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4细胞代谢4.1能与细胞4.2酶4.3物质的跨膜转运4.3细胞呼吸4.4光合作用新陈代谢是生物体内进行的物质和能的变化的总称是最基本的生命活动过程新陈代谢最终能源:太阳能物质代谢能量代谢同化作用异化作用合成物质贮存能量分解物质释放能量4.1能与细胞4.1.1能是做功的本领定义：能是产生变化的本能或可以做功的本领。存在形式：动能由于运动而具有的能。热、电、光势能:物体由于所在位置或本身的排列而具有的能。势能就是活细胞做各种功的化学能。所以，化学能是分子中的势能，是活的生物体内最重要的能量形式。4.1.2热力学定律热力学是研究所有物体能量转化规律的科学第一定律（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，只能从一种形式转化成另一种形式。如：发电厂、光合作用。第二定律：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（75%热）•一个特定体系的有序性要增加，其环境的无序性便必须增加。这一概念完全适用于细胞的活动。•体系环境•生物体是一个开放体系，它的物质和能量总是不断地与其环境之间发生交换。开放体系是所有生物的特点。•任何形式的能量转化，必定伴随着无序性的增加。•无序性程度——熵，表示不可利用的能量。•热是分子的随机运动，是无序性的一种形式生物摄取低熵状态的食物———通过代谢将它们转化为高熵（不稳定）———排出体外———避免了由于生物代谢导致总熵增加———维持了生物内部的有序性。效率不是100%，热能散失。•细胞是利用有序性较低的原料制造高度有序的结构。4.1.3吸能反应和放能反应吸能反应：指反应产物分子中势能比反应物分子中的势能多。如光合作用放能反应：指产物分子中的化学能少于反应物分子中的化学能。如：燃烧、细胞呼吸（将糖分子中的势能释放出来）细胞代谢：每一个活细胞吸能和放能反应的总称。4.1.4ATP（腺苷三磷酸）是细胞中的能量通货一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用。下图ATP结构腺嘌呤核糖磷酸腺嘌呤核苷高能磷酸键（焦磷酸键）是能量流通的货币ATP水解ATP循环通过ATP合成和分解而使放能反应释放的能量用于吸能反应的过程称为ATP循环图4.2ATP参与常使一个吸能反应能自发进行。图4.3生物体把能量用在生命活动的各个方面生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢。通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种大、小分子以供生命活动所需要。体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂----酶的催化下进行的。4.2酶细胞中促进化学反应速度的催化剂;2000多种;在非细胞条件下也能发挥作用。牛胰核糖核酸酶（RNase）催化剂只能催化原来可以进行的反应，加快其反应速度。即使对可以进行的反应来说，反应物分子应越过一个活化能才能发生反应。酶作为催化剂的作用是降低活化能。4.2.1酶降低反应的活化能酶的催化机理是降低活化能酶是如何降低活化能的呢?首先需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有酶的活性部位。然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来。底物分子结合在酶的活性部位酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。2H2O22H2O+O2转换数(turnovernumber）每分钟每个酶分子能催化多少反应物分子发生变化表示，大部分酶为1,000。例如：从牛肝提取出来的过氧化氢酶在0°C时，其转换数高达5,000,000，而一分子Fe与5,000,000分子H2O2作用则需用300年的时间。催化效率高温度：只有在最适温度下酶活性最高pH和盐的浓度也影响酶的活性许多种酶的正常活动还需要非蛋白质成分的参与，这些成分为辅因子。