高等教育生命活动的维持.pptx
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1、新陈代谢是生物的基本特征之一新陈代谢是生物的基本特征之一包括生物在生命活动中所进行的一切包括生物在生命活动中所进行的一切分解代谢分解代谢与与合成代谢合成代谢4.1 4.1 代谢简介代谢简介生物体内新陈代谢各方面的相互关系:生物体内新陈代谢各方面的相互关系:一、生物的能量代谢一、生物的能量代谢+能量代谢的热力学原理能量代谢的热力学原理+能量传递媒介能量传递媒介1、能量代谢的热力学原理、能量代谢的热力学原理自由能自由能(G)(G):指一个反应体系中:指一个反应体系中能够做功的那部分能量能够做功的那部分能量。自由能的变化自由能的变化(G)(G):产物的自由能与反应物的自由能之:产物的自由能与反应物的
2、自由能之差,与反应转变过程无关。差,与反应转变过程无关。标准自由能的变化标准自由能的变化(G)标准条件:标准条件:298K,101.3KPa,反应物浓度为,反应物浓度为1mol/L生化反应中标准自由能的变化生化反应中标准自由能的变化(G):标准条件:标准条件:298K,101.3KPa,反应物浓度为,反应物浓度为1mol/L,pH=7如如 A+B C+D G=(GC+GD)-(GA+GB)G=G0+RTlnCD/ABG0反应反应自发自发进行进行反应达到反应达到平衡平衡反应反应不能自发不能自发进行进行v反应体系的总自由能差等于体系中反应体系的总自由能差等于体系中各单独反应各单独反应自由能自由能的
3、代数和的代数和v即一个热力学上不能进行的反应(即一个热力学上不能进行的反应(G0 G0)可以被)可以被另一个热力学上可以进行的反应(另一个热力学上可以进行的反应(G0 G0)所驱动,)所驱动,只要它们自由能差的代数和小于零。只要它们自由能差的代数和小于零。v在生化反应中,许多反应是被在生化反应中,许多反应是被ATPATP的水解的水解所驱动的。所驱动的。葡萄糖葡萄糖+PiG=+13.8kJ/molATP+H2OADP+PiG=-31.5kJ/mol6磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖+H2O葡萄糖葡萄糖+ATP6磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖+ADPG=-17.7kJ/mol例如葡萄糖的磷酸化是被例如葡萄糖的磷酸化是被
4、ATP水解反应所驱动。水解反应所驱动。2、能量传递媒介、能量传递媒介q通常情况下,分解代谢释放的能量并不直接被吸能代谢通常情况下,分解代谢释放的能量并不直接被吸能代谢所利用,而是通过一些能量传递物质来传递能量,起能量所利用,而是通过一些能量传递物质来传递能量,起能量转运站的作用。转运站的作用。q既可传递能量,又可暂时储藏能量。既可传递能量,又可暂时储藏能量。ATPATP烟酰胺辅酶烟酰胺辅酶黄素辅酶黄素辅酶 ATP(腺三磷)生物能量的主要传递者(腺三磷)生物能量的主要传递者、烟酰胺辅酶(、烟酰胺辅酶(NAD、NADP)qNAD烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸qNADP烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
5、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸磷酸qVBVB5 5(烟酰胺)(烟酰胺)q重要的氢载体重要的氢载体NAD+:R为为H;NADP+:R为为PO32-NADH2+1/2O2=NAD+H2O+3ATP重要的氢载体重要的氢载体、黄素辅酶、黄素辅酶FMNFMN黄素单核苷酸黄素单核苷酸FADFAD黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸氢载体氢载体生物体内生物体内VBVB2 2以以FMNFMN和和FADFAD形式存在形式存在VBVB2 2缺乏时,人类主要症状为唇炎、口角炎等。缺乏时,人类主要症状为唇炎、口角炎等。FADH2+1/2O2=FAD+H2O+2ATP二、二、ATP生成的具体方式:生成的具体方式:底物水平磷酸
