初中教育生命科學四章

1、 牛牛文庫文檔分享 牛牛文庫文檔分享 生物體的能量 熱力學定律 細胞的能量通貨ATP 酶促反應 影響酶活性的因素 生物代謝 牛牛文庫文檔分享 n生物體的能量 生命的存在要靠能量,生物本身不 能創(chuàng)造新的能量。幾乎所有地球 生命所需要的能量都來自太陽。 自養(yǎng)生物與異養(yǎng)生物。 生態(tài)系統(tǒng)中能量的流動是由多樣 化的生命過程完成的。 牛牛文庫文檔分享 n熱力學定律 熱力學第一定律即能量守恒定 律。 宇宙的能量是一個常數(shù)，能量 可以不斷被轉化和轉移，但不 可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅。 牛牛文庫文檔分享 熱力學將不能做功的隨機和無 序狀態(tài)的能定義為熵，以S表 示。 宇宙或系統(tǒng)的各種過程總是向 著熵增大的方向進

2、行。 牛牛文庫文檔分享 熱力學將系統(tǒng)中總的熱量稱為焓，以H表示。 在恒定溫度和壓力條件下總能量中可以做功的那一部分能 量為自由能，以G表示。 當熵增加時，系統(tǒng)的自由能便會下降，因此有： DG = DH-TDS (T為絕對溫度) 生命依靠能量的不斷輸入一直在與熱力學第二定律作抗爭。 牛牛文庫文檔分享 物理和化學過程達到平衡時， 即達到系統(tǒng)的自由能最小而 熵最大。 牛牛文庫文檔分享 在一個反應中，如果產(chǎn)物比反應物含有更少的自由能，這個反 應便趨向于自發(fā)地進行。 自發(fā)反應可釋放自由能，稱為放能反應。 需從外界輸入自由能才能進行的反應稱為吸能反應。 牛牛文庫文檔分享 n細胞的能量通貨ATP 在活細胞中

3、，能量貯存在腺嘌 呤核苷三磷酸(ATP)中。 ATP ATP水解時，一個高能磷酸鍵斷 裂同時釋放出能量。 牛牛文庫文檔分享 ATP作為細胞能量的通貨是如何工作的？ 放能反應和ATP 的合成相偶聯(lián)， 吸能反應和ATP 的分解相偶聯(lián)。 牛牛文庫文檔分享 發(fā)光細胞有熒光素酶（E-LH）， 酶促反應使ATP與E-LH先偶聯(lián)，偶聯(lián) 的高能中間產(chǎn)物ELH2-AMP在氧氣存 在時可釋放出能量，并以熒光的形式 發(fā)射出來： ATP+E-LH ATP+E-LH E E LHLH2 2-AMP + P-AMP + Pi i E E LHLH2 2-AMP+O-AMP+O2 2 E-P+CO E-P+CO2 2+ +

4、h h 仲夏的夜晚螢火蟲如何利用ATP來發(fā)光？ 牛牛文庫文檔分享 n酶促反應 熱力學原理只能幫助我們預測一個反應能否發(fā)生，卻 不能告訴我們反應的速度有多快。 酶是細胞產(chǎn)生的可調(diào)節(jié)化學反應速度的催化劑。 絕大多數(shù)的酶都是蛋白質。 酶在常溫、常壓、中性pH的溫和條件下具有很高的催 化效率。 牛牛文庫文檔分享 化學鍵 能障 活化能 酶可以降低活化一個反應所需要的能量 牛牛文庫文檔分享 酶 + 底物 酶-底物復合物 酶酶 + + 產(chǎn)物產(chǎn)物 E + S E + S E-S E + PE + P 酶與底物結合降低反應的活化能 牛牛文庫文檔分享 特殊的三維空間結構和構象 酶的活性位點或酶的活性中心 鑰匙和鎖

