细胞代谢单证课件

第四章细胞代谢,1,本章内容,能与细胞酶物质的跨膜转运细胞呼吸光合作用,2,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,3,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,一、能量与细胞,生命活动需要能量生命的存在要靠能量,生物本身不能创造新的能量。几乎所有地球生命所需要的能量都来自太阳。生态系统中能量的流动由多样化的生命过程完成。代谢是化学物质和能量的转化过程,4,ATP是生物体能量流通的货币,腺嘌呤核苷三磷酸结构功能ATP是生物体内各种生化反应的直接能源细胞利用ATP完成各种工作,5,磷酸化,6,ADP+Pi+30.5kj生成ATP的此过程称为磷酸化,若磷酸化：所需能量来自化合物的氧化分解若磷酸化：所需能量来自光能-光合磷酸化,二、酶,酶的催化特点：高效、专一、可调节。酶的催化机理是降低活化能,7,酶巨大多数是蛋白质核酶ribozyme：1981美国科学家发现细胞中RNA也被本身催化。,酶是如何降低活化能的呢?,酶与底物分子结合底物结合中心酶使底物活化底物在酶转化为产物。酶释放产物,8,影响酶活性的因素,温度、pH和盐度辅因子（无机物）锌、钾、镁离子辅酶（有机物）维生素B6酶的抑制剂青霉素抑制细菌壁合成马拉硫磷是乙酰胆碱酯酶的抑制剂,9,三、物质的跨膜运输,10,（一）易化扩散-顺浓度梯度运输,通道蛋白：转一性，如、水通道蛋白门通道：非转运物质的刺激使门打开，如电刺激、神经递质分子人胱氨酸尿症：肾细胞质膜中缺少将胱氨酸和其他氨基酸从原尿转运到血液中的系统，引起肾结石,11,(二)渗透是水的被动转运,渗透(osmosis)的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。高渗的(hypertonic)渗的(hypoosmotic)。若两侧的溶质浓度相等，则称为等渗(iso-osmotic)。,12,（四）主动运输-逆浓度梯度运输,需载体蛋白，消耗能量Na+-K+泵：ATP提供能量动物细胞化学势梯度浓度梯度电势梯度,Na+/K+泵工作的结果，水解1个ATP，出3个Na+，入2个K+。使细胞内的Na+浓度比细胞外低10-30倍，而细胞内的K+浓度比细胞外高10-30倍。,Na+/K+泵具有三个重要作用,维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的渗透作用在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。,14,协同转运,质子泵H泵到膜外，H在膜外的浓度高于膜内，H与其它物质通过特殊的跨膜蛋白伴随转运。植物细胞被运物（蔗糖、Cl-）与H+同向越过膜，称为同向转运。反之，则称为反向转运。,15,（五）胞吞和胞吐大分子,胞吐：包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融，将物质排出细胞之外胞吞：是由质膜形成内向的小泡。吞噬,16,胞饮受体介导的胞吐高胆固醇血症：胆固醇在血液中低密度脂蛋白中被运输，通过胞饮进入细胞，但是患者因缺失胆固醇，不能被细胞吸收。,物质的跨膜运输（总结）,被动运输简单扩散易化扩散主动运输直接消耗ATP钠钾泵（动物细胞）质子泵（植物细胞）协同运输（间接消耗ATP）胞吞和胞吐作用生物大分子或颗粒物质的运输,17,四、细胞呼吸,（一）细胞呼吸引论细胞将有机物在酶的参与下逐步氧化并释放能量的过程。,18,人的呼吸运动,19,生物氧化与化学氧化的区别:,20,有机物氧化释放能量一支火柴的燃烧是纤维素氧化（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量纤维素氧光和热生物体也进行类似的反应（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量淀粉氧酶ATP（氧化底物）,把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的有机物氧化释放出能量。,21,有哪些不同？