6、化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化光合磷酸化1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化在被氧化的底物上发生磷酸化作用。在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中,形成了某些即底物被氧化的过程中,形成了某些高能磷酸高能磷酸化合物的中间产物化合物的中间产物,通过酶的作用可将高能磷,通过酶的作用可将高能磷酸键直接转给酸键直接转给ADPADP生成生成ATPATP。XP +ADP ATP +X底物水平磷酸化形成高能键底物水平磷酸化形成高能键其能量来源于伴随着:其能量来源于伴随着:与氧的存在与否无关与氧的存在与否无关底物脱氢底物脱氢分子内部能量重新分布和集中分子内部能量重新分布和集中2、氧化
7、磷酸化、氧化磷酸化通过电子传递体系产生通过电子传递体系产生ATPATP的过程的过程电子传递链的顺序电子传递链的顺序:电子传递链中生成电子传递链中生成ATP的部位的部位电子传递体系部位:电子传递体系部位:原核细胞:电子传递体系和细胞膜连在一起原核细胞:电子传递体系和细胞膜连在一起真核细胞:电子传递体系在线粒体内膜上真核细胞:电子传递体系在线粒体内膜上3、光合磷酸化、光合磷酸化光引起光合色素逐出电子,通过电子传递产生光引起光合色素逐出电子,通过电子传递产生ATPATP的过程的过程三、生物氧化的特点和过程三、生物氧化的特点和过程A、生物氧化特点、生物氧化特点在活体细胞中进行,需酶参加在活体细胞中进行
8、,需酶参加 温和条件温和条件 复杂的氧化还原过程复杂的氧化还原过程能量逐步释放,以能量逐步释放,以ATPATP形式储存和转运形式储存和转运代谢简介B B、生物氧化过程、生物氧化过程代代谢谢分分子子H H+e-O O2 2-H H2 2O O能量能量呼吸链呼吸链脱氢即是被氧化,脱氢即是被氧化,H可拆分为可拆分为H+e4.2 4.2 能量的获得能量的获得 -光合作用光合作用自然界中存在不同种类的光合生物自然界中存在不同种类的光合生物产氧光合作用:蓝细菌、藻类、绿色植物产氧光合作用:蓝细菌、藻类、绿色植物不产氧光合作用不产氧光合作用紫硫细菌紫硫细菌氢细菌氢细菌光合细菌光合细菌(简称简称PSB)PSB
9、)是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有是地球上出现最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成体系的原核生物原始光能合成体系的原核生物是在是在厌氧厌氧条件下进行条件下进行不放氧光合作用不放氧光合作用的细菌的的细菌的总称总称因具有细菌叶绿素和类胡萝卜素等光合色素,因具有细菌叶绿素和类胡萝卜素等光合色素,而呈现一定颜色而呈现一定颜色一、光合器官一、光合器官基粒基粒类囊体类囊体内膜内膜外膜外膜二、光合色素二、光合色素|高等植物叶绿体中含有高等植物叶绿体中含有:叶绿素类叶绿素类和和类胡萝卜素类类胡萝卜素类|藻类中含藻类中含藻胆类色素藻胆类色素|光合细菌含光合细菌含菌绿素或菌紫素菌绿素或菌紫素叶绿素类叶
10、绿素类中心叶绿素:中心叶绿素:捕光天线叶绿素:捕光天线叶绿素:P680、P700(高度特化的叶绿素(高度特化的叶绿素a)直接引起光化学反应直接引起光化学反应吸收光能吸收光能光合作用整个反应过程分为光合作用整个反应过程分为光反应光反应暗反应暗反应光反应光反应在在叶绿素叶绿素的参与下,把太阳能转变为化学能的参与下,把太阳能转变为化学能(ATPATP、NADPHNADPH)暗反应暗反应毋需叶绿素参与,在毋需叶绿素参与,在叶绿体基质中叶绿体基质中进行,利用进行,利用光反应中产生的光反应中产生的ATPATP和和NADPHNADPH,推动,推动COCO2 2的还原和固定,的还原和固定,变成糖类化合物变成糖
