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6 细胞呼吸

6 细胞呼吸. 内容. 6.1 细胞的能量通货 —— ATP 6.2 细胞呼吸产生能量 6.3 线粒体的结构与功能定位 6.4 细胞呼吸的化学过程 6.5 ATP 形成机理和能量形成的统计 6.6 其它营养物质的转化. 核糖. 磷酸基团. 磷酯键. 酸酐键. ATP. 腺嘌呤. 6.1 细胞的能量通货 —— ATP. 在活细胞中，能量主要贮存在 腺嘌呤核苷三磷酸 (adenosine triphosphate,ATP) 中，它是高能磷酸化合物的代表。. ATP 是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和 3 个相连的磷酸基团构成的核苷酸。.

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  1. 6 细胞呼吸

  2. 内容 6.1 细胞的能量通货——ATP 6.2 细胞呼吸产生能量 6.3 线粒体的结构与功能定位 6.4 细胞呼吸的化学过程 6.5 ATP形成机理和能量形成的统计 6.6 其它营养物质的转化

  3. 核糖 磷酸基团 磷酯键 酸酐键 ATP 腺嘌呤 6.1 细胞的能量通货——ATP 在活细胞中，能量主要贮存在腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)中，它是高能磷酸化合物的代表。 • ATP是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和3个相连的磷酸基团构成的核苷酸。

  4. ATP是一种极不稳定的的化合物，其磷酸键相当脆弱，易于断裂；ATP水解时，一个高能磷酸键断裂，同时释放出能量。每摩尔ATP 水解形成ADP，可产生-30.5 KJ/mol，即7.3 Kcal/mol 的能量。一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的ATP，可提供大约2200 Kcal的能量。 ATP+H2O ——> ADP+Pi G = -30.5 KJ/mol

  5. ATP作为细胞能量的通货是如何工作的？ 吸能反应和ATP的分解相偶联，放能反应和ATP的合成相偶联 。

  6. 6.2 细胞呼吸产生能量 • 细胞呼吸基本概念 • 细胞呼吸是生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得能量的过程，是生物体获得能量的主要代谢途径，同时也为其它化合物的合成提供原料。 • 细胞呼吸是一种典型的氧化反应，所以又称为生物氧化(biological oxidation)。 有机化合物+O2→CO2+能量 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量（ATP+热量）

  7. ATP和ADP分子的相互转换 • “燃料”包括糖类、脂肪、蛋白质等。储藏在葡萄糖等食物分子中的化学能经细胞呼吸释放，以高能磷酸键的形式贮藏在ATP分子中。 动物细胞呼吸的“燃料”

  8. 细胞呼吸主要在线粒体中进行，温和条件和酶的参与调控。细胞呼吸主要在线粒体中进行，温和条件和酶的参与调控。 • 葡萄糖中大约40-50%的能量被转化储存在ATP中，而汽车发动机只有15-25%转化为动能，细胞呼吸的产能效率高。 • 细胞呼吸分为有氧呼吸和无氧呼吸。

  9. 酵母菌发酵与细胞呼吸 • 发酵是典型的细胞呼吸过程 • 在有氧环境中，酵母细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳。 • 在缺氧环境中，酵母菌将葡萄糖分解成酒精（乙醇）和二氧化碳。 • 在有氧环境中，食物分子被充分氧化，可产生比无氧环境更多的能量。

  10. 人体细胞的呼吸过程 • 慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳和水； • 快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。

  11. 呼吸运动与细胞呼吸 • 细胞呼吸定义为生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得能量的过程。 • 通常意义的呼吸运动与细胞呼吸是相互关联的。

  12. 氧化还原反应 • 获得电子——还原反应；失去电子——氧化反应。

  13. 生物体内的氧化反应——细胞中氢及其电子从一个化合物向另一个化合物转移；生物体内的氧化反应——细胞中氢及其电子从一个化合物向另一个化合物转移； • 氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢中最基本的反应。

