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


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 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


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 。


高磷酸基轉移潛能之化合物

磷酸烯醇丙酮酸鹽(phosphoenolpyruvate )


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)


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。


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


光合作用


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。


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)


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。


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。


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)


光合作用反應摘要

光合作用總反應:

6CO2 +12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O


呼吸作用


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

  • 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)

  • 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


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


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。


無氧呼吸-酒精發酵


無氧呼吸-乳酸發酵


有氧 vs. 無氧


能量的去處


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


細胞膜的運輸


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


Energy sources in working muscle


Metabolism carbohydrates of muscle


Rate of ATP synthesis is dependent upon substrate


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


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


奈米馬達

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


Thanks for your attention


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