1、第四章 物质和能量的代谢第四章第四章 物质和能量的代谢物质和能量的代谢l代谢代谢：也称新陈代谢新陈代谢，是生物体内进行的全部物质和能量的变化的总称。l合成代谢合成代谢：也称同化作用同化作用，机体从外界环境中吸取营养物质，将其转变为自身的物质，并贮存能量，建立生长发育的物质基础。l分解代谢分解代谢：也称异化作用异化作用，机体通过呼吸作用，不断将自身的组成物质分解以释放能量，并把分解产生的废物排出体外。（一）同化作用的类型（一）同化作用的类型 根据根据同化作用的方式同化作用的方式，可把生物分为：，可把生物分为：l自养型生物自养型生物：能从环境中吸收简单无机物，：能从环境中吸收简单无机物，并能同化为
2、复杂有机物的生物。并能同化为复杂有机物的生物。l异养型生物异养型生物：摄取现成有机物而生活的生物。：摄取现成有机物而生活的生物。自养型异养型（一）同化作用的类型（一）同化作用的类型 根据根据所需能源和碳源的不同所需能源和碳源的不同，可以将生物分为，可以将生物分为四大类型：四大类型：l 1、光能自养型光能自养型：以光为能源，以CO2或碳酸盐为主要碳源合成有机物的生物。例如高等植物、藻类及某些光合细菌。（一）同化作用的类型（一）同化作用的类型 l 2、光能异养型光能异养型：以光为能源，以有机物为主要碳源的生物。例如紫色硫细菌。l 具有光合色素，能进行光合作用（不产氧）；l 以有机物为供氢体，同化有
3、机物形成自身物质。（一）同化作用的类型（一）同化作用的类型 l 3、化能自养型化能自养型：以化学能为能源，以CO2为主要碳源的生物。例如亚硝酸细菌。l 氧化无机物（如NH3、H2S）取得能量，还原CO2 合成有机物质。（一）同化作用的类型（一）同化作用的类型 l 4、化能异养型化能异养型：以化学能（有机物质的氧化所产生）为能源，依赖现成的有机物合成大分子有机物。l 有机碳化物有机碳化物既是碳源碳源又是能源能源。l 代表：动物、真菌和大多数细菌。（二）异化作用的类型（二）异化作用的类型 根据生物异化方式（呼吸类型）的不同，可根据生物异化方式（呼吸类型）的不同，可以分为：以分为：l 1 1、需氧生
4、物需氧生物：依靠游离氧，分解有机物以获取能依靠游离氧，分解有机物以获取能量。量。l 2、厌氧生物厌氧生物：进行无氧代谢，有进行无氧代谢，有O O2 2抑制其代谢活抑制其代谢活动。动。l 3、兼性厌氧型兼性厌氧型：有无：有无O O2 2均可生活。均可生活。（二）异化作用的类型（二）异化作用的类型l 需氧生物与厌氧生物的区分不是绝对的需氧生物与厌氧生物的区分不是绝对的，需氧生物在某些条件下也可以进行厌氧呼吸。例如：肌肉在剧烈运动时。l 酵母菌和一些肠道细菌，在有氧或缺氧条件下均能生长，原因：以不同的氧化方式获得能量。以不同的氧化方式获得能量。l 缺氧缺氧：乙醇发酵乙醇发酵；l 有氧有氧：有氧呼吸有
5、氧呼吸。4 4、2 2 酶酶n 酶的概念及化学本质酶的概念及化学本质n 酶促反应的特点酶促反应的特点n 酶的组成与分类酶的组成与分类n 酶的活性中心酶的活性中心n 影响酶作用的因素影响酶作用的因素 （一）酶的概念及化学本质（一）酶的概念及化学本质l酶：酶：是一类活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。酶是蛋白质的证据酶是蛋白质的证据：l酶具有蛋白质一系列的特性；l酶可被蛋白酶水解。酶具有一般催化剂的特征：酶具有一般催化剂的特征：l1.只能进行热力学上允许进行的反应；只能进行热力学上允许进行的反应；l2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应
6、的平衡点；改变反应的平衡点；l3.通过降低活化能，加快化学反应速度通过降低活化能，加快化学反应速度;l4.在反应中本身不被消耗。在反应中本身不被消耗。（一）酶的概念及化学本质（一）酶的概念及化学本质化学键化学键 能障能障 活化能活化能n 酶的催化作用机理酶的催化作用机理酶可以降低活化一个反应所需要的能量酶可以降低活化一个反应所需要的能量酶酶 +底物底物 酶酶-底物复合物底物复合物 酶酶 +产物产物 E +S E +S E-S E-S E+P E+P酶与底物结合降低反应的活化能酶与底物结合降低反应的活化能（二）酶促反应的特点（二）酶促反应的特点l1、酶的高效性通常要高出非生物催化剂催化活性的10
