新版細胞代謝專業(yè)知識講座

生命化學基礎2細胞結構與細胞通訊3細胞代謝4細胞分裂和分化5第1篇細胞1新版細胞代謝專業(yè)知識講座第1頁細胞代謝44.1能與細胞4.2生物催化劑——酶4.3細胞呼吸4.4光合作用2新版細胞代謝專業(yè)知識講座第2頁4.1能與細胞

3新版細胞代謝專業(yè)知識講座第3頁物質代謝能量代謝同化作用異化作用合成物質貯存能量分解物質釋放能量新陳代謝新陳代謝是生物體內進行化學改變總稱是物質和能量改變生命活動過程4新版細胞代謝專業(yè)知識講座第4頁化學能是活生物體內最主要能量形式。細胞中能量轉化效率不可能是100%，總有一部分轉化為熱形式逃逸。細胞代謝

吸能反應——合成放能反應——分解5新版細胞代謝專業(yè)知識講座第5頁能利用6新版細胞代謝專業(yè)知識講座第6頁ATP是細胞中慣用能量載體——能量通貨7新版細胞代謝專業(yè)知識講座第7頁8新版細胞代謝專業(yè)知識講座第8頁4.2生物催化劑——酶9新版細胞代謝專業(yè)知識講座第9頁用量少而催化效率高不改改變學反應平衡點可降低反應活化能1、酶促反應特點與普通催化劑相比有以下共性：10新版細胞代謝專業(yè)知識講座第10頁高效性特異性反應條件溫和易變性失活酶活性是受調控酶作為生物催化劑特征絕對一專一性相對專一性立體構型專一性11新版細胞代謝專業(yè)知識講座第11頁2.酶活性中心酶是生物大分子，酶作為蛋白質，其分子體積比底物分子體積要大得多。在反應過程中酶與底物接觸結合時，只限于酶分子少數(shù)基團或較小部位。酶分子中直接與底物結合，并催化底物發(fā)生化學反應部位，稱為酶活性中心（activesite）。12新版細胞代謝專業(yè)知識講座第12頁酶活性中心包含兩個功效部位：一個是結合部位，是酶與底物結合基團，決定酶專一性；另一個是催化部位，催化底物敏感鍵發(fā)生化學改變基團，決定酶催化能力。酶活性中心基團均屬于必須基團，但必須基團還包含除活性中心之外、對酶表現(xiàn)活力所必須基團，如Ser羥基、Cys巰基、His咪唑基等，它們不與底物結合、或直接參予引發(fā)中間產物分解反應，而僅僅是維持酶分子空間構象所必須。13新版細胞代謝專業(yè)知識講座第13頁3.影響酶作用原因影響酶促反應原因常有酶濃度、底物濃度、產物濃度、輔因子、pH值、溫度、抑制劑、激活劑等。14新版細胞代謝專業(yè)知識講座第14頁酶濃度影響15新版細胞代謝專業(yè)知識講座第15頁21345678002

4

68Substrate(mmole)Product806040200JuangRH()BCbasics底物濃度影響16新版細胞代謝專業(yè)知識講座第16頁溫度影響17新版細胞代謝專業(yè)知識講座第17頁與酶蛋白結合緊密不易分開者稱輔基。與酶蛋白結合疏松，易與酶蛋白分開稱輔酶。游離金屬離子(如Mg2+、Mn2+等)，稱輔助因子。全酶=酶蛋白+輔基(輔酶)輔因子影響18新版細胞代謝專業(yè)知識講座第18頁pH影響19新版細胞代謝專業(yè)知識講座第19頁抑制劑影響20新版細胞代謝專業(yè)知識講座第20頁非競爭性抑制劑競爭性抑制劑21新版細胞代謝專業(yè)知識講座第21頁產物濃度影響22新版細胞代謝專業(yè)知識講座第22頁23新版細胞代謝專業(yè)知識講座第23頁生物一切活動都需要能量。能量起源于糖、脂類和蛋白質在體內氧化。糖、脂類和蛋白質等有機物質在活細胞內氧化分解，產生CO2和H2O并釋放能量過程稱生物氧化，亦稱細胞呼吸(cellrespiration）。4.3細胞呼吸24新版細胞代謝專業(yè)知識講座第24頁生物呼吸作用包含有氧呼吸和無氧呼吸。

