可以进行的反应 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 21 底物与酶的结合降低了活化能 22 酶使底物分子活化的方式 使底物分子产生应力 使底物分子电荷变化 使底物靠拢 23 酶的活性可以调控 温度的影响 pH的影响 24 在代谢途径中调节酶活性 若干酶前后配合完成一系列代谢反应 就形成一条代谢途径 反馈抑制 一条代谢途径的终产物 有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合 结合的结果使这个酶活性下降 从而使整条代谢途径的反应速度慢起来 25 通过共价调节酶活性 酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合 使酶蛋白分子结构发生改变 使酶活性发生改变 称为酶的共价调节 例如 糖原磷酸化酶具有磷酸化位点 26 结构类似物与底物产生竞争性抑制 酶的竞争性抑制 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 27 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 28 四 生物氧化 火柴燃烧是纤维素氧化 C6H12O6 n O2 nCO2 nH2O 能量燃烧过程剧烈在空气中进行不需要酶参与一步反应 淀粉的生物氧化 C6H12O6 n O2 nCO2 nH2O 能量过程缓慢在水环境中进行需要酶参与分步进行 29 生物氧化的特点 1 在活体细胞中进行 需酶参加 2 条件温和 3 复杂的氧化还原过程 4 能量逐步储存和转运 30 五 生物体内复杂的代谢网络 生物体内许多的分解代谢和合成代谢途径 形成错综复杂的代谢网络 这些代谢途径分布于生活细胞的不同部位 31 第二节光合作用 一 光合作用的概念二 叶绿体是光合作用进行的场所三 光合作用的机理 32 一 光合作用的概念 绿色植物和光合细菌利用太阳能使二氧化碳固定为有机物的过程称为光合作用 在现在的地球上 光合作用是一切生物得以生存的基础 33 光合作用的早期研究 1642年 比利时Helmont 1770年英国牧师Priestley 34 氧气的来源 1930年Stanford大学 Niel细菌光合作用 CO2 H2S CH2O SCO2 H2O CH2O O210年后 同位素示踪实验 CO2 H218O CH2O 18O2 35 二 叶绿体是光合作用进行的场所 36 吸收光能靠叶绿素 37 三 光合作用的机理 光反应 在叶绿素参与下 利用光能劈开水分子 放出O2 同时形成两种高能化合物ATP和NADPH 暗反应 把ATP和NADPH中的能量 用于固定CO2 生成糖类化合物 38 光系统与光反应 由叶绿素分子及其蛋白复合物 天线色素系统和电子受体等组成的单位称为光系统 光反应由两个光系统及电子传递链来完成 光系统I PSI 含有被称为 P700 的高度特化的叶绿素a分子光系统II PSII 含有另一种被称为 P680 高度特化的叶绿素a分子电子传递时 能量逐渐下降 形成跨膜的质子梯度 导致ATP的形成 39 非环路的光合磷酸化途径和电子传递链 40 环路的光合磷酸化途径和电子传递链 41 光反应的要点 叶绿素吸收光能 一些用于水的裂解 其它转化为电能 即造成从叶绿素分子起始的电子流动 在电子流动过程中 通过氢离子的化学渗透 形成了ATP 电能被转化为化学能 电子沿传递链最终达到电子受体NADP 同时一个来源于水的氢质子被结合 电能又再一次转化为化学能 并储存于NADPH中 光合作用的暗反应依赖于光反应中形成的ATP和NADPH 42 暗反应 卡尔文循环 巨型太阳能电站 43 44 幻想 有朝一日 科学家将光合作用机理搞清楚 并将植物光合作用的全套基因转移到人的头发中 在头发中模拟光合作用的过程 那么 只要在人的头上撒点水 再晒晒太阳 在头发中便完成了二氧化碳加水合成葡萄糖的过程 葡萄糖从头发中输送到人体的各部分 吃饭的历史使命便可宣告结束了 45 第三节细胞呼吸 一 细胞呼吸产生能量二 糖酵解途径三 三羧酸循环四 电子传递链 46 一 细胞呼吸产生能量 细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径细胞呼吸是一种氧化反应有机化合物 O2 CO2 能量 燃料 包括糖类 脂肪 蛋白质等C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 能量 ATP 热量 细胞呼吸主要在线粒体中进行 温和条件和酶的参与调控 