能量与代谢1学习.pptx
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？第1页/共93页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第2页/共93页化学能：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第3页/共93页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+-0.18cytochromeb(Fe3+)+e-cytochromeb(Fe+2)0.075ubiquinone+2H+2e-ubiquinoneH20.10cytochromec(Fe+3)+e-cytochromec(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。第4页/共93页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+PiATPe+能量第5页/共93页同时考虑物质、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）第6页/共93页电子供体能量来源/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第7页/共93页化学能异养生物：LithotrophicBacteria吃岩石的细菌NitrifyingBacteria：NH3+11/2O2HNO2+H2O第8页/共93页不需要太阳能的深海生态系统深海火山口BlacksmokerGianttubewormSymbioticbacteria第9页/共93页physiologicalgroupenergysourceoxidizedendproductorganismhydrogenbacteriaH2H2OAlcaligenes,PseudomonasmethanogensH2H2OMethanobacteriumcarboxydobacteriaCOCO2Rhodospirillum,Azotobacternitrifyingbacteria*NH3NO2Nitrosomonasnitrifyingbacteria*NO2NO3NitrobactersulfuroxidizersH2SorSSO4Thiobacillus,SulfolobusironbacteriaFe+Fe+Gallionella,Thiobacillu部分微生物所利用的能源物质第10页/共93页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第11页/共93页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第12页/共93页electronacceptorreducedendproductnameofprocessorganismO2H2OaerobicrespirationEscherichia,StreptomycesNO3NO2,NH3orN2denitrificationBacillus,PseudomonasSO4SorH2SsulfatereductionDesulfovibriofumaratesuccinateanaerobicrespirationEscherichiaCO2CH4methanogenesisMethanococcus有的微生物在其细胞呼吸中不以氧为最终电子受体第13页/共93页光能自养生物：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、碳循环与能量转化第14页/共93页NADH作为通用的电子/能量载体第15页/共93页以高能磷酸键形势储存能量第16页/共93页分解代谢第17页/共93页合成代谢第18页/共93页合成分解代谢：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）第19页/共93页分解代谢的总体框架第20页/共93页第一步：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21页/共93页第二步：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22页/共93页第三步：乙酰辅酶A的燃烧第23页/共93页葡萄糖的利用: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。第24页/共93页能量物质的燃烧：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第25页/共93页发酵途径的通式第26页/共93页乙醇发酵第27页/共93页能量物质的燃烧：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第28页/共93页有氧呼吸的总体框架第29页/共93页发生在线粒体中。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nKrebs循环三羧酸循环（TCA)柠檬酸循环有氧途径第30页/共93页三羧酸循环特点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第31页/共93页丙酮酸脱氢酶复合物第32页/共93页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。n 化学渗透学说化学渗透学说 当当线线粒粒体体内内膜膜上上的的呼呼吸吸链链进进行行电电子子传传递递时时，电电子子能能量量逐逐步步降降低低，脱脱下下的的H H+质质子子便便穿穿过过膜膜从从线线粒粒体体的的基基质质进进入入到到内内膜膜外外的的腔腔中中，造造成成跨跨膜膜的的质质子子梯梯度度（浓浓度度差差），导导致致化化学学渗渗透透发发生生，即即质质子子顺顺梯梯度度从从外外腔腔经经内内膜膜通通道道（ATPATP合合成成酶酶）而而返返回回到到线线粒粒体体的的基基质质中中，所所释释放放的的能使能使ADPADP与磷酸结合生成与磷酸结合生成ATPATP。第33页/共93页电子传递链：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，每分子每分子NADHNADH产生产生3 3分子分子ATPATP第34页/共93页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单元组成单元组成第35页/共93页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合成的模型第36页/共93页由F1单元组成的分子马达：实验观察到ATP水解与gamma亚基旋转的耦合第37页/共93页ATP水解与gamma亚基旋转的耦合第38页/共93页F1单向旋转的模型第39页/共93页Fo与F1间的耦合（模型）第40页/共93页质子跨膜运动推动Fo的a亚基绕C12的转动第41页/共93页细胞“燃烧”一分子葡萄糖产生多少ATP？葡萄糖中大约葡萄糖中大约40-50%40-50%的能量被的能量被转化储存在转化储存在ATPATP中，中，而汽车发动机只而汽车发动机只有有15-25%15-25%转化为转化为动能，细胞呼吸动能，细胞呼吸的产能效率高。的产能效率高。第42页/共93页呼吸作用受到的调控：反馈调控第43页/共93页激素-CAMP-外部信号的调控作用双功能酶第44页/共93页CauseofPompedisease.Pompediseaseiscausedbyacompleteorpartialdeficiencyofthelysosomalenzyme,alpha-glucosidase.Thisenzymeisnecessarytobreakdownglycogenandtoconvertitintoglucose.Withoutthisenzyme,glycogen,athickstickysubstance,accumulatesinthelysosomes(sacswithinthemusclecells)andleadstoseveremuscledegradation.Itpredominatelyaffectstheheart,skeletal,andrespiratorymusclesofthepatient.