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細胞內的能源來源、傳遞、利用

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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  1. 細胞內的能源來源、傳遞、利用 Speaker：張洛齊 Adviser：張憲彰 2011.12.06

  2. 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。

  3. 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

  4. 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 。

  5. 高磷酸基轉移潛能之化合物 磷酸烯醇丙酮酸鹽(phosphoenolpyruvate )

  6. 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)

  7. 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。

  8. 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

  9. 光合作用

  10. 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。

  11. 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)

  12. 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。

  13. 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。

  14. 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)

  15. 光合作用反應摘要 光合作用總反應： 6CO2 +12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

  16. 呼吸作用

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. Electron Transport Chain

  21. 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

  22. 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。

  23. 無氧呼吸-酒精發酵

  24. 無氧呼吸-乳酸發酵

  25. 有氧 vs. 無氧

  26. 能量的去處

  27. 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

  28. 細胞膜的運輸

  29. 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

  30. Cholesterol synthesis

  31. Energy sources in working muscle

  32. Metabolism carbohydrates of muscle

  33. Rate of ATP synthesis is dependent upon substrate

  34. 1-1.5 1-1.5 Energy stores in man 1-1.5 1-1.5 1-1.5 1-1.5

  35. Time Interval and Choice of Substrate

  36. 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

  37. 奈米馬達 http://www.radpanther.de/indexreload.html?training/physio3.html

  38. Thanks for your attention

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