11、类化合物三、光反应三、光反应+光合色素吸收、光合色素吸收、传递光能,并将光能转化成传递光能,并将光能转化成化学能,化学能,形成形成ATPATP的过程的过程+类囊体上进行反应类囊体上进行反应 1、两个光反应系统、两个光反应系统光系统光系统(PS )作用中心为作用中心为P700P700的叶绿素的叶绿素a a分子分子光系统光系统(PS )作用中心为作用中心为P680P680的叶绿素的叶绿素a a分子分子2、光合电子传递链、光合电子传递链质体醌质体醌质体蓝素质体蓝素ATPATPO O2 2NADPHNADPH生成生成铁氧还蛋白铁氧还蛋白产产生生ATPATP环式光合磷酸化环式光合磷酸化仅生成仅生成ATP
12、ATP,无水的裂解、氧的生成、也没有,无水的裂解、氧的生成、也没有NADPHNADPH生成生成暗反应:暗反应:叶绿体基质中进行叶绿体基质中进行利用光反应产生的利用光反应产生的ATP,使,使CO2还原还原(NADPH提供电子提供电子)合成糖合成糖,分为三步,分为三步 四、暗反应四、暗反应qCOCO2 2的固定的固定q还原反应还原反应q二磷酸核酮糖的再生二磷酸核酮糖的再生 光合作用的暗反应光合作用的暗反应卡尔文循环卡尔文循环COCO2 2的固定的固定还原反应还原反应二磷酸核酮糖二磷酸核酮糖的再生的再生X在在C3C3植物中,卡尔文循环是植物中,卡尔文循环是直接使用了来自空气的直接使用了来自空气的CO
13、CO2 2,它所产生的第,它所产生的第1 1个有机物是个有机物是3C3C化合物化合物3-PGA3-PGAX在炎热干旱的日子里,在炎热干旱的日子里,C3C3植物叶子的气孔处于关闭状植物叶子的气孔处于关闭状态,可减少水分的丢失,却阻止了态,可减少水分的丢失,却阻止了COCO2 2的进入的进入XRuBPRuBP羧化酶要求较高的羧化酶要求较高的COCO2 2浓度浓度X在在COCO2 2浓度偏低,浓度偏低,O O2 2浓度提高的情况下:浓度提高的情况下:XRuBPRuBP酶还能在光照条件下结合酶还能在光照条件下结合O O2 2,促使,促使O O2 2分解二磷酸核分解二磷酸核酮糖,释放出酮糖,释放出COC
14、O2 2,称为,称为光呼吸光呼吸X光呼吸抵消掉一部分光合作用的成果光呼吸抵消掉一部分光合作用的成果C4C4植物植物X生活在热带的植物生活在热带的植物,如玉米、甘蔗等,为了减少光呼吸的负作用,如玉米、甘蔗等,为了减少光呼吸的负作用,进化出进化出C4C4途径途径XC4C4植物具有特殊的保水适应能力植物具有特殊的保水适应能力XC4C4植物植物COCO2 2固定在叶肉细胞中固定在叶肉细胞中X卡尔文循环在含有叶绿体的维管束鞘细胞中卡尔文循环在含有叶绿体的维管束鞘细胞中PEPPEP羧化酶羧化酶PEPPEP羧化酶对羧化酶对COCO2 2亲和力大,不与亲和力大,不与O O2 2结合,所以结合,所以C4C4植物
15、叶植物叶肉细胞中肉细胞中COCO2 2浓度大大低于浓度大大低于O O2 2浓度时,浓度时,PEPPEP羧化酶还能羧化酶还能照样固定照样固定COCO2 2即使在维管束鞘细胞中发生光呼吸放出即使在维管束鞘细胞中发生光呼吸放出COCO2 2,也能被叶,也能被叶肉细胞再次利用肉细胞再次利用C4C4植物比植物比C3C3植物有更高的光合作用效率植物有更高的光合作用效率景天科植物代谢(景天科植物代谢(CAMCAM)菠萝、仙人掌等肉质植物菠萝、仙人掌等肉质植物仅在夜晚才打开气孔准许仅在夜晚才打开气孔准许COCO2 2进入的办法保水进入的办法保水能适应非常干旱的气候能适应非常干旱的气候比较比较C4C4途径和途径