,A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，分步骤进行,不是猛然地发出光和热。B、生物体内的氧化由酶催化。C、生物体内氧化在水环境中进行。D、生物体内氧，产生能量贮存在ATP中。,生物氧化分步骤进行、温和、由酶催化、产生能量贮存在ATP中，能量利用率高。,（二）糖酵解,细胞质NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）底物水平磷酸化：高能磷酸键与ADP合成ATP的反应糖酵解产生2个ATP只是细胞从葡萄糖获得能量的5%。2NADH，16%,（三）三羧酸循环,丙酮酸不能直接入线粒体丙酮酸+NAD+CoA-SH=CH2CO-CoA+CO2+NADH+H+柠檬酸循环、Krebs循环FADH2（核黄素腺嘌呤二核苷酸）每一轮三羧酸循环产生1ATP+3NADH+1FADH22丙酮酸+8NAD+2FAD+2CoA-SH+2ADP+2Pi=2CoA-SH+6CO2+8NADH+8H+2FADH2+2ATP葡萄糖10NADH+2FADH2+4ATPATP=10*2.5+2*1.5+4=32,23,（四）电子传递和氧化磷酸化,电子传递链:线粒体内膜上的一系列电子传递体组成，也称为呼吸链。目前公认的氧化呼吸链传递电子的顺序是氧化磷酸化：由底物氧化释放能量，供给ADP磷酸化合成ATP的偶联反应称为氧化磷酸化。2个电子从NAPH经呼吸链传到氧可形成2.5个ATP（原来认为3个）、FADH2可形成1.5个ATP（2）2e+2H2+1/2O2=H2O,24,底物（S）NAD+FMNCoQFe-SCytbCytc1CytcCytaCyta31/2O2,（五）发酵作用,酵母在有氧条件下1葡萄糖32ATP无氧时，1葡萄糖2ATP，但不能繁殖许多厌氧生物在有氧条件下无法生活。,25,许多厌氧生物在有氧条件下无法生活。乳酸菌在无氧条件下：1葡萄糖乳酸酸菜、酸奶、奶酪，长跑时腿酸兼性厌氧菌：酵母菌、人肠道内大肠杆菌,能量统计：,26,糖酵解：可得7个ATP底物水平的磷酸化4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个NADH；Krebs循环：可得25个ATP底物水平的磷酸化2个ATP，脱氢反应产生8个NADH和2个FADH2，有的细胞将2个NADH转入线粒体时会消耗2ATP，有的不会消耗ATP,1分子葡萄糖彻底氧化分解共得：30或32个ATP,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,27,4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增强生物的免疫力,28,（六）各种分子的分解和合成,29,3磷酸甘油醛,生物合成大分子,合成需要消耗能量利用糖酵解和柠檬酸循环的中间产物或食物中的直接成分,30,五、光合作用,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,31,（一）光合作用早期实验,荷兰医生VanHelmont(范海尔蒙特）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3盎司植株，而土壤重量减少3盎司。,32,干土,五年后,浇水,实验的结论和存在的缺点,结论：所有植物的物质都来自水，而不是土壤。或者说：小树重量的增加仅仅由水所引起的。缺点：没有考虑到空气中气体的可能影响。,33,1771年，约瑟夫普利斯特利（JosephPriestly，1733-1804）：发现光合作用密闭容器+燃烧蜡烛熄灭密闭容器+燃烧蜡烛+薄荷继续燃烧或熄灭,34,1779年，英格豪茨（JanIngenhousz，1733-1804）只有光照蜡烛才不会熄灭,35,（二）光合作用发生部位,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：光反应膜,基质：暗反应,光合作用的两个阶段,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。