7、61013倍。2H2O22H2O +O21mol过氧化氢酶过氧化氢酶 5106molH2O21mol离子铁离子铁 610-4molH2O22 2、酶的特异性（专一性）、酶的特异性（专一性）酶的特异性酶的特异性：酶对所催化的物质具有严格的选择性。：酶对所催化的物质具有严格的选择性。酶作用的专一性结构专一性立体异构专一性相对专一性绝对专一性旋光异构专一性几何异构专一性RCOO-+R OH+H+酯酶酯酶：RCOR+H2OO脲酶脲酶：H2NCNH2+H2OO2NH3+CO2绝对专一性绝对专一性：只能作用于某一底物。相对专一性相对专一性：可作用于一类或一些结构很相似的底物。（三）酶的组成与分类（三）酶的
8、组成与分类l酶的组成：酶的组成：酶单纯酶：单纯酶：酶由简单蛋白质构成。例如酶由简单蛋白质构成。例如水解酶类水解酶类。结合酶：结合酶：酶的结构中含有非蛋白质部分。酶的结构中含有非蛋白质部分。氧化还原酶类氧化还原酶类。（全酶）=酶蛋白+辅因子辅因子辅因子辅酶辅酶辅基辅基金属激活剂金属激活剂：金属离子作为辅助因子。酶的催化专一性主要决定于蛋白部分，辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。（四）酶的分类（四）酶的分类l 根据酶分子的特点和大小分：根据酶分子的特点和大小分：1、单体酶（monomeric enzyme)2、寡聚酶(oligomeric enzyme)3、多酶复合物(multien
9、zyme system)l 根据酶催化的反应分：根据酶催化的反应分：1、水解酶类2、氧化还原酶类3、转移酶类4、裂合酶类5、异构酶6、合成酶类（五）、酶的活性部位和必需基团（五）、酶的活性部位和必需基团必需基团必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活性丧失。活性部位活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。必需基团必需基团活性部位维持酶的空间结构结合基团催化基团专一性催化性质（六）影响酶活性的因素（六）影响酶活性的因素l底物浓度的影响l酶浓度的影响lpH值的影响l温度的影响l激活剂和抑制剂的影响l反应产物的影响酶浓度对酶作用的影响酶浓度对酶作用的影响 在有足够底物
10、足够底物和其他条件不变的情况下，酶的反应速率与酶浓度成正比。v=k E底物浓度对酶作用的影响底物浓度对酶作用的影响 底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响SvVmax一级反应 v=k S零级反应 v=k EpH pH 的影响的影响温度的影响温度的影响 温度对酶作用的影响温度对酶作用的影响两种不同影响：1.温度温度升高，反应速度加快升高，反应速度加快；2.温度升高，热变性速温度升高，热变性速度加快度加快。Tv最适温度激活剂对酶作用的影响激活剂对酶作用的影响凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。酶的抑制剂：凡能引起酶催化活力下降或丧失的物质。可逆与不可逆抑
11、制剂 竞争性与非竞争性抑制剂反应产物的影响反应产物的影响 酶促反应在细胞中往往不是独立发生的。在代谢过程中局部反应对催化该反应的酶所起的抑制作用，称为反馈抑制。反馈抑制。细胞自行调节其代谢的一种机制。维持细胞稳态的重要机制。4、3 细胞呼吸细胞呼吸1 1 概念：概念：l 细胞呼吸：细胞呼吸：细胞在有氧条件下，从食物分子（主要是葡细胞在有氧条件下，从食物分子（主要是葡萄糖）中获得能量的过程。萄糖）中获得能量的过程。细胞呼吸细胞呼吸是生物体获得能量的主是生物体获得能量的主要代谢途径。要代谢途径。细胞呼吸是一种细胞呼吸是一种氧化反应氧化反应 有机化合物有机化合物+O+O2 2COCO2 2+能量能量
12、“燃料燃料”包括包括糖类糖类、脂肪脂肪、蛋白蛋白质等质等C C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 26CO6CO2 2+6H+6H2 2O+O+能量（能量（ATP+ATP+热量）热量）细胞呼吸主要在线粒体线粒体中进行，温和条件和酶的参与调控。2 2 细胞呼吸产生能量细胞呼吸产生能量 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。人体细胞的呼吸过程人体细胞的呼吸过程 贮藏在葡萄糖等食物分子中的化学能经细胞呼吸释放，以高能磷酸键的形式贮藏在ATP分子中。葡萄糖中大约40%50%的能量被转化贮藏在ATP中，而汽车发动机只有15%2
