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1、细 胞,第 1 篇,2,细胞结构与细胞通讯,3,细 胞 代 谢,4,细胞的分裂和分化,5,第1篇细 胞,3,细 胞 代 谢,4,4.1能与细胞4.2 生物催化剂酶4.3细胞呼吸4.4光合作用,4,4.1能与细胞,5,物质代谢,能量代谢,同化作用,异化作用,合成物质,贮存能量,分解物质,释放能量,新陈代谢,6,化学能是活的生物体内最重要的能量形式。细胞中能量转化的效率不可能是100%，总有一部分转化为热的形式逃逸。,细胞代谢,吸能反应 合成,放能反应 分解,7,能的利用,8,ATP是细胞中常用的能量载体能量通货,9,10,4.2 生物催化剂 酶,11,用量少而催化效率高 不改变化学反应的平衡点
2、可降低反应的活化能,1、酶促反应的特点,与一般催化剂相比有以下共性：,12,高效性 特异性反应条件温和 易变性失活 酶活性是受调控的,酶作为生物催化剂的特性,绝对一专一性相对专一性立体构型专一性,13,2.酶的活性中心,酶是生物大分子，酶作为蛋白质，其分子体积比底物分子体积要大得多。在反应过程中酶与底物接触结合时，只限于酶分子的少数基团或较小的部位。酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的部位，称为酶的活性中心（active site）。,14,酶的活性中心包括两个功能部位：一个是结合部位，是酶与底物结合的基团，决定酶的专一性；另一个是催化部位，催化底物敏感键发生化学变化的基团，决定酶
3、的催化能力。酶活性中心的基团均属于必须基团，但必须基团还包括除活性中心之外的、对酶表现活力所必须的基团，如Ser的羟基、Cys的巯基、His的咪唑基等，它们不与底物结合、或直接参予引起中间产物分解的反应，而仅仅是维持酶分子的空间构象所必须。,15,3.影响酶作用的因素,影响酶促反应的因素常有酶的浓度、底物浓度、产物浓度、辅因子、pH值、温度、抑制剂、激活剂等。,16,酶浓度的影响,Juang RH(2004)BCbasics,底物浓度的影响,18,温度的影响,19,与酶蛋白结合紧密不易分开者称辅基。与酶蛋白结合疏松，易与酶蛋白分开的称辅酶。游离金属离子(如Mg2+、Mn2+等)，称辅助因子。,
4、全酶=酶蛋白+辅基(辅酶),辅因子的影响,20,pH的影响,21,抑制剂的影响,22,非竞争性抑制剂,竞争性抑制剂,23,产物浓度的影响,24,25,生物的一切活动都需要能量。能量来源于糖、脂类和蛋白质在体内的氧化。糖、脂类和蛋白质等有机物质在活细胞内氧化分解，产生CO2和H2O并释放能量的过程称生物氧化，亦称细胞呼吸(cell respiration）。,4.3细胞呼吸,26,生物的呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸。,有氧呼吸是在有氧气的条件下，细胞内的有机物被彻底氧化分解，最后生成CO2和H2O，并释放出大量能量的过程。有氧呼吸的反应式是:,27,无氧呼吸是指在缺氧条件下，细胞内的有机物不能
5、被彻底氧化分解，能量释放相对较少的过程。这个过程在微生物中亦称为发酵，如酒精发酵、乳酸发酵。,28,糖酵解 无氧呼吸,糖酵解途径(glycolytic pathway)是指细胞在胞浆中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。,糖酵解分为两个阶段共9个反应，每个分子葡萄糖经第一阶段共4个反应，消耗2个分子ATP为耗能过程，第二阶段5个反应生成4个分子ATP为释能过程。,糖的氧化,30,糖酵解过程详细图解,丙酮酸的去路,酒精发酵,乳酸发酵,三羧酸循环,32,丙酮酸氧化脱羧 有氧呼吸,丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA,是连接糖酵解和三羧酸循环的纽带,丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的
