[初中教育]生命科學四章

1、第四章,生命活動的基本過程 -能量與代謝,4.1 能量與代謝4.2 細胞的呼吸作用4.3 細胞的光合作用,4.1 能量與代謝,生物體的能量熱力學定律細胞的能量通貨——ATP酶促反應影響酶活性的因素生物代謝,生物體的能量,生命活動需要能量,生命的存在要靠能量,生物本身不能創(chuàng)造新的能量。幾乎所有地球生命所需要的能量都來自太陽。自養(yǎng)生物與異養(yǎng)生物。生態(tài)系統(tǒng)中能量的流動是由多樣化的生命過程完成的。,代謝是化學物質

2、和能量的轉化過程,熱力學定律,熱力學第一定律,熱力學第一定律即能量守恒定律。宇宙的能量是一個常數，能量可以不斷被轉化和轉移，但不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅。,熱力學第二定律,熱力學將不能做功的隨機和無序狀態(tài)的能定義為熵，以S表示。宇宙或系統(tǒng)的各種過程總是向著熵增大的方向進行。,熱力學第二定律,熱力學將系統(tǒng)中總的熱量稱為焓，以H表示。在恒定溫度和壓力條件下總能量中可以做功的那一部分能量為自由能，以G表示。當熵增加時，系統(tǒng)的自由能

3、便會下降，因此有：DG = DH-TDS (T為絕對溫度)生命依靠能量的不斷輸入一直在與熱力學第二定律作抗爭。,放能反應和吸能反應,物理和化學過程達到平衡時， 即達到系統(tǒng)的自由能最小而熵最大。,在一個反應中，如果產物比反應物含有更少的自由能，這個反應便趨向于自發(fā)地進行。自發(fā)反應可釋放自由能，稱為放能反應。需從外界輸入自由能才能進行的反應稱為吸能反應。,細胞的能量通貨——ATP,在活細胞中，能量貯存在腺嘌呤核苷三磷酸(ATP

4、)中。,ATP,ATP水解時，一個高能磷酸鍵斷裂同時釋放出能量。 ATP+H2O ——> ADP+Pi ?G = -30.5 KJ/mol,ATP作為細胞能量的通貨是如何工作的？,放能反應和ATP的合成相偶聯(lián)，吸能反應和ATP的分解相偶聯(lián)。,發(fā)光細胞有熒光素酶（E-LH），酶促反應使ATP與E-LH先偶聯(lián)，偶聯(lián)的高能中間產物E~LH2-AMP在氧氣存在時可釋放出能量，并以熒光的形式發(fā)射出來：ATP+E

5、-LH ? E~LH2-AMP + PiE~LH2-AMP+O2 ? E-P+CO2+h?,仲夏的夜晚螢火蟲如何利用ATP來發(fā)光？,酶促反應,酶是具有催化作用的蛋白質,熱力學原理只能幫助我們預測一個反應能否發(fā)生，卻不能告訴我們反應的速度有多快。酶是細胞產生的可調節(jié)化學反應速度的催化劑。絕大多數的酶都是蛋白質。酶在常溫、常壓、中性pH的溫和條件下具有很高的催化效率。,酶的催化作用機理,化學鍵 能障 活化能,酶可以降低活化

6、一個反應所需要的能量,酶 + 底物 ? 酶-底物復合物 ? 酶 + 產物 E + S ? E-S ? E + P,酶與底物結合降低反應的活化能,特殊的三維空間結構和構象 酶的活性位點或酶的活性中心鑰匙和鎖 誘導契合酶的活性位點“柔性學說”,酶的特異性（專一性）,影響酶活性的因素,溫度的影響,PH的影響,輔助因子的作用,無機金屬離子——輔助因子 有機化合物——輔酶——遞H+或遞電子,NA

