【上海医科大学】优质课《生理学基础》第四章生物细胞代谢的机能和过程.ppt
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1、【上海医科大学】优质课全国特级教师 江新欢 博士教授生理学基础生理学基础第四章第四章 生物细胞代谢的机能和过程生物细胞代谢的机能和过程目录能与细胞能与细胞的关系的关系1细胞生物细胞生物酶酶2细胞中细胞中物质的跨膜转运物质的跨膜转运3 3细胞呼吸细胞呼吸过程过程4 4细胞的细胞的光合作用光合作用54.1能与细胞能与细胞定义定义:能是能是产生变化产生变化的本能或可以做功的本的本能或可以做功的本领。领。4.1.1 4.1.1 能是做功的本领能是做功的本领存在存在形式形式 动能动能 势能势能 由于运动而具有的能。热、电、光由于运动而具有的能。热、电、光物体由于物体由于所在位置或所在位置或 本身的排列本
2、身的排列而具有的能。而具有的能。能量的转变导致宇宙有序性的降低、无序性的能量的转变导致宇宙有序性的降低、无序性的增加。如:汽油的燃烧(增加。如:汽油的燃烧(75%75%)4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 热力学定律热力学定律热力学定律热力学定律热力学是研究所有物体热力学是研究所有物体热力学是研究所有物体热力学是研究所有物体能量转化能量转化规律的科学规律的科学规律的科学规律的科学第一定律(能量守恒定律)第一定律(能量守恒定律)第一定律(能量守恒定律)第一定律(能量守恒定律)宇宙中总能量是固定不变的,能量既不能创造,又不能消灭,宇宙中总能量是固定不变的,能量既不能创造,又不能消灭,宇
3、宙中总能量是固定不变的,能量既不能创造,又不能消灭,宇宙中总能量是固定不变的,能量既不能创造,又不能消灭,只能从一种形式只能从一种形式只能从一种形式只能从一种形式转化转化成另一种形式。如:发电厂、光合作用。成另一种形式。如:发电厂、光合作用。成另一种形式。如:发电厂、光合作用。成另一种形式。如:发电厂、光合作用。第二定律:第二定律:4.1.3 4.1.3 吸能反应和放能反应吸能反应和放能反应 吸能反应吸能反应放放能反应能反应细胞代谢细胞代谢指反应产物分子中势能比反应物分子中的势能多。指反应产物分子中势能比反应物分子中的势能多。指产物分子中的化学能少于反应物分子中的化学能。指产物分子中的化学能少
4、于反应物分子中的化学能。如:燃烧、光合作用、如:燃烧、光合作用、细胞呼吸细胞呼吸每一个活细胞吸能和放能反应的总称。每一个活细胞吸能和放能反应的总称。一个代谢反应释出的能量贮入一个代谢反应释出的能量贮入ATPATP,ATPATP所贮能量供另一个代谢反应消耗所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用能量时使用。4.1.4 ATP4.1.4 ATP是细胞中的能量通货是细胞中的能量通货生物体生物体生物体生物体把能量用在生命活动的把能量用在生命活动的把能量用在生命活动的把能量用在生命活动的各个方面各个方面各个方面各个方面 4.2 酶酶酶:酶:细胞中有促进化学反应速度的催化剂细胞中有促进化学反应速度的催化剂4
5、.2.1 酶酶(enzyme)的催化特点的催化特点催化剂可以加快化学反应的速度,它的突出优点是:催化剂可以加快化学反应的速度,它的突出优点是:催化效率高催化效率高专一性专一性可调节可调节专一性专一性l一种酶往往只对一类化合物或一种化学键起催化作一种酶往往只对一类化合物或一种化学键起催化作用。用。l l可调节可调节可调节可调节l l有机体内进行着上千万种反应,这些反应之间所以有机体内进行着上千万种反应,这些反应之间所以有机体内进行着上千万种反应,这些反应之间所以有机体内进行着上千万种反应,这些反应之间所以能协调进行,是因为酶本身的活性可以受到调控。能协调进行,是因为酶本身的活性可以受到调控。能协