5、 誘導契合 酶的活性位點“柔性學說” 酶的特異性（專一性） 牛牛文庫文檔分享 n影響酶活性的因素 牛牛文庫文檔分享 牛牛文庫文檔分享 無機金屬離子輔助因子 有機化合物輔酶遞H+或遞電子 NADP+和FAD 的遞H+和遞 電子作用 牛牛文庫文檔分享 可逆與不可逆抑制劑 競爭性與非競爭性抑制劑 牛牛文庫文檔分享 酶促反應在細胞中往往不是獨 立發(fā)生的。 在代謝過程中局部反應對催化 該反應的酶所起的抑制作用， 稱為反饋抑制。 細胞自行調(diào)節(jié)其代謝的一種機 制。 維持細胞穩(wěn)態(tài)的重要機制。 牛牛文庫文檔分享 n生物代謝 在極其微小的空間內(nèi)發(fā)生著數(shù)千種生物化學反應。 代謝是生物體內(nèi)所有化學反應過程的總稱。 代

6、謝酶控制下的化學反應和能量轉化。 細胞不是一個裝滿了各種酶和底物的口袋。 細胞復雜的結構特別是膜的結構固定了各代謝反應的空間 和時間，使它們高度有序并可以被控制和調(diào)節(jié)。 牛牛文庫文檔分享 細胞利用能量（ATP）完成各種工作。 牛牛文庫文檔分享 代謝途徑就像復雜道路交通圖。 牛牛文庫文檔分享 1853年，法國科學家Tour正在發(fā)酵的啤酒含有酵母菌。 同年，德國科學家Schwann酵母菌在酒發(fā)酵中的關鍵作用。 n 巴斯德（Pasteur）與生物發(fā)酵 科學界的排斥 o 現(xiàn)代化學之父Lavoiser堅持發(fā)酵只是 一種簡單的化學反應，即： C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 o Liebig的

7、嘲笑 不公正地解雇。 1854年 “巴斯德消毒法”。酵母菌的 大量繁殖實驗酵母菌的代謝活動是 發(fā)酵的最重要因素。 細胞體外的發(fā)酵也必須要有酶的參與。 牛牛文庫文檔分享 細胞呼吸產(chǎn)生能量 細胞呼吸的化學過程 ATP形成機理和能量形成的統(tǒng)計 其它營養(yǎng)物質的轉化 牛牛文庫文檔分享 n 細胞呼吸產(chǎn)生能量 細胞呼吸是生物體獲得能量的主要代謝 途徑。 細胞呼吸是一種氧化反應。 有機化合物有機化合物+O+O2 2COCO2 2+ +能量能量 “燃料”包括糖類、脂肪、蛋白質等。 C C6 6H H12 12O O6 6+6O +6O2 26CO6CO2 2+6H+6H2 2O+O+能量（能量（ATP+ATP+

8、熱量）熱量） 細胞呼吸主要在線粒體中進行，溫和條 件和酶的參與調(diào)控。 牛牛文庫文檔分享 在有氧環(huán)境中，酵母細胞消耗氧氣來 分解葡萄糖并獲得能量，同時產(chǎn)生二 氧化碳。 在缺氧環(huán)境中，酵母菌將葡萄糖分解 成酒精（乙醇）和二氧化碳。 在有氧環(huán)境中，食物分子被充分氧化， 可產(chǎn)生比無氧環(huán)境更多的能量。 發(fā)酵是典型的細胞呼吸過程 牛牛文庫文檔分享 慢跑，細胞消耗氧氣來分解葡萄糖并獲得能量，同時產(chǎn)生 二氧化碳和水。 快跑，細胞將葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。 人體細胞的呼吸過程 牛牛文庫文檔分享 細胞呼吸定義為生物細胞消耗氧氣來分解食物分子并獲得 能量的過程。 通常意義的呼吸運動與細胞呼吸是相互關聯(lián)的。 呼吸

9、運動與細胞呼吸 牛牛文庫文檔分享 獲得電子還原反應；失去電子氧化反應。 氧化還原反應細胞中氫及其電子從一個化合物向另一 個化合物轉移。 氧化還原反應是呼吸作用和光合作用等代謝中最基本的反 應。 牛牛文庫文檔分享 被轉移的氫原子所攜帶的能量儲藏在新化學鍵中。 還原態(tài)的NADH、NADPH和FADH2等還可將所接受的電子和 氫傳遞給其他傳遞體如細胞色素、輔酶Q等。 牛牛文庫文檔分享 儲藏在葡萄糖等食物分子中的化 學能經(jīng)細胞呼吸釋放，以高能磷 酸鍵的形式貯藏在ATP分子中。 葡萄糖中大約40-50%的能量被轉 化儲存在ATP中，而汽車發(fā)動機只 有15-25%轉化為動能，細胞呼吸 的產(chǎn)能效率高。 牛牛

10、文庫文檔分享 在生物體中，ATP不斷地消耗和再生，維持著生命的高度有 序狀態(tài)。 動物細胞呼吸的“燃料”。 ATPATP和和ADPADP分子的相互轉換分子的相互轉換 牛牛文庫文檔分享 一個人每天大約需要消耗45 Kg ATP，但每一時刻貯存在 人體里的ATP不到1g。即每個細胞每秒鐘大約可形成一千 萬個ATP， 每摩爾ATP 水解形成ADP，可產(chǎn)生7.3 Kcal/mol 的能量。 一個成年人每天攝入的食物分子經(jīng)過細胞呼吸形成的ATP， 可提供大約2200 Kcal的能量。 牛牛文庫文檔分享 n 細胞呼吸的化學過程 細胞呼吸是由一系列化學反 應組成的一個連續(xù)完整的代 謝過程。 每一步化學反應都需

11、要特定 的酶參與才能完成。 細胞呼吸的3個階段。 牛牛文庫文檔分享 發(fā)生在細胞質中的9步反應。 參與化合物：葡萄糖，ADP和磷酸， NAD+。起始階段還需要消耗2分子ATP 來啟動，但后期共產(chǎn)出4分子ATP，還形成 高能化合物NADH。最終產(chǎn)物是丙酮酸。 糖酵解將六碳的葡萄糖分解成2個三碳的 丙酮酸，凈產(chǎn)生2個ATP，生成1分子NADH， 糖酵解不需要氧參與。 牛牛文庫文檔分享 發(fā)生在線粒體中。 分解丙酮酸形成2分子CO2、 8個H，3分子NADH和1分子 FADH2，及1分子ATP。 Krebs循環(huán)也是放能反應 過程。 牛牛文庫文檔分享 電子傳遞鏈就是通過一系列的氧化還原反應，將高能電子從

12、NADH 和FADH2最終傳遞給分子氧，同時隨著電子能量水平的逐 步下降，高能電子所釋放的化學能就通過磷酸化途徑貯存到 ATP分子中。 牛牛文庫文檔分享 電子傳遞鏈又稱呼吸鏈，主要成分是線粒體內(nèi)膜上的蛋白復合 物，這些復合物包含了一系列的電子傳遞體。 牛牛文庫文檔分享 n ATP形成機理和能量形成的統(tǒng)計 在磷酸化過程中，相關的酶將底物分子上的磷酸基團直接轉 移到ADP分子上。 牛牛文庫文檔分享 1961年，英國科學家Mitchell提出化學滲透學說由此榮獲 1978年的諾貝爾獎。 當線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈進行 電子傳遞時，電子能量逐步降 低，脫下的H+質子便穿過膜從 線粒體的基質進入到內(nèi)膜外的

13、腔中，造成跨膜的質子梯度 （濃度差），導致化學滲透發(fā) 生，即質子順梯度從外腔經(jīng)內(nèi) 膜通道（ATP合成酶）而返回 到線粒體的基質中，所釋放的 能使ADP與磷酸結合生成ATP。 牛牛文庫文檔分享 糖酵解：底物水平的磷酸 化產(chǎn)生4個ATP，己糖活化 消耗2個ATP，脫氫反應產(chǎn) 生2個NADH，經(jīng)電子傳遞 鏈生成4或6個ATP。 Krebs循環(huán)：底物水平的 磷酸化產(chǎn)生2個ATP，脫氫 反應產(chǎn)生8個NADH和2個 FADH2，8個NADH經(jīng)電子傳 遞鏈生成24個ATP，2個 FADH2經(jīng)電子傳遞鏈生成4 個ATP。 牛牛文庫文檔分享 在呼吸鏈電子傳遞過程中，每分子NADH產(chǎn)生3分子ATP， 每分子FAD

14、H2產(chǎn)生2分子ATP，1分子葡萄糖通過有氧呼吸共形 成36或38個ATP。整個有氧呼吸過程凈產(chǎn)生36還是38個ATP取 決于糖酵解階段產(chǎn)生于細胞質中的NADH穿過線粒體膜進入呼 吸鏈時是否消耗能量，按甘油磷酸環(huán)路穿過線粒體膜需要消 耗2分子ATP，按蘋果酸-天冬氨酸環(huán)路則不需要消耗ATP。 牛牛文庫文檔分享 n 其他營養(yǎng)物質的氧化 生物大分子需要經(jīng)過消 化作用生成單體小分子 的葡萄糖、氨基酸或脂 肪酸等。 消化作用常常發(fā)生在細 胞外，而不是在細胞質 內(nèi)，它是一種在酶作用 下的水解過程。 牛牛文庫文檔分享 氨基酸與脂肪酸的氧 化是先轉變?yōu)槟撤N中 間產(chǎn)物，然后進入糖 酵解或三羧酸循環(huán)。 氨基酸脫氨

15、變成三羧 酸循環(huán)中的有機酸。 脂肪酸可以與輔酶A結 合后氧化生成乙酰輔 酶A而進入三羧酸循環(huán)。 甘油則可以轉變?yōu)榱?酸甘油醛進入糖酵解 過程。 牛牛文庫文檔分享 食物分子的氧化分解 即細胞呼吸過程捕獲 能量； 食物分子的分解又為 生物大分子的合成和 細胞、組織和生物體 的組成提供原料。 牛牛文庫文檔分享 光合作用的早期研究化學過程 光合自養(yǎng)生物是生物圈的生產(chǎn)者 光的性質與葉綠素 光系統(tǒng)與光反應 暗反應與葡萄糖的形成 牛牛文庫文檔分享 n 光合作用的早期研究 1642年 比利時科學家 Helmont 1770年英國牧師 Priestley 大玻璃罩 老鼠 蠟燭 顯微鏡 氣孔 牛牛文庫文檔分享 氧

16、氣的來源 1930年，Stanford大學 Niel 細菌光合作用： CO2 + H2S CH2O + S CO2 + H2O CH2O + O2 植物的光合作用表達式 牛牛文庫文檔分享 10年后 同位素示蹤 CO2 + H218O CH2O + 18O2 證明：在光合作用中，不是CO2而是H2O被光解放出了O2。 牛牛文庫文檔分享 n 光合自養(yǎng)生物是生物圈的生產(chǎn)者 光合自養(yǎng)生物 植 物利用太陽能制造食 物分子供自我代謝需 要，原料CO2和H2O， 為其它的生命直接或 間接地提供了食物， 是生物圈的生產(chǎn)者； 光合自養(yǎng)生物主要 種類 陸生植物 藻類 光合細菌 食肉動物 食草動物 牛牛文庫文檔分享

17、 葉綠體和光合膜 葉片 葉綠體 分布于葉肉組織 氣孔控制著CO2 和O2進出 葉綠體的形狀類似于一個凸透鏡，直徑范圍為2-7 m。葉綠體 外包被是雙層生物膜，膜內(nèi)含有稱為基質的致密液體，懸浮分布于 基質中的是一些膜系統(tǒng)，它們是一系列排列整齊的扁平囊狀結構稱 之為類囊體。部分類囊體相互垛疊在一起像一摞硬幣，稱為基粒。 牛牛文庫文檔分享 光合膜 是植物利用光 能制造食物分子最 重要的場所。 牛牛文庫文檔分享 n光的性質與葉綠素 光是一種電磁波 粒子性質 光子的能量與其波長成反比， 紫光波長最短，能量最大；紅光波長較長，能量小。日光經(jīng)過棱 鏡折射，形成連續(xù)不同波長的光，即可見光譜。 光的性質 牛牛文

18、庫文檔分享 光子照射到某些生物分子 電子躍遷到更高的能量水平 激發(fā)態(tài)： 葉綠素分子是一種可以被可見光激發(fā)的色素分子，在光子驅動下發(fā)生的 得失電子反應是光合作用過程中最基本的反應。 牛牛文庫文檔分享 葉綠素 葉綠素分子由碳 和氮原子組成 卟啉 環(huán)與葉醇側鏈相連結 葉醇側鏈插入到類囊 體膜中。 光合作用的色素 主要包括葉綠素a， 葉綠素b，胡蘿卜素， 藻膽素等。 葉綠素a啟動光 反應。 牛牛文庫文檔分享 問題:為什么植物都是綠色綠色的？ 牛牛文庫文檔分享 不同波長光作用下的光合效率稱為作用光譜 1883年，德國 Engelmann 水綿 絲狀綠藻 螺旋帶狀 葉綠體 好氧游動的細菌 棱鏡 不同波長的

19、光 向著紅光和藍 光區(qū)域聚集。 牛牛文庫文檔分享 分光光度計 牛牛文庫文檔分享 n光系統(tǒng)與光反應 光反應發(fā)生在類囊體膜上 暗反應發(fā)生在葉綠體的基質中 牛牛文庫文檔分享 光系統(tǒng) 由葉綠素分子及其蛋白復合物、天線色素系統(tǒng)和電子受體等 組成的單位稱為光系統(tǒng)。光反應由兩個光系統(tǒng)及電子傳遞鏈來完 成。 含有被稱為“P700”的高度特化的葉綠素a分子 含有另一種被稱為“P680”高度特化的葉綠素a分 子 葉綠素b 胡蘿卜素 天線色素復合物吸收或捕獲太陽能傳遞給 P700和P680 反應中心葉綠素分子被激發(fā) 放出高能電子 牛牛文庫文檔分享 光系統(tǒng)I中 P700被光能激發(fā) 原初電子受體 傳給鐵氧還蛋 白 最終

20、電子受體NADP+ 一個氫質子被結合形成還原型的NADPH 形成電子空穴 光系統(tǒng)II的反應中心P680分子受光激發(fā) 電子傳遞鏈 原初電 子受體質體醌、細胞色素b6-f復合物和質體藍素到P700 填充了 P700的電子空穴 電子傳遞時能量逐漸下降 形成跨膜的質子梯度 導致ATP的 形成 在光系統(tǒng)II中被激發(fā)后失去電子的P680分子如何再生？ 水裂解 填補空穴 氧氣釋放 提供氫質子用以形成NADPH. 光能傳遞和電子傳遞鏈 牛牛文庫文檔分享 非環(huán)路的光合磷酸化途徑和電子傳遞鏈 牛牛文庫文檔分享 環(huán)路光合磷酸化 環(huán)路 高能電子 原初電子受體、鐵氧還蛋白、細胞色素、 質體藍素 氧化型的P700分子 基

21、態(tài) 電子的能量逐漸降低 ATP 牛牛文庫文檔分享 光反應小結： 1.葉綠素吸收光能并將光能轉化為電能，即造成從葉綠素分子 起始的電子流動。 2.在電子流動過程中，通過氫離子的化學滲透，形成了ATP， 電能被轉化為化學能。 3.一些由葉綠素捕獲的光能還被用于水的裂解，又稱為水的光 解，氧氣從水中被釋放出來。 4.電子沿傳遞鏈最終達到最終電子受體NADP+，同時一個來源于 水的氫質子被結合，形成了還原型的NADPH，電能又再一次被轉化 為化學能，并儲存于NADPH中。 牛牛文庫文檔分享 n暗反應（卡爾文循環(huán)）與葡萄糖的形成 12NADPH+12H+18ATP+6CO2 C6H12O6+12NADP

22、+18ADP+18Pi 葉綠體基質中 不斷消耗ATP和 NADPH，固定CO2形 成葡萄糖的循環(huán)反 應，Calvin循環(huán)。 牛牛文庫文檔分享 二磷酸甘油醛作為中間產(chǎn)物的代謝 牛牛文庫文檔分享 牛牛文庫文檔分享 生命活動需要能量，代謝是發(fā)生在生物體內(nèi)的化學物質和能量的轉 化過程。生命活動符合熱力學第一定律和熱力學第二定律。生命依靠不斷 地輸入能量維持高度有序的整體。光能自養(yǎng)生物依賴于光合作用、異養(yǎng)生 物依賴消耗有機質來補充能量。ATP是細胞的能量通貨，生物體內(nèi)放能反 應與ATP的合成相偶聯(lián)，吸能反應與ATP的分解相偶聯(lián)。 細胞呼吸是生物體獲得能量的主要代謝途徑，主要在線粒體中進行， 在溫和條件和酶的參與調(diào)控下，通過一系列氧化還原反應，將儲藏在葡萄 糖等中的化學能釋放，并以高能磷酸