第4章 细胞代谢1ppt课件

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1、1 第四章细胞代谢 新陈代谢是生物的重要特征 细胞是进行新陈代谢的基本单位 每一个细胞都要从周围环境中汲取能量和物质 在内部进行各种化学变化 细胞内的各种化学变化都是在酶的催化下进行的 生物所利用的能量 或是直接 或是间接来自于太阳光 直接利用太阳光的唯一过程是光合作用 间接利用太阳光的最重要过程是细胞呼吸 2 本章内容 能与细胞酶物质的跨膜转运细胞呼吸光合作用 3 n氨基酸 能量蛋白质2丙酮酸 能量葡萄糖 从小分子合成大分子需要消耗能量 葡萄糖2丙酮酸 能量 从大分子分解为小分子会释放能量 生物体的代谢反应分为物质代谢和能量代谢两个侧面 物质代谢 由底物分子变成产物分子能量代谢 消耗能量或释

2、放能量 4 新陈代谢 是生物体内进行的物质和能的变化的总称 是最基本的生命活动过程新陈代谢 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 5 生命活动需要能量 生命的存在要靠能量 生物本身不能创造新的能量 几乎所有地球生命所需要的能量都来自太阳 生态系统中能量的流动是由多样化的生命过程完成的 代谢是化学物质和能量的转化过程 第一节能量与细胞 6 1 能是做功的本领能 自由能 一种能在恒温恒压下作功的能量 G H TSG 自由能 H 热含量 T 绝对温度 S 熵 2 热力学定律热力学第一定律 能量守恒定律热力学第二定律 所有自发过程总是伴随自由能的降低 即熵的增

3、加 系统的无序性增大 生物有序性与自由能生物 开放系统 与环境进行物质与能量的交换3 能量代谢 吸能反应与放能反应 生命依靠能量的不断输入一直在与热力学第二定律作抗争 7 下图 1 腺嘌呤核苷三磷酸 ATP 结构 4 ATP的结构与功能 8 ATP adenosine triphosphate 中文名称为腺嘌呤核苷三磷酸 又叫三磷酸腺苷 腺苷三磷酸 简称为ATP 一个腺苷上连接三个磷酸基团 9 ATP是生物体能量流通的货币 一个代谢反应释出的能量贮入ATP ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用 10 2 ATP的生成 ADP PATP 此过程称为磷酸化 若磷酸化所需能量来自化合物的氧化

4、分解 氧化磷酸化若磷酸化所需能量来自光能 光合磷酸化 11 细胞利用ATP完成各种工作 3 ATP的生理功能 ATP是生物体内各种生化反应的直接能源 12 4 生物体把能量用在生命活动的各个方面 ATP 生物电 物质进出细胞 合成其它形式的能量分子如 NADPH 发热 体温 运动 13 活细胞是一个微小的化学工业园 在极其微小的空间内发生着数千种生物化学反应代谢是生物体内所有化学反应过程的总称细胞复杂的结构特别是膜的结构固定了各代谢反应的空间和时间 使它们高度有序并可以被控制和调节 14 生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢 通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量 转化为可供生命

5、活动利用的能量 不断制造出各种大 小分子以供生命活动所需要 体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂 酶的催化下进行的 15 第二节 酶是生物催化剂 1 酶的催化特点催化剂可以加快化学反应的速度 酶是生物催化剂 它的突出优点是 催化效率高 专一性质 可以调节 先看看催化效率高 16 2 酶催化作用的机理是降低活化能 催化剂只能催化原来可以进行的反应 加快其反应速度 即使对可以进行的反应来说 反应物分子应越过一个活化能才能发生反应 酶作为催化剂的作用是降低活化能 17 返回 酶的催化机理是降低活化能 18 酶是如何降低活化能的呢 首先需要酶与底物分子结合 酶蛋白结构中有底物结合中心 活性中心 然后

6、酶蛋白分子以各种方式 作用于底物分子 使底物分子活化起来 酶与底物的专一结合 又是酶促反应专一性的体现 19 3 酶的化学本质是蛋白质 有的酶仅仅由蛋白质组成 如 核糖核酸酶有的酶除了主要由蛋白质组成外 还有一些金属离子或小分子参与 这些金属离子或小分子是酶活性所必须的 称为辅酶 辅基或辅助因子 如 羧基肽酶以二价锌离子 Zn2 为辅助因子又如 过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助因子 20 4 酶的活性可以调控 1 在代谢途径中调节酶活性几个酶或十几个酶前后配合 完成一系列代谢反应 形成一条代谢途径 在一条代谢途径中 常常是前一个酶促反应的产物 便是下一个酶促反应的底物 一条代谢途径的终产物 有时可与