（无机物—辅基，锌钾镁离子；有机物—辅酶，维生素B6-转氨酶的）另一大类影响酶的活性的化学物质是酶的抑制剂竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂。4.2.2多种因素影响酶的活性竞争性抑制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。竞争性抑制剂在结构上与底物相似对氨基苯甲酸（细菌生长因子）对氨基苯磺酸（磺胺药）磺胺类药物竞争性抑制细菌体内的酶非竞争性抑制剂：不占据活性部位，但它与酶分子的结合使酶分子的形状发生变化，从而使活性部位不再适合接纳底物分子。图4.6•酶的抑制剂有的可逆的（氢键等弱键），有的不可逆的（共价键）。竞争性抑制剂的作用是可逆的。条件？底物浓度抑制剂浓度有时酶的抑制剂就是产物。如ATP供过于求时，非竞争性抑制剂--干扰ATP酶（负反馈）酶的抑制剂的应用：举例：杀虫剂——马拉硫磷——乙酰胆碱酶—神经系统（杀虫剂量对人无害）抗生素——青霉素——细菌合成细胞壁的酶（对人无害）4.2.3核酶•蛋白质是酶，RNA也是酶。•RNA催化剂——核酶•RNA两类核酶：一类是催化分子内的反应，即分子的一部分与另一部分反应。例如RNA的一段在该分子内改换位置。(RNA本身既是底物，又是催化剂）另一类核酶则催化分子间的反应，就是别的分子发生反应而作为核酶的RNA分子在反应前后无变化。——细胞维持正常生命活动的基础之一4.3物质的跨膜运输膜的选择透性决定选择透性的因素有二：脂双层和转运蛋白。脂双层是亲脂性的。烃类、二氧化碳和氧溶于脂双层中，所以易于透过质膜。亲水性物质通过转运蛋白出入细胞，避免了与膜中亲脂部分的接触，这是由于转运蛋白（膜内在蛋白）提供了专门通道供这些物质通过。膜的选择透性决定于脂双层本身的限制和转运蛋白的专一性。4.3.1膜的选择透性源于其分子组成4.3.2被动转运是穿过膜的扩散扩散：分子因其所带动能自由运动而造成的。被动运输：物质顺浓度梯度而穿过膜扩散的作用，如进行细胞呼吸的细胞吸收O2。降低自由能，仅与该物质浓度梯度有关问题•一种溶液中有多种溶质存在，某种物质穿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穿过膜吗？•水是如何出入细胞的？•高渗溶液：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。如：水从细胞（或生物体）向外部渗出，外界溶液称为高渗溶液。•等渗溶液渗透现象osmosis（参见P58图4.7）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。渗透方向仅决定于溶质的总浓度，与溶质种类无关。4.3.3渗透是水的被动转运1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。海生无脊椎动物与海水等渗。大多数陆生动物的细胞周围的液体与细胞中的液体是等渗的。其他的则有特殊的调节。如草履虫生活在低渗的池水中，它的质膜对水的透性小，具有伸缩泡（可排水）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，严重的还会引起中毒。•原来，人体为了要排出100克海水中含有的盐类，就要排出150克左右的水分。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，最后造成死亡。海水经过淡化处理后是可以饮用的。2有壁细胞的水分平衡•植物细菌藻类真菌渗透现象是集流和扩散的综合结果。化学势梯度•集流（bulkflow)：浓度差或压力差造成的一群离子或分子的集体流动。•化学势（chemicalpotential）：每摩尔物质中自由能的多少。•自由能（freeenergy）：在温度不变的情况下可用于做功的能量。•水势（waterpotential）：一个体系中水的化学势。纯水的水势在1大气压和0℃下规定为0.•细胞的水势是由渗透势和压力势组成的。ψw=ψπ+ψp渗透势（ψπ）：由于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。负值压力势（ψp）：由于细胞壁压力的存在而增加的水势。正值、0、负值平衡时，ψ=0，ψπ=-ψp4.3.4专一的蛋白质使被动转运易化•易化扩散：是指非脂溶性物质或亲水性物质,借助细胞膜上的膜蛋白的,不消耗ATP进入膜内的一种运输方式。