能量与代谢课件

1、能量与代谢课件生命活动的能量来源？ATP物质？伴随能量转化的物质循环？能量与代谢课件生命活动中的能量与代谢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？能量与代谢课件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

2、谢废物运动、能量耗散代谢：化学反应的总称酶催化能量与代谢课件 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能量与代谢课件氧化还原反应与能量2H+ 2e- H2-0.42NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+-0.32S + 2H+ + 2e- H2S-0.274SO4-2 + 8H+ + 8e- H2S-0.22pyruvate + 2H+ + 2e- lactate-0.185FAD + 2H+ + 2e- FADH + H+-0.18cytochrome b (Fe3+) + e- cytochrome b (Fe+2)0.075ub

3、iquinone + 2H+ + 2e- ubiquinone H20.10cytochrome c (Fe+3) + e- cytochrome c (Fe+2)0.254NO3- + 2H+ + 2e- NO2- + H2O0.421NO2- + 8H+ + 6e- NH40.44Fe+3 + e- Fe+20.771O2 + 4H+ + 4e- 2H2O0.815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。能量与代谢课件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

4、体电子受体（被氧化）e（被还原）（如H2O）（如CO2，NAD+）光照光照ADP+PiATPe+能量能量与代谢课件同时考虑物质、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）能量与代谢课件电子供体能量来源/碳源ExampleH2O, H2S, S等等无机物无机物光能自养光能自养绿色植物、光合细菌有机化合物光能异养非硫紫细菌H2, H2S, NH4+, Fe2+等无机物等无机物化学能自养氢细菌、硫细菌、铁细菌有机物有机物(如葡萄糖如葡萄糖)化学能异养动物、大部分微生物 生物体可以利用不同的电子供体生物体可以利用不同的电子供体能量与代谢课件化学能异养生物：化学能异养生物：Lith

5、otrophic Bacteria吃吃岩石的细菌岩石的细菌Nitrifying Bacteria：NH3 + 1 1/2 O2 HNO2 + H2O能量与代谢课件不需要太阳能的深海生态系统不需要太阳能的深海生态系统深海火山口深海火山口Black smokerGiant tube wormSymbiotic bacteria能量与代谢课件 physiological groupenergy sourceoxidized end productorganismhydrogen bacteriaH2H2OAlcaligenes, PseudomonasmethanogensH2H2OMethanob

6、acteriumcarboxydobacteriaCOCO2Rhodospirillum, Azotobacternitrifying bacteria*NH3NO2Nitrosomonasnitrifying bacteria*NO2NO3Nitrobactersulfur oxidizersH2S or SSO4Thiobacillus, Sulfolobusiron bacteriaFe +Fe+Gallionella, Thiobacillu部分微生物所利用的能源物质部分微生物所利用的能源物质能量与代谢课件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能量与代谢课件需氧

7、生物与厌氧生物需氧生物与厌氧生物产能反应是否以氧为最终电子受体产能反应是否以氧为最终电子受体需氧生物需氧生物 强迫性需氧强迫性需氧Obligate aerobes 条件性需氧条件性需氧Facultative anaerobes厌氧生物厌氧生物 强迫性厌氧强迫性厌氧 能量与代谢课件electron acceptorreduced end productname of processorganismO2H2Oaerobic respirationEscherichia, StreptomycesNO3NO2, NH3 or N2denitrificationBacillus, Pseudomona

8、sSO4S or H2Ssulfate reductionDesulfovibriofumaratesuccinateanaerobic respiration EscherichiaCO2CH4methanogenesisMethanococcus有的微生物在其细胞呼吸中不以氧为最终电子受体有的微生物在其细胞呼吸中不以氧为最终电子受体能量与代谢课件 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、碳循环与能量转化氧循环、碳循环与能量转化能量与代谢课件NADH作为通用的电子/能量载体能量与代谢课件以高能磷酸键形势储存能量以高能磷酸键形势储存能量

9、能量与代谢课件分解代谢能量与代谢课件合成代谢能量与代谢课件合成分解代谢：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）能量与代谢课件分解代谢的总体框架能量与代谢课件第一步：大分子水解为单体蛋白质蛋白质20种氨基酸多糖多糖单糖脂类脂类甘油和脂肪酸分解代谢：能量与代谢课件第二步：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能量与代谢课件第三步：乙酰辅酶A的燃烧能量与代谢课件葡萄糖的利用:糖酵解途径发生在细胞质中的发生在细胞质中的9步反应。步反应。参与化合物：

10、参与化合物：葡萄糖，葡萄糖，ADP和磷酸，和磷酸，NAD+。起始阶段还需。起始阶段还需要消耗要消耗2分子分子ATP 来启动。来启动。糖酵解将六碳的葡萄糖分解成糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个个三碳的丙酮酸，三碳的丙酮酸，2 H2O净产生净产生2个个ATP，生成，生成2分子分子NADH，糖酵解不需要氧参与。，糖酵解不需要氧参与。能量与代谢课件能量物质的燃烧：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能量与代谢课件发酵途径的通式能量与代谢课件乙醇发酵能量与代谢课件能量物质的燃烧：有氧呼吸与无氧呼吸（发酵）有氧途径：NADH

