1、2023-1-23高中生物竞赛辅导高中生物竞赛辅导细细胞代谢胞代谢n生命活动需要能量 n 代谢是化学物质和能量的转化过程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。自养生物与异养生物生态系统中能量的流动是由多样化的生命过程完成的生命和能 热力学第一定律即能量守恒定律 宇宙的能量是一个常数，能量可以不断被转化和转移，但不可能被创造，也不可能被消灭n热力学第一定律 生命和能宇宙或系统的各种自发过程总是朝着熵增大的方向进行的。万物皆走向衰退。n热力学第二定律 生命和能 热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示。在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那一部分能
2、量为自由能，以G表示。热力学将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，以S表示。当熵增加时，系统的自由能便会下降，因此有：G=H-TS (T为绝对温度)生命一直在依靠能量的不断输入与第二定律作抗争。n 热力学第二定律 生命和能ds=des+dis ds:细胞和生物体的全部熵值变化 des:熵流=0ds0:系统有序化程度下降，细胞和生物体走向死亡ds0:系统向更有序化发展，细胞和生物体生长和进化生命和能耗散结构:(dissipative structure)生命体需要消耗能量，这些能量使得生命产生出远离平衡态的结构，这种称为耗散结构。生命体可以定以为一个通过不断汲取外部能量来维持甚至扩展其有序结构
3、的系统。生活细胞和生物体是通过使环境中的熵增加，或者说从环境中吸收负熵，来抵消体内熵的增长。生命和能ATP充当了各种类型能量转换中的媒介物细胞中能的转换能的转换发生部位化学能转换为渗透能化学能转换为机械能化学能转换为辐射能化学能转化为电能光能转换为化学能声能转换为化学能光能转换为化学能肾肌细胞、纤毛上皮细胞萤火虫发光器官神经、味觉及嗅觉感受器细胞叶绿体内耳视网膜生命和能化学平衡自发反应:自然界存在的一种不需要从外部供能就可发生的反应。通常都是不可逆的。可逆反应：反应同时向2个相反的方向进行 对于反应C+D E+F 平衡常数：Keq=EF/CDn放能反应和吸能反应 化学平衡 在一个反应中，如果产
4、物比反应物含有更少的自由能，即G0，这个反应便趋向于自发地进行。自发反应可释放自由能，称为放能反应。在一个反应中，如果产物比反应物含有较多的自由能，即G 0，这个反应便不能自发地进行。此时需从外界输入自由能才能进行反应，这样的反应称为吸能反应。平衡常数Keq与标准自由能变化(G)有相关性 G越小，Keq越大；反之G越大，Keq越小n放能反应和吸能反应 化学平衡细胞内氧化还原反应 氧化反应：失去电子或氢的反应；还原反应：得到电子的反应 细胞代谢过程中包含许多氧化还原过程，细胞色素是这些反应中重要的电子传递体，该类蛋白含有有一个铁原子的血红素辅基，和血红蛋白含铁辅基相似。细胞色素有a、a3、b、c
5、、f等。细胞内氧化还原反应细胞中常见的氧化-还原反应除包含电子的传递转移外，还包含氢的传递和转移，它与电子的转移是伴随发生的。细胞中能直接从底物取得电子和氢的传递体称为初级电子受体。如NAD+、NADP+、FMN和FAD等还原态的初级电子受体，即NADH、NADPH、FMNH2和FADH2，可再将所接受的电子和氢传递给其它传递体，如细胞色素和辅酶Q等。细胞呼吸 机体内进行的脱氢，加氧等氧化反应总称为生物氧化，按照生理意义不同可分为两大类：一类主要是将代谢物或药物和毒物等通过氧化反应进行生物转化，这类反应不伴有ATP的生成 另一类是糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解，生成H2O和CO