暗反应：把ATP和NADPH中的能量，用于固定CO2，生成糖类化合物。这个过程不需要光。,36,光合作用的过程,37,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,38,活跃化学能,（二）光反应1.叶绿素对光的吸收,叶绿素：叶绿素a：直接参与光合作用，吸收蓝紫、红，呈草绿色叶绿素b：吸收蓝、橙，呈黄绿色,39,类胡萝卜素：保护叶绿素叶黄素、胡罗卜素（一系列共轭双键）,40,光量子的特征（1）激发态的形成（2）叶绿素分子受光激发后的能级变化（3）激发态的命运,2.光系统,类囊体膜,41,聚光/天线色素,中心/换能色素,作用中心,原初电子供体,原初电子受体,光系统,光系统I：作用中心叶绿素a吸收光高峰值在700nm，P700,光系统II：作用中心叶绿素a吸收光高峰值在680nm，P680,3.光合电子传递,H2O1/2O2+2H+2e-NADP+2e-+2H+NADPH+H+,类型非循环式光合磷酸化：最终产物ATP、NADPH和水循环式光合磷酸化：仅有ATP，无NADPH和水光合磷酸化：指在光合电子传递链运行过程中将ADP磷酸化形成ATP的过程。,43,44,光合磷酸化的化学渗透学说来解释1水光解释放H留在膜内侧（类囊体腔）2电子沿传递链传递的同时可接受膜外侧（基质）H转移到膜内侧，因此会造成膜内外H差，电位差。所以，当H沿着浓度梯度返回到膜外侧时，在ATP合酶的作用下，ADP和Pi脱水形成ATP。,光反应小节,叶绿素吸收光能并将光能转化“电能”高能电子；在电子流动过程中，通过H+的化学渗透，形成ATP，电能转化为化学能；强氧化态的P680分子使水裂解，或称光解，氧气从水中释放出来；电子转到最终电子受体NADHP+，并与H+结合形成NADPH，“电能”再次转化为化学能。,45,3.3碳同化,碳同化（碳反应）：植物利用光反应中形成的ATP、NADPH将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程。（叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP的化学能,将CO2还原合成糖，称为碳反应,碳反应在叶绿体基质中进行。）类型：根据最初产物碳原子数目及碳代谢特点，高等植物固定CO2的生化途径分有3种：卡尔文循环（C3途径）、C4途径和景天科酸代谢途径（CAM途径），其中以卡尔文循环为最基本的途径，同时也只有这条途径才具备合成淀粉等产物的能力。其余两种是辅助形式，只能起固定、运转、浓缩CO2的作用，单独不能形成淀粉等碳水化合物。,46,（三）碳反应1.光合碳还原循环,卡尔文循环或C3途径RuBP羧化；3-PGA还原成3-PG；RuBP再生。反应都在叶肉细胞的叶绿体基质中进行,卡尔文循环（Calvincycle）:是所有植物光合作用碳同化的基本途径因CO2的受体是核酮糖戊磷酸，又称为还原戊糖磷酸途径，又因CO2被固定形成的最初产物是一种三碳化合物，故称为C3途径。C3植物：水稻、小麦、大豆、能量计算6RuBP+6CO2+18ATP+12NADPH23-PG+6RuBP+18ADP+12NADP+18Pi,C4途径,强光、高温、干燥条件光合速率C4植物大于C3植物,玉米、高粱、甘蔗等近2000种植物C4植物光合细胞有叶肉细胞和维管束鞘细胞,景天科酸代谢途径(CAM途径),适应于干旱地区，白天气孔关闭，晚上打开，节水；菠萝、仙人掌、景天、落地生根等肉质植物。,50,51,4、光呼吸1920年,德国生化学家OttoWarburg最先注意到提高O2浓度会抑制CO2的固定,这种抑制作用是光呼吸引起的。光呼吸是一种依靠光来消耗O2,放出CO2的作用。只在O2分压增高，CO2分压降低时进行，不同于细胞呼吸，不产生ATP和MADPH。,Rubisco加氧酶活性,Rubisco除了作为羧化酶催化将CO2添加到核酮糖1,5二磷酸,生成两分子3-磷酸甘油酸外,也可作为加氧酶,利用分子氧催化核酮糖1,5二磷酸裂解成3-磷酸甘油和磷酸乙醇酸(phosphoglycolate,)。,4、环境因素影响光合作用,光CO2温度水分矿质营养,52,（一）光照,光饱和点：在一定范围内，光合速率随着光照强度的增加