白天有机酸脱羧释放CO2用于光合作用课件

第四章

细胞代谢1生物体的能量生命活动需要能量代谢是化学物质和能量的转化过程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自养生物与异养生物生态系统中能量的流动是由多样化的生命过程完成的热力学第一定律即能量守恒定律宇宙的能量是一个常数，能量可以不断被转化和转移，但不可能被创造，也不可能被消灭2热力学定律热力学第一定律热力学将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，以S表示宇宙或系统的各种过程总是向着熵增大的方向进行热力学第二定律热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那一部分能量为自由能，以G表示当熵增加时，系统的自由能便会下降，因此有：DG=DH-TDS(T为绝对温度)生命依靠能量的不断输入一直在与热力学第二定律作抗争热力学第二定律物理和化学过程达到平衡时，即达到系统的自由能最小而熵最大3吸能反应和放能反应在一个反应中，如果产物比反应物含有更少的自由能，这个反应便趋向于自发地进行自发反应可释放自由能，称为放能反应需从外界输入自由能才能进行的反应称为吸能反应光合作用是吸能反应呼吸作用是放能反应4细胞的能量通货——ATP在活细胞中，能量贮存在腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)中ATPATP水解时，一个高能磷酸键断裂同时释放出能量

ATP+H2O——>ADP+Pi

G=-30.5kJ/molNH2ATP作为细胞能量的通货是如何工作的？放能反应和ATP的合成相偶联，吸能反应和ATP的分解相偶联细胞利用能量（ATP）完成各种工作

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

仲夏的夜晚萤火虫如何利用ATP来发光？热力学原理只能帮助我们预测一个反应能否发生，却不能告诉我们反应的速度有多快酶是细胞产生的可调节化学反应速度的催化剂绝大多数的酶都是蛋白质酶在常温、常压、中性pH的温和条件下具有很高的催化效率二、酶酶是具有催化作用的蛋白质

化学键能障活化能酶的催化作用机理酶可以降低活化一个反应所需要的能量酶+底物

酶-底物复合物

酶+产物

E+S

E-S

E+P酶与底物结合降低反应的活化能

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”酶的特异性（专一性）

影响酶活性的因素温度的影响pH的影响辅助因子的作用

无机金属离子——辅助因子有机化合物——辅酶——递H+或递电子NADP+和FAD的递H+和递电子作用酶的抑制剂

可逆与不可逆抑制剂竞争性与非竞争性抑制剂反馈抑制酶促反应在细胞中往往不是独立发生的在代谢过程中局部反应对催化该反应的酶所起的抑制作用，称为反馈抑制细胞自行调节其代谢的一种机制维持细胞稳态的重要机制三、细胞呼吸1概念：呼吸作用是指生物从周围空气中吸入氧气，又向其中呼出二氧化碳的过程。是一种气体交换。细胞呼吸指细胞在有氧条件下从食物分子（主要是葡萄糖）中获得能量的过程。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2细胞呼吸产生能量慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳和水快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳人体细胞的呼吸过程贮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%

50%的能量被转化贮藏在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

ATP的产生和应用在生物体中，ATP不断地消耗和再生，维持着生命的高度有序状态动物细胞呼吸的“燃料”

ATP的产生和应用ATP和ADP分子的相互转换体重70kg的男子不同活动时所需要的能量（kj/h)活动能量活动能量静坐419锯木头2010站立，放松440游泳2093快打字586跑步（5.3km/h)2387步行（4.2km/h)837快步（5.3km/h)2722做木工1004上楼梯4605某些食物所含的热量（kj/100g)食物热量食物热量大米1448牛肉226面粉1465鸡蛋577玉米面1423鲤鱼456花生仁（生）1247苹果218黄豆1502菠菜100猪肉1654植物油3761获得电子——还原反应；失去电子——氧化反应氧化还原反应——细胞中氢及其电子从一个化合物向另一个化合物转移氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢中最基本的反应氧化还原反应被转移的氢原子所携带的能量储藏在新化学键中氧化还原反应XH2(还原型底物)＋NAD+→X(氧化型底物)＋NADH＋H+XH2(还原型底物)＋NADP+→X(氧化型底物)＋NADPH＋H+XH2(还原型底物)＋FAD+→X(氧化型底物)＋FADH2还原态的NADH、NADPH和FADH2等还可将所接受的电子和氢传递给其他传递体如细胞色素、辅酶Q等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3细胞呼吸的化学过程概述发生在细胞质中的9步反应参与化合物：①葡萄糖，②ADP和磷酸，③NAD+。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糖酵解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ATPKrebs循环也是放能反应过程