7、DP+和FAD的遞H+和遞電子作用,酶的抑制劑,可逆與不可逆抑制劑 競爭性與非競爭性抑制劑,反饋抑制,酶促反應在細胞中往往不是獨立發(fā)生的。在代謝過程中局部反應對催化該反應的酶所起的抑制作用，稱為反饋抑制。細胞自行調節(jié)其代謝的一種機制。維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要機制。,生物代謝,活細胞是一個微小的化學工業(yè)園,在極其微小的空間內發(fā)生著數千種生物化學反應。代謝是生物體內所有化學反應過程的總稱。代謝—酶控制下的化學反應和能量轉化。細胞不

8、是一個裝滿了各種酶和底物的口袋。細胞復雜的結構特別是膜的結構固定了各代謝反應的空間和時間，使它們高度有序并可以被控制和調節(jié)。,細胞利用能量（ATP）完成各種工作。,代謝途徑就像復雜道路交通圖。,1853年，法國科學家Tour——正在發(fā)酵的啤酒含有酵母菌。同年，德國科學家Schwann——酵母菌在酒發(fā)酵中的關鍵作用。,巴斯德（Pasteur）與生物發(fā)酵,科學界的排斥——現(xiàn)代化學之父Lavoiser堅持發(fā)酵只是一種簡單的化學反應，即：

9、 C6H12O6 ? 2C2H5OH + 2CO2Liebig的嘲笑 不公正地解雇。1854年 “巴斯德消毒法”。酵母菌的大量繁殖實驗——酵母菌的代謝活動是發(fā)酵的最重要因素。細胞體外的發(fā)酵也必須要有酶的參與。,4.2 細胞的呼吸作用,細胞呼吸產生能量細胞呼吸的化學過程ATP形成機理和能量形成的統(tǒng)計其它營養(yǎng)物質的轉化,細胞呼吸產生能量,生命活動需要能量,細胞呼吸是生物體獲得能量的主要代謝途徑。細胞呼吸是一種氧化

10、反應。 有機化合物+O2→CO2+能量“燃料”包括糖類、脂肪、蛋白質等。C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量（ATP+熱量）細胞呼吸主要在線粒體中進行，溫和條件和酶的參與調控。,酵母菌發(fā)酵與細胞有氧呼吸,在有氧環(huán)境中，酵母細胞消耗氧氣來分解葡萄糖并獲得能量，同時產生二氧化碳。在缺氧環(huán)境中，酵母菌將葡萄糖分解成酒精（乙醇）和二氧化碳。在有氧環(huán)境中，食物分子被充分氧化，可產生比無氧環(huán)境更多的能量。,

11、發(fā)酵是典型的細胞呼吸過程,慢跑，細胞消耗氧氣來分解葡萄糖并獲得能量，同時產生二氧化碳和水?？炫?，細胞將葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。,人體細胞的呼吸過程,細胞呼吸定義為生物細胞消耗氧氣來分解食物分子并獲得能量的過程。通常意義的呼吸運動與細胞呼吸是相互關聯(lián)的。,呼吸運動與細胞呼吸,氧化還原反應,獲得電子——還原反應；失去電子——氧化反應。氧化還原反應——細胞中氫及其電子從一個化合物向另一個化合物轉移。氧化還原反應是呼吸作用和光合作用

12、等代謝中最基本的反應。,被轉移的氫原子所攜帶的能量儲藏在新化學鍵中。,XH2 (還原型底物)＋NAD+→X(氧化型底物)＋NADH＋H+XH2 (還原型底物)＋NADP+→X(氧化型底物)＋NADPH＋H+XH2 (還原型底物)＋FAD+→X(氧化型底物)＋FADH2,還原態(tài)的NADH、NADPH和FADH2等還可將所接受的電子和氫傳遞給其他傳遞體如細胞色素、輔酶Q等。,ATP的產生和應用,儲藏在葡萄糖等食物分子中的化學能經細胞呼吸