7、该代谢途径的第一步反应的酶相结合 结合的结果使这个酶活性下降 从而使整条代谢途径的反应速度慢起来 这种情况称为 反馈抑制 值得注意的是 发生反馈抑制时 代谢终产物与酶结合时 是非共价结合 是可逆的 21 2 共价调节有时候 酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合 结合的结果 使酶蛋白分子结构发生改变 使酶活性发生改变 例如 与磷酸根的结合 这种调节酶活性的情况称为酶的共价调节 22 3 竞争性抑制有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时 这些分子与底物竞争结合酶的活性中心 亦会表现出酶活性的降低 抑制 这种情况称为酶的竞争性抑制 23 4 其他 温度PH和盐的浓度辅助因子 24 第三节 物质的

8、跨膜运输 细胞维持正常生命活动的基础之一 25 1 被动运输 物质顺浓度梯度运输 26 一 扩散与渗透细胞质膜具有两个基本的特性 允许小分子物质通过扩散穿过细胞质膜 也可以让水通过渗透进出细胞质膜 1 扩散 diffusion 是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程 通常把这种过程称为简单扩散 2 渗透 osmosis 的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散 当两种不同浓度的溶液被半透性的膜脂分隔开后 高溶质浓度的一侧是高渗的 hypertonic 而低溶质一侧则是低渗的 hypoosmotic 若两侧的溶质浓度相等 则称为等渗 iso osmotic 27 二

9、 协助扩散协助扩散是指非脂溶性物质或亲水性物质 如氨基酸 糖和金属离子等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度 促进扩散同样不需要消耗能量 并且也是从高浓度向低浓度进行 特点 促进扩散的速度要快几个数量级 具有饱和性 当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时 促进扩散的速度不再提高 具有高度的选择性 如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输 但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输 膜运输蛋白的运输作用也会受到类似于酶的竞争性抑制 以及蛋白质变性剂的抑制作用 28 1 通道蛋白 通道蛋白具有选择性 所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白 通道蛋白参与的只是被动运输 并且是从高浓度向低浓度运输 所以不消耗

10、能量 29 2 载体蛋白 一个特定的载体只运输一种类型的化学物质 甚至一种分子或离子 载体蛋白既参与被动的物质运输 也参与主动的物质运输 载体蛋白对物质的转运过程具有类似于酶与底物作用的动力学曲线 可被类似物竞争性抑制 具有竞争性抑制等酶的特性 红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图 30 三 水的被动运输 大多数水是直接通过脂双层进入细胞的 也有些水是通过水通道蛋白进行扩散的 31 2 主动运输 Na K 泵 由ATP提供能量 物质逆浓度梯度运输 需载体蛋白 消耗能量 32 主动运输具有四个基本的特点 逆梯度运输 依赖于膜运输蛋白 需要代谢能 并对代谢毒性敏感 具有选择性和特异性 一 Na

11、K 泵1 结构特点Na K ATPase由两个大亚基 亚基 和两个小亚基 亚基 组成 亚基是跨膜蛋白 在膜的内侧有ATP结合位点 在 亚基上有Na 和K 结合位点 33 2 运输机制每水解一个ATP 运出3个Na 输入2个K Na K 泵工作的结果 使细胞内的Na 浓度比细胞外低10 30倍 而细胞内的K 浓度比细胞外高10 30倍 34 3 意义 Na K 泵具有三个重要作用 1 维持了细胞Na 离子的平衡 抵消了Na 离子的渗透作用 2 是在建立细胞质膜两侧Na 离子浓度梯度的同时 为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力 3 是Na 泵建立的细胞外电位 为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础 35 二

12、协同转运 这种H 与其它物质通过载体相伴随的转运称为共转运 cotransport 若被转运物质 如蔗糖等中性溶质或Cl 等阴离子 与H 同向越过膜 称为同向转运 symport 若被转运物质 如Na 等许多阳离子 与H 反向越过膜 则称为反向转运 antiport 36 3 大分子和颗粒进入和排出细胞胞吞和胞吐作用 生物大分子或颗粒物质的运输 37 一 胞吐 胞吐作用 包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面 与质膜融 将物质排出细胞之外 38 二 胞吞是细胞吸收大分子和其他大的颗粒 方式也是由质膜形成内向的小泡 1 吞噬 细胞内吞较大的固体颗粒物质 称为吞噬作用 39 2 饱饮作用物质