转运蛋白类型：载体蛋白、通道蛋白载体蛋白：结合后发生细微形状变化图4.8通道蛋白：是一类横跨细胞膜,能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动,从质膜的一侧转运到另一侧的蛋白质。只是加速离子运动，只能是顺浓度梯度。包括两种：水通道蛋白和离子通道蛋白4.3.5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，消耗能量•钠钾泵图4.9外正内负跨膜运输被动运输的离子不仅顺浓度梯度，还顺电化学势梯度扩散•生电泵：使膜两侧产生电压的转运蛋白，钠钾泵（动物细胞主要的生电泵）•质子泵：能逆浓度梯度转运氢离子通过膜的膜整合糖蛋白，质子泵在泵出氢离子时造成膜两侧的pH梯度和电位梯度。（植物、真菌的生电泵）图4.10•协同转运：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转运蛋白完成的。图4.11分为反向转运和同向转运两类。溶质是经通道蛋白还是经载体蛋白转运,二者区别通道蛋白载体蛋白没有饱和现象有饱和现象（结合部位有限）顺电化学势梯度转运顺电化学势梯度也可逆电化学梯度转运被动吸收被动吸收或主动吸收转运载体结合位点的饱和，使呈现速率达饱和状态（Vmax）在理论上，通过通道的扩散速率是与运转溶质或离子的浓度成正比的，跨膜的电化学势梯度差成正比。4.3.6胞吞和胞吐转运大分子•大分子和颗粒进入和排出细胞胞吞和胞吐作用--生物大分子或颗粒物质的运输胞吐分泌小泡——细胞骨架纤丝——质膜接触——脂双层重新排列——融合胞吞（图4.12）吞噬伪足如巨噬细胞胞饮液体小滴变形虫（没有专一性）受体介导的胞吞有被小窝（有专一性）胆固醇（血液中）——低密度脂蛋白LDL细胞呼吸、呼吸运动生物氧化的特点•1、有机物在生物体内完全氧化与在体外燃烧而被彻底氧化,在本质上是相同的,最终的产物都是CO2和H2O,同时所释放能量的总值也相等；•2、生物氧化在常温、常压、接近中性的pH和多水环境中进行；是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的；4.4细胞呼吸4.4.1细胞呼吸引论生物氧化的特点•3、氧化反应分阶段进行,能量逐步释放,既避免了能量骤然释放对机体的损害,又使得生物体能充分、有效地利用释放的能量；•4、生物氧化过程中释放的化学能通常被偶联的磷酸化反应所利用,贮存于高能磷酸化合物(如ATP)中,当生命活动需要时再释放出来。细胞呼吸：细胞在有氧条件下从食物分子（主要是葡萄糖）中取得能量的过程。有氧呼吸：指生活细胞利用分子氧，将某些有机物质彻底氧化分解，形成CO2和H2O,同时释放能量的过程。C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O＋能量无氧呼吸指生活细胞在无氧条件下，把某些有机物分解成为不彻底的氧化产物，同时释放能量的过程。C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量酶酶生物体内氧化分步骤进行淀粉葡萄糖丙酮酸CO2+H2OATP细胞呼吸包含的过程：一般可分为三个主要阶段：以葡萄糖为例糖酵解柠檬酸循环电子传递链(chainofelectrontransport)(1)糖酵解（EMP途径）就是葡萄糖的分解，其最终产物是丙酮酸。即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（氧化作用的O2来自水分子和被氧化的糖分子）4.4.2糖酵解全过程：12步骤，11酶葡萄糖C-C-C-C-C-C淀粉、糖原等葡萄糖-6-磷酸C-C-C-C-C-C-PATPADP果糖-6-磷酸C-C-C-C-C-C-P果糖1,-6-二磷酸C-C-C-C-C-C-PATPADP3-磷酸甘油醛PGAL(2分子)磷酸二羟丙酮2NAD+2Pi2NADH+2H+1,3-二磷酸甘油酸(2分子)1、消耗ATP2分子细胞质图4.153-磷酸甘油酸（2分子）2ADP2ATP2磷酸甘油酸（2分子）磷酸烯醇式丙酮酸（2分子）丙酮酸（2分子）2ADP2ATP2、产生ATP4分子⑴葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)