16、和CAMCAM途径异同途径异同T相同点:都是在炎热干旱条件下,即能保持住体内相同点:都是在炎热干旱条件下,即能保持住体内水分,又能进行光合作用的适应性特征水分,又能进行光合作用的适应性特征T不同点:不同点:TCAMCAM植物植物COCO2 2固定和卡尔文循环是发生在同一细胞中固定和卡尔文循环是发生在同一细胞中TC4C4植物发生在两种不同细胞中植物发生在两种不同细胞中4.3 4.3 能量的释放能量的释放细胞呼吸细胞呼吸葡萄糖是细胞呼吸的重要能源物质葡萄糖是细胞呼吸的重要能源物质糖代谢糖代谢糖类代谢糖的来源糖的来源糖的代谢糖的代谢糖代谢紊乱引发的病症糖代谢紊乱引发的病症一、糖的来源一、糖的来源绿色
17、植物和光合微生物的光合作用绿色植物和光合微生物的光合作用动物体内糖异生动物体内糖异生二、糖的中间代谢二、糖的中间代谢糖酵解途径(糖酵解途径(EMPEMP)三羧酸循环(三羧酸循环(TCATCA)v糖酵解的研究历史是从酒精发酵的研究开始的。糖酵解的研究历史是从酒精发酵的研究开始的。v我国早在我国早在40004000年前就有酿酒的记载,但糖变酒的过程直年前就有酿酒的记载,但糖变酒的过程直到到2020世纪才搞清楚。世纪才搞清楚。1 1、糖酵解途径、糖酵解途径 (EMP)(EMP)18971897年,年,Hans Buchner Hans Buchner 和和 EduardEduard兄弟发现,酵母汁兄
18、弟发现,酵母汁可以把蔗糖变酒精,证明了发酵可以在活细胞以外进可以把蔗糖变酒精,证明了发酵可以在活细胞以外进行。行。否定了巴斯德的发酵离不开活细胞否定了巴斯德的发酵离不开活细胞,是没有空气,是没有空气的生命过程的观点。的生命过程的观点。19401940年,年,Gustar Embden Gustar Embden 和和Otto MeyerhofOtto Meyerhof等人发现肌等人发现肌肉中也存在着与酵母十分类似的不需氧的分解葡萄糖肉中也存在着与酵母十分类似的不需氧的分解葡萄糖并产生能量的过程。并产生能量的过程。他们称此为酵解过程,又称为他们称此为酵解过程,又称为EMPEMP途径。途径。糖酵解
19、途径糖酵解途径由葡萄糖生成丙酮酸的过程。由葡萄糖生成丙酮酸的过程。所有具有细胞结构的生物所具有的代谢途径,在有氧所有具有细胞结构的生物所具有的代谢途径,在有氧和无氧条件下都能进行。和无氧条件下都能进行。反应的亚细胞定位:反应的亚细胞定位:细胞质细胞质反应过程:两个阶段反应过程:两个阶段由由1010步反应完成步反应完成己糖激酶己糖激酶葡萄糖葡萄糖G6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖G-6-P-1ATP磷酸己糖异构酶磷酸己糖异构酶6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖G-6-P6-磷酸果糖磷酸果糖F-6-P6-磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-16-磷酸果糖磷酸果糖F-6-P1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖F-1,6-BP-1ATP
20、磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛醛缩酶醛缩酶1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖F-1,6-BP磷酸丙糖异构酶磷酸丙糖异构酶磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶第一次底物水平磷酸化第一次底物水平磷酸化+1ATP1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶磷酸甘油酸变位酶 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸烯醇化酶烯醇化酶2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)丙酮酸激酶丙酮酸激酶磷酸烯醇式
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