6、调进行,是因为酶本身的活性可以受到调控。能协调进行,是因为酶本身的活性可以受到调控。pHpHpHpH值、温度、底物及酶的浓度值、温度、底物及酶的浓度值、温度、底物及酶的浓度值、温度、底物及酶的浓度都是影响酶活性的因素,都是影响酶活性的因素,都是影响酶活性的因素,都是影响酶活性的因素,一些化学物质也可选择性地抑制某个酶的活性。一些化学物质也可选择性地抑制某个酶的活性。一些化学物质也可选择性地抑制某个酶的活性。一些化学物质也可选择性地抑制某个酶的活性。4.2.2 酶的化学本质是蛋白质简单酶:完全由蛋白质组成。如:核糖核酸酶 胃蛋白酶 结合酶:亦称全酶,全酶=蛋白质+辅助因子。(cofactor)。
7、(辅酶辅酶或辅基)或辅基)辅酶(coenzyme):辅辅助助因因子子是是有有机机化化合合物物。如如B B族族维维生生素素就就是是一一种种羧羧化化酶酶的的辅辅酶酶。在在酶酶促促反反应应中中携携带带或或传递底物的电子、原子或作用基团。传递底物的电子、原子或作用基团。辅基(prosthetic group):辅辅助助因因子子是是离离子子称称为为辅辅基基。CuCu2+2+是细胞色素氧化酶的辅助因子是细胞色素氧化酶的辅助因子。如:羧基肽酶以二价锌离子(Zn2+)为辅助因子又如:过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助因子 4.2.3 4.2.3 酶酶降低反应的活化能降低反应的活化能 活化能:活化能:在一定温度下在一定
8、温度下1mol 底物底物全部进入活全部进入活化态所需要的自由能。化态所需要的自由能。底物:底物:酶所催化的反应中的反应物酶所催化的反应中的反应物 一个化学反应体系中,只有具较高能量的活化一个化学反应体系中,只有具较高能量的活化分子才能在碰撞中发生化学反应分子才能在碰撞中发生化学反应。酶是如何降低活化能的呢?首先首先需要酶与需要酶与底物分子底物分子结合,酶蛋白结构中结合,酶蛋白结构中有底物有底物结合中心结合中心/活性中心。活性中心。酶的活性部位酶的活性部位是酶分子表面起催化作用的区域,这是酶分子表面起催化作用的区域,这个区域是由酶分子三维结构上比较靠近的少数几个个区域是由酶分子三维结构上比较靠近
9、的少数几个氨基酸残基或这些残基上的某些基团所组成,它们氨基酸残基或这些残基上的某些基团所组成,它们在一级结构上可能相距很远,甚至位于不同的肽链在一级结构上可能相距很远,甚至位于不同的肽链上。通过肽链的缠绕折叠而在空间构象上互相接近,上。通过肽链的缠绕折叠而在空间构象上互相接近,并往往位于酶分子表面的裂隙或凹陷内。并往往位于酶分子表面的裂隙或凹陷内。酶与底物的专一结合,又是酶促反应酶与底物的专一结合,又是酶促反应专一专一性性的体现。的体现。然后,酶蛋白分子然后,酶蛋白分子以各种方式以各种方式,作用于底,作用于底物分子,使底物分子物分子,使底物分子活化起来。活化起来。中间产物学说中间产物学说在酶促
10、反应中,底物在酶促反应中,底物(反应物反应物)先与酶结合成不稳定的中先与酶结合成不稳定的中间产物间产物(酶酶底物复合物底物复合物),然后再迅速地分解为产物和,然后再迅速地分解为产物和酶酶 酶酶 底物底物 中间产物中间产物 酶酶 产产物物从电子理论的观点来看,酶与底物结合成中间从电子理论的观点来看,酶与底物结合成中间产物之所以能降低反应物的活化能,可能是由产物之所以能降低反应物的活化能,可能是由于酶与底物多点结合后,于酶与底物多点结合后,原底物原底物分子因受酶分分子因受酶分子的电荷的影响或诱导子的电荷的影响或诱导(或弱键形成或弱键形成)引起了底引起了底物各原子的物各原子的电子分布情况发生改变电子
11、分布情况发生改变,使底物趋,使底物趋于不稳定状态,增加其反应性,结果活化能降于不稳定状态,增加其反应性,结果活化能降低。低。诱导契合诱导契合假说假说(induced fit hypthesis)当酶分子与底物分子接近时,当酶分子与底物分子接近时,酶蛋白酶蛋白受底物分受底物分子的诱导,其构象发生有利于与底物结合的变子的诱导,其构象发生有利于与底物结合的变化,酶与底物在此基础上互补楔合,结合得更化,酶与底物在此基础上互补楔合,结合得更加紧密,利于反应进行。加紧密,利于反应进行。温度:人体温度:人体 35-4035-40摄氏度摄氏度PHPH和盐的浓度和盐的浓度 6-86-8酶的抑制剂酶的抑制剂 4.