6、2，同时伴有ATP生物能的生成，这类反应进行过程中细胞要摄取O2，释放CO2，故又形象地称之为细胞呼吸。细胞呼吸 细胞呼吸：细胞氧化葡萄糖、脂肪酸或其它有机物以获取能并产生CO2的过程。在所有生物中存在，是生物获取能的方式。是一个复杂的、有多种酶参与的多步骤过程。以葡萄糖为例：C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能 呼吸商（R.）：细胞呼吸产生的CO2和消耗的O2分子比。不同的呼吸底物有不同的值。葡萄糖为1，一般脂肪酸为0.71，蛋白质为0.80。R.值越小，参与细胞呼吸时需氧多，放能也多。细胞呼吸细胞呼吸的全过程可以分为四个部分：糖酵解 丙酮酸氧化脱羧柠檬酸循环电子传递链糖
7、酵解（EMP途径）己糖分解成丙酮酸的过程 反应进行部位：细胞质 特点：不需O2的参与 由特定的酶催化糖酵解（EMP途径）糖酵解（EMP途径）糖酵解（EMP途径）糖酵解（EMP途径）糖酵解过程有三步不可逆反应，分别由三个调节酶（别构酶）催化，调节主要就发生在三个部位。已糖激酶调节 别构抑制剂（负效应调节物）：G6P和ADP 别构激活剂（正效应调节物）：ATP糖酵解（EMP途径）磷酸果糖激酶调节（关键限速步骤）抑制剂：ATP、柠檬酸、脂肪酸和H+激活剂：AMP、F2.62P ATP：细胞内含有丰富的ATP时，此酶几乎无活性。柠檬酸：高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号。H+：可防止肌肉中形成过量乳酸而
8、使血液酸中毒。丙酮酸激酶调节 抑制剂：乙酰CoA、长链脂肪酸、Ala、ATP 激活剂：F-1.6-P、细胞呼吸总反应为：葡萄糖+2ATP+2ADP+2Pi+2NAD+2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H+2H2O糖酵解（EMP途径）细胞呼吸丙酮酸氧化脱羧乙酰CoA的生成细胞呼吸柠檬酸循环（三羧酸循环，TCA）主要事件顺序为：（1）乙酰CoA与草酰乙酸结合，生成六碳的柠檬酸，放出CoA（2）柠檬酸先失去一个H2O而成顺乌头酸，再结合一个H2O转化为异柠檬酸（3）异柠檬酸发生脱氢、脱羧反应，生成五碳的-酮戊二酸，放出一个CO2，生成一个NADH+H+（4）-酮戊二酸发生脱氢、脱羧反应，并和CoA结
9、合，生成含高能硫键的四碳琥珀酰CoA，放出一个CO2，生成一个NADH+H+细胞呼吸 主要事件顺序为：（5）碳琥珀酰CoA脱去CoA和高能硫键，放出的能通过GTP转入ATP（6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸，生成1分子FADH2（7）延胡索酸和水化合而成苹果酸（8）苹果酸氧化脱氢，生成草酸乙酸，生成1分子NADH+H+柠檬酸循环（三羧酸循环，TCA）细胞呼吸细胞呼吸柠檬酸循环（三羧酸循环，TCA）细胞呼吸柠檬酸循环（三羧酸循环，TCA）细胞呼吸柠檬酸循环（三羧酸循环，TCA）细胞呼吸 小结：一次循环，消耗一个2碳的乙酰CoA，共发生一次底物水平的磷酸化（生成一分子ATP），两次脱羧反应（释放2分子C
10、O2），三个调节位点，四次脱氢反应（脱去8个H，生成3个NADH+H+，1个FADH2，其中四个H来自乙酰CoA，另四个H来自H2O）。柠檬酸循环（三羧酸循环，TCA）细胞呼吸 柠檬酸合酶（限速酶）受ATP、NADH、琥珀酰CoA及脂酰CoA抑制。受乙酰CoA、草酰乙酸激活 异柠檬酸脱氢酶 NADH、ATP可抑制此酶 ADP可活化此酶，当缺乏ADP时就失去活性。-酮戊二酸脱氢酶 受NADH和琥珀酰CoA抑制。柠檬酸循环（三羧酸循环，TCA）细胞呼吸电子传递系统和氧化磷酸化 葡萄糖代谢中的大部分能量的释放靠包括分子氧在内的电子传递系统或电子传递链来完成。电子传递链：存在于线粒体内膜上的一系列电子
11、传递体，如FMN、CoQ和各种细胞色素等，分子氧是电子传递链中最后的电子受体。在电子传递链中，各电子传递体的氧化还原反应从高能水平向低能水平顺序传递，在传递过程中释放的能通过磷酸化而被储存到ATP中，ATP的形成发生在线粒体内膜上。细胞呼吸电子传递系统和氧化磷酸化细胞呼吸电子传递系统和氧化磷酸化细胞呼吸电子传递系统和氧化磷酸化底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。