11、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能量与代谢课件有氧呼吸的总体框架能量与代谢课件 发生在线粒体中。发生在线粒体中。 分解丙酮酸形成分解丙酮酸形成2分子分子CO2、8个个H，3分子分子NADH和和1分子分子FADH2，及及1分子分子ATP。 Krebs循环也是放能反应循环也是放能反应过程过程n Krebs循环 三羧酸循环（TCA) 柠檬酸循环 有氧途径有氧途径能量与代谢课件三羧酸循环特点1) 乙酰辅酶乙酰辅酶A参于参于2）丙酮酸脱羧产生）丙酮酸脱羧产生1分子分子NADH3) 2次脱羧次脱羧, 产生产生2个个C024）3次次NAD+, 1次次FAD+还原，

12、产生还原，产生3分子分子NADH，1分子分子FADH5）伴有一次底物磷酸化，产生）伴有一次底物磷酸化，产生1 分子分子ATP6) 反应在线粒体基质中进行反应在线粒体基质中进行能量与代谢课件丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸脱氢酶复合物能量与代谢课件NADH载有的能量如何被转化为载有的能量如何被转化为ATP？电子传递链与氧化磷酸化电子传递链与氧化磷酸化1961年，英国科学家年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。n 化学渗透学说化学渗透学说 能量与代谢课件电子传递链：高能电子从电子传递链：高能电子从NADH 和和FADH2最最终传递

13、给分子氧，同时随着电子能量水平的终传递给分子氧，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磷酸化途径贮存到ATP分子中，分子中，能量与代谢课件质子梯度驱动质子梯度驱动ATPATP的合成。的合成。ATPATP合成酶合成酶由暴露在线粒体基质中的由暴露在线粒体基质中的F1F1单元、与单元、与膜结合的膜结合的FoFo单元组成单元组成能量与代谢课件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合成的模型能量与代谢课件由由F1单元组成的分子马达：实验观察到单元组成的分子马达：实验观察到ATP

14、水解与水解与gamma亚基旋转的耦合亚基旋转的耦合能量与代谢课件ATP水解与水解与gamma亚基旋转的耦合亚基旋转的耦合能量与代谢课件F1单向旋转的模型单向旋转的模型能量与代谢课件Fo与F1间的耦合（模型）能量与代谢课件质子跨膜运动推动Fo的a亚基绕C12的转动能量与代谢课件细胞“燃烧”一分子葡萄糖产生多少ATP？能量与代谢课件呼吸作用受到的调控：反馈调控能量与代谢课件激素 -CAMP-外部信号的调控作用双功能酶能量与代谢课件Cause of Pompe disease.Pompe disease is caused by a complete or partial deficiency of

15、 the lysosomal enzyme, alpha-glucosidase. This enzyme is necessary to break down glycogen and to convert it into glucose. Without this enzyme, glycogen, a thick sticky substance, accumulates in the lysosomes (sacs within the muscle cells) and leads to severe muscle degradation. It predominately affe

16、cts the heart, skeletal, and respiratory muscles of the patient.代谢失调与疾病例：糖元葡萄糖能量与代谢课件Galactosemia is an inherited disorder。It occurs at a rate of approximately 1 out of 60,000 births. There are 3 forms of the disease - galactose-1 phosphate uridyl transferase deficiency (classic galactosemia) and de

17、ficiency of galactose kinase or galactose-6-phosphate epimerase. Of these, the galactose-1-phosphate transferase deficiency is the most severe (and more common).People with galactosemia are unable to fully metabolize the simple sugar galactose. Galactose makes up half of the sugar, called lactose, t

18、hat is found in milk. Lactose is called a disaccharide (di meaning 2 and saccharide meaning sugar) since lactose is made up of two sugars, galactose and glucose, bound together.Galatosemia半乳糖能量与代谢课件MSUD is a metabolic disorder which affects the metabolism of the branched chain amino acids (BCAAs) le

19、ucine, isoleucine, and valine. The BCAAs are essential amino acids and must be obtained from dietary protein.When more protein is consumed than is needed for growth, the branched chain amino acids are degraded to generate energy. Breakdown of these amino acids involves a series of chemical reactions

20、 mediated by an enzyme system consisting of 6 components, each manufactured under the direction of a different gene. In MSUD, one or several of these genes is mutated, resulting in an inefficient enzyme complex and affecting the conversion of BCAAs to energy. The affected enzyme (branched chain keto

21、-acid dehydrogenase complex) normally catalyzes the second step of the degradation, a step which is shared by all three BCAAs. Because the degradation cannot proceed in MSUD, metabolites accumulate to toxic levels and cause illness. The urine of affected children has a sweet odor resembling maple sy