有氧呼吸是在有氧氣條件下，細胞內有機物被徹底氧化分解，最終生成CO2和H2O，并釋放出大量能量過程。有氧呼吸反應式是:25新版細胞代謝專業(yè)知識講座第25頁

無氧呼吸是指在缺氧條件下，細胞內有機物不能被徹底氧化分解，能量釋放相對較少過程。這個過程在微生物中亦稱為發(fā)酵，如酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵。26新版細胞代謝專業(yè)知識講座第26頁糖酵解無氧呼吸糖酵解路徑(glycolyticpathway)是指細胞在胞漿中分解葡萄糖生成丙酮酸過程，此過程中伴有少許ATP生成。糖酵解分為兩個階段共9個反應，每個分子葡萄糖經第一階段共4個反應，消耗2個分子ATP為耗能過程，第二階段5個反應生成4個分子ATP為釋能過程。糖氧化27新版細胞代謝專業(yè)知識講座第27頁己糖激酶磷酸己糖異構酶磷酸果糖激酶醛縮酶磷酸丙糖異構酶3-磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸變位酶烯醇化酶丙酮酸激酶28新版細胞代謝專業(yè)知識講座第28頁糖酵解過程詳細圖解29新版細胞代謝專業(yè)知識講座第29頁丙酮酸去路酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵三羧酸循環(huán)30新版細胞代謝專業(yè)知識講座第30頁丙酮酸氧化脫羧有氧呼吸丙酮酸進入線粒體轉變?yōu)橐阴oA,是連接糖酵解和三羧酸循環(huán)紐帶

丙酮酸脫氫酶復合體是一個十分大多酶復合體，包含丙酮酸脫氫酶E1、二氫硫辛酸乙酰轉移酶E2、二氫硫辛酸脫氫酶E3三種不一樣酶及焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸，F(xiàn)AD,NAD+,CoA及Mg2+六種輔助因子組裝而成。丙酮酸+CoA+NAD+乙酰CoA+C2O+NADH+H+31新版細胞代謝專業(yè)知識講座第31頁在有氧情況下，葡萄糖酵解產生丙酮酸氧化脫羧形成乙酰CoA。乙酰CoA經一系列氧化、脫羧，最終生成C2O和H2O并產生能量過程，稱為檸檬酸循環(huán)，亦稱為三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle，TCA）。因為它是由H.A.Krebs（德國）正式提出，所以又稱Krebs循環(huán)。檸檬酸循環(huán)有氧呼吸三羧酸循環(huán)在線粒體基質中進行。32新版細胞代謝專業(yè)知識講座第32頁三羧酸循環(huán)33新版細胞代謝專業(yè)知識講座第33頁三羧酸循環(huán)34新版細胞代謝專業(yè)知識講座第34頁35新版細胞代謝專業(yè)知識講座第35頁36新版細胞代謝專業(yè)知識講座第36頁電子傳遞鏈（呼吸鏈）呼吸鏈(respiratorychain)是由一系列遞氫體和遞電子體按一定次序排列所組成連續(xù)反應體系，它將代謝物脫下成對氫原子交給氧生成水，同時有ATP生成。實際上呼吸鏈作用代表著線粒體最基本功效，呼吸鏈中遞氫體和遞電子體就是能傳遞氫原子或電子載體，因為氫原子能夠看作是由H+和e組成，所以遞氫體也是遞電子體，遞氫體和遞電子體本質是酶、輔酶、輔基或輔因子。37新版細胞代謝專業(yè)知識講座第37頁遞氫體和遞電子體按一定次序排列38新版細胞代謝專業(yè)知識講座第38頁氧化磷酸化:由呼吸底物脫下氫，經過呼吸鏈電子傳遞抵達氧，所發(fā)生ADP磷酸化形成ATP作用稱氧化磷酸化作用。底物水平磷酸化：ADP或一些其它核苷二磷酸磷酸化是經過來自一個代謝底物磷酸基轉移實現(xiàn)。這種磷酸化與電子轉遞鏈無關。磷酸化作用光合磷酸化:光合作用中，磷酸化和電子傳遞是偶聯(lián)，在光下把無機磷和ADP轉化成ATP。39新版細胞代謝專業(yè)知識講座第39頁底物水平磷酸化40新版細胞代謝專業(yè)知識講座第40頁其它營養(yǎng)物質氧化分解蛋白質氧化分解蛋白質也可被用作能量起源，他們首先被分解為氨基酸。氨基酸在氧化之前，先要經過脫氨轉變成某種有機酸，才能進人呼吸代謝路徑。比如，丙氨酸脫氨生成丙酮酸，谷氨酸脫氨生成a-酮戊二酸，天冬氨酸脫氨生成草酰乙酸，這些有機酸就可進入檸檬酸循環(huán)了。其它一些氨基酸，除脫氨以外，可能還要經過幾步反應，然后才能轉變?yōu)闄幟仕嵫h(huán)中有機酸。41新版細胞代謝專業(yè)知識講座第41頁脂肪氧化分解脂肪分解脂肪酸甘油磷酸甘油醛糖酵解乙酰輔酶ATAC脂肪（甘油三酯）在體內主要功效是氧化分解,為機體提供生命活動所需要能量。1g脂肪所產生ATP是1g淀粉2倍。42新版細胞代謝專業(yè)知識講座第42頁各種物質代謝相互關系合成代謝和分解代謝兩個“往返”過程基本一樣，但不完全一致。各種分子代謝路徑都是連通。43新版細胞代謝專業(yè)知識講座第43頁脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi大分子降解成基本結構單位生物氧化三個階段NADPH共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分經過磷酸化儲存在ATP中小分子化合物分解成共同中間產物（如丙酮酸、乙酰CoA等）44新版細胞代謝專業(yè)知識講座第44頁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丙氨酸甘氨酸絲氨酰蘇氨酸半胱氨酸

