讲生命活动的能量获取与转换讲生命活动的能量获取与转换12第一节第一节 能量与代谢能量与代谢一、一、ATPATP的的结构和功能构和功能二、能量代二、能量代谢三、生物催化三、生物催化剂酶四、生物氧化四、生物氧化五、生物体内复五、生物体内复杂的代的代谢网网络3一、一、ATPATP的结构和功能的结构和功能4 ATP是生物体能量流通的货币是生物体能量流通的货币有机分子有机分子+O2+ADP+PiATP+CO2ATP+H2OADP+Pi+能量能量5ATP是生物系统能量交换的是生物系统能量交换的中心中心荧火虫荧火虫机械能机械能-运动运动化学能化学能-合成合成渗透能渗透能-分泌吸收分泌吸收电能电能-生物电生物电热能热能-体温体温光能光能-生物发光生物发光6仲夏的夜晚萤火虫如何利用仲夏的夜晚萤火虫如何利用ATP来发光？来发光？发光细胞有荧光素酶（发光细胞有荧光素酶（E-LHE-LH），酶），酶促反应使促反应使ATPATP与与E-LHE-LH先偶联，偶联先偶联，偶联的高能中间产物的高能中间产物E E LH2-AMPLH2-AMP在氧气在氧气存在时可释放出能量，并以荧光存在时可释放出能量，并以荧光的形式发射出来：的形式发射出来： ATP + E-LH ATP + E-LH E E LHLH2 2-AMP + P-AMP + Pi i E E LHLH2 2-AMP + O-AMP + O2 2 E-P + CO E-P + CO2 2 + h+ h 7二、能量代谢二、能量代谢绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能，利用绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能，利用太阳能合成有机物（太阳能合成有机物（光合作用光合作用）；除了维持自身的）；除了维持自身的生存还为其他生物提供食物（生存还为其他生物提供食物（食物链食物链）。）。8食食 物物 链链9生命活动的原动力在于生物体生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的内一刻不停的新陈代谢新陈代谢通通过新新陈代代谢不断把太阳能或食物中不断把太阳能或食物中贮存的存的能量能量，转化化为可供生命活可供生命活动利用的利用的能量，不断制造出各种能量，不断制造出各种大、小分子大、小分子以供以供生命活生命活动所需要。所需要。物物质代代谢由底物分子由底物分子变成成产物分子物分子能量代能量代谢消耗能量或消耗能量或释放能量放能量10能量代谢能量代谢从小分子合成大分子需要消耗从小分子合成大分子需要消耗能量能量n n 氨基酸氨基酸 + + 能量能量 蛋白蛋白质2 2 丙丙酮酸酸 + + 能量能量 葡萄糖葡萄糖从大分子分解从大分子分解为小分子会小分子会释放放能量能量葡萄糖葡萄糖 2 2 丙丙酮酸酸 + + 能量能量11能量贮存在能量贮存在ATPATP中然后用在生命活中然后用在生命活动的各个方面动的各个方面12各种生命活动所需能量一览各种生命活动所需能量一览13三、生物催化剂三、生物催化剂酶酶体内的新体内的新陈代代谢过程又都是在生物催化程又都是在生物催化剂酶的催化下的催化下进行的。行的。催化催化剂可以加快化学反可以加快化学反应的速度，的速度，酶是生是生物催化物催化剂，它的突出，它的突出优点是：点是：催化效率高催化效率高专一性一性质可以可以调节14用简单的实验证明酶的催化效率用简单的实验证明酶的催化效率2H2O22H2O+O2空白空白 铁屑铁屑 肝糜肝糜 肝糜（煮）肝糜（煮） 15酶的专一性（特异性）酶的专一性（特异性）特殊的三维空间结构和构象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酶的活性位点或酶的活性中心钥匙和锁，诱导契合钥匙和锁，诱导契合酶的活性位点酶的活性位点“柔性学说柔性学说”16酶的化学本质是蛋白质酶的化学本质是蛋白质有的酶仅仅由蛋白质组有的酶仅仅由蛋白质组成，如：成，如：核糖核酸酶。核糖核酸酶。有的酶除了主要由蛋白有的酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些质组成外，还有一些金金属离子或小分子属离子或小分子参与，参与，它们是酶活性所必须的，它们是酶活性所必须的，称为称为辅酶辅酶/ /辅基辅基或或辅助辅助因子。因子。