22、rup (thus the name, maple syrup urine disease). In other parts of the world the sweet odor may be described as burnt sugar or Indian spice-like. The odor is from a derivative of isoleucine.支链氨基酸支链酮酸能量与代谢课件ATP的产生 Phosphoenol- pyruvatePyruvateADPATPPyruvate kinaseCOOHCOP32-CH2COOHOCH2C1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸

23、化能量与代谢课件2.氧化磷酸化经过电子传递系统，NADH被氧化，ATP被合成ATP的产生能量与代谢课件ATP的产生3.光合磷酸化 Cyclic PhotophosphorylationLightExcitedelectrons(2e-)Electron transport chainATPChlorophyll能量与代谢课件光合作用: 生物圈的第一生产力 能量捕获CO2固定O2释放能量与代谢课件植物和光能自养微生物能进行光合作用能量与代谢课件Cross section of a leaf能量与代谢课件基质基质类囊体类囊体基粒叶绿体的结构能量与代谢课件 叶绿素 chlorophyll, a, b

24、 胡萝卜素 carotenoids, 藻胆素 phycobilins光合作用的色素能量与代谢课件叶绿素叶绿素叶绿素分子由碳和叶绿素分子由碳和氮原子组成氮原子组成 卟啉卟啉环与叶醇侧链相连环与叶醇侧链相连结结 叶醇侧链插入叶醇侧链插入到类囊体膜中到类囊体膜中能量与代谢课件叶绿素的分子结构及吸收光谱能量与代谢课件1883年，德国年，德国 Engelmann 水绵水绵 丝状绿藻丝状绿藻 螺旋带状叶绿体螺旋带状叶绿体 好氧游动的细菌好氧游动的细菌 棱镜棱镜 不同波长的光不同波长的光 向着红光和蓝光区域聚集向着红光和蓝光区域聚集能量与代谢课件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

25、的基质中能量与代谢课件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。能量与代谢课件光能的捕获能量与代谢课件紫细菌捕光蛋白(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能量与代谢课件光反应水的分解 （O2释放，NADPH生成）ATP合成能量与代谢课件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。能量与代谢课件能量与代谢课件能量与代谢课件光合磷酸化光合磷酸化 光合磷酸化指叶绿体在光作用下催

26、光合磷酸化指叶绿体在光作用下催化化ADP +磷酸生成磷酸生成 ATP的过程的过程能量与代谢课件光系统类型能量与代谢课件光合作用的原初过程光合作用的原初过程 chl* + A chl+ + A- A被还原, chl被氧化 chl-+ + D chl + D+ D + A D+ + A- 光引起氧化还原反应,产生电荷分离能量与代谢课件人造光反应中心?C + -PA-PB-QA-QB -光诱导:能量与代谢课件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。能量与代谢课件暗反应：CO2固定能量与代谢课件三分子二磷酸

27、核酮糖(15 C) -六分子 三磷酸甘油醛 (total of 18 C)1分子产物分子产物5分子再生为二磷酸核酮糖分子再生为二磷酸核酮糖能量与代谢课件3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH glyceraldehyde-3-phosphate + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+开尔文循环开尔文循环能量与代谢课件能量与代谢课件1：碳的固定能量与代谢课件2：磷酸甘油酸的还原3：二磷酸核酮糖的再生能量与代谢课件催化CO2固定的酶：RUBISCO能量与代谢课件光呼吸作用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The

28、uptake of O2 by RUBISCO forms: the 3-carbon molecule 3-phosphoglyceric acid just as in the Calvin cycle the 2-carbon molecule glycolate.- CO2能量与代谢课件凡是在叶肉细胞中,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,水稻能量与代谢课件C4植物PEP carboxylase, which has a stronger affinity for carbon dioxide th

29、an does RuBP carboxylase CO2被浓缩RUBISCO在高CO2,低O2分压的环境中催化。能量与代谢课件At night, CAM plants take in CO2 through their open stomata（气孔） The CO2 joins with PEP to form the 4-carbon oxaloacetic acid（草酰乙酸） This is converted to 4-carbon malic acid（苹果酸）苹果酸） that accumulates during the night in the central vacuole

30、 of the cells.In the morning, the stomata close (thus conserving moisture as well as reducing the inward diffusion of oxygen). The accumulated malic acid leaves the vacuole（液泡） and is broken down to release CO2. The CO2 is taken up into the Calvin (C3) cycle.2. CAM植物：C4 与C3循环在时间上分开能量与代谢课件 必须先被转化为氨(NH4) or 硝酸盐 (NO3). 固氮菌：将氮气转化为氨氮的固定大气中氮气含量：79%但绝大多数生物不能利用它为氮源。能量与代谢课件氮循环能量与代谢课件固氮反应：固氮反应：N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP