普通生物学生命科学通论ppt课件

.,第十讲生命体系中能量获得与转换,细胞代谢（p56p85）是生物体内所进行的全部物质和能的变化的总称,.,学习目的,1、理解有机体内能量的产生机制2、理解酶的工作机制3、了解细胞呼吸的几个过程，以及能量的产生情况4、了解光合作用过程,.,一、生命和能,.,生物体是一个系统：自组织的、复杂的、有序的、开放的。耗散结构生物体是物质、能量和信息的平衡体，任何生命活动都包含着物质的转变、能量的转换和信息的传递。,.,热力学定律,能量（Energy）：多种形式：光、电、化学、热、机械等Energyistheabilitytobringaboutchangeortodowork.热力学第一定律：能量转化和守恒定律。热力学第二定律：开尔文叙述、克劳修斯叙述。一个系统中的各种自发过程总是朝着熵增大的方向进行的。万物皆走向衰退。,.,细胞和生物体是和外界环境紧密联系的开放系统。自由能、热能ds=des+disds:细胞和生物体的全部熵值变化des:熵流=0ds0:系统有序化程度下降，细胞和生物体走向死亡dsATP的过程。叶绿体也是通过化学渗透来合成ATP的。,.,5、细胞呼吸产生的ATP统计,（1）糖酵解：底物水平的磷酸化4ATP葡萄糖分子活化消耗-2ATP产生2NADH，经过电子传递链生成4或6ATP（2）丙酮酸氧化脱羧产生2NADH，可生成6ATP（3）柠檬酸循环底物水平磷酸化2ATP产生6NADH，可生成18ATP产生2FADH2，可生成4ATP总计生成36或38ATP,.,1mol/LATP的高能键储存的能量约为30.5kJ1mol/L葡萄糖细胞呼吸后生成1098kJ，而氧化共生成2872.2kJ能量，其能量转化效率为38%。为什么在糖酵解中产生的2分子NADH生成4或6个ATP？糖酵解在细胞质中发生，产生的NADH只能在线粒体中才能进行氧化磷酸化，而NAD、NADH不能透过线粒体膜。在不同组织的细胞中，存在两条环路，使NADH的电子进入线粒体：磷酸甘油环路：昆虫的飞翔肌，在穿膜运输上消耗1ATP苹果酸-天冬氨酸环路：心脏、肝、肾,.,6、无氧途径,无氧呼吸或无氧途径（anaerobicpathway）：有些细菌利用硝酸盐（NO3-）、亚硝酸盐（NO2-）、硫酸盐（SO42-）或其它无机化合物来代替氧作为最终的电子受体，进行呼吸。和有氧呼吸基本是一样的。更常见的无氧呼吸是发酵（fermentation）：一些厌氧细菌和酵母菌等在无氧条件下获取能量的过程。（1）酒精发酵（alcoholicfermentation）（2）乳酸发酵（lacticacidfermentation）,.,7、其它营养物质的氧化,（1）氨基酸的氧化氨基酸有机酸呼吸代谢过程丙氨酸丙酮酸、谷氨酸-酮戊二酸、天冬氨酸草酰乙酸（2）脂肪酸的氧化脂肪酸在细胞质中活化，进入线粒体基质继续氧化，产生乙酰CoA进入TCA；甘油可转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程。,.,8、能的利用,呼吸作用释放的能用于细胞的各种生命活动过程：细胞生长、分裂时合成物质维持体温细胞的主动运输转化为光能、电能肌肉收缩细胞呼吸产生的能量约40%供生命活动所需外，其余约60%变为热能。,.,六、光合作用（photosynthesis）,是自氧生物绿色细胞中发生的代谢过程，是将太阳的光能转换为有机分子的化学键能的过程。为异养生物提供事物和氧气，是异养生物赖以生存的基础,.,1、研究历史,公元前3世纪，亚里士多德提出，植物生长在土壤中，土壤是构成植物体的原材料。17世纪，医生VanHelmont，实验得出，植物是从水中取得生长所需的物质的。1772年，化学家JosephPriestley实验得出，植物能净化空气。1779年，医生JanIngenhousz确定植物净化空气是依赖于光的。1782年，牧师J.Senebier证明，植物在照光时吸收CO2，并释放氧气。1796年，JanIngenhousz提出，植物在光合作用中所吸收的CO2中的碳构成有机物的组成成分。1804年，N.T.deSaussure发现，植物光合作用后增加的重量大于CO2吸收和O2释放所引起的重量变化，认为水参与了光合作用。1864年，J，Sachs观察到照光的叶绿体中有淀粉的积累。,.,至此，对光合作用的认识为6CO2+6H2OC6H12O6+6O2（光、绿色植物）20世纪30年代，vanNiel比较了不同生物的光合作用过程，发现了共同之处（绿色植物、紫硫细菌、氢细菌）提出了光合作用的通式为CO2+2H2A（CH2O）+2A+H2O1937年，R.Hill从细胞中分离出叶绿体，证明光合作用产生的O2不是来自CO2，而是来自H2O。并将光合作用分为两个阶段，（1）光诱导的电子传递以及水的光解和O2的释放；（2）CO2还原和有机物的形成。Hillreaction：H2O+AAH2+1/2O2（光）40年代初，同位素实验进一步肯定了vanNiel和R.Hill的科学预见，证明光合作用产生的O2不是来自CO2，而是来自H2O。,.,2、光反应和暗反应,H2OO2ADPATPNADPNADPH,CH2O,CO2,光,光反应（类囊体膜）,暗反应（叶绿体基质）,光反应中发生水的分解、O2的释放、ATP及NADPH的生成，发生在叶绿体的类囊体中，需要光,暗反应利用光反应形成的ATP和NADPH，将CO2还原为糖，发生在叶绿体的类囊体中，不需要光。,.,光合作用主要反应概要,（1）光反应（类囊体膜）光化学反应利用日光能使水光解，合成ATP和还原NADP+；叶绿素激发；反应中心将高能电子传递给电子受体电子传递电子沿着类囊体膜上的电子传递链传递，并最终还原NADP+；水的光解提供的H+积累于类囊体内化学渗透质子穿越类囊体膜进入类囊体；在类囊体和基质间形成质子梯度；质子通过由ATP合成酶复合物构成的特殊通道回到基质中；ATP生成（2）暗反应（基质）CO2+RuBP+ATP+NADPH+H+糖+ADP+Pi+NADP+,.,3、光合色素和光系统,（1）光合色素位于类囊体膜中。叶绿素a（chlorophylla）叶绿素b：只存在于高等植物和绿藻中胡萝卜素（carotene）叶黄素（xanthophyll）吸收日光，380760nm，对不同波长的光有不同的吸收强度。吸收光谱光合作用的作用光谱：不同波长的光所引起的光合作用的效率。以氧的释放量为标准，表示在不同波长的光下光合作用的放氧量。,.,ImagefromW.H.FreemanandSinauerAssociates,.,Endelmann实验,1883年，研究光合作用的作用光谱。水棉（Spirogyra），丝状绿藻，有螺旋带状叶绿体。将棱镜产生的光谱投射到水棉体上，并在水面的悬液中放入好氧细菌，然后在显微镜下观察细菌的聚集情况。细菌聚集多，光合作用强度高，反之亦然。得到光合作用的作用光谱与叶绿体的吸收光谱基本一致，即在红光区和兰光区作用最强。P77图3-14,.,（2）光系统（photosystem）叶绿体中的光合色素有规律的组成许多特殊的功能单位。一个光系统包括250400个叶绿素和其他色素分子，紧密结合在类囊体膜上。