17羧基羧基肽酶肽酶以以ZnZn2+2+为为辅助辅助因子因子18肌红蛋白和血红蛋白以铁卟啉肌红蛋白和血红蛋白以铁卟啉环为辅助因子环为辅助因子肌肌红红蛋蛋白白血血红红蛋蛋白白铁卟啉辅基铁卟啉辅基19酶催化作用的机理酶催化作用的机理降低活化能降低活化能催化剂催化剂只能只能加速加速原来原来可以进行的可以进行的反应。反应。即使对可以进行的反即使对可以进行的反应来说，反应物分子应来说，反应物分子应越过一个应越过一个活化能活化能才才能发生反应。能发生反应。酶作为催化剂的作用酶作为催化剂的作用是是降低活化能。降低活化能。20底物与酶的结合降低了活化能底物与酶的结合降低了活化能21酶使底物分子酶使底物分子活化活化的的方式方式使底物分子产生应力使底物分子产生应力使底物分子电荷变化使底物分子电荷变化使底物靠拢使底物靠拢22酶的活性可以调控酶的活性可以调控温温度度的的影影响响pH的的影影响响23在代谢途径中调节酶活性在代谢途径中调节酶活性若干酶前后配合完成一若干酶前后配合完成一系列代谢反应，就形成系列代谢反应，就形成一条一条代谢途径。代谢途径。反馈抑制：一条代谢途反馈抑制：一条代谢途径的终产物，有时可与径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。反应速度慢起来。24通过共价调节酶活性通过共价调节酶活性酶蛋白分子可以和一酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合，个基团形成共价结合，使酶蛋白分子结构发使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变，使酶活性发生改变，称为生改变，称为酶的共酶的共价调节。价调节。例如：例如：糖原糖原磷酸化酶具有磷酸化磷酸化酶具有磷酸化位点位点。25结构类似物与底物产生竞争性抑制结构类似物与底物产生竞争性抑制酶的酶的竞争性抑制竞争性抑制：有：有的酶在遇到一些化学的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分结构与底物相似的分子时，这些分子与底子时，这些分子与底物物竞争结合竞争结合酶的酶的活性活性中心中心，亦会表现出酶，亦会表现出酶活性的降低（抑制）活性的降低（抑制）26对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸（细菌生长因子）（细菌生长因子）对氨基苯磺酸对氨基苯磺酸（磺胺药）（磺胺药）磺胺类药物竞争性抑制细菌体内磺胺类药物竞争性抑制细菌体内的酶的酶27四、生物氧化四、生物氧化火柴燃烧是纤维素氧化火柴燃烧是纤维素氧化(C(C6 6H H1212O O6 6) )n n + O+ O2 2 n CO n CO2 2 + nH+ nH2 2O + O + 能量能量燃烧过程剧烈燃烧过程剧烈在空气中进行在空气中进行不需要酶参与不需要酶参与一步反应一步反应淀粉的生物氧化淀粉的生物氧化(C(C6 6H H1212O O6 6) )n n + O+ O2 2 n COn CO2 2 + nH+ nH2 2O + O + 能量能量过程缓慢过程缓慢在水环境中进行在水环境中进行需要酶参与需要酶参与分步进行分步进行28生物氧化的特点生物氧化的特点（1 1）在活体）在活体细胞中胞中进行，需行，需酶参加参加（2 2）条件温和）条件温和（3 3）复）复杂的氧化的氧化还原原过程程（4 4）能量逐步）能量逐步储存和存和转运运29五、生物体内复杂的代谢网络五、生物体内复杂的代谢网络生物体内许多的生物体内许多的分分解代谢解代谢和和合成代谢合成代谢途径，形成错综复途径，形成错综复杂的杂的代谢网络代谢网络。这。这些代谢途径分布于些代谢途径分布于生活细胞的不同部生活细胞的不同部位。位。 30第二节第二节 光合作用光合作用一、光合作用的概念一、光合作用的概念二、二、叶叶绿体是光合作用体是光合作用进行的行的场所所三、光合作用的机理三、光合作用的机理31一、光合作用的概念一、光合作用的概念绿色植物和光合细绿色植物和光合细菌利用太阳能使二菌利用太阳能使二氧化碳固定为有机氧化碳固定为有机物的过程称为物的过程称为光合光合作用作用。在现在的地球上，在现在的地球上，光合作用是一切生光合作用是一切生物得以生存的基础。物得以生存的基础。