13、5%转化为动能，细胞呼吸的产能效率高。细胞呼吸的产能效率高。n 体重体重70kg的男子不同活动时所需要的能量（的男子不同活动时所需要的能量（kj/h)活动活动能量能量活动活动能量能量静坐静坐419锯木头锯木头2010站立，放松站立，放松440游泳游泳2093快打字快打字586跑步跑步（5.3km/h)2387步行步行（4.2km/h)837快步快步（5.3km/h)2722做木工做木工1004上楼梯上楼梯4605某些食物所含的热量（某些食物所含的热量（kj/100g)食物食物热量热量食物食物热量热量大米大米1448牛肉牛肉226面粉面粉1465鸡蛋鸡蛋577玉米面玉米面1423鲤鱼鲤鱼456花
14、生仁花生仁（生）（生）1247苹果苹果218黄豆黄豆1502菠菜菠菜100猪肉猪肉1654植物油植物油3761细胞呼吸细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个连续完整的代谢过程。每一步化学反应都需要特定的酶参与才能完成细胞呼吸的3 3个阶段。个阶段。3 3 细胞呼吸的化学过程细胞呼吸的化学过程n 概述概述 发生在细胞质细胞质中的9步反应参与化合物参与化合物：葡萄糖葡萄糖，ADPADP和磷磷酸酸，NADNAD+。起始阶段还需要消耗2分子ATP 来启动，但后期共产出4分子ATP，还形成高能化合物NADH。最终产物是丙酮酸糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个三碳的丙酮酸丙酮酸，净产生2 2个个ATPATP，生
15、成1 1分子分子NADHNADH，糖酵解不需要氧参与不需要氧参与n （1）糖酵解）糖酵解 发生在线粒体线粒体中分解丙酮酸分解丙酮酸形成2分子CO2、8个H，3分子NADH和1分子FADH2，及1分子ATPKrebs循环也是放能放能反应反应过程n （2）Krebs循环循环（三羧酸循环）（三羧酸循环）电子传递链电子传递链：通过一系列的氧化还原反应，将高能电高能电子从子从NADH NADH 和和FADHFADH2 2最终传递给分子氧最终传递给分子氧，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ATPATP分子中。n （3）电子传递链和
16、氧化磷酸化）电子传递链和氧化磷酸化 电子传递链又称呼吸链，电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体n 电子传递链和氧化磷酸化电子传递链和氧化磷酸化 在有氧环境有氧环境中，酵母细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳。在缺氧环境缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分解成酒精（乙醇）和二氧化碳。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。n 4 4 酵母菌的发酵作用酵母菌的发酵作用发酵发酵是典型的细胞呼吸过程。是典型的细胞呼吸过程。生物大分子需要经过消化作用
17、生成单体小分子的葡萄糖、氨基酸或脂肪酸等消化作用消化作用常常发生在细胞外，而不是在细胞质内，它是一种在酶作用下的水解过程5 5 其他营养物质的氧化其他营养物质的氧化n 消化作用消化作用 氨基酸与脂肪酸的氧氨基酸与脂肪酸的氧化是先转变为某种中化是先转变为某种中间产物，然后进入糖间产物，然后进入糖酵解或三羧酸循环酵解或三羧酸循环 氨基酸氨基酸脱氨脱氨变成三羧变成三羧酸循环中的有机酸酸循环中的有机酸 脂肪酸脂肪酸可以与辅酶可以与辅酶A A结合后结合后氧化生成乙酰氧化生成乙酰辅酶辅酶A A而进入三羧酸而进入三羧酸循环循环 甘油甘油则可以转变为则可以转变为磷磷酸甘油醛酸甘油醛进入糖酵解进入糖酵解过程过程