6、多酶复合体，包括丙酮酸脱氢酶E1、二氢硫辛酸乙酰转移酶E2、二氢硫辛酸脱氢酶E3三种不同的酶及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸，FAD,NAD+,CoA 及Mg2+六种辅助因子组装而成。,33,在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成C2O和H2O并产生能量的过程，称为柠檬酸循环，亦称为三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）。由于它是由（德国）正式提出的，所以又称Krebs循环。,柠檬酸循环 有氧呼吸,三羧酸循环在线粒体基质中进行。,三羧酸循环,三羧酸循环,37,38,电子传递链（呼吸链）,呼吸链(res
7、piratory chain)是由一系列的递氢体和递电子体按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时有ATP生成。实际上呼吸链的作用代表着线粒体最基本的功能，呼吸链中的递氢体和递电子体就是能传递氢原子或电子的载体，由于氢原子可以看作是由H+和e组成的，所以递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。,39,递氢体和递电子体按一定的顺序排列,40,氧化磷酸化:由呼吸底物脱下的氢，通过呼吸链电子传递到达氧，所发生的ADP磷酸化形成ATP的作用称氧化磷酸化作用。,底物水平磷酸化：ADP或某些其它的核苷二磷酸的磷酸化是通过来自一个代谢底物
8、磷酸基的转移实现的。这种磷酸化与电子的转递链无关。,磷酸化作用,光合磷酸化:光合作用中，磷酸化和电子传递是偶联的，在光下把无机磷和ADP转化成ATP。,41,底物水平磷酸化,42,其他营养物质的氧化分解,蛋白质的氧化分解,蛋白质也可被用作能量来源，他们首先被分解为氨基酸。氨基酸在氧化之前，先要经过脱氨转变成某种有机酸，才能进人呼吸代谢途径。例如，丙氨酸脱氨生成丙酮酸，谷氨酸脱氨生成a-酮戊二酸，天冬氨酸脱氨生成草酰乙酸，这些有机酸就可进入柠檬酸循环了。其他一些氨基酸，除脱氨以外，可能还要经过几步反应，然后才能转变为柠檬酸循环中的有机酸。,43,脂肪的氧化分解,脂肪,分解,脂肪酸,甘 油,磷酸甘
9、油醛,糖酵解,乙酰辅酶A,TAC,脂肪（甘油三酯）在体内主要功能是氧化分解,为机体提供生命活动所需要的能量。1g脂肪所产生的ATP是1g淀粉的2倍。,44,各种物质代谢的相互关系,合成代谢和分解代谢的两个“往返”过程基本一样，但不完全一致。,各种分子的代谢途径都是连通的。,脂 肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多 糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,生物氧化的三个阶段,NADPH,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰
10、CoA等）,PEP,丙酮酸,生酮氨基酸,-酮戊二酸,核糖-5-磷酸,甘氨酸天冬氨酸谷氨酰氨,氨基酸,6-磷酸葡萄糖,磷酸二羟丙酮,乙酰CoA,甘油,脂肪酸,胆固醇,乙酰乙酰CoA,脂肪,核苷酸,天冬氨酸天冬酰氨,琥珀酰CoA,苹果酸,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,乙醛酸,蛋白质,淀粉、糖原,核酸,生糖氨基酸,谷氨酰氨,组氨酸脯氨酸精氨酸,谷氨酸,延胡索酸,琥珀酸,丙二单酰CoA,1-磷酸葡萄糖,47,4.4光合作用,48,光合作用场所,类囊体膜光合膜,49,光合作用(Photosynthesis)是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过