  14. XH2 (还原型底物)＋NAD+→X(氧化型底物)＋NADH＋H+ XH2 (还原型底物)＋NADP+→X(氧化型底物)＋NADPH＋H+ XH2 (还原型底物)＋FAD+→X(氧化型底物)＋FADH2 • 被转移的氢原子所携带的能量储藏在新化学键中 • 还原态的NADH、NADPH和FADH2等还可将所接受的电子和氢传递给其他传递体如细胞色素、辅酶Q等。 NAD＋:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I; NADP＋：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II； FAD＋:黄素腺嘌呤二核苷酸

  15. 线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，产能车间。线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，产能车间。 • 线粒体的结构 • 由内膜和外膜包裹的囊状结构，囊内是液态的基质； • 外膜平整，内膜向内折入形成一些嵴，内膜上面有ATP酶复合体； • 线粒体分为外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区； 6.3 线粒体的结构与功能定位

  16. 对于有氧呼吸来说，包括三个阶段，即糖酵解、三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。对于有氧呼吸来说，包括三个阶段，即糖酵解、三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。 • 糖酵解的酶是在细胞质的可溶部分，细胞质是糖酵解进行的场所； • 三羧酸循环的酶大部分在线粒体基质中，三羧酸循环发生在线粒体的基质中； • 线粒体的内膜上含有电子传递链及ATP酶复合体，电子传递过程及ATP的合成发生在线粒体内膜的表面。 它们彼此非常严格有序的排列着，有条不紊地进行连锁反应，这就是结构与功能相适应的表现。 • 细胞呼吸的功能定位

  17. 6.4 细胞呼吸的化学过程 • 概述 • 细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个连续完整的代谢过程； • 每一步化学反应都需要特定的酶参与才能完成； • 细胞呼吸的3个阶段： 即糖酵解、三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。

  18. 糖酵解（glycolysis） • 淀粉、葡萄糖或其它六碳糖在无氧条件下分解成丙酮酸的过程，通称为糖酵解。它是一种在不需要氧气供应的条件下，产生ATP 的一种供能方式； • 糖酵解过程由葡萄糖到所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。

  19. 糖酵解发生在细胞质中的10步反应，前5步为准备阶段，需要消耗2分子ATP 来启动，后5步为产生ATP的贮能阶段，共产出4分子ATP，还形成高能化合物NADH 。 • 糖酵解将六碳的葡萄糖分解成2个三碳的丙酮酸，净产生2个ATP，生成2分子NADH。 • 参与化合物是①葡萄糖，②ADP和磷酸，③NAD+。 • 需要10种酶的参与，大部分酶需要Mg＋作为辅助因子。 Linked by Slide 35

  20. Krebs循环 (1937, Hans. Krebs,1953诺贝尔奖) (三羧酸循环，Tricarboxylic acid cycle,TCA) • 三羧酸循环发生在线粒体中，但丙酮酸需先转变成乙酰辅酶A后才进入三羧酸循环 。 • 三羧酸循环包括8个步骤； • 该过程中的关键化合物为柠檬酸；循环的最后产物是草酰乙酸。 • 分解1分子丙酮酸形成3分子CO2（其中1个是来自于丙酮酸需转变成乙酰辅酶A的过程，两个来自于三羧酸循环）、 4个H、4分子NADH和1分子FADH2及1分子ATP。 • NADH和FADH2再经过一系列呼吸链的传递释放能量。 Linked by Slide 35

  21. 电子传递链和氧化磷酸化 • 电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从NADH 和FADH2最终传递给分子氧，生成水。 • 同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径贮存到ATP分子中。 氧化磷酸化： 由于线粒体内膜上发生的氧化作用与磷酸化作用密切偶联，所以被称为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。

  22. 电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体。电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体。 2 2 2 (Cytc Cytb Fe-S) (FMN Fe-S) (FMN Fe-S) (Cyta Cyta3

  23. 6.5 ATP形成机理和能量形成的统计 • 底物水平的磷酸化 • 在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上。 整个糖酵解中ATP的形成都是底物水平的磷酸化反应；Krebs循环也有底物水平的磷酸化。