12、通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。化学渗透学说 当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的H+质子便穿过膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）而返回到线粒体的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。化学渗透学说 ATP合成酶 糖酵解：底物水平的磷酸化产生4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个NADH，经电子传递链生成4或6个ATP Krebs循环：底物水平的磷酸化产生2个ATP，脱氢反应产生8个NADH和2个FADH2，8个NADH经电子传递链生成24个
13、ATP，2个FADH2经电子传递链生成4个ATP。1分子葡萄糖彻底氧化分解所形成的能量统计细胞呼吸细胞呼吸细胞呼吸反反应应酶酶消耗消耗产生产生数量数量合计合计糖糖 酵酵 解解已糖激酶已糖激酶1 1-1-18 8磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶1 1-1-1磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶NADHNADH2 23 3磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶底物水平底物水平2 21 1丙酮酸激酶丙酮酸激酶底物水平底物水平2 21 1TCATCA丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸脱氢酶复合物NADHNADH2 23 33030异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶NADHNADH2 23 3-酮戊二酸脱氢酶复合物酮戊二酸脱氢酶复合物NAD
14、HNADH2 23 3琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADHFADH2 22 22 2苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶NADHNADH2 23 3琥珀酰琥珀酰CoACoA合成酶合成酶底物水平底物水平2 21 1糖的有氧氧化，如果缺乏糖的有氧氧化，如果缺乏氧气或线粒体，则氧化至丙氧气或线粒体，则氧化至丙酮酸时还原为乳酸，称糖的酮酸时还原为乳酸，称糖的无氧氧化（糖酵解）无氧氧化（糖酵解）磷酸戊糖途径，产物磷酸戊糖途径，产物5-5-磷磷酸核糖是合成核苷的原料酸核糖是合成核苷的原料由乙酰辅酶由乙酰辅酶A A合成脂肪酸、合成脂肪酸、脂肪和胆固醇脂肪和胆固醇肝脏中葡萄糖输出为血糖肝脏中葡萄糖输出为血糖肝脏中糖原的合成和
15、分解肝脏中糖原的合成和分解细胞呼吸甘油的转化脂肪酸的氧化脂肪酸的活化脂肪酸的氧化脂肪酸的氧化脂肪酸的活化细胞呼吸细胞呼吸光合作用一、光合作用的概念1.定义：光合作用是绿色植物利用光能，把CO2和H2O同化为有机物，并释放O2的过程。光CO2+2H2O (CH2O)+O2+H2O 光合细胞光合作用光合作用的部位植物的绿色部分(叶茎果等)，主要是叶片细胞中的叶绿体光合作用的原料CO2 来自于空气H2O 来自于土壤光合作用的产物C6H12O6 O2光合作用光合作用的能源可见光中380-720nm波长光光合作用的特点是一个氧化还原反应1.水被氧化为分子态氧2.二氧化碳被还原到糖水平3.同时发生日光能的吸收,转化和贮藏光合作用光合作用光合作用光合作用光合作用
