现代生物学导论 3 能量与代谢.ppt

,生命活动的能量来源？,ATP,能量物质,？,伴随能量转化的物质循环？,生命活动中的能量与代谢,1、生物体与环境的物质、能量交换能量的来源物质的来源2、细胞内物质和能量的转化物质/能量的载体合成代谢与分解代谢细胞“燃烧”能源物质的基本过程：,代谢：英文metabolism,物质的转化：无机物与有机物间，有机物之间，小分子与大分子间,光合作用、光反应、暗反应、固氮作用、呼吸作用糖酵解、发酵、三羧酸循化、氧化磷酸化,你知道这些名词的含义吗？,从能量与代谢的观点来看生命活动,环境（能量：化学能光能物质：碳源氮源）,生物体,化学能（高能磷酸键、高能电子）,自身物质,代谢废物,运动、能量耗散,代谢：化学反应的总称,酶,催化,化学能：放能反应,热力学第一定律：总能量守恒第二定律：自发过程朝总自由能降低的方向进行,氧化还原反应与能量,电子受体,氧化还原电位,电子从低氧化还原电位的物质传递到高电位的物质时，放出能量,反之，将电子从高氧化还原电位的物质传递到低电位的物质时，需要吸收能量。,生物体与环境的物质与能量交换,依赖光能,依赖化学能,电子供体,电子受体,电子供体,电子受体,（被氧化）,e,（被还原）,（如H2O）,（如CO2，NAD+）,光照,光照,ADP+Pi,ATP,e,+能量,同时考虑物质、能量的来源,自养生物（以二氧化碳为碳源）,异养生物（以有机物为碳源）,生物体可以利用不同的电子供体,化学能异养生物：LithotrophicBacteria吃岩石的细菌,NitrifyingBacteria：,NH3+11/2O2HNO2+H2O,不需要太阳能的深海生态系统,深海火山口Blacksmoker,Gianttubeworm,Symbioticbacteria,部分微生物所利用的能源物质,细胞内物质和能量的转化,物质,小分子,生物大分子,合成代谢,分解代谢,能量,需氧生物与厌氧生物,产能反应是否以氧为最终电子受体需氧生物强迫性需氧Obligateaerobes条件性需氧Facultativeanaerobes厌氧生物强迫性厌氧,有的微生物在其细胞呼吸中不以氧为最终电子受体,光能自养生物：太阳能转化为化学能（通过还原碳）化学能异养生物：通过氧化含碳化合物获得能量,氧循环、碳循环与能量转化,NADH作为通用的电子/能量载体,以高能磷酸键形势储存能量,分解代谢,合成代谢,合成分解代谢：共同的中间分子，作为物质能量的载体,辅酶A,丙酮酸,乙酰辅酶A,（CH3COCOOH）,分解代谢的总体框架,第一步：大分子水解为单体,蛋白质,20种氨基酸,多糖,单糖,脂类,甘油和脂肪酸,分解代谢：,第二步：单体化解为更简单的代谢中间物,氨基酸,脱氨,Alpha-酮酸，进入三羧酸循环或生成丙酮酸或乙酰辅酶A,葡萄糖,丙酮酸,甘油,丙酮酸,脂肪酸,乙酰辅酶A,丙酮酸转化为乙酰辅酶A,第三步：乙酰辅酶A的燃烧,葡萄糖的利用:糖酵解途径,发生在细胞质中的9步反应。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。糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个三碳的丙酮酸，2H2O净产生2个ATP，生成2分子NADH，糖酵解不需要氧参与。,能量物质的燃烧：有氧呼吸与无氧呼吸（发酵）,有氧途径：NADH以氧作为电子的受体被氧化发酵途径：NADH以有机代谢中间物作为电子受体被氧化,发酵途径的通式,乙醇发酵,能量物质的燃烧：有氧呼吸与无氧呼吸（发酵）,有氧途径：NADH以氧作为电子的受体被氧化发酵途径：NADH以有机代谢中间物作为电子受体被氧化,有氧呼吸的总体框架,发生在线粒体中。分解丙酮酸形成2分子CO2、8个H，3分子NADH和1分子FADH2，及1分子ATP。Krebs循环也是放能反应过程,Krebs循环三羧酸循环（TCA)柠檬酸循环,有氧途径,三羧酸循环特点,1)乙酰辅酶A参于2）丙酮酸脱羧产生1分子NADH3)2次脱羧,产生2个C024）3次NAD+,1次FAD+还原，产生3分子NADH，1分子FADH5）伴有一次底物磷酸化，产生1分子ATP6)反应在线粒体基质中进行,丙酮酸脱氢酶复合物,NADH载有的能量如何被转化为ATP？电子传递链与氧化磷酸化,1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。,化学渗透学说,当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的H+质子便穿过膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）而返回到线粒体的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。