12、2.4.2.4 4 多种因素影响酶的调控多种因素影响酶的调控竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制剂剂剂剂非竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制剂剂剂剂q 竞争性抑制(Competitive inhibition)有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时,这些分子与底物竞争结合酶的活性中心,亦会表现出酶活性的降低(抑制)。这种情况称为酶的竞争性抑制。鹊巢鸠占非竞争性抑制剂(Noncompetitive inhibition)酶同时具有底物结合部位及抑制物结合部位,抑酶同时具有底物结合部位及抑制物结合部位,抑制物结合后,使酶活性部位的制物结合后,使酶活性部位的立体结构改变立体结构改
13、变,使,使底物无法与酶结合底物无法与酶结合。抑制剂的作用是可逆的(氢键),也可能抑制剂的作用是可逆的(氢键),也可能是不可逆的(共价键)。是不可逆的(共价键)。负反馈:负反馈:代谢反应为其产物所抑制的现象。代谢反应为其产物所抑制的现象。几个酶或十几个酶前后配合,完成一系列代谢反应,形成一条代谢途径。在一条代谢途径中,常常是前一个酶促反应的产物,便是下一个酶促反应的底物。一条代谢途径的终产物,有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合,结合的结果使这个酶活性下降,从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况称为“反馈抑制”。值得注意的是,发生反馈抑制时,代谢终产物与酶结合时,是非共价结合,是可逆的
14、。负反馈调节方式为整个生命过程负反馈调节方式为整个生命过程(不同层次的不同层次的生命过程生命过程)的主要调控方式,正是如此,生的主要调控方式,正是如此,生命过程的上千万种化学反应才能有条不紊命过程的上千万种化学反应才能有条不紊地进行。地进行。4.2.5 核酶核酶:RNA催化剂两类:两类:催化分子内的反应催化分子内的反应,即分子的一部分与另一,即分子的一部分与另一部分反应,例如部分反应,例如RNA的一段在该分子内改的一段在该分子内改换位置换位置催化分子间的反应催化分子间的反应,催化别的分子的反应。,催化别的分子的反应。4.3 物质的跨膜转运4.3.1 膜的选择性源于其分子组成膜的选择性源于其分子
15、组成 1.脂双层 烃类 C02 氧 2.转运蛋白(膜内在蛋白质)葡萄糖 氨基酸什么决定物质的转运方向呢什么决定物质的转运方向呢4.3.2 4.3.2 被动转运是穿过膜的扩散被动转运是穿过膜的扩散扩散:扩散:扩散:扩散:分子因其所带动能自由运动而造成的。分子因其所带动能自由运动而造成的。分子因其所带动能自由运动而造成的。分子因其所带动能自由运动而造成的。被动运输:物质被动运输:物质被动运输:物质被动运输:物质顺浓度梯度顺浓度梯度顺浓度梯度顺浓度梯度而穿过膜扩散的作用而穿过膜扩散的作用而穿过膜扩散的作用而穿过膜扩散的作用如如如如 进行细胞呼吸的细胞。进行细胞呼吸的细胞。进行细胞呼吸的细胞。进行细胞