13、釋放，以高能磷酸鍵的形式貯藏在ATP分子中。葡萄糖中大約40-50%的能量被轉化儲存在ATP中，而汽車發(fā)動機只有15-25%轉化為動能，細胞呼吸的產能效率高。,在生物體中，ATP不斷地消耗和再生，維持著生命的高度有序狀態(tài)。動物細胞呼吸的“燃料”。,ATP和ADP分子的相互轉換,一個人每天大約需要消耗45 Kg ATP，但每一時刻貯存在人體里的ATP不到1g。即每個細胞每秒鐘大約可形成一千萬個ATP，同時有同樣量的ATP被水解。

14、每摩爾ATP 水解形成ADP，可產生7.3 Kcal/mol 的能量。一個成年人每天攝入的食物分子經過細胞呼吸形成的ATP，可提供大約2200 Kcal的能量。,細胞呼吸的化學過程,細胞呼吸是由一系列化學反應組成的一個連續(xù)完整的代謝過程。每一步化學反應都需要特定的酶參與才能完成。細胞呼吸的3個階段。,糖酵解,發(fā)生在細胞質中的9步反應。參與化合物：①葡萄糖，②ADP和磷酸，③NAD+。起始階段還需要消耗2分子ATP 來啟動，但后期共

15、產出4分子ATP，還形成高能化合物NADH。最終產物是丙酮酸。糖酵解將六碳的葡萄糖分解成2個三碳的丙酮酸，凈產生2個ATP，生成1分子NADH，糖酵解不需要氧參與。,Krebs循環(huán),發(fā)生在線粒體中。分解丙酮酸形成2分子CO2、8個H，3分子NADH和1分子FADH2，及1分子ATP。Krebs循環(huán)也是放能反應過程。,電子傳遞鏈就是通過一系列的氧化還原反應，將高能電子從NADH 和FADH2最終傳遞給分子氧，同時隨著電子能量水平的逐

16、步下降，高能電子所釋放的化學能就通過磷酸化途徑貯存到ATP分子中。,電子傳遞鏈和氧化磷酸化,電子傳遞鏈又稱呼吸鏈，主要成分是線粒體內膜上的蛋白復合物，這些復合物包含了一系列的電子傳遞體。,ATP形成機理和能量形成的統(tǒng)計,在磷酸化過程中，相關的酶將底物分子上的磷酸基團直接轉移到ADP分子上。,底物水平的磷酸化,化學滲透學說,1961年，英國科學家Mitchell提出化學滲透學說由此榮獲1978年的諾貝爾獎。,當線粒體內膜上的呼吸鏈進行電子

17、傳遞時，電子能量逐步降低，脫下的H+質子便穿過膜從線粒體的基質進入到內膜外的腔中，造成跨膜的質子梯度（濃度差），導致化學滲透發(fā)生，即質子順梯度從外腔經內膜通道（ATP合成酶）而返回到線粒體的基質中，所釋放的能使ADP與磷酸結合生成ATP。,1分子葡萄糖徹底氧化分解所形成的能量統(tǒng)計,糖酵解：底物水平的磷酸化產生4個ATP，己糖活化消耗2個ATP，脫氫反應產生2個NADH，經電子傳遞鏈生成4或6個ATP。Krebs循環(huán)：底物水平的磷酸化產

18、生2個ATP，脫氫反應產生8個NADH和2個FADH2，8個NADH經電子傳遞鏈生成24個ATP，2個FADH2經電子傳遞鏈生成4個ATP。,在呼吸鏈電子傳遞過程中，每分子NADH產生3分子ATP，每分子FADH2產生2分子ATP，1分子葡萄糖通過有氧呼吸共形成36或38個ATP。整個有氧呼吸過程凈產生36還是38個ATP取決于糖酵解階段產生于細胞質中的NADH穿過線粒體膜進入呼吸鏈時是否消耗能量，按甘油磷酸環(huán)路穿過線粒體膜需要消耗2分