光系统：PS，有12个叶绿素a分子高度特化，称为P700，是PS的反应中心，它的红光区吸收高峰位于700nm。其余的叶绿素分子称为天线叶绿素，作用是吸收和传递光能。光系统：PS，反应中心亦为少数特化的叶绿素a分子，P680。它们定位于类囊体膜上的一定部位和特定的蛋白质结合，和电子受体接近，因为赋有了特殊功能。两者之间有电子传递链相连接。,.,4、电子传递和光合磷酸化（光反应）,光天线叶绿素P700，P680，释放高能电子。PS：P700FdNADP+，生成NADPH。PS：P680QPQCytb6-f80PCP700P680的电子缺失由来自H2O的电子补足。两个光系统合作完成电子传递、水的光解、产生O2和NADPH的生成，产生的质子则进入类囊体腔中，使类囊体内外形成了质子梯度。光合磷酸化（photophosphorylation）：质子穿过类囊体膜上ATP合成酶复合体上的管道从类囊体腔流向叶绿体基质，同时将能量通过磷酸化而储存在ATP中，磷酸化过程是在光合作用过程中发生的。环式光合磷酸化：P700FdPQCytb6-fPCP700非环式光合磷酸化,.,ImagefromW.H.FreemanandSinauerAssociates,.,二氧化碳还原糖的合成（暗反应）,50年代，美M.Calvin应用同位素示踪技术，观察小球藻光合作用中碳的转化和去向，发现了该反应的生化途径。CO2+RuBP六碳化合物（RuBP羧化酶）2PGA2PGAL一磷酸葡萄糖、一磷酸核酮糖（RuMPRuBP。）卡尔文本生循环（Calvin-Bensencycle）循环3次，固定3个CO2分子，生成六个PGAL，其中一个PGAL用来合成糖类，（净收入），其余5个PGAL则是用来产生3个分子的RuBP保证再循环的。生产一个可用于细胞代谢和合成的PGAL，需要9个ATP分子和6个NADPH分子参与。,.,6、C4途径,CO2固定最早出现的有机物为4碳的有机酸，如草酰乙酸、苹果酸等，甘蔗、高粱、玉米等，C4植物；相反，通过PGA途径（C3途径）的植物为C3植物。,.,7、光呼吸（photorespiration）,植物在光照下，在光合作用的同时发生的吸收O2，释放CO2的呼吸。主要过程是在细胞过氧化物酶体中的乙醇酸的氧化。RuBP羧化酶在CO2分压低、O2分压高时，催化O2和RuBP结合而生成三碳的3-PGA和2-磷酸乙醇酸，乙醇酸进入过氧化物酶体，氧化，乙醛酸，甘氨酸，进入线粒体，释放出CO2。其生物学意义？,.,七、细胞中各种物质代谢的相互关系,细胞内物质代谢和能的变化分解代谢、合成代谢分解代谢三阶段：大分子降解为单体分子；单体分子转化并集中成较少种类的更小分子，如PGAL，乙酰CoA；通过TCA共同的代谢途径最后氧化成CO2和水合成代谢三阶段：（蛋白质为例）简单的前身小分子，如-酮戊二酸、草酰乙酸等；小分子氨基化成氨基酸；合成肽链,.,细胞代谢的特点,细胞内进行的化学反应的总和，遵循一般的化学规律，又有其特点：（1）酶促反应（2）在常温、常压、PH中性或接近中性的水环境中进行（3）细胞中不能利用热为做功的能（4）细胞中特定的能量“货币”ATP（5）形成反应链，在时间上是有序的（6）在空间上是有序的（7）在细胞内同时进行数以百计的反应（8）受调控机制的调控细胞代谢是非常复杂、极为有序的化学反应历程，构成了最基本的生命过程。,.,思考题,1、酶催化反应的机制是怎样的？2、如何理解酶活性的可调控性？3、细胞呼吸包括那几个过程，在每个过程中发生哪些主要的反应？产生多少能量？