資源簡介

第五章 細胞的能量供應和利用
第1節(jié) 降低化學反應活化能的酶
酶在細胞代謝中的作用
細胞代謝：活細胞內(nèi)每時每刻發(fā)生的化學反應的總和，需要酶的催化，是細胞生命活動的基礎
比較過氧化氫在不同條件下的分解
實驗原理：
實驗設計
實驗結(jié)論：酶具有催化作用，同無機催化劑相比，酶的催化效率更高
控制變量和設計對照實驗
實驗中的相關變量（以本實驗為例）
項目 概念 舉例
自變量 人為控制的對實驗對象進行處理的因素 溫度（加熱）、催化劑（氯化鐵溶液、過氧化酶）
因變量 因自變量改變而變化的變量 過氧化氫的分解速率
無關變量 除自變量外，實驗過程中還存在的一些對實驗結(jié)果造成影響的可變因素 過氧化氫的濃度和體積，反應時間等
對照實驗
除作為自變量的因素外，其余因素（無關變量）都保持相同且適宜，并將結(jié)果進行比較的實驗叫作對照實驗。對照實驗一般要設置對照組和實驗組。
酶的作用原理
活化能的概念：分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需要的能量
酶催化作用的本質(zhì)：降低化學反應的活化能，使化學反應在較低能量水平上進行，從而加快化學反應速率
與無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，催化效率更高
結(jié)果：使細胞代謝在溫和條件下快速進行
易錯提醒：a：酶和無機催化劑一樣，能催化化學反應的進行，降低化學反應的活化能，但本身并不被消耗，并不為化學反應提供物質(zhì)和能量，不改變化學反應的方向和生成物的量；b：用加熱的方法不能降低化學反應的活化能，但可以增加反應物分子的內(nèi)能，從而能夠增加活化分子數(shù)
酶的本質(zhì)
關于酶本質(zhì)的探索（看書！掌握每位科學家做出的貢獻！）
酶的概念：一般來說，酶是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)種類的酶是RNA
酶的特性
高效性
含義：酶的高效性是相對無機催化劑而言的。酶的催化效率是無機催化劑的107-1013倍
實例：比較過氧化氫酶和氯化鐵對過氧化氫分解的催化效率實驗
意義：保證細胞代謝快速進行
專一性
實驗原理：①淀粉和蔗糖都是非還原糖。它們在酶的催化下都能水解成還原糖，還原糖能與斐林試劑反應，生成磚紅色沉淀；②在淀粉溶液和蔗糖溶液中分別加入淀粉酶，一段時間后，再用斐林試劑鑒定溶液中有無還原糖，就可以看出淀粉酶是否只能催化特定的化學反應
實驗設計（以淀粉酶催化淀粉和蔗糖為例）
實驗結(jié)論：酶具有專一性，淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解
注意事項：本實驗中，無論蔗糖是否發(fā)生水解，都不能與碘液發(fā)生顏色反應，因此不能用碘液代替斐林試劑
作用條件較溫和
酶活性
概念：酶催化特定化學反應的能力。可用在一定條件下酶所催化某一化學反應的速率表示
影響因素：溫度和pH等，在最適溫度和pH條件下，酶的活性最高；過酸、過堿或溫度過高，會使酶的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，使酶永久失活；低溫會抑制酶的活性，但酶的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在適宜溫度下酶的活性會升高
實驗1——探究溫度對酶活性的影響
原理：溫度影響淀粉酶的活性，進而影響淀粉的水解速率。淀粉遇碘液變藍，根據(jù)是否出現(xiàn)藍色及藍色的深淺可以判斷酶的活性
實驗設計