13、吸附在质膜上 然后通过膜的内折而转移到细胞内的摄取物质及液体的过程 称为胞饮作用 40 3 受体介导胞吞是细胞依靠细胞表面的受体特异性地摄取细胞外蛋白或其他化合物的过程 细胞表面表面的受体具有高度特异性 与相应配体 被内吞的分子 结合形成复合物 继而此部分质膜凹陷形成有被小窝 小窝与质膜脱离形成有被小泡 将细胞外物质摄入细胞内 41 物质的跨膜运输 总结 被动运输 简单扩散 易化扩散主动运输 直接消耗ATP 动物细胞 钠钾泵 植物细胞 质子泵 间接消耗ATP 协同运输胞吞和胞吐作用 生物大分子或颗粒物质的运输 42 第四节 细胞呼吸生物体主要靠有机分子的氧化取得能量 生物的呼吸作用 一 呼吸作

14、用的概念 细胞呼吸 生活细胞内的有机物在酶的参与下逐步氧化并释放能量的过程 也就是生物体通过生物氧化获取化学能的过程 有机化合物 O2 CO2 能量生物氧化 糖 脂 蛋白等有机物在活细胞内氧化分解 并释放能量的过程 43 不同于呼吸运动 但通常意义的呼吸运动 即气体交换 与细胞呼吸是相互关联的 44 有机物氧化释放能量一支火柴的燃烧是纤维素氧化 C6H12O6 n O2nCO2 nH2O 能量纤维素氧光和热温度 可燃物 生物体也进行类似的反应 C6H12O6 n O2nCO2 nH2O 能量淀粉氧酶ATP 氧化底物 生物氧化与化学氧化的区别 把火柴燃烧和生物体内氧化相比 基本原则是相似的 有机

15、物氧化释放出能量 45 有哪些不同 A 生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多 分步骤进行 不是猛然地发出光和热 B 生物体内的氧化由酶催化 C 生物体内氧化在水环境中进行 D 生物体内氧化分步骤进行 产生能量贮存在ATP中 生物氧化分步骤进行 温和 由酶催化 产生能量贮存在ATP中 能量利用率高 46 生物体内氧化分步骤进行 淀粉 葡萄糖 丙酮酸 CO2 H2O ATP 47 二 呼吸作用类型 无氧呼吸指生活细胞在无氧条件下 把某些有机物分解成为不彻底的氧化产物 同时释放能量的过程 C6H12O62C2H5OH 2CO2 能量有氧呼吸 指生活细胞利用分子氧 将某些有机物质彻底氧化分解 形成CO2和H

16、2O 同时释放能量的过程 C6H12O6 6O26CO2 6H2O 能量 酶 酶 48 一 无氧呼吸 1 糖酵解 由葡萄糖分解形成丙酮酸的一系列反应 葡萄糖氧化的第一阶段 乳酸或乙醇等 进入线粒体进一步氧化为CO2和H2O 释放更多能量 49 2 发酵途径 1 酒精发酵糖酵解产生的丙酮酸最终生成酒精和二氧化碳酵母 植物细胞 例 酿酒 劳糟 2 乳酸发酵糖酵解产生的丙酮酸最终生成乳酸乳酸菌 高等动物细胞 例 泡菜 人剧烈运动 50 人体细胞的呼吸过程 慢跑 细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量 同时产生二氧化碳和水快跑 细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳 51 1 柠檬酸循环 三羧酸循环 TCA循环 Krebs循环 是乙酰CoA脱羧 脱氢最终生成CO2的过程1分子丙酮酸经有氧呼吸可生成15个ATP 整个有氧代谢1分子葡萄糖可产生38个ATP 进入 二 有氧呼吸 线粒体内 柠檬酸循环是三大物质代谢的中心 52 1 电子传递链 线粒体内膜上的一系列电子传递体组成 也称为呼吸链 目前公认的氧化呼吸链传递电子的顺序是 2 氧化磷酸化由物质氧化释放能量 供给ADP磷酸化合成ATP的偶联反应称为氧化磷酸