16、呼吸的细胞。问题一种溶液中有多种溶质存在,某种物质一种溶液中有多种溶质存在,某种物质 穿穿过膜的扩散与什么有关?过膜的扩散与什么有关?是任何顺浓度梯度存在的物质都能顺利的是任何顺浓度梯度存在的物质都能顺利的穿过膜吗?穿过膜吗?水是如何出入细胞的?水是如何出入细胞的?4.3.3 渗透是水的被动转运高渗溶液高渗溶液:两种溶质相同而浓度不同:两种溶质相同而浓度不同的溶液。浓度较高的溶液叫高渗溶液。的溶液。浓度较高的溶液叫高渗溶液。如:将细胞(或生物体)浸入某种溶如:将细胞(或生物体)浸入某种溶液中时,水从细胞向外部渗出,这种液中时,水从细胞向外部渗出,这种溶液显示高渗性,称为高渗溶液。溶液显示高渗性
17、,称为高渗溶液。等渗溶液等渗溶液 渗透现象渗透现象 osmosisosmosis(参见(参见 P58 P58 图图4.74.7)水分从水势高的系统通过半透膜水分从水势高的系统通过半透膜水分从水势高的系统通过半透膜水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象向水势低的系统移动的现象向水势低的系统移动的现象向水势低的系统移动的现象。1 1 无壁细胞的水分平衡无壁细胞的水分平衡湖泊中盐分的增加会杀死其中的动物。湖泊中盐分的增加会杀死其中的动物。大大多多数数陆陆生生动动物物的的细细胞胞周周围围的的液液体体与与细细胞胞中中的的液液体体是是等等渗渗的的。其其他他的的则则有有特特殊殊的调节。的调节。
18、如如草草履履虫虫生生活活在在低低渗渗的的池池水水中中,它它的的质质膜对水的透性小,具有膜对水的透性小,具有伸缩泡伸缩泡(可排水)(可排水)海水为什么不能喝海水为什么不能喝海水中各种物质浓度太高,远远超过饮用水卫生海水中各种物质浓度太高,远远超过饮用水卫生标准,如果大量饮用,会导致某些元素过量进入标准,如果大量饮用,会导致某些元素过量进入人体,影响人体正常的生理功能,严重的还会引人体,影响人体正常的生理功能,严重的还会引起中毒。起中毒。原来,人体为了要排出原来,人体为了要排出100100克海水中含有的盐类,克海水中含有的盐类,就要排出就要排出150150克左右的水分。所以,饮用了海水的克左右的水
19、分。所以,饮用了海水的人不仅补充不到人体需要的水分,反而脱水加快,人不仅补充不到人体需要的水分,反而脱水加快,最后造成死亡。最后造成死亡。海水经过淡化处理后是可以饮用海水经过淡化处理后是可以饮用的。的。2 有壁细胞的水分平衡植物植物 细菌细菌 藻类藻类 真菌真菌渗透现象是渗透现象是集流集流和和扩散扩散的综合结果。的综合结果。集流(集流(bulk flow):浓度差浓度差和和压力差压力差造成的一群离子或分子造成的一群离子或分子的集体流动。的集体流动。化学势化学势(chemical potentialchemical potential):每摩尔物质中:每摩尔物质中自由能自由能的的多少。多少。自由
20、能自由能(free energyfree energy):在温度不变的情况下可用于做功:在温度不变的情况下可用于做功的能量。的能量。水势水势(water potentialwater potential):一个体系中水的化学势。:一个体系中水的化学势。纯水纯水的水势在的水势在1大气压和大气压和0下规定为下规定为0.细胞的水势是由细胞的水势是由渗透势渗透势和和压力势压力势组成的。组成的。w w w w =+p p p p渗透势(渗透势(渗透势(渗透势():):):):由于溶质颗粒的存在而使水的自由能降低导致水由于溶质颗粒的存在而使水的自由能降低导致水由于溶质颗粒的存在而使水的自由能降低导致水由于
