細(xì)胞代謝光合作用

關(guān)于細(xì)胞代謝光合作用第1頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五2CO2+H2O+hv有機(jī)化合物(化學(xué)能)4.1.1自養(yǎng)生物通過光合作用將太陽光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存：貯存或被利用4.1生活細(xì)胞獲得的能量主要來自太陽能Photosynthesis第2頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五3

脂類、淀粉、蛋白質(zhì)CO2+H2O+能量用于生物體的各種能量需求，包括做功生物氧化4.1.2

異養(yǎng)生物通過細(xì)胞呼吸分解有機(jī)物釋放能量做功或合成功能物質(zhì)：第3頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五4有機(jī)分子分解發(fā)熱(體溫)ATP肌肉、纖毛運(yùn)動物質(zhì)過膜運(yùn)動合成所需結(jié)構(gòu)成分或功能物質(zhì)生物電第4頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五生物體把能量用在生命活動的各個(gè)方面

生命活動能量消耗(kJ/h)坐著寫字117.23隨意站著125.60散步661.51-967.15游泳2239.94實(shí)驗(yàn)室工作305.65進(jìn)食117.23騎自行車711.76-2152.02舞蹈845.73-2507.89慢跑3621.85從小分子物質(zhì)合成大分子需要能量胞外物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞需要能量第5頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五6光合作用是最重要的吸能過程細(xì)胞呼吸（有氧氧化）是重要的放能過程葉綠體和線粒體是主要的能量轉(zhuǎn)換器。4.1.3物質(zhì)的合成過程是吸能過程，分解過程是放能過程生命體和生命過程可看作是物質(zhì)和能量的一種轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)換過程第6頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五7CO2+H2O+hvC6H12O6+O2

糖類、脂類、蛋白質(zhì)地球：750億噸C/yearCO2,H2O有機(jī)小分子photosynthesis葉綠體線粒體CellularrespirationSunLightATP用于保溫、做功等第7頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五8光能不能直接轉(zhuǎn)化為糖、脂肪、蛋白質(zhì)等分子中的化學(xué)能，需要先轉(zhuǎn)化為ATP后，再用于有機(jī)分子的合成；生物體也不能直接利用糖、脂肪、蛋白質(zhì)等化合物中的化學(xué)能，而需先將其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)移到ATP中，再由ATP分解放能供需能過程利用。4.1.4

ATP是生命體的能量通貨第8頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五930.5kJ/mol第9頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五10酶也是通過改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)活化能而加快反應(yīng)速率4.2細(xì)胞內(nèi)所有化學(xué)反應(yīng)均需由酶催化完成第10頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五11相較一般催化反應(yīng)，酶催化反應(yīng)具有明顯特征催化效率高；專一性強(qiáng)；反條件溫和；無副反應(yīng)；催化活力可調(diào)節(jié)等。酶催化反應(yīng)受到多種因素的影響酶是蛋白質(zhì)，凡能使蛋白質(zhì)變性的因素都能使酶的結(jié)構(gòu)遭受破壞而失去活性。如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫等。第11頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五12某些RNA具有催化功能——核酶核酶（ribozyme）——某些具有催化功能的RNA，為核酶。核酶的發(fā)現(xiàn)，開辟了生物化學(xué)研究的新領(lǐng)域，提出了生命起源的新概念：即RNA可能是早于蛋白質(zhì)和DNA出現(xiàn)的生物大分子。第12頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五134.3

物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)4.3.1膜結(jié)構(gòu)的有序性使物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運(yùn)具有選擇性膜的選擇透性源于脂雙層和膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白非極性及弱極性小分子，可自由透過膜;極性分子或帶電粒子，則必須依靠膜上的運(yùn)載蛋白協(xié)助過膜；較大的固態(tài)或液態(tài)顆粒，則以內(nèi)吞或外排方式過膜。第13頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五144.3.2物質(zhì)順濃度梯度（化學(xué)勢梯度）從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)運(yùn)輸稱被動轉(zhuǎn)運(yùn)（或擴(kuò)散）不需要傳遞蛋白的協(xié)助不需消耗化學(xué)能；順濃度梯度進(jìn)行。

非極性和弱極性小分子物質(zhì)可透過膜從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)擴(kuò)散O2、CO2在血漿和細(xì)胞內(nèi)的交換第14頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五154.3.3

滲透是水分子的被動轉(zhuǎn)運(yùn)

水在膜內(nèi)外的滲透可影響細(xì)胞內(nèi)外水的平衡及細(xì)胞的形態(tài)：IsotonicsolutionHypotonicsolutionHypertonicsolution(1)Normal(4)Flaccid(2)Lysing(5)Turgid(3)Shriveled(6)ShriveledANIMALCELLPLANTCELLPlasma

membrane第15頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五16SolutemoleculewithclusterofwatermoleculesHypotonicsolutionSolutemoleculeHYPOTONICSOLUTIONHypertonicsolutionSelectively

permeable

membraneHYPERTONICSOLUTIONSelectively

permeable

membraneNETFLOWOFWATERWatermolecule第16頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五17

非脂溶性的極性分子需在傳遞蛋白的協(xié)助下，順濃度梯度透過膜。特點(diǎn)：需要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助；不需消耗化學(xué)能；順濃度梯度進(jìn)行。兩種方式:由通道蛋白或由傳遞蛋白協(xié)助4.3.4專一蛋白使被動轉(zhuǎn)運(yùn)易化——易化擴(kuò)散（促進(jìn)運(yùn)輸）第17頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五18Solute

moleculeTransport

protein轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助物質(zhì)過膜具有許多特點(diǎn)對被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)具有選擇性——專一性具有飽和性能被底物類似物抑制形成親水通道引起轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白構(gòu)象變化，在膜的另一側(cè)釋放底物第18頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五194.3.5物質(zhì)在載體的協(xié)助下，逆電化學(xué)梯度的跨膜運(yùn)輸稱主動轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)：逆電化學(xué)式進(jìn)行需要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白幫助；需要消耗化學(xué)能來克服電化學(xué)勢。舉例：K+、Na+的跨膜運(yùn)輸?shù)?9頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五20K+、Na+的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)第20頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五21物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)分子通道蛋白載體蛋白簡單擴(kuò)散通道介導(dǎo)擴(kuò)散載體介導(dǎo)擴(kuò)散主動轉(zhuǎn)運(yùn)被動轉(zhuǎn)運(yùn)電梯度化學(xué)第21頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五22協(xié)同運(yùn)輸：某種物質(zhì)在順電化學(xué)梯度運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，協(xié)助另一物質(zhì)跨膜運(yùn)輸。葡萄糖、氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)第22頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五234.3.6大分子物質(zhì)或顆粒物質(zhì)通過胞吞和胞吐跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)(endocytosis)胞吞有三種類型：吞噬；胞飲；受體介導(dǎo)的胞吞C受體介導(dǎo)的胞吞第23頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五24CYTOPLASM胞吐第24頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五4.4.1

人們對光合作用的認(rèn)識歷經(jīng)300多年4.4光合作用1642年，VanHelmont：水柳樹試驗(yàn)；17世紀(jì)后葉：植物葉片上有氣孔，與空氣發(fā)生作用1770年，Priestley：綠色植物釋放氧氣；18世紀(jì)中葉：植物生長需要泥土、空氣、水三要素第25頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五261779年荷蘭植物生理學(xué)家Ingenhousz：植物釋放氧需要陽光，且僅發(fā)生在植物的綠色部分；1782年，植物在光照時(shí)，吸收CO2，放出O219世紀(jì)后半葉，完成了對光合作用的基本認(rèn)識

CO2+H2O

C6H12O6+O2hv第26頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五綠色植物在光照時(shí)放出氧第27頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五281940sMelvinCalvin及其同行：

利用同位素示蹤證實(shí)：光合作用放出的O2來自H2O

1930SStanford的研究生Niel:

光合作用放出的O2來源于H2O。依據(jù)：紫硫菌：CO2+2H2S(CH2O)+2S+H2O植物：CO2+2H2O(CH2O)+O2+H2O第28頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五29光合作用放出的O2來自H2O的裂解ATPO18O18O2NADPHADPNADP+光能CO2H2O葡萄糖Calvin循環(huán)類囊體光反應(yīng)碳反應(yīng)第29頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五301905年Blackman:

光合作用包括一個(gè)依賴光、不依賴溫度和一個(gè)依賴溫度、不依賴光的兩個(gè)過程第30頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五光合作用（photosynthesis)：是指自養(yǎng)生物綠色細(xì)胞捕獲和利用太陽能，將無機(jī)小分子合成有機(jī)物，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲存在有機(jī)分子中的過程。總結(jié)：綠色植物利用太陽能，通過光反應(yīng)和碳反應(yīng)兩個(gè)過程，使水裂解放出O2，同時(shí)將CO2還原成糖。第31頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五324.4.2

光反應(yīng)實(shí)現(xiàn)光能的轉(zhuǎn)換、H2O的裂解和O2的釋放光反應(yīng)：在葉綠體類囊體膜上，光合色素吸收光能，裂解H2O并放出O2，同時(shí)生成ATP和NADPH的過程。H2O+NADP+

NADPH

+H+

+

O2

ADPATPhv第32頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五33光反應(yīng)在葉綠體類囊體膜上進(jìn)行類囊體內(nèi)類囊體膜上含有：葉綠素A和B、胡蘿卜素、葉黃素等色素分子第33頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五34植物光合作用光譜好氧細(xì)菌的分布顯示葉綠素的作用光譜光合色素可吸收光能，其主要吸收波長在紅光和藍(lán)光區(qū)第34頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五352.2.3光能的接受和轉(zhuǎn)換由光合色素完成

光合色素第35頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五36光合色素：葉綠體中所含的參與光合作用的色素。有葉綠素A、葉綠素B、胡蘿卜素、葉黃素等。輔助色素：捕捉光能，并通過誘導(dǎo)共振方式傳遞至作用中心色素分子作用中心色素：特化葉綠素a，與蛋白質(zhì)結(jié)合，一對異二聚體，既能捕獲光能，又能將光能轉(zhuǎn)換成電能（還原勢、電子傳遞電勢）光能的接受和轉(zhuǎn)換由光合色素完成第36頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五37photosystemPrimary

electronacceptorPhotonReactioncenterPigmentmoleculesofantenna光合色素在葉綠體內(nèi)膜上組成兩個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)，PhotosystemⅠ,PhotosystemⅡ第37頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五38光系統(tǒng)①少數(shù)P680分子：——反應(yīng)中心②光反應(yīng)中心蛋白：主要有D1、D2③天線葉綠素：與葉黃素等輔助色素一起接受與捕捉光能，并傳遞給P680；光系統(tǒng)Ⅱ①1-2個(gè)P700分子：——光反應(yīng)中心②光反應(yīng)中心蛋白：主要有PSAa,PSAb，與P700緊密結(jié)合③天線葉綠素：與類胡蘿卜素一起接受與捕捉光能，并傳遞給P700；兩系統(tǒng)之間又由電子傳遞鏈相連，共同完成光反應(yīng)第38頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五39類囊體腔

(highH+)Thylakoid

membraneStroma

(lowH+)LightAntenna

moleculesLightELECTRONTRANSPORT

CHAINATPSYNTHASEPhotosystemⅡPhotosystemⅠ第39頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五40光系統(tǒng)Ⅰ的主要特征是使NADP+還原

其作用中心是P700。當(dāng)PSI的作用中心色素分子P700吸收光能而被激發(fā)后，將電子供給Fd（鐵氧還蛋白），在NADP+還原酶的參與下，F(xiàn)d將NADP＋還原成NADPH＋H＋2.2.6

光系統(tǒng)Ⅱ的光反應(yīng)是短波反應(yīng)，主要特征是水的光解和放氧,并使P700還原

其作用中心是P680，它吸收光能，將水分解，奪取水中的電子供給光系統(tǒng)Ⅰ。第40頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五41基態(tài)P700鐵氧還蛋白PSⅠ天線色素分子hν激發(fā)態(tài)基態(tài)天線分子E激發(fā)態(tài)缺2eP700分子2e可溶鐵氧還蛋白NADP+NADPHH+激發(fā)態(tài)PSⅡ天線色素分子hυ基態(tài)P680E激發(fā)態(tài)缺2eP6802eQPQCytb6-fPCH2O2e+2H++1/2O2內(nèi)囊體基質(zhì)ADP+PiATP葉綠體基質(zhì)返回原初電子受體原初電子受體第41頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五42光反應(yīng)產(chǎn)物O2的釋放：NADPH的生成：ATP的生成：——供生物呼吸為碳反應(yīng)提供能量和還原劑