  24. 与电子传递链相偶联的磷酸化 • 当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的H+质子便穿过膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）而返回到线粒体的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。 • 1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说，由此荣获1978年的诺贝尔奖。

  25. F1 Fo ATP合成酶： ATP的合成是由一个酶的复合体系完成的，这个复合体系称为ATP合成酶（ATP synthase），由两个主要的单元构成，起质子通道作用的单元称为Fo和催化ATP合成的单元F1。因此，ATP合成酶又被称为FoF1-ATP酶（FoF1-ATPase）

  26. 能量形成的统计 在呼吸链电子传递过程中，电子从最上游的NADH经呼吸链传递到分子氧，其总能量水平下降了222kJ/mol，释放出的能量可产生3分子ATP，而每分子的FADH2经呼吸链传递到分子氧可产生2分子ATP。

  27. 1分子葡萄糖彻底氧化分解所形成的能量统计： • 糖酵解：底物水平的磷酸化产生4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个NADH，经电子传递链生成4或6个ATP，净产生6或8个ATP； • Krebs循环：底物水平的磷酸化产生2个ATP，脱氢反应产生8个NADH和2个FADH2，8个NADH经电子传递链生成24个ATP，2个FADH2经电子传递链生成4个ATP，净产生30个ATP。

  28. 在呼吸链电子传递过程中，按每分子NADH产生3分子ATP，每分子FADH2产生2分子ATP计算，1分子葡萄糖通过有氧呼吸共形成36或38个ATP。整个有氧呼吸过程净产生36还是38个ATP取决于糖酵解阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜进入呼吸链时是否消耗能量，按甘油磷酸环路穿过线粒体膜需要消耗2分子ATP，按苹果酸-天冬氨酸环路则不需要消耗ATP。在呼吸链电子传递过程中，按每分子NADH产生3分子ATP，每分子FADH2产生2分子ATP计算，1分子葡萄糖通过有氧呼吸共形成36或38个ATP。整个有氧呼吸过程净产生36还是38个ATP取决于糖酵解阶段产生于细胞质中的NADH穿过线粒体膜进入呼吸链时是否消耗能量，按甘油磷酸环路穿过线粒体膜需要消耗2分子ATP，按苹果酸-天冬氨酸环路则不需要消耗ATP。

  29. 小结 • 细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径，主要在线粒体中进行，在温和条件和酶的参与调控下，通过一系列氧化还原反应，将储藏在葡萄糖等中的化学能释放，并以高能磷酸键的形式贮藏在ATP分子中； • 在细胞呼吸过程中，在有氧条件下，细胞对其燃料物质的彻底氧化形成CO2和H2O。糖酵解不产生CO2，CO2是通过三羧酸循环形成的；而H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成； • 三羧酸循环中一系列的脱羧反应是呼吸作用释放CO2的来源。三羧酸循环过程中释放的CO2不是直接来自于氧气，而是靠氧化底物中的氧和水分子中的氧来实现的；

  30. 电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从NADH 和FADH2最终传递给分子氧，生成水； • 生物细胞通过底物水平磷酸化和与电子传递系统偶联的磷酸化2种途径合成ATP。底物水平的磷酸化是相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上。与电子传递系统偶联的磷酸化涉及化学渗透过程。 • 通过上述2种磷酸化途径，1分子葡萄糖通过有氧呼吸共形成36或38个ATP； • 三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质和核酸及其它物质的共同代谢过程。这些物质可以通过三羧酸循环发生代谢上的联系。

  31. 生物体内的代谢网络 合成代谢与分解代谢组成代谢网络

  32. 细胞呼吸的基本概念； • 细胞有氧呼吸与无氧呼吸的区别； • 细胞呼吸的化学过程及细胞内功能定位； • 糖酵解、三羧酸循环以及氧化磷酸化的主要产物； • 葡萄糖生物氧化的能量统计。 思考题

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