21、溶质颗粒的存在而使水的自由能降低导致水势降低的部分。负值势降低的部分。负值势降低的部分。负值势降低的部分。负值压力势(压力势(压力势(压力势(p p p p):由于细胞壁压力的存在而增加的水势。由于细胞壁压力的存在而增加的水势。由于细胞壁压力的存在而增加的水势。由于细胞壁压力的存在而增加的水势。正值正值正值正值 0 0 0 0 负值负值负值负值4.3.4 4.3.4 专一的蛋白质使被动转运易化专一的蛋白质使被动转运易化易化扩散:易化扩散:是指非是指非脂溶性物质或亲水性物脂溶性物质或亲水性物质质,如氨基酸、糖和金属离子等如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞借助细胞膜上的膜蛋白膜上的膜蛋白的帮助的帮助
22、顺浓度梯度顺浓度梯度或或顺电化顺电化学浓度梯度学浓度梯度,不消耗不消耗ATPATP进入膜内的一种运进入膜内的一种运输方式输方式 。转运蛋白1 特点:特点:专一性,饱和性,抑制专一性,饱和性,抑制2 类型:通道蛋白类型:通道蛋白和和门控通道门控通道 (1)通道蛋白:通道蛋白:是一类横跨细胞膜是一类横跨细胞膜,能能使使适宜大小的分子及带电荷的分子适宜大小的分子及带电荷的分子通过通过简单的自由简单的自由扩散运动扩散运动,从质膜的一侧转从质膜的一侧转运到另一侧的蛋白质。运到另一侧的蛋白质。包括两种:包括两种:水通道蛋白水通道蛋白和和离子通道蛋白离子通道蛋白 (2 2)门控通道:门控通道:带有带有”闸门
23、闸门”的通道的通道4.3.5 主动转运是逆浓度梯度的转运主动转运是逆浓度梯度的转运主动转运维持细胞内部某种小分子或离子主动转运维持细胞内部某种小分子或离子的浓度高于某环境中的浓度。的浓度高于某环境中的浓度。物质逆浓度梯度运输,需载体蛋白,物质逆浓度梯度运输,需载体蛋白,消耗能量消耗能量钠钾泵跨跨 膜膜 运运 输 生电泵生电泵:使膜两侧产生电压的转运蛋白:使膜两侧产生电压的转运蛋白质子泵质子泵:能逆浓度梯度转运氢离子通过:能逆浓度梯度转运氢离子通过膜的膜整合糖蛋白,质子泵在泵出氢离膜的膜整合糖蛋白,质子泵在泵出氢离子时造成膜两侧的子时造成膜两侧的pHpH梯度和电位梯度梯度和电位梯度。协同转运协同
24、转运:两种化学物质的协同穿膜运两种化学物质的协同穿膜运动,该两溶质分子的同时转运是由单个动,该两溶质分子的同时转运是由单个转运蛋白完成的。分为反向转运和同向转运蛋白完成的。分为反向转运和同向转运两类。转运两类。质子泵质子泵 ATPATP驱动质膜上的驱动质膜上的H H+-ATP-ATP将细将细胞内侧的胞内侧的H H+向细胞外泵出。向细胞外泵出。ATPATP酶称为一种酶称为一种致电泵致电泵(electrogenicelectrogenic pump)pump)溶质是经通道蛋白还是经载体蛋白转运溶质是经通道蛋白还是经载体蛋白转运,二者区别二者区别通道蛋白通道蛋白载体蛋白载体蛋白没有饱和现象没有饱和现
25、象有饱和现象有饱和现象(结合部位有限)(结合部位有限)顺顺电化学势梯度转运电化学势梯度转运顺电化学势梯度顺电化学势梯度也可逆电化学梯度转运也可逆电化学梯度转运被动吸收被动吸收被动吸收或主动吸收被动吸收或主动吸收转运载体结合位点的饱和,转运载体结合位点的饱和,使呈现速率达饱和状态使呈现速率达饱和状态(Vmax)在理论上,通过在理论上,通过通道的扩散速率是与运转溶通道的扩散速率是与运转溶质或离子的浓度成正比的,质或离子的浓度成正比的,跨膜的电化学势梯度差成正跨膜的电化学势梯度差成正比。比。4.3.6 4.3.6 胞吞和胞吐转运大分子胞吞和胞吐转运大分子大分子和颗粒进入和排出细胞大分子和颗粒进入和排
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