Krebs循环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分子中电子传递链和氧化磷酸化电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体电子传递链和氧化磷酸化在有氧环境中，酵母细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分解成酒精（乙醇）和二氧化碳在有氧环境中，食物分子被充分氧化，可产生比无氧环境更多的能量

4酵母菌的发酵作用发酵是典型的细胞呼吸过程生物大分子需要经过消化作用生成单体小分子的葡萄糖、氨基酸或脂肪酸等消化作用常常发生在细胞外，而不是在细胞质内，它是一种在酶作用下的水解过程5其他营养物质的氧化消化作用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以与辅酶A结合后氧化生成乙酰辅酶A而进入三羧酸循环甘油则可以转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程蛋白质和脂肪的氧化食物分子的氧化分解即细胞呼吸过程捕获能量食物分子的分解又为生物大分子的合成和细胞、组织和生物体的组成提供原料营养物质的分解可提供生物分子合成的原料四光合作用光合作用的早期研究

1642年比利时科学家

Helmont1770年英国牧师

Priestley大玻璃罩老鼠蜡烛显微镜气孔（一）光合作用的概念和意义光合作用是指绿色植物和光合细菌利用光能把二氧化碳和水合成有机物的过程。CO2＋H2O*CH2O＋H2O＋O2*绿色植物光光合作用的意义光合作用是绿色植物（主要在叶片中）吸收日光能量，利用二氧化碳和水，合成有机物质，并释放氧的过程。在这个过程中，无机物质（二氧化碳和水）被转化为有机物质，日光能转变为化学能。所产生的有机物质，主要是糖（葡萄糖等），被转变的化学能贮藏在有机物质中。光合作用的意义光合作用所释放的氧是生物生存的必需条件。所产生的糖是植物自身生长发育所必需的有机物质，也是进一步合成淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素及其他有机物质的原料。粮、棉、油、木材和其他农、林产品，都是光合作用的产物。我们吃的粮食、烧的柴就是利用其中所贮藏的能量。所以，光合作用是生物体内所有物质代谢和能量代谢的基础，在新陈代谢各个途径中它占有独特的地位；它对自然界的生态平衡和人类的生存都具有极为重大的意义。（二）光合器与光合色素

光合器：叶肉细胞的叶绿体是光合作用的细胞器

叶绿体的结构光合色素种类叶绿素类：叶绿素a、b、c、d类胡萝卜素：胡萝卜素、叶黄素藻胆素：藻红素、藻蓝素叶绿素的分子式叶绿素的结构式叶绿素

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

光合作用的色素主要包括叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、藻胆素等

叶绿素a启动光反应问题:为什么植物都是绿色的？几种光合色素的吸收光谱几种光合色素的吸收区域叶绿素类：蓝紫光、红光叶绿素a红光区吸收带偏长波方向，蓝紫光区偏短波方向叶绿素a和b对绿光吸收很少，故呈绿色，叶绿素a蓝绿色和叶绿素b呈黄绿色类胡萝卜素：只吸收蓝紫光不吸收红橙及黄光，故呈橙黄色和黄色藻胆素：主要吸收绿、橙光藻红素吸收绿光，藻蓝素吸收橙红光荧光现象（三）光合作用过程1原初反应指叶绿素分子被光激发，到引起原初光化学反应的过程包括了光物理过程和光化学过程光能电能

光系统与光反应光反应发生在类囊体膜上碳反应发生在叶绿体的基质中2光合电子传递与光合磷酸化非环路的光合磷酸化途径和电子传递链3光合碳同化过程卡尔文循环——C3途径C3植物与C4植物叶结构的比较C4植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图

紧密的维管束鞘四周被大的维管束鞘细胞环绕包围。在这类作物中大的叶绿体分布在维管束鞘细胞的外围，维管束细胞被叶肉细胞包围。C4途径C4植物高梁甘蔗田粟(millet)的穗形,“谷子”，去皮后称“小米”苋菜玉米景天科植物酸代谢途径

（CAM途径）景天科等植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢途径称为CAM(

Crassulaceanacidmetabolism)途径

CAM植物-瓦松属瓦松属1剑麻芦荟落地生根