氨基酸6-磷酸葡萄糖磷酸二羥丙酮乙酰CoA甘油脂肪酸膽固醇亮氨酸賴氨酸酪酰氨色氨酸笨丙氨酸異亮氨酸亮氨酸色氨酸乙酰乙酰CoA脂肪核苷酸天冬氨酸天冬酰氨天冬氨酸苯丙酰氨酪氨酸異亮氨酸甲硫酰氨蘇氨酸纈氨酸琥珀酰CoA蘋果酸草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸乙醛酸蛋白質淀粉、糖原核酸生糖氨基酸谷氨酰氨組氨酸脯氨酸精氨酸谷氨酸延胡索酸琥珀酸丙二單酰CoA1-磷酸葡萄糖45新版細胞代謝專業(yè)知識講座第45頁4.4光合作用46新版細胞代謝專業(yè)知識講座第46頁光合作用場所類囊體膜光合膜47新版細胞代謝專業(yè)知識講座第47頁光合作用(Photosynthesis)是植物、藻類和一些細菌利用葉綠素，在可見光照射下，將二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放出氧氣生化過程。光合作用所釋放O2終究來自H2O還是CO2？試驗：只有供給H218O時，生成氧才是18O2CO2+H2O（光）→（CH2O）+O2

吸能反應合成反應光合作用引論48新版細胞代謝專業(yè)知識講座第48頁Experiment#1H218OCO2CO2CO2CO2CO2CO2CO2H2OC18O2C18O2C18O2C18O2C18O2C18O2C18O2Experiment#218Oxygen(HeavyOxygen)IsotopeExperiment…

18O2

O249新版細胞代謝專業(yè)知識講座第49頁光合作用過程：

光反應（lightreaction）碳反應（carbonreaction）光合作用步驟：（1）光能吸收，傳遞和轉化。（原初反應）（2）電能轉變成活躍化學能。（電子傳遞和光合磷酸化）（3）活躍化學能轉變?yōu)榉€(wěn)定化學能。（碳同化）50新版細胞代謝專業(yè)知識講座第50頁光反應電子傳遞和光合磷酸化光能吸收光能傳遞和轉化電能轉變成活躍化學能葉綠素光系統(tǒng)51新版細胞代謝專業(yè)知識講座第51頁葉綠體色素葉綠素chlorophyll類胡蘿卜素carotenoid藻膽素phycobilin