19、子ATP，按蘋果酸-天冬氨酸環(huán)路則不需要消耗ATP。,其他營養(yǎng)物質的氧化,消化作用,生物大分子需要經過消化作用生成單體小分子的葡萄糖、氨基酸或脂肪酸等。消化作用常常發(fā)生在細胞外，而不是在細胞質內，它是一種在酶作用下的水解過程。,蛋白質和脂肪的氧化,氨基酸與脂肪酸的氧化是先轉變?yōu)槟撤N中間產物，然后進入糖酵解或三羧酸循環(huán)。氨基酸脫氨變成三羧酸循環(huán)中的有機酸。脂肪酸可以與輔酶A結合后氧化生成乙酰輔酶A而進入三羧酸循環(huán)。甘油則可以轉變?yōu)?/p>

20、磷酸甘油醛進入糖酵解過程。,營養(yǎng)物質的分解可提供生物分子合成的原料,食物分子的氧化分解即細胞呼吸過程捕獲能量；食物分子的分解又為生物大分子的合成和細胞、組織和生物體的組成提供原料。,4.3 細胞的光合作用,光合作用的早期研究化學過程光合自養(yǎng)生物是生物圈的生產者光的性質與葉綠素光系統(tǒng)與光反應暗反應與葡萄糖的形成,光合作用的早期研究,1642年 比利時科學家 Helmont,1770年英國牧師 Pr

21、iestley 大玻璃罩 老鼠 蠟燭,顯微鏡 氣孔,氧氣的來源1930年，Stanford大學 Niel細菌光合作用： CO2 + H2S CH2O + S CO2 + H2O CH2O + O2,植物的光合作用表達式,10年后 同位素示蹤 CO2 + H218O CH2O + 18O2 證明：在光合作用中，不是CO

22、2而是H2O被光解放出了O2。,光合自養(yǎng)生物是生物圈的生產者,光合自養(yǎng)生物 植物利用太陽能制造食物分子供自我代謝需要，原料CO2和H2O，為其它的生命直接或間接地提供了食物，是生物圈的生產者； 光合自養(yǎng)生物主要種類陸生植物 藻類 光合細菌,食肉動物 食草動物,葉綠體和光合膜 葉片 葉綠體 分布于葉肉組織 氣孔控制著CO2 和O2進出 葉綠體的形狀類似于一個凸透鏡，直徑

23、范圍為2-7 ?m。葉綠體外包被是雙層生物膜，膜內含有稱為基質的致密液體，懸浮分布于基質中的是一些膜系統(tǒng)，它們是一系列排列整齊的扁平囊狀結構稱之為類囊體。部分類囊體相互垛疊在一起像一摞硬幣，稱為基粒。,光合膜 是植物利用光能制造食物分子最重要的場所。,光的性質與葉綠素,光是一種電磁波 粒子性質 光子的能量與其波長成反比，紫光波長最短，能量最大；紅光波長較長，能量小。日光經過棱鏡折射，形成連續(xù)不同波長的光，即可見光譜。,光的

24、性質,光子照射到某些生物分子 電子躍遷到更高的能量水平 激發(fā)態(tài)：,葉綠素分子是一種可以被可見光激發(fā)的色素分子，在光子驅動下發(fā)生的得失電子反應是光合作用過程中最基本的反應。,葉綠素 葉綠素分子由碳和氮原子組成 卟啉環(huán)與葉醇側鏈相連結 葉醇側鏈插入到類囊體膜中。 光合作用的色素主要包括葉綠素a，葉綠素b，胡蘿卜素，藻膽素等。 葉綠素a啟動光反應。,問題:為什么植物都是綠色的？,不同波長光作用下的光合效率稱為作

25、用光譜 1883年，德國 Engelmann 水綿 絲狀綠藻 螺旋帶狀葉綠體 好氧游動的細菌 棱鏡 不同波長的光 向著紅光和藍光區(qū)域聚集。,分光光度計,光系統(tǒng)與光反應,光反應發(fā)生在類囊體膜上暗反應發(fā)生在葉綠體的基質中,光系統(tǒng) 由葉綠素分子及其蛋白復合物、天線色素系統(tǒng)和電子受體等組成的單位稱為光系統(tǒng)。光反應由兩個光系統(tǒng)及電子傳遞鏈來完成。光系統(tǒng)I（PSI）含有被稱為“P700”的高度特化的葉綠素