32光合作用的早期研究光合作用的早期研究16421642年，比利时年，比利时HelmontHelmont17701770年英国牧师年英国牧师 PriestleyPriestley33氧气的来源氧气的来源1930年年Stanford大学，大学，Niel细菌光合作用：细菌光合作用：CO2+H2SCH2O+SCO2+H2OCH2O+O210年后，同位素示踪实验：年后，同位素示踪实验：CO2+H218OCH2O+18O234二、叶绿体是光合作用进行的二、叶绿体是光合作用进行的场所场所基粒基粒类囊体类囊体内膜内膜外膜外膜35吸收光能靠叶绿素吸收光能靠叶绿素36三、光合作用的机理三、光合作用的机理光反应：在叶绿素参与光反应：在叶绿素参与下，利用光能劈开水分下，利用光能劈开水分子，放出子，放出O O2 2，同时形成，同时形成两种高能化合物两种高能化合物 ATPATP和和 NADPHNADPH。暗反应：把暗反应：把 ATP ATP 和和 NADPH NADPH 中的能量，用于中的能量，用于固定固定 COCO2 2，生成，生成糖类化糖类化合物合物。37光系统与光反应光系统与光反应由叶由叶绿素分子及其蛋白复合物、天素分子及其蛋白复合物、天线色素系色素系统和和电子受体等子受体等组成的成的单位称位称为光系光系统。光反。光反应由两个光由两个光系系统及及电子子传递链来完成。来完成。光系光系统I（PSI）含有被称）含有被称为“P700”的高度特化的的高度特化的叶叶绿素素a分子分子光系光系统II（PSII）含有另一种被称）含有另一种被称为“P680”高度高度特化的叶特化的叶绿素素a分子分子电子子传递时，能量逐，能量逐渐下降，形成跨膜的下降，形成跨膜的质子梯度，子梯度，导致致ATP的形成。的形成。38非环路的光合磷酸化途径和电非环路的光合磷酸化途径和电子传递链子传递链39环路的光合磷酸化途径和电子环路的光合磷酸化途径和电子传递链传递链40光反应的要点光反应的要点叶叶绿素吸收光能，一些用于水的裂解，其它素吸收光能，一些用于水的裂解，其它转化化为电能，即造成从叶能，即造成从叶绿素分子起始的素分子起始的电子流子流动。在在电子流子流动过程中，通程中，通过氢离子的化学渗透，形离子的化学渗透，形成了成了ATP，电能被能被转化化为化学能。化学能。电子沿子沿传递链最最终达到达到电子受体子受体NADP+，同，同时一一个来源于水的个来源于水的氢质子被子被结合，合，电能又再一次能又再一次转化化为化学能，并化学能，并储存于存于NADPH中。中。光合作用的暗反光合作用的暗反应依依赖于光反于光反应中形成的中形成的ATP和和NADPH。413-磷酸甘油酸磷酸甘油酸中间物中间物葡萄糖等葡萄糖等CO2二磷酸核二磷酸核酮糖酮糖3-磷酸甘磷酸甘油醛油醛暗反应暗反应卡尔文循环卡尔文循环42幻想？幻想？有朝一日，科学家将光合作用机理搞清楚，有朝一日，科学家将光合作用机理搞清楚，并将植物光合作用的全套基因并将植物光合作用的全套基因转移到人的移到人的头发中，在中，在头发中模中模拟光合作用的光合作用的过程，程，那么，只要在人的那么，只要在人的头上撒点水、再晒晒太上撒点水、再晒晒太阳，在阳，在头发中便完成了二氧化碳加水合成中便完成了二氧化碳加水合成葡萄糖的葡萄糖的过程，葡萄糖从程，葡萄糖从头发中中输送到人送到人体的各部分，吃体的各部分，吃饭的的历史使命便可宣告史使命便可宣告结束了。束了。43第三节第三节 细胞呼吸细胞呼吸一、一、细胞呼吸胞呼吸产生能量生能量二、糖酵解途径二、糖酵解途径三、三三、三羧酸循酸循环四、四、电子子传递链44一、细胞呼吸产生能量一、细胞呼吸产生能量细胞呼吸是生物体胞呼吸是生物体获得能量的主要代得能量的主要代谢途径途径细胞呼吸是一种氧化反胞呼吸是一种氧化反应有机化合物有机化合物+O2CO2+能量能量“燃料燃料”包括糖包括糖类、脂肪、蛋白、脂肪、蛋白质等等C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量（能量（ATP+热量）量）细胞呼吸主要在胞呼吸主要在线粒体中粒体中进行，温和条件和行，温和条件和酶的参与的参与调控控45发酵是典型的细胞呼吸过程发酵是典型的细胞呼吸过程在有氧环境中，酵母细胞消耗氧气在有氧环境中，酵母细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产来分解葡萄糖并获得能量，同时产生生CO2在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分解成乙醇和解成乙醇和CO2在有氧环境中，食物分子被充分氧在有氧环境中，食物分子被充分氧化，可产生比无氧环境更多的能量化，可产生比无