細胞內的能源來源、傳遞、利用
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細胞內的能源來源、傳遞、利用. Speaker :張洛齊 Adviser :張憲彰 2011.12.06. 生物中的能量. 細胞不斷製造產物、執行機械式的運動及工作、 傳送物質、產生熱。 生物體不斷獲得自由能以供生物運動、主動運輸、生物合成時所需之能量。 ATP-ADP 的循環是生物體內能量交換的基本形式。. 能量的來源. 2 C 3 H 6 O 3. 乳酸發酵. Glycolysis. Lactic acid. 2 ATP. C 6 H 12 O 6. 無氧. 2 C 2 H 5 OH+ 2 CO 2. 酒精發酵. Glucose.

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細胞內的能源來源、傳遞、利用

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Presentation Transcript


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細胞內的能源來源、傳遞、利用

Speaker:張洛齊 Adviser:張憲彰 2011.12.06


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生物中的能量

  • 細胞不斷製造產物、執行機械式的運動及工作、 傳送物質、產生熱。

  • 生物體不斷獲得自由能以供生物運動、主動運輸、生物合成時所需之能量。

  • ATP-ADP的循環是生物體內能量交換的基本形式。


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能量的來源

2 C3H6O3

乳酸發酵

Glycolysis

Lactic acid

2 ATP

C6H12O6

無氧

2 C2H5OH+ 2 CO2

酒精發酵

Glucose

Ethanol

Photosynthesis

6 CO2 + 6 H2O

C6H12O6

+ 6 O2

Oxidative

metabolism

C6H12O6

+ 6 O2

6 CO2 + 6 H2O

36-38 ATP


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細胞的能量貨幣 ATP

  • ATP在磷酸轉移反應為當共通中間物。

  • 生物合成需要ATP水解釋出自由能。

  • 生物體內之高磷酸基轉移潛能之化合物,如 磷酸烯醇丙酮酸鹽 (phosphoenolpyruvate )、乙醯磷酸鹽 (acetyl phosphate)、與磷酸肌酸(creatinine phosphate)可把自己的磷酸根轉移給ADP形成ATP 。


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高磷酸基轉移潛能之化合物

磷酸烯醇丙酮酸鹽(phosphoenolpyruvate )


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高磷酸基轉移潛能之化合物

磷酸肌酸(creatinine phosphate)

乙醯磷酸鹽 (acetyl phosphate)


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細胞的能量貨幣 ATP

  • 在活細胞中,能量儲存在ATP中。

  • ATP水解時,一個高能磷酸鍵斷裂,同時釋出能量。


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細胞內的能量利用

P

Pi

Transport work

Pi

P

ATP

ADP + Pi

Mechanical work

P

Pi

A

A-B

+

B

Chemical work


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光合作用


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參與份子

太陽輻射能

1. 光子:是一種電磁能,也是含有能量的粒子,以波狀形式行進。

光波長和光子所含能量呈成反比。

2. 光能使葉綠素分子釋放電子

A. 低能階(基礎態)  高能階(激動態):原子核外電子吸收光量子。

B. 高能階(激動態)  低能階(基礎態):放出光波較長的光子;

激動態的分子其電子可以釋放,被另一個分子接受。

*葉綠素分子吸收光能後,形成激動態釋放電子。

葉綠體

1.由兩層膜包圍成,內含基質和類囊體

A. 基質:半液體狀物質,內含暗反應酵素。

B. 類囊體:由膜構成的扁囊,其膜上含葉綠

素和其他光合作用相關色素(胡蘿蔔素、

ATP合成酵素),數個類囊體重疊成葉綠餅。

2.葉綠素吸收光能: 英吉曼以水棉做實驗,利用

三稜鏡折射光譜照水棉,好氧細菌聚集在

紫光、藍光、和紅光處。


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光反應

進行場所:類囊體

過程:2H2O  O2 + 4H+ + 4e-(葉綠素吸收電子)

太陽光被光系統吸收光能,使葉綠素分子成激動高能態,容易放出電子,放出電子時也促進水分解放出O2、H+、e-,葉綠素吸收由水分子來的電子,恢復為低能階狀態,可再吸收光能。

光系統:由200~300個色素分子組成,                     

     主要是葉綠素和胡蘿蔔素

光系統I:

天線色素(胡蘿蔔素+葉綠素)+反應中心(P700)

光系統II:

天線色素(葉黃素+葉綠素)+反應中心(P680)


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光系統與電子傳遞鏈

光系統II光系統I:光照射光系統II,水分子被光解產生電子,電子由光系統II流向光系統I。

太陽輻射能使水分子分解為氫質子和氧,並釋放電子。氧經由氣孔離開,氫質子儲存在葉綠囊腔中,反應電子進入光系統I。

光系統I葉綠素分子又將高能電子釋放,循另一電子傳遞鏈傳送給NADP+用於合成NADPH。電子在載體中移動時逐漸釋 放能量,用於氫離子 主動運輸。


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葉綠體內的化學滲透作用

電化學梯度-類囊體腔中積聚過多H+,形成氫質子梯度,同時也形成電化學梯度。

ATP形成-氫質子從高濃度往低濃度擴散趨勢,當氫質子通過溝道蛋白質時會激發ATP合成酶活性形成ATP。


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暗反應 (卡爾文循環)

進行場所:基質

過程

羧化作用:CO2固定 (CO2+雙磷酸核酮糖<RuBP>  2甘油酸<PGA>)

還原作用:甘油酸<PGA>磷酸甘油醛<G3P>(由光反應的ATP和NADPH提供能量);磷酸甘油醛一部份在葉綠體基質中合成澱粉,一部份輸送至細胞質合成蔗糖,大部分繼續進行下一階段。