注意事項：a：一定要讓反應物和酶分別在相應的溫度下保存一段時間，再進行混合；b：檢測的試劑不可用斐林試劑代替碘液，因為斐林試劑需在水浴加熱條件下才會發(fā)生特定的顏色反應，而該實驗中需嚴格控制溫度；c：探究溫度對酶活性的影響時，不宜用過氧化氫作為反應物，因為加熱可以加快過氧化氫的分解，不能準確反映溫度對酶活性的影響
實驗2——探究pH對酶活性的影響
原理：2H2O2 過氧化氫酶2H2O+O2
步驟：
實驗步驟 實驗操作內(nèi)容 試管1 試管2 試管3
一 加入等量的過氧化氫酶溶液 2滴 2滴 2滴
二 加入不同pH的溶液 1ml蒸餾水 1ml鹽酸 1ml NaOH溶液
三 加入等量的過氧化氫溶液 2ml 2ml 2ml
四 觀察現(xiàn)象 有大量氣泡產(chǎn)生 基本無氣泡 基本無氣泡
實驗結(jié)論：酶的催化作用需要適宜的pH，pH偏低或偏高都會影響酶的活性
注意事項：不易選擇淀粉酶催化淀粉分解的反應，因為酸性條件下淀粉也會水解，從而影響實驗的觀察效果。
在最適pH或最適溫度下，酶的活性最高；過酸、過堿、溫度過高會使蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致蛋白質(zhì)變性失活，不可恢復；而低溫只是抑制酶的活性，酶的空間結(jié)構(gòu)并沒有破壞。
酶催化反應時,最適溫度和最適pH不會相互影響。
與酶有關的曲線解讀
與無機催化劑相比，酶的催化效率更高；酶只改變反應速率，不改變生成物的量
在其他條件適宜且酶量一定的條件下，酶促反應速率隨反應物濃度的增大而加快，當反應物濃度達到一定值時，所有的酶與反應物結(jié)合，在A點酶促反應速率達到最大，再繼續(xù)增大反應物濃度，酶促反應速率不再增大
如圖5，在反應物充足且其他條件適宜的情況下，酶促反應速率與酶濃度呈正相關
不同因素影響酶促反應的速率的本質(zhì)不同
第2節(jié) 細胞的能量“貨幣”ATP
ATP是一種高能磷酸化合物
ATP的功能：是驅(qū)動細胞生命活動的直接能源物質(zhì)
ATP的結(jié)構(gòu)：①中文名稱：腺苷三磷酸；②元素組成：C、H、O、N、P；③分子組成：1分子核糖+1分子腺嘌呤+3分子磷酸基團
結(jié)構(gòu)簡式：A－P~P~P，符號含義：A：腺苷（核糖和腺嘌呤組成）；P：磷酸基團；~：特殊的化學鍵（數(shù)量：2個）
ATP脫去一個磷酸基團成為ADP（腺苷二磷酸），再脫去一個磷酸基團就成為RNA的基本單位之一——腺嘌呤核糖核苷酸，簡稱AMP
ATP和ADP可以相互轉(zhuǎn)化
ATP的水解：
ATP的合成：
ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化示意圖
ATP在細胞內(nèi)的含量很少，但在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)化十分迅速，使得細胞內(nèi)ATP的含量總是處在動態(tài)平衡之中。
ATP的利用
細胞中絕大多數(shù)需要能量的生命活動都是有ATP直接提供能量的
ATP中的化學能 各種形式的能量 各項生命活動
ATP是細胞內(nèi)主要的直接供能物質(zhì)，但不是唯一，還有其他的直接供能物質(zhì)，如（UTP、CTP、GTP）
許多吸能反應與ATP的水解反應相聯(lián)系，由ATP水解提供能量（ATP水解本身屬于放能反應）
放能反應一般與ATP的合成相聯(lián)系，釋放的能量可以儲存在ATP中（ATP合成本身屬于吸能反應，所需要的能量來自放能反應）
第3節(jié) 細胞呼吸的原理和應用
探究酵母菌細胞呼吸的方式
呼吸作用的實質(zhì)：細胞內(nèi)的有機物氧化分解，并釋放能量，因此也叫細胞呼吸
根據(jù)是否需要O2參與，分為有氧呼吸和無氧呼吸
實驗原理：