47 发酵是典型的细胞呼吸过程 在有氧环境中 酵母细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量 同时产生CO2在缺氧环境中 酵母菌将葡萄糖分解成乙醇和CO2在有氧环境中 食物分子被充分氧化 可产生比无氧环境更多的能量 48 人体细胞的呼吸过程 慢跑 细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量 同时产生CO2和水快跑 细胞将葡萄糖分解成乳酸和CO2 49 呼吸运动与细胞呼吸 细胞呼吸定义为生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得能量的过程 通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是相互关联的 50 ATP的产生和使用 储藏在葡萄糖等食物分子中的化学能经细胞呼吸释放 以高能磷酸键的形式贮藏在ATP分子中 葡萄糖中大约40 的能量被转化储存在ATP中 而汽车发动机只有15 25 转化为动能 细胞呼吸的产能效率高 51 细胞呼吸的化学过程 细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个连续完整的代谢过程每一步化学反应都需要特定的酶参与才能完成细胞呼吸的3个阶段 52 二 糖酵解途径 1 6 二磷酸果糖 磷酸甘油醛 1 3 二磷酸甘油酸 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 53 糖酵解的结果 参与化合物 葡萄糖 ADP和磷酸 NAD 起始阶段还需要消耗2分子ATP来启动 但后期共产出4分子ATP 还形成高能化合物NADH 最终产物是丙酮酸 糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个三碳的丙酮酸 净产生2个ATP 生成1分子NADH 糖酵解不需要氧参与 54 丙酮酸可以进行无氧发酵 55 丙酮酸 乙酰CoA 定义 在有氧条件下 酵解产物丙酮酸被氧化分解成CO2和H2O 并以ATP形式贮备大量能量的代谢系统 加入2C 三 三羧酸循环 56 三羧酸循环的结果和意义 结果 分解丙酮酸形成2分子CO2 8分子NADH和2分子FADH2 及2分子ATP 意义 1 提供能量2 为其他物质的合成提供C骨架3 沟通脂肪 蛋白质等有机物代谢 57 四 电子传递链 电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应 将高能电子从NADH和FADH2最终传递给O2 同时随着电子能量水平的逐步下降 高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径贮存到ATP分子中 也称为氧化磷酸化 58 组成电子传递链的载体 59 化学渗透学说 1961年 英国Mitchell提出进行电子传递时 电子能量逐步降低 脱下的H 便穿过膜从线粒体基质进入到内膜外腔 造成跨膜质子梯度 从而导致化学渗透发生 H 顺梯度从外腔经内膜通道 ATP合成酶 返回线粒体的基质中 所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP 60 糖代谢小结 1个葡萄糖通过有氧呼吸共形成36或38个ATP ATP的量取决于糖酵解阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜进入呼吸链时是否消耗能量 按甘油磷酸环路穿过线粒体膜需要消耗2分子ATP 按苹果酸 天冬氨酸环路则不需要消耗ATP 61 其他糖代谢途径 1 磷酸戊糖途径 HMS 产生NADPH和核糖2 糖异生作用 非糖物质形成葡萄糖3 糖原的合成与分解 主要在肝脏和肌肉细胞中4 植物体内生醇发酵和乙醛酸循环 62 糖原病 糖原分解合成酶的欠缺引起低血糖症 胰岛素分泌或应用过量高血糖症及糖尿病 血糖的来源和去路间失去动态平衡 糖代谢紊乱引发的病症 63 蛋白质和脂肪的氧化 氨基酸与脂肪酸的氧化是先转变为某种中间产物 然后进入糖酵解或三羧酸循环 氨基酸脱氨变成三羧酸循环中的有机酸脂肪酸可与辅酶A结合后氧化生成乙酰辅酶A甘油则可转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程 64 本讲摘要 ATP是生物系统能量交换的中心体内的新陈代谢过程都是在酶的催化下进行的 其突出优点是效率高 底物专一和可调节 光合作用包括光反应和暗