11、程。,光合作用所释放的O2究竟来自H2O还是CO2？实验：只有供给H218O 时，生成的氧才是18O2,CO2+H2O（光）（CH2O）+O2,吸能反应 合成反应,光合作用引论,Experiment#1,H218O,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,H2O,C18O2,C18O2,C18O2,C18O2,C18O2,C18O2,C18O2,Experiment#2,18Oxygen(Heavy Oxygen)Isotope Experiment,18O2,O2,51,光合作用过程：光反应（light reaction）碳反应（carbon reaction）光合作用的步骤
12、：（1）光能的吸收，传递和转化。（原初反应）（2）电能转变成活跃的化学能。（电子传递和光合磷酸化）（3）活跃的化学能转变为稳定的化学能。（碳同化）,52,光 反 应,电子传递和光合磷酸化,光能的吸收,光能的传递和转化,电能转变成活跃的化学能,叶绿素,光系统,53,叶绿体的色素,叶绿素 chlorophyll类胡萝卜素 carotenoid藻胆素 phycobilin,叶 绿 素 a叶 绿 素 b,胡萝卜素胡萝卜素 叶 黄 素,藻 红 素藻 蓝 素,54,叶绿素：chlorophyll（1）种类：a,b（2）性质：不溶于水，易溶于酒精，丙酮等有机溶剂（3）颜色：a（蓝绿色）b（黄绿色）（4）化学
13、结构：叶绿酸酯 卟啉环头部：具有极性，可结合水或Pr 叶绿醇尾部：是叶绿素亲脂的主要原因（5）功能：a：吸收红光和蓝光，部分分子可以将光能转化为电能 b：吸收蓝光和橙色光，只具有收集和传递光能功能。辅助色素。,55,类胡萝卜素：carotenoid（1）种类：胡萝卜素（carotene 橙色）、叶黄素（xanthophyll Lutein黄色）（2）性质：不溶于水，易溶于有机溶剂（3）功能：辅助色素，防止强光伤害叶绿素,56,藻胆素：phycobilin（1）种类：藻红素phycoerythrobilin（红色）、藻蓝素 phycocyanobilin（蓝色）（2）性质：易溶于水，不溶于有机溶
14、剂，与蛋白质结合形成藻胆蛋白（3）功能：收集光能,57,光合色素的吸收光谱（absorption spectrum）,58,光系统（PS，Photosystem）长波光反应，作用中心色素为P700，可将电子传给NADP使其还原成NADPH。光系统（PS，Photosystem）短波光反应，作用中心色素为P680，使水光解放氧，将水中的电子夺取交给PS。,光 系 统,59,光反应是由两个光系统即PSI和PSII启动的。连接两个光反应之间的电子传递，是由一系列互相衔接的电子传递物质(光合电子传递链)完成的。在光反应的电子传递过程中能产生ATP，称为光合磷酸化。光合磷酸化分为非循环式光合磷酸化和循环
15、式光合磷酸化。,60,1.原初反应（primary reaction）,1色素的分类：作用中心色素 聚光色素 2光合作用单位（photosynthetic unit）光合作用单位=聚光色素系统+反应中心3光能的吸收和传递：光天线色素吸收光量子而激发光量子在叶绿 体色素之间传递大 量光能集中传到作用中心。,61,D 原初电子供体；P 作用中心色素分子；A 原初电子受体,光 合 单 位,原初反应过程,天线色素,e,e,e,H+,62,2.电子传递与光合磷酸化,63,光合电子传递链组成：质体醌(PQ)，细胞色素，质体蓝素(PC)等。作用：在两个光系统间传送电子,64,光系统I所产生的电子(水光解释出
16、的电子)，经过一系列的传递，在细胞色索链上引起ATP的形成，并把电子传递到光系统I上去，进一步提高能位，使H+还原NADP+成NADPH+。在这个过程中，电子传递不回到原来的起点，是一个开放的“道路”，故称为非环式光合磷酸化。,非循环式光合磷酸化 noncyclic photophosphorylation,65,noncyclic photophosphorylation,66,循环式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation),光系统I产生的电子经过Fd(含铁氧化还原蛋白)和Cytb 563等以后，只引起ATP的形成，不伴随其他反应。在这个过程中，电子经过一系列传递