,电子传递链：高能电子从NADH和FADH2最终传递给分子氧，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，每分子NADH产生3分子ATP,质子梯度驱动ATP的合成。ATP合成酶由暴露在线粒体基质中的F1单元、与膜结合的Fo单元组成,F1的三维空间结构。它由三个alpha、三个beta、一个gamma亚基构成,F1催化ATP合成的模型,由F1单元组成的分子马达：实验观察到ATP水解与gamma亚基旋转的耦合,ATP水解与gamma亚基旋转的耦合,F1单向旋转的模型,Fo与F1间的耦合（模型）,质子跨膜运动推动Fo的a亚基绕C12的转动,细胞“燃烧”一分子葡萄糖产生多少ATP？,葡萄糖中大约40-50%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。,呼吸作用受到的调控：反馈调控,激素-CAMP-,外部信号的调控作用,双功能酶,CauseofPompedisease.Pompediseaseiscausedbyacompleteorpartialdeficiencyofthelysosomalenzyme,alpha-glucosidase.Thisenzymeisnecessarytobreakdownglycogenandtoconvertitintoglucose.Withoutthisenzyme,glycogen,athickstickysubstance,accumulatesinthelysosomes(sacswithinthemusclecells)andleadstoseveremuscledegradation.Itpredominatelyaffectstheheart,skeletal,andrespiratorymusclesofthepatient.,代谢失调与疾病,例：,糖元,葡萄糖,Galactosemiaisaninheriteddisorder。Itoccursatarateofapproximately1outof60,000births.Thereare3formsofthedisease-galactose-1phosphateuridyltransferasedeficiency(classicgalactosemia)anddeficiencyofgalactosekinaseorgalactose-6-phosphateepimerase.Ofthese,thegalactose-1-phosphatetransferasedeficiencyisthemostsevere(andmorecommon).Peoplewithgalactosemiaareunabletofullymetabolizethesimplesugargalactose.Galactosemakesuphalfofthesugar,calledlactose,thatisfoundinmilk.Lactoseiscalledadisaccharide(dimeaning2andsaccharidemeaningsugar)sincelactoseismadeupoftwosugars,galactoseandglucose,boundtogether.,Galatosemia,半乳糖,MSUDisametabolicdisorderwhichaffectsthemetabolismofthebranchedchainaminoacids(BCAAs)leucine,isoleucine,andvaline.TheBCAAsareessentialaminoacidsandmustbeobtainedfromdietaryprotein.Whenmoreproteinisconsumedthanisneededforgrowth,thebranchedchainaminoacidsaredegradedtogenerateenergy.Breakdownoftheseaminoacidsinvolvesaseriesofchemicalreactionsmediatedbyanenzymesystemconsistingof6components,eachmanufacturedunderthedirectionofadifferentgene.InMSUD,oneorseveralofthesegenesismutated,resultinginaninefficientenzymecomplexandaffectingtheconversionofBCAAstoenergy.Theaffectedenzyme(branchedchainketo-aciddehydrogenasecomplex)normallycatalyzesthesecondstepofthedegradation,astepwhichissharedbyallthreeBCAAs.BecausethedegradationcannotproceedinMSUD,metabolitesaccumulatetotoxiclevelsandcauseillness.Theurineofaffectedchildrenhasasweetodorresemblingmaplesyrup(thusthename,maplesyrupurinedisease).InotherpartsoftheworldthesweetodormaybedescribedasburntsugarorIndianspice-like.Theodorisfromaderivativeofisoleucine.,支链氨基酸,支链酮酸,ATP的产生,1、底物水平磷酸化,2.氧化磷酸化,经过电子传递系统，NADH被氧化，ATP被合成,ATP的产生,ATP的产生,3.光合磷酸化,光合作用:生物圈的第一生产力,能量捕获,CO2固定,O2释放,植物和光能自养微生物能进行光合作用,Crosssectionofaleaf,基质,类囊体,基粒,叶绿体的结构,叶绿素chlorophyll,a,b胡萝卜素carotenoids,藻胆素phycobilins,光合作用的色素,叶绿素叶绿素分子由碳和氮原子组成卟啉环与叶醇侧链相连结叶醇侧链插入到类囊体膜中,叶绿素的分子结构及吸收光谱,1883年，德国Engelmann水绵丝状绿藻螺旋带状叶绿体好氧游动的细菌棱镜不同波长的光向着红光和蓝光区域聚集,6.4光系统与光反应,光反应发生在类囊体膜上暗反应发生在叶绿体的基质中,光系统,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。,光能的捕获,紫细菌捕光蛋白(LH)与光合反应中心(RC),圆柱体：蛋白质二级结构方块：色素分子,RC,光反应水的分解（O2释放，NADPH生成）ATP合成,光子照射到某些生物分子电子跃迁到更高的能量水平激发态：,叶绿素分子是一种可以被可见光激发的色素分子，在光子驱动下发生的得失电子反应是光合作用过程中最基本的反应。,光合磷酸化,光合磷酸化指叶绿体在光作用下催化ADP+磷酸生成ATP的过程,光系统类型,光合作用的原初过程,chl*+Achl+A-A被还原,chl被氧化chl-+Dchl+D+D+AD+A-光引起氧化还原反应,产生电荷分离,人造光反应中心?,C+-PA-PB-QA-QB-,光诱导:,光反应的调节,光活化的叶绿素分子可能变成具有强烈反应活性氧化自由基。类胡萝卜素可以将其“淬灭”其他色素分子也可以有淬灭作用。受到酶的调节。,暗反应：CO2固定,三分子二磷酸核酮糖(15C)-六分子三磷酸甘油醛(totalof18C)1分子产物5分子再生为二磷酸核酮糖,3CO2+9ATP+6NADPHglyceraldehyde-3-phosphate+9ADP+8Pi+6NADP+,开尔文循环,1：碳的固定,2：磷酸甘油酸的还原,3：二磷酸核酮糖的再生,催化CO2固定的酶：RUBISCO,光呼吸作用,CO2浓度增加通常能加强光合作用.,在CO2浓度较低的情况下：,RUBISCO具有氧化酶的活性，光呼吸作用,TheuptakeofO2byRUBISCOforms:the3-carbonmolecule3-phosphoglycericacidjustasintheCalvincyclethe2-carbonmoleculeglycolate.-CO2,凡是在叶肉细胞中,通过卡尔文循环,将二氧化碳固定,生成富含能量的三碳化合物,甘油醛3-磷酸(G3P)的植物,被称为C3植物大豆,燕麦,小麦,水稻,C4植物,PEPcarboxylase,whichhasastrongeraffinityforcarbondioxidethandoesRuBPcarboxylase,CO2被浓缩RUBISCO在高CO2,低O2分压的环境中催化。,。,Atnight,CAMplantstakeinCO2throughtheiropenstomata（气孔）TheCO2joinswithPEPtoformthe4-carbonoxaloaceticacid（草酰乙酸）Thisisconvertedto4-carbonmalicacid（苹果酸）thataccumulatesduringthenightinthecentralvacuoleofthecells.Inthemorning,thestomataclose(thusconservingmoistureaswellasreducingtheinwarddiffusionofoxygen).The