代谢失调与疾病例：糖元葡萄糖第45页/共93页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半乳糖第46页/共93页MSUDisametabolicdisorderwhichaffectsthemetabolismofthebranchedchainaminoacids(BCAAs)leucine,isoleucine,andvaline.TheBCAAsareessentialaminoacidsandmustbeobtainedfromdietaryprotein.Whenmoreproteinisconsumedthanisneededforgrowth,thebranchedchainaminoacidsaredegradedtogenerateenergy.Breakdownoftheseaminoacidsinvolvesaseriesofchemicalreactionsmediatedbyanenzymesystemconsistingof6components,eachmanufacturedunderthedirectionofadifferentgene.InMSUD,oneorseveralofthesegenesismutated,resultinginaninefficientenzymecomplexandaffectingtheconversionofBCAAstoenergy.Theaffectedenzyme(branched chain keto-acid dehydrogenase complex)normallycatalyzesthesecondstepofthedegradation,astepwhichissharedbyallthreeBCAAs.BecausethedegradationcannotproceedinMSUD,metabolitesaccumulatetotoxiclevelsandcauseillness.Theurineofaffectedchildrenhasasweetodorresemblingmaplesyrup(thusthename,maplesyrupurinedisease).InotherpartsoftheworldthesweetodormaybedescribedasburntsugarorIndianspice-like.Theodorisfromaderivativeofisoleucine.支链氨基酸支链酮酸第47页/共93页ATP的产生1、底物水平磷酸化第48页/共93页2.氧化磷酸化经过电子传递系统，NADH被氧化，ATP被合成ATP的产生第49页/共93页ATP的产生3.光合磷酸化第50页/共93页光合作用:生物圈的第一生产力能量捕获CO2固定O2释放第51页/共93页植物和光能自养微生物能进行光合作用第52页/共93页Crosssectionofaleaf第53页/共93页基质类囊体基粒叶绿体的结构第54页/共93页 叶绿素 chlorophyll,a,b胡萝卜素 carotenoids,藻胆素 phycobilins光合作用的色素第55页/共93页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第56页/共93页叶绿素的分子结构及吸收光谱第57页/共93页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第58页/共93页6.46.4 光系统与光反应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第59页/共93页光系统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。第60页/共93页光能的捕获第61页/共93页紫细菌捕光蛋白(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第62页/共93页光反应水的分解（O2释放，NADPH生成）ATP合成第63页/共93页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。第64页/共93页第65页/共93页第66页/共93页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的过程第67页/共93页光系统类型第68页/共93页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,产生电荷分离第69页/共93页人造光反应中心?C+-PA-PB-QA-QB-光诱导:第70页/共93页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。第71页/共93页暗反应：CO2固定第72页/共93页三分子二磷酸核酮糖(15 C)-六分子三磷酸甘油醛(totalof18 C)1分子产物5分子再生为二磷酸核酮糖第73页/共93页3 CO2+9 ATP+6 NADPH glyceraldehyde-3-phosphate+9 ADP+8 Pi+6 NADP+开尔文循环第74页/共93页第75页/共93页1：碳的固定第76页/共93页2：磷酸甘油酸的还原3：二磷酸核酮糖的再生第77页/共93页催化CO2固定的酶：RUBISCO第78页/共93页光呼吸作用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第79页/共93页凡是在叶肉细胞中,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,水稻第80页/共93页C4植物PEPcarboxylase,whichhasastrongeraffinityforcarbondioxidethandoesRuBPcarboxylaseCO2被浓缩RUBISCO在高CO2,低O2分压的环境中催化。第81页/共93页Atnight,CAMplantstakeinCO2throughtheiropenstomata（气孔）TheCO2joinswithPEPtoformthe4-carbonoxaloaceticacid（草酰乙酸）Thisisconvertedto4-carbonmalic acid（苹果酸）thataccumulatesduringthenightinthecentralvacuoleofthecells.Inthemorning,thestomataclose(thusconservingmoistureaswellasreducingtheinwarddiffusionofoxygen).Theaccumulatedmalicacidleavesthevacuole（液泡）andisbrokendowntoreleaseCO2.TheCO2istakenupintotheCalvin(C3)cycle.2.CAM植物：C4与C3循环在时间上分开第82页/共93页必须先被转化为氨(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。第83页/共93页氮循环第84页/共93页固氮反应：N2+8H+8e-+16ATP=2NH3+H2+16ADP+16Piprokaryotes(thebacteriaandrelatedorganisms),usinganenzymecomplextermednitrogenase.Thisenzymeconsistsoftwoproteins-anironproteinandamolybdenum-ironprotein,asshownbelow.第85页/共93页nitrogenase根瘤菌与固氮酶第86页/共93页TypeoffixationN2fixed(1012gperyear,or106metrictonsperyear)Non-biologicalIndustrialabout50Combustionabout20Lightningabout10Totalabout80BiologicalAgriculturallandabout90Forestandnon-agriculturallandabout50Seaabout35Totalabout175第87页/共93页富营养化带来的生态问题第88页/共93页氮循环与富营养化农业发展导致固氮量增加。去硝化细菌增长赶不上固氮的增长。有机化的氮增加。水体富营养化。第89页/共93页SO4-2+2ATP+2NADPH+H+serine+acetyl-CoAcysteine+AMP+ADP+3Pi+NADP+硫循环第90页/共93页作业（书面完成，写上姓名、学号交刘兢老师）根据你自己对讲课内容的理解，用文字方式简明扼要地综述以下内容：（1）主要生物大分子类型、化学结构、功能？（2）细胞如何将氧化葡萄糖以获得能量？（3）光合作用第91页/共93页总结1、生命的化学组成碳骨架与官能团，水溶液环境的作用，单体、缩合反应糖苷键、磷酸二酯键、肽键双分子层、双螺旋、蛋白质的二级结构、空间结构2、能量转化与物质代谢光能与化学能、自养与异养、需氧与厌氧、合成代谢与分解代谢ATP与NADH，糖酵解、丙酮酸与乙酰辅酶A、三羧酸循环、有氧呼吸与发酵呼吸作用、化学渗透假说与分子马达光合作用光反应、暗反应、开尔文循环RUBISCO与光呼吸、C3、C4、CAM植物3、氮循环与富营养化第92页/共93页感谢您的观看！第93页/共93页