18、n 蛋白质和脂肪的氧化蛋白质和脂肪的氧化食物分子的氧化分食物分子的氧化分解即细胞呼吸过程解即细胞呼吸过程捕获能量捕获能量食物分子的分解又食物分子的分解又为生物大分子的合为生物大分子的合成和细胞、组织和成和细胞、组织和生物体的组成提供生物体的组成提供原料原料n 营养物质的分解可提供生物分子合成的原料营养物质的分解可提供生物分子合成的原料4.4 4.4 光合作用光合作用1、光合作用概述、光合作用概述光合作用光合作用是指绿色植物和光合细菌利用光是指绿色植物和光合细菌利用光能把二氧化碳和水合成有机物的过程。能把二氧化碳和水合成有机物的过程。CO2H2O*CH2O H2O O2*绿色植物绿色植物光光光合
19、作用的意义光合作用的意义 (了解了解)l光合作用光合作用是绿色植物（主要在叶片中）吸收日光能量，利用二氧化碳和水，合成有机物质，并释放氧的过程。l在这个过程中，无机物质（二氧化碳和水）被转化为有机物质，日光能转变为化学能。所产生的有机物质，主要是糖（葡萄糖等），被转变的化学能贮藏在有机物质中。l 光合作用所释放的光合作用所释放的氧氧是生物生存的必需条件是生物生存的必需条件。所产生的糖糖是植物自身生长发育所必需的有机物质植物自身生长发育所必需的有机物质，也是进一步合成淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素及其他有机物质的原料。l 粮、棉、油、木材和其他农、林产品，都是光合作用的产物。我们吃的粮食、烧的柴就是
20、利用其中所贮藏的能量。l 光合作用是生物体内所有物质代谢和能量代谢的基光合作用是生物体内所有物质代谢和能量代谢的基础础，在新陈代谢各个途径中它占有独特的地位；它对自然界的生态平衡和人类的生存都具有极为重大的意义。光合器与光合色素光合器与光合色素l 光合器光合器：叶肉细胞的叶绿体是光合作叶肉细胞的叶绿体是光合作用用 的细胞器的细胞器 光合色素种类光合色素种类l叶绿素类叶绿素类：叶绿素a、b、c、dl类胡萝卜素类胡萝卜素：胡萝卜素、叶黄素l藻胆素藻胆素：藻红素、藻蓝素叶绿素的分子式叶绿素的分子式问题问题:为什么植物都是绿色的？为什么植物都是绿色的？几种光合色素的吸收光谱几种光合色素的吸收光谱几种光
21、合色素的吸收区域几种光合色素的吸收区域叶绿素类：蓝紫光、红光叶绿素类：蓝紫光、红光叶绿素叶绿素a红光区吸收带偏长波方向，蓝紫光区偏红光区吸收带偏长波方向，蓝紫光区偏短波方向短波方向 叶绿素叶绿素a 和和b对绿光吸收很少，故呈绿色，叶绿对绿光吸收很少，故呈绿色，叶绿素素a 蓝绿色和叶绿素蓝绿色和叶绿素b呈黄绿色呈黄绿色类胡萝卜素：只吸收蓝紫光类胡萝卜素：只吸收蓝紫光不吸收红橙及黄光，故呈橙黄色和黄色不吸收红橙及黄光，故呈橙黄色和黄色藻胆素：主要吸收绿、橙光藻胆素：主要吸收绿、橙光藻红素吸收绿光，藻蓝素吸收橙红光藻红素吸收绿光，藻蓝素吸收橙红光3、光合作用的过程、光合作用的过程（1）光反应）光反应
22、 原初反应原初反应l 指叶绿素分子被光 激发，到引起原初 光化学反应的过程l 包括了光物理过程 和光化学过程l 光能 电能光系统与光反应光系统与光反应光反应光反应发生在类囊体膜上发生在类囊体膜上碳反应碳反应发生在叶绿体的基质中发生在叶绿体的基质中 光合电子传递与光合磷酸化光合电子传递与光合磷酸化非环路的光合磷酸化途径和电子传递链非环路的光合磷酸化途径和电子传递链卡尔文循环卡尔文循环C3途径途径C3植物与植物与C4植物叶结构的比较植物叶结构的比较C4植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图植物玉米花环状维管束细胞的解剖结构图紧密的维管束鞘四周被大的维管束鞘细胞环绕包围。紧密的维管束鞘四周被大的维管束
23、鞘细胞环绕包围。在这类作物中大的叶绿体分布在维管束鞘细胞的外在这类作物中大的叶绿体分布在维管束鞘细胞的外围，维管束细胞被叶肉细胞包围。围，维管束细胞被叶肉细胞包围。C4途径途径C C4 4植物植物高梁甘蔗田 粟(millet)的穗形,“谷子”，去皮后称“小米”苋菜玉米景天科植物酸代谢途径景天科植物酸代谢途径（CAM途径）途径）l 景天科等植物有一个很特殊的特殊的CO2同化方式同化方式：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，用于光合作用，这样的与有机酸合成日与有机酸合成日变化有关的光合碳代谢变化有关的光合碳代谢途径途径称为(Crassulacean acid metabolism)CAM CAM植物植物-瓦松属瓦松属瓦松属1剑麻芦荟落地生根龙舌兰绯牡丹昙花多肉质植物多肉质植物鸡冠掌红司锦晃星静夜