葉綠素a葉綠素bα胡蘿卜素β胡蘿卜素葉黃素藻紅素藻藍素52新版細胞代謝專業(yè)知識講座第52頁葉綠素：chlorophyll（1）種類：a,b（2）性質：不溶于水，易溶于酒精，丙酮等有機溶劑（3）顏色：a（藍綠色）b（黃綠色）（4）化學結構：葉綠酸酯卟啉環(huán)頭部：含有極性，可結合水或Pr葉綠醇尾部：是葉綠素親脂主要原因（5）功效：a：吸收紅光和藍光，部分分子能夠將光能轉化為電能b：吸收藍光和橙色光，只含有搜集和傳遞光能功效。輔助色素。53新版細胞代謝專業(yè)知識講座第53頁

類胡蘿卜素：carotenoid（1）種類：胡蘿卜素（carotene橙色）、

葉黃素（xanthophyllLutein黃色）（2）性質：不溶于水，易溶于有機溶劑（3）功效：輔助色素，預防強光傷害葉綠素

α

βLutein54新版細胞代謝專業(yè)知識講座第54頁

藻膽素：phycobilin（1）種類：藻紅素phycoerythrobilin（紅色）、藻藍素phycocyanobilin

（藍色）（2）性質：易溶于水，不溶于有機溶劑，與蛋白質結合形成藻膽蛋白（3）功效：搜集光能55新版細胞代謝專業(yè)知識講座第55頁光合色素吸收光譜（absorptionspectrum）56新版細胞代謝專業(yè)知識講座第56頁光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ，PhotosystemⅠ）長波光反應，作用中心色素為P700，可將電子傳給NADP使其還原成NADPH。光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ，PhotosystemⅡ）短波光反應，作用中心色素為P680，使水光解放氧，將水中電子奪取交給PSⅠ。

光系統(tǒng)57新版細胞代謝專業(yè)知識講座第57頁光反應是由兩個光系統(tǒng)即PSI和PSII開啟。連接兩個光反應之間電子傳遞，是由一系列相互銜接電子傳遞物質(光合電子傳遞鏈)完成。在光反應電子傳遞過程中能產生ATP，稱為光合磷酸化。

光合磷酸化分為非循環(huán)式光合磷酸化和循環(huán)式光合磷酸化。

58新版細胞代謝專業(yè)知識講座第58頁1.原初反應（primaryreaction）1．色素分類：作用中心色素聚光色素2．光合作用單位（photosyntheticunit）光合作用單位=聚光色素系統(tǒng)+反應中心3．光能吸收和傳遞：光→天線色素吸收光量子而激發(fā)→光量子在葉綠體色素之間傳遞→大量光能集中傳到作用中心。59新版細胞代謝專業(yè)知識講座第59頁D原初電子供體；P作用中心色素分子；A原初電子受體NADP+光光eDPAH2O