實驗材料：酵母菌（真核生物）屬于兼性厭氧菌，既可以進行有氧呼吸，又可以進行無氧呼吸
呼吸產(chǎn)物的檢測：
物質(zhì) 試劑 實驗現(xiàn)象
CO2 澄清石灰水 變渾濁（根據(jù)石灰水的渾濁程度可確定產(chǎn)生CO2的多少）
溴麝香草酚藍溶液 藍—綠—黃（根據(jù)溴麝香草酚藍溶液變成黃色的時間長短可確定產(chǎn)生CO2的多少）
酒精 酸性重鉻酸鉀 橙色——灰綠色
設計思路——設計對比實驗
實驗裝置
實驗結(jié)果
實驗結(jié)論：酵母菌在有氧和無氧條件下都進行細胞呼吸；在有氧條件下，酵母菌通過細胞呼吸產(chǎn)生大量CO2；在無氧條件下，酵母菌通過細胞呼吸產(chǎn)生酒精和少量CO2
4）實驗注意事項
配制酵母菌培養(yǎng)液時，要煮沸處理，一是為了除去溶液中的氧氣，避免對自變量的影響；二是為了殺死葡萄糖溶液中可能存在的雜菌，避免對實驗結(jié)果的干擾。
煮沸的葡萄糖溶液一定要冷卻到常溫，才加入酵母菌，否則高溫會殺死酵母菌。
甲裝置中NaOH溶液處理為了去除空氣中CO2 ，保證澄清石灰水變渾濁是酵母菌有氧條件產(chǎn)生CO2所致
乙裝置中B瓶應封口放置一段時間后，再連通盛有澄清石灰水的錐形瓶的目的是消耗掉B瓶中的氧氣，確保通過澄清石灰水的CO2是無氧呼吸產(chǎn)生的。
有氧呼吸
有氧呼吸的主要場所——線粒體：雙層膜結(jié)構(gòu)，外膜光滑，內(nèi)膜向內(nèi)折疊形成嵴，內(nèi)膜和基質(zhì)中含有多種與有氧呼吸的酶。
有氧呼吸的過程（以葡萄糖為底物）
3）與有氧呼吸有關的幾點提醒：①：葡萄糖不能進入線粒體被氧化分解，葡萄糖先在細胞質(zhì)基質(zhì)中分解成丙酮酸，在有氧條件下，丙酮酸才能進入線粒體被氧化分解成CO2和水。②：有氧呼吸前兩個階段不消耗氧氣，只有在第三個階段消耗氧氣。③：有氧呼吸三個階段都釋放能量，前兩個階段釋放少量能量，第三個階段釋放大量能量。④：[H]是指NADH，稱為還原性輔酶Ⅰ。
4）總反應式：反應式中能量不能寫成ATP，因為只有小部分能量存儲在ATP中，反應式中前后的H2O不能消去，在第二階段消耗水，第三階段生成了水。
5）概念：細胞在氧氣的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，同時釋放大量能量,生成ATP的過程。
6）能量利用特點：一部分儲存在ATP中（用于各項生命活動），大部分的能量都以熱能散失。
3. 無氧呼吸
場所：細胞質(zhì)基質(zhì)
過程：
項目 反應過程
第一階段（與有氧呼吸第一階段相同）
第二階段 產(chǎn)生酒精 大多數(shù)植物，酵母菌等
產(chǎn)生乳酸 乳酸菌，人和動物，少數(shù)植物器官（馬鈴薯塊莖、甜菜塊根、玉米的胚等）
總反應式 酒精發(fā)酵
乳酸發(fā)酵
3）能量轉(zhuǎn)化：無氧呼吸只在第一階段生成少量ATP，在第二階段不產(chǎn)生ATP。
4）概念：在沒有氧氣參與下，葡萄糖等有機物經(jīng)過不完全分解，釋放少量能量的過程。
5）有氧呼吸和無氧呼吸的區(qū)別
細胞呼吸原理的應用
類型 應用 原理
有氧呼吸 提倡慢跑等有氧運動 避免肌細胞因供氧不足進行無氧呼吸積累過多的乳酸而使肌肉酸脹乏力
農(nóng)作物栽培時及時松土透氣 根對無機鹽的吸收是主動運輸?shù)倪^程，消耗能量；農(nóng)作物栽培時及時松土透氣，增加土壤中氧氣的濃度，使根的有氧呼吸加強，產(chǎn)生大量能量，從而促進根對無機鹽的吸收
稻田定期排水 避免根因無氧呼吸產(chǎn)生大量酒精，對細胞產(chǎn)生毒害作用，造成爛根
生產(chǎn)醋酸、味精等 利用醋酸菌的有氧呼吸
制作饅頭、面包 利用酵母菌有氧呼吸產(chǎn)生CO2，使饅頭和面包松軟可口