氧环境更多的能量46人体细胞的呼吸过程人体细胞的呼吸过程慢跑，细胞消耗氧慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并气来分解葡萄糖并获得能量，同时产获得能量，同时产生生CO2和水和水快跑，细胞将葡萄快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和糖分解成乳酸和CO247呼吸运动与细胞呼吸呼吸运动与细胞呼吸细胞呼吸定义为生物细胞消耗氧气来分解食物分子细胞呼吸定义为生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得能量的过程。并获得能量的过程。通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是相互关联的通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是相互关联的48ATP的产生和使用的产生和使用储藏在葡萄糖等食物分子中的储藏在葡萄糖等食物分子中的化学能经细胞呼吸释放，以高化学能经细胞呼吸释放，以高能磷酸键的形式贮藏在能磷酸键的形式贮藏在ATPATP分分子中。子中。葡萄糖中大约葡萄糖中大约40%40%的能量被转的能量被转化储存在化储存在ATPATP中，而汽车发动中，而汽车发动机只有机只有15-25%15-25%转化为动能，细转化为动能，细胞呼吸的产能效率高。胞呼吸的产能效率高。49细胞呼吸的化学过程细胞呼吸的化学过程细胞呼吸是由一系列细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个化学反应组成的一个连续完整的代谢过程连续完整的代谢过程每一步化学反应都需每一步化学反应都需要特定的酶参与才能要特定的酶参与才能完成完成细胞呼吸的细胞呼吸的3个阶段个阶段50二、二、糖糖酵酵解解途途径径1 1，6-6-二磷酸果糖二磷酸果糖磷酸甘油醛磷酸甘油醛1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸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51糖酵解的结果糖酵解的结果参与化合物：参与化合物：葡萄糖，葡萄糖，ADPADP和磷酸，和磷酸，NADNAD+ +。起始。起始阶段段还需要消耗需要消耗2 2分子分子ATP ATP 来启来启动，但后期共，但后期共产出出4 4分子分子ATPATP，还形成形成高能化合物高能化合物NADHNADH。最。最终产物是丙物是丙酮酸。酸。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 2个三碳的个三碳的丙丙酮酸，酸，净产生生2 2个个ATPATP，生成，生成1 1分子分子NADHNADH，糖酵解不需要氧参与。，糖酵解不需要氧参与。52丙酮丙酮酸可酸可以进以进行无行无氧发氧发酵酵53丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoACoA草酰草酰琥珀酸琥珀酸-酮酮戊二酸戊二酸琥珀琥珀酸酸延胡延胡索酸索酸苹果苹果酸酸草酰草酰乙酸乙酸柠檬柠檬酸酸琥珀酰琥珀酰CoA异柠异柠檬酸檬酸定定义义：在在有有氧氧条条件件下下，酵酵解解产产物物丙丙酮酮酸酸被被氧氧化化分分解解成成C C O O2 2和和H H2 2O O , , 并并 以以 A AT TP P形形式式贮贮备备 大大 量量 能能 量量 的的 代代 谢谢 系系 统统3ATP3ATPCOCO2 21ATP1ATP2ATP2ATP3ATP3ATP加入加入2C2C3ATP3ATPCOCO2 2三、三羧酸循环三、三羧酸循环54三羧酸循环的结果和意义三羧酸循环的结果和意义结果：结果：分解丙酮酸形成分解丙酮酸形成2分分子子CO2、8分子分子NADH和和2分子分子FADH2，及，及2分子分子ATP。意义：意义：1 1、提供能量、提供能量2 2、为其他物质的合、为其他物质的合成提供成提供C C骨架骨架3 3、沟通脂肪、蛋白、沟通脂肪、蛋白质等有机物代谢质等有机物代谢55四、四、电子传递链电子传递链电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子电子从从NADH和和FADH2最终传递给最终传递给O O2 2，同时随着电子，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过磷酸化途径贮存到ATP分子中，也分子中，也称为称为氧化磷酸化氧化磷酸化。