作用中心光合單位原初反應過程天線色素eeeH+60新版細胞代謝專業(yè)知識講座第60頁2.電子傳遞與光合磷酸化61新版細胞代謝專業(yè)知識講座第61頁光合電子傳遞鏈組成：質體醌(PQ)，細胞色素，質體藍素(PC)等。作用：在兩個光系統(tǒng)間傳送電子62新版細胞代謝專業(yè)知識講座第62頁光系統(tǒng)I所產生電子(水光解釋出電子)，經過一系列傳遞，在細胞色索鏈上引發(fā)ATP形成，并把電子傳遞到光系統(tǒng)I上去，深入提升能位，使H+還原NADP+成NADPH+。在這個過程中，電子傳遞不回到原來起點，是一個開放“道路”，故稱為非環(huán)式光合磷酸化。非循環(huán)式光合磷酸化noncyclicphotophosphorylation63新版細胞代謝專業(yè)知識講座第63頁noncyclicphotophosphorylation64新版細胞代謝專業(yè)知識講座第64頁循環(huán)式光合磷酸化(cyclicphotophosphorylation)光系統(tǒng)I產生電子經過Fd(含鐵氧化還原蛋白)和Cytb563等以后，只引發(fā)ATP形成，不伴隨其它反應。在這個過程中，電子經過一系列傳遞后降低了能位，最終經過PC重新回到原來起點，電子傳遞是一個閉合回路，故稱為環(huán)式光合磷酸化。65新版細胞代謝專業(yè)知識講座第65頁cyclicphotophosphorylation66新版細胞代謝專業(yè)知識講座第66頁RuBPCO2CH2OeˉH+ADP+PiATPNADPNADPH+H+光2光1O2H2O光能吸收電子傳遞和光合磷酸化碳同化67新版細胞代謝專業(yè)知識講座第67頁電子傳遞鏈和光合磷酸化(引自Solomon，et.al.，)電子傳遞68新版細胞代謝專業(yè)知識講座第68頁經過光反應后，由光能轉變來電能暫時貯存在ATP和NADPH中，葉綠素有了ATP和NADPH,就為下一步暗反應中同化CO2、形成糖類創(chuàng)造了必要條件。69新版細胞代謝專業(yè)知識講座第69頁3.CO2固定和還原光合作用第三步是二氧化碳固定和把它還原為糖類，這個過程是在葉綠體間質中進行，而且不需要光照條件，所以叫做暗反應。卡爾文循環(huán)（C3路徑）C4路徑CAM路徑70新版細胞代謝專業(yè)知識講座第70頁卡爾文循環(huán)（C3路徑

）大部分植物都是經過C3路徑來固定二氧化碳。這種植物稱作C3植物。卡爾文循環(huán)可分為3個階段：羧化、還原、RuBP（核酮糖二磷脂）再生。71新版細胞代謝專業(yè)知識講座第71頁72新版細胞代謝專業(yè)知識講座第72頁C4路徑生活在干旱地域植物，為了預防水分蒸發(fā)，會關閉氣孔，CO2就不能進入葉中，沒有穩(wěn)定CO2供給同化作用，葉細胞中CO2濃度深入下降。不過，葉綠體中水光解繼續(xù)進行，因為釋放O2不能擴散出葉，使得細胞內O2濃度不停增加，輕易發(fā)生RuBP氧化，進而嚴重影響光合作用。為了不受惡劣環(huán)境影響，確保光合作用效率，生長在這些環(huán)境下植物采取了不一樣CO2固定方式。73新版細胞代謝專業(yè)知識講座第73頁在C4植物中，CO2固定反應是在葉肉細胞胞質溶膠中進行，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下將CO2連接到磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)上，形成四碳酸：草酰乙酸。草酰乙酸被轉變成其它四碳酸(蘋果酸和天冬氨酸)后運輸?shù)骄S管束鞘細胞，在維管束鞘細胞中被降解成CO2和丙酮酸，CO2在維管束鞘細胞中進入卡爾文循環(huán)。而C3植物葉細胞光合作用發(fā)生在葉肉細胞中。74新版細胞代謝專業(yè)知識講座第74頁C4路徑概要(引自Solomon，et.al.，)75新版細胞代謝專業(yè)知識講座第75頁CAM植物也是經過PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）羧化酶固定CO2，固定反應發(fā)生在胞質溶膠中，產生大量四碳酸：蘋果酸。夜間形成蘋果酸暫時儲存在葉肉細胞中央液泡中，到了白天，氣孔關閉，PEP羧化酶暫時失活，蘋果酸從液泡擴散到胞質溶膠中，然后被裂解釋放CO2，進入卡爾文循環(huán)。到了夜間，氣孔又打開，PEP羧化酶被激活，開始新循環(huán)。CAM植物與C4植物相同之處是CO2需要固定兩次，不一樣之處是CAM植物不需要兩種類型細胞協(xié)同工作。景天酸代謝（CAM）路徑76新版細胞代謝專業(yè)知識講座第76頁光葉綠體卡爾文循環(huán)CH2OG6PF6PFBP2×PEP草酰乙酸蘋果酸丙酮酸線粒體CO2蘋果酸液泡CO2晚間白天景天酸代謝（CAM）路徑77新版細胞代謝專業(yè)知識講座第77頁CAM植物仙人球鳳梨78新版細胞代謝專業(yè)知識講座第78頁79新版細胞代謝專業(yè)知識講座第79頁項目光反應暗