26、a分子光系統(tǒng)II（PSII）含有另一種被稱為“P680”高度特化的葉綠素a分子葉綠素b 胡蘿卜素 天線色素復合物吸收或捕獲太陽能傳遞給P700和P680 反應中心葉綠素分子被激發(fā) 放出高能電子,光系統(tǒng)I中 P700被光能激發(fā) 原初電子受體 傳給鐵氧還蛋白 最終電子受體NADP+ 一個氫質子被結合形成還原型的NADPH 形成電子空穴 光系統(tǒng)II的反應中心P680分子受光激發(fā) 電子傳遞鏈 原

27、初電子受體\質體醌、細胞色素b6-f復合物和質體藍素到P700 填充了P700的電子空穴 電子傳遞時能量逐漸下降 形成跨膜的質子梯度 導致ATP的形成 在光系統(tǒng)II中被激發(fā)后失去電子的P680分子如何再生？水裂解 填補空穴 氧氣釋放 提供氫質子用以形成NADPH.,光能傳遞和電子傳遞鏈,非環(huán)路的光合磷酸化途徑和電子傳遞鏈,環(huán)路光合磷酸化 環(huán)路 高能電子 原初電子受體、鐵氧還蛋白、細胞色素、

28、質體藍素 氧化型的P700分子 基態(tài) 電子的能量逐漸降低 ATP,光反應小結： 1.葉綠素吸收光能并將光能轉化為電能，即造成從葉綠素分子起始的電子流動。 2.在電子流動過程中，通過氫離子的化學滲透，形成了ATP，電能被轉化為化學能。 3.一些由葉綠素捕獲的光能還被用于水的裂解，又稱為水的光解，氧氣從水中被釋放出來。 4.電子沿傳遞鏈最終達到最終電子受體NADP+，同時一個來源于水的氫質子被結合，形

29、成了還原型的NADPH，電能又再一次被轉化為化學能，并儲存于NADPH中。光合作用的暗反應依賴于光反應中形成的ATP和NADPH。,暗反應（卡爾文循環(huán)）與葡萄糖的形成,12NADPH+12H++18ATP+6CO2 C6H12O6+12NADP++18ADP+18Pi,葉綠體基質中不斷消耗ATP和NADPH，固定CO2形成葡萄糖的循環(huán)反應，Calvin循環(huán)。,二磷酸甘油醛作為中間產物的代謝,人們幻想和設想：有朝一日，科

30、學家將光合作用機理搞清楚，并將植物光合作用的全套基因轉移到人的頭發(fā)中，在頭發(fā)中模擬光合作用的過程，那么，只要在人的頭上撒點水、再曬曬太陽，在頭發(fā)中便完成了二氧化碳加水合成葡萄糖的過程，葡萄糖從頭發(fā)中輸送到人體的各部分，吃飯的歷史使命便可宣告結束了。,生命活動需要能量，代謝是發(fā)生在生物體內的化學物質和能量的轉化過程。生命活動符合熱力學第一定律和熱力學第二定律。生命依靠不斷地輸入能量維持高度有序的整體。光能自養(yǎng)生物依賴于光合作用、異養(yǎng)生物依

31、賴消耗有機質來補充能量。ATP是細胞的能量通貨，生物體內放能反應與ATP的合成相偶聯(lián)，吸能反應與ATP的分解相偶聯(lián)。 細胞呼吸是生物體獲得能量的主要代謝途徑，主要在線粒體中進行，在溫和條件和酶的參與調控下，通過一系列氧化還原反應，將儲藏在葡萄糖等中的化學能釋放，并以高能磷酸鍵的形式貯藏在ATP分子中。 光合作用則是植物利用太陽能制造食物分子供自我代謝需要，原料CO2和H2O，為其它的生命直接或間接地提供了食物，