17、后降低了能位，最后经过PC重新回到原来的起点，电子的传递是一个闭合回路，故称为环式光合磷酸化。,67,cyclic photophosphorylation,68,RuBP,CO2,CH2O,e,H+,ADP+Pi,ATP,NADP,NADPH+H+,光2,光1,O2,H2O,光能吸收,电子传递和光合磷酸化,碳同化,69,电子传递链和光合磷酸化(引自Solomon，et.al.，2002),电子传递,70,经过光反应后，由光能转变来的电能暂时贮存在ATP和NADPH中，叶绿素有了ATP和NADPH,就为下一步暗反应中同化CO2、形成糖类创造了必要条件。,71,3.CO2的固定和还原,光合作用的
18、第三步是二氧化碳的固定和把它还原为糖类，这个过程是在叶绿体的间质中进行的，并且不需要光照条件，所以叫做暗反应。,卡尔文循环（C3 途径）C4 途径CAM 途径,72,卡尔文循环（C3途径）,大部分植物都是通过C3途径来固定二氧化碳的。这种植物称作C3植物。,卡尔文循环可分为3个阶段：羧化、还原、RuBP（核酮糖二磷脂）的再生。,74,C4 途径,生活在干旱地区的植物，为了防止水分蒸发，会关闭气孔，CO2就不能进入叶中，没有稳定的CO2供给同化作用，叶细胞中的CO2的浓度进一步下降。但是，叶绿体中水的光解继续进行，由于释放的O2不能扩散出叶，使得细胞内O2的浓度不断增加，容易发生RuBP的氧化，
19、进而严重影响光合作用。为了不受恶劣环境的影响，保证光合作用的效率，生长在这些环境下的植物采用了不同的CO2固定方式。,75,在C4植物中，CO2的固定反应是在叶肉细胞的胞质溶胶中进行的，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下将CO2连接到磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)上，形成四碳酸：草酰乙酸。草酰乙酸被转变成其他的四碳酸(苹果酸和天冬氨酸)后运输到维管束鞘细胞，在维管束鞘细胞中被降解成CO2和丙酮酸，CO2在维管束鞘细胞中进入卡尔文循环。而C3植物叶细胞的光合作用发生在叶肉细胞中。,76,C4途径概要(引自Solomon，et.al.，2002),77,CAM植物也是通过PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）羧化酶
20、固定CO2，固定反应发生在胞质溶胶中，产生大量的四碳酸：苹果酸。夜间形成的苹果酸暂时储存在叶肉细胞的中央液泡中，到了白天，气孔关闭，PEP羧化酶暂时失活，苹果酸从液泡扩散到胞质溶胶中，然后被裂解释放CO2，进入卡尔文循环。到了夜间，气孔又打开，PEP羧化酶被激活，开始新的循环。CAM植物与C4植物相似之处是CO2需要固定两次，不同之处是CAM植物不需要两种类型的细胞协同工作。,景天酸代谢（CAM）途径,78,光,叶绿体,卡尔文循环,CH2O,G6P,F6P,FBP,2PEP,草酰乙酸,苹果酸,丙酮酸,线粒体,CO2,苹果酸,液泡,CO2,晚间,白天,景天酸代谢（CAM）途径,79,CAM植物,仙人球,凤梨,80,光合作用光反应和暗反应的比较,82,影响光合作用的因素,外界条件 光、CO2、温度、水分、矿质元素等内部条件 不同部位、不同生育期,83,通常讲的细胞呼吸是在线粒体中白天黑夜都在进行的有氧呼吸，称暗呼吸。,在进行光合作用的同时，利用O2分解一部分光合作用的中间产物，并且释放出CO2。绿色植物体内这种由光照引起的呼吸作用叫做光呼吸。其主要过程是在细胞过氧化物酶体中的乙醇酸的氧化。乙醇酸来自叶绿体。,光 呼 吸,84,光呼吸的可能功能,1、消除乙醇酸的毒害作用。2、保护叶绿体免受光破坏。3、防止氧气对光合作用中碳同化的抑制作用。,THANK YOU,