這種有兩個(gè)光系統(tǒng)參與，并伴隨著H2O的裂解、氧的釋放和NADPH的生成的磷酸化作用稱為非環(huán)式光合磷酸化。H2O+NADP+

NADPH+H++O2ADPATPhv第42頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五43P700釋放的電子經(jīng)原初電子受體傳遞給Fd

PQCytb6-f

PC而又回到P700。這一過程稱為環(huán)式光合磷酸化

特點(diǎn)：不裂解水,不放出氧氣；

也不產(chǎn)生NADPH；

但仍可產(chǎn)生一定量的ATP。NADP+不足時(shí)，電子沿一條環(huán)形途徑傳遞回到P700

，稱環(huán)路光合磷酸化。第43頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五44鐵氧還蛋白細(xì)胞色素復(fù)合物質(zhì)體蘭素P700ATP鐵氧還蛋白NADP+還原酶NADP+NADPH2e原初電子受體QPQ原初電子受體P6802elight第44頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五454.4.3

光反應(yīng)生成的NADPH在葉綠體基質(zhì)中通過一個(gè)循環(huán)過程將CO2還原成糖---碳反應(yīng)碳反應(yīng):是指在葉綠體基質(zhì)中，利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH作為能源和還原劑，將CO2還原成糖的過程。

部位：葉綠體基質(zhì)中；原料：CO2、NADPH、ATP、CO2受體RuBP及有關(guān)酶；過程：Calvin循環(huán)第45頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五46Figure7.10BCalvincycle是一個(gè)耗能的氧化還原過程INPUT:StepCarbonfixation.Inareactioncatalyzedbyrubisco,3moleculesofCO2arefixed.11StepEnergyconsumptionandredox.23PPP626ATP6ADP+P6NADPH6NADP+6PG3PStepReleaseofonemoleculeofG3P.3CALVIN

CYCLEOUTPUT:PGlucose

andother

compounds1G3PStepRegenerationofRuBP.4G3P43ADP3ATP3CO25PRuBP63-PGA3第46頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五476RuBP+6CO22G3P+6RuBP18ATP12NADP+12NADPH18ADP+18Pi循環(huán)一次

在Calvin循環(huán)循環(huán)中，CO2固定的第一級產(chǎn)物為三碳的PGA，這類植物稱C3植物，CO2的這種固定途徑稱為C3途徑。

2G3P

————

C6H1206

完成一次Calvincycle生成一分子3-磷酸甘油醛第47頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五48光合作用的化學(xué)反應(yīng)過程回顧:光合作用利用光能制造食物L(fēng)ightChloroplastPhotosystemII

ElectrontransportchainsPhotosystemICalvincycleStromaElectronsLIGHTREACTIONSCALVINCYCLECellularrespirationCelluloseStarchOtherorganiccompounds第48頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五4.4.4C3植物在干旱炎熱的氣候條件下產(chǎn)生光呼吸現(xiàn)象光照、高O2、低CO2線粒體過氧化物酶體葉綠體植物在光照條件下，在光合作用的同時(shí)，吸收O2放出CO2的過程。第49頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五50

有些植物固定CO2的第一產(chǎn)物不是3-磷酸甘油酸，而是四碳的有機(jī)化合物如草酰乙酸、蘋果酸等，再經(jīng)一系列變化轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，這一途徑稱C4途徑。具有C4途徑的植物稱為C4植物。C4途徑實(shí)際上是CO2的一種傳遞途徑，CO2最終仍要進(jìn)入Calvin循環(huán)合成糖。對高溫干旱地區(qū)植物，C4途徑是一種有效捕獲CO2的途徑。（why?)

說明：4.4.5

有些植物固定CO2的第一產(chǎn)物不是3-磷酸甘油酸，而是四碳的有機(jī)化合物第50頁，共58頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)17分，星期五51C