56组成电子传递链的载体组成电子传递链的载体57化学渗透学说化学渗透学说1961年，英国年，英国Mitchell提出提出进行电子传递时，电子能量逐进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的步降低，脱下的H+便穿过膜便穿过膜从线粒体基质进入到内膜外腔从线粒体基质进入到内膜外腔，造成跨膜质子梯度，从而导，造成跨膜质子梯度，从而导致化学渗透发生。致化学渗透发生。H+顺梯度顺梯度从外腔经内膜通道（从外腔经内膜通道（ATP合成合成酶）返回线粒体的基质中，所酶）返回线粒体的基质中，所释放的能使释放的能使ADP与磷酸结合与磷酸结合生成生成ATP。58糖代谢小结糖代谢小结1个葡萄糖通过有氧呼吸个葡萄糖通过有氧呼吸共形成共形成36或或38个个ATP。ATP的量取决于糖酵解的量取决于糖酵解阶段产生于细胞质中的阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜进穿过线粒体膜进入呼吸链时是否消耗能入呼吸链时是否消耗能量，按甘油磷酸环路穿量，按甘油磷酸环路穿过线粒体膜需要消耗过线粒体膜需要消耗2分分子子ATP，按苹果酸，按苹果酸-天冬天冬氨酸环路则不需要消耗氨酸环路则不需要消耗ATP。59其他糖代谢途径其他糖代谢途径1、磷酸戊糖途径、磷酸戊糖途径(HMS)：产生生NADPH和核糖和核糖2、糖异生作用：非糖物、糖异生作用：非糖物质形成葡萄糖形成葡萄糖3、糖原的合成与分解：主要在肝、糖原的合成与分解：主要在肝脏和肌和肌肉肉细胞中胞中4、植物体内生醇、植物体内生醇发酵和乙酵和乙醛酸循酸循环60糖原病：糖原分解合糖原病：糖原分解合成酶的欠缺引起成酶的欠缺引起低血糖症：胰岛素分低血糖症：胰岛素分泌或应用过量泌或应用过量高血糖症及糖尿病：高血糖症及糖尿病：血糖的来源和去路间血糖的来源和去路间失去动态平衡失去动态平衡欠缺欠缺G-6-P G-6-P 酶时表现为酶时表现为肝大，瘦，重低血糖等肝大，瘦，重低血糖等当血糖浓度低于当血糖浓度低于4545mgmg% %时，会出现惊厥和昏迷时，会出现惊厥和昏迷称称“低血糖休克低血糖休克”血糖高于血糖高于120mg%120mg%时称为时称为高血糖。血糖含量超过高血糖。血糖含量超过肾糖阈值肾糖阈值160160180mg%180mg%时，时，会出现糖尿会出现糖尿糖代谢紊乱引发的病症糖代谢紊乱引发的病症61蛋白质和脂肪的氧化蛋白质和脂肪的氧化氨基酸与脂肪酸的氧化是氨基酸与脂肪酸的氧化是先转变为某种中间产物，先转变为某种中间产物，然后进入糖酵解或三羧酸然后进入糖酵解或三羧酸循环。循环。氨基酸脱氨变成三羧酸循氨基酸脱氨变成三羧酸循环中的有机酸环中的有机酸脂肪酸可与辅酶脂肪酸可与辅酶A结合后结合后氧化生成乙酰辅酶氧化生成乙酰辅酶A甘油则可转变为磷酸甘油甘油则可转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程醛进入糖酵解过程62本讲摘要本讲摘要ATP是生物系是生物系统能量交能量交换的中心的中心体内的新体内的新陈代代谢过程都是在程都是在酶的催化下的催化下进行的，其行的，其突出突出优点是效率高、底物点是效率高、底物专一和可一和可调节。光合作用包括光光合作用包括光反反应和暗反和暗反应2 2个个过程：前者是在叶程：前者是在叶绿素参与下，利用光能劈开水分子，放出素参与下，利用光能劈开水分子，放出O O2 2，同，同时形形成两种高能化合物成两种高能化合物ATPATP和和NADPHNADPH。后者。后者则是把是把ATPATP和和NADPHNADPH中的能量，用于固定中的能量，用于固定COCO2 2，生成糖，生成糖类化合物。化合物。细胞呼吸主要包括糖酵解、三胞呼吸主要包括糖酵解、三羧酸循酸循环和和电子子传递三个三个过程。程。氨基酸与脂肪酸的氧化是先氨基酸与脂肪酸的氧化是先转变为某种某种中中间产物，然后物，然后进入糖酵解或三入糖酵解或三羧酸循酸循环。63思考题思考题纤维素燃素燃烧与淀粉生物氧化与淀粉生物氧化过程的主要程的主要区区别是什么？是什么？酶的活性是如何的活性是如何调控的？控的？简述光合作用的机理述光合作用的机理什么是氧化磷酸化？什么是氧化磷酸化？细胞如何通胞如何通过糖代糖代谢产生生ATP？