再生作用:磷酸甘油醛<G3P>磷酸核酮糖(自光反應中的ATP提供能量)


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光合作用反應摘要

光合作用總反應:

6CO2 +12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O


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呼吸作用


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有氧呼吸

定義: 氧氣供應充足時,葡萄糖可完全氧化產生CO2、水和能量

反應位置: 細胞質與粒線體

淨反應式: C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

 6CO2 + 12H2O + 36ATP(38ATP)

糖解作用(產生丙酮酸)

葡萄糖經酵素催化產生2丙酮酸、2H2O、2ATP、2NADH(糖解過程中釋出H+和e-由輔脢NAD+接受形成NADH)

乙醯輔脢A的形成

丙酮酸與輔脢A結合產生乙醯輔脢A,過程中並釋放一個CO2,分離出來H+和NAD+形成NADH

克氏循環(檸檬酸循環)

乙醯輔脢A與四碳化合物形成檸檬酸,經由一系列酵素催化形成2CO2、3NADH、1ATP、1FADH2

電子傳遞鏈和ATP形成

糖解作用:2ATP、2NADH2ATP+2×3ATP=8ATP

乙醯輔脢A形成:2NADH2×3ATP=6ATP

檸檬酸循環:2×(3NADH、1ATP、1FADH2)

2×(3×3ATP+1ATP+1×2ATP)=24ATP


Glycolysis

Glycolysis

  • 有氧、無氧皆可進行

  • 葡萄糖的分解作用

  • 產生2 ATP

    2丙酮酸

    2 NADH

  • 地點:細胞質

  • 酒精發酵、乳酸發酵


Krebs cycle citric acid cycle

Krebs Cycle( Citric Acid Cycle)

  • 檸檬酸循環

  • 有氧狀態才能進行

  • 地點:粒線體基質

    (matrix)

  • 產生 3NADH

    1ATP

    1FADH2


Electron transport chain

Electron Transport Chain


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ATP形成

  • 新制:

    1 NADH 2.5 ATP

    1 FADH2 1.5 ATP

  • 糖解作用:2ATP、2NADH7 ATP

  • 乙醯輔脢A形成:2NADH 5 ATP

  • 2FADH23 ATP

  • 檸檬酸循環:2×(3NADH、1ATP、1FADH2)20 ATP

  • Total:32 ATP or 30 ATP

  • 舊制:

    1 NADH 3 ATP

    1 FADH2 2 ATP

  • 糖解作用:2ATP、2NADH8 ATP

  • 乙醯輔脢A形成:2NADH 6 ATP

  • 2FADH24 ATP

  • 檸檬酸循環:2×(3NADH、1ATP、1FADH2)24 ATP

  • Total:38 ATP or 36 ATP


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無氧呼吸

定義: 缺氧環境下物質氧化作用不完全,釋出較少的能量,稱為發酵作用。

目的: 產生ATP

種類

1.酒精發酵:

產物:酒精、CO2、ATP

反應式:C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

進行生物:細菌、酵母菌、果實種子、根、莖在缺氧環境下亦可進行

2.乳酸發酵

產物:乳酸、ATP

反應式:C6H12O6+2ADP+2Pi2C3H6O3+2ATP

進行生物:乳酸菌、骨骼肌細胞

無氧呼吸過程的第一階段也是糖解作用,將葡萄糖分解為丙酮酸,所產生的丙酮酸在缺氧情況下在細胞質中被分解。若丙酮酸被分解為乙醛,同時釋放CO2,乙醛再還原為酒精,稱為酒精發酵;若丙酮酸直接被還原為乳酸,則無CO2釋放,稱為乳酸發酵。


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無氧呼吸-酒精發酵


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無氧呼吸-乳酸發酵


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有氧 vs. 無氧


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能量的去處


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生化合成

合成細胞所需物

細胞膜、基因控制酵素合成、木質素、木栓素、角質

合成物質耗能

(1)活化能 作用發生前所給予的能量

(2)ATP(吸能的化學反應需要ATP參與)

酵素降低活化能


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細胞膜的運輸


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主動運輸

逆濃度梯度進行耗能

類型-均需要載體蛋白(改變構型)

1.單一運輸:光合作用或呼吸作用電子傳遞時的氫質子幫浦(電能幫浦),將正電荷質子運出細胞外。

2.同向運輸:小腸皮膜細胞載體蛋白(將鈉與葡萄糖運入細胞內)

3.反向運輸:Na+ / K+幫浦(抵抗離子電化學梯度)

http://courses.cm.utexas.edu/jrobertus/ch339k/overheads-2.htm

http://www.tvdsb.on.ca/saunders/courses/online/SBI3C/Cells/active_transport.htm


Cholesterol synthesis

Cholesterol synthesis


Energy sources in working muscle

Energy sources in working muscle


Metabolism carbohydrates of muscle

Metabolism carbohydrates of muscle


Rate of atp synthesis is dependent upon substrate

Rate of ATP synthesis is dependent upon substrate


Energy stores in man

1-1.5

1-1.5

Energy stores in man

1-1.5

1-1.5

1-1.5

1-1.5


Time interval and choice of substrate

Time Interval and Choice of Substrate


The winter olympics 2010 the 50 kilometer ski race

The Winter Olympics 2010 the 50 kilometer ski race

因ATP消耗太快,來不及補充,導致體力不支昏迷的現象


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奈米馬達

http://www.radpanther.de/indexreload.html?training/physio3.html


Thanks for your attention

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