無氧呼吸 包扎傷口時，選用透氣的消毒紗布或“創(chuàng)可貼”等敷料 既為傷口敷上了藥物，又為傷口創(chuàng)造了疏松透氣的環(huán)境、避免厭氧病原菌的繁殖，從而有利于傷口的痊愈
皮膚破損較深或被銹釘扎傷，需及時到醫(yī)院治療 避免破傷風芽孢桿菌等進行無氧呼吸而大量繁殖、引發(fā)破傷風
制作酸奶、泡菜等 利用乳酸菌無氧呼吸產(chǎn)生乳酸
釀酒 釀酒的早期要通氣，有利于酵母菌進行有氧呼吸，從而快速繁殖，后期密閉，有利于酵母菌進行無氧呼吸產(chǎn)生酒精
細胞呼吸的影響因素及其應用
溫度：主要影響與細胞呼吸有關酶的活性
原理：在最適溫度時細胞呼吸最強；超過最適溫度則呼吸酶活性降低，甚至變性失活，細胞呼吸受抑制；低于最適溫度則呼吸酶活性下降，細胞呼吸受抑制。
應用：零上低溫儲存蔬菜、水果；大棚栽培植物過程中增加晝夜溫差以減少有機物的消耗，提高產(chǎn)量
O2濃度：決定細胞呼吸類型和強度
原理：一定范圍內(nèi)，有氧呼吸隨氧氣濃度升高而增大，但氧氣濃度達到一定值時，不再增加(受底物的量或酶的濃度限制）；無氧呼吸隨氧氣濃度增加而受抑制，氧氣濃度達一定值時，被完全抑制。
應用：常利用適當降低氧氣的濃度抑制細胞呼吸、減少有機物消耗這一原理來延長蔬菜、水果的保鮮時間。
CO2濃度
原理：CO2是呼吸作用的產(chǎn)物，對細胞呼吸有明顯的抑制作用。
應用：地窖來貯藏大白菜、甘薯等，適當增加CO2濃度，可抑制細胞呼吸，減少有機物的消耗。
水分
原理：在一定范圍內(nèi)，細胞呼吸速率隨含水量的增加而加快，隨含水量的減少而減慢。
當含水量過多時，呼吸速率減慢，甚至死亡。
應用：種子儲存應曬干，降低呼吸作用；作物栽培中，合理灌溉。
第4節(jié) 光合作用與能量轉(zhuǎn)化
綠葉中色素的提取和分離
實驗原理：
提取原理：綠葉中的色素屬于脂溶性色素，能溶解于有機溶劑無水乙醇中
分離原理：不同色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散的快，反之則慢。
注意事項
色素提取的材料、試劑和關鍵步驟
項目 操作內(nèi)容 操作目的
材料 葉片要新鮮、深綠 使濾液中色素含量高
試劑 二氧化硅 利于綠葉的充分研磨
碳酸鈣 防止研磨過程中色素（主要是葉綠素）被破壞
無水乙醇 溶解色素
關鍵步驟 研磨要迅速、充分 提取較多色素、防止溶劑揮發(fā)
盛濾液的試管口加棉塞 防止試劑揮發(fā)
色素分離的試劑和關鍵步驟
項目 操作內(nèi)容 操作目的
試劑 層析液 分離色素
關鍵步驟 濾紙條的一端剪去兩角 防止層析液在濾紙條的邊緣處擴散過快
濾液細線重復畫若干次，且要求細、直、齊 使分離的色素帶清晰
濾液細線不能觸及層析液 防止色素溶解到層析液中
實驗現(xiàn)象分析：濾紙條上出現(xiàn)四條寬度、顏色不同的色素帶（如圖所示）
色素帶的位置與溶解度有關，四種色素在層析液中溶解度高低依次為胡蘿卜素＞葉黃素＞葉綠素a＞葉綠素b
色素帶的條數(shù)與色素種類有關，四條色素帶說明有四種色素
色素帶的寬窄與色素含量有關，葉綠素a的色素帶最寬說明其含量最多，胡蘿卜素的色素帶最窄說明其含量最少。
捕獲光能的色素
種類：
作用：吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能
色素的吸收光譜：葉綠素a和葉綠素b主要吸收藍紫光和紅光；胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光，對其他波段的光并非不吸收，只是吸收量較少。
一般情況下，葉綠體的色素只吸收可見光，而對紅外光和紫外光等不吸收。
葉綠體的結(jié)構(gòu)適用于光合作用
葉綠體主要分布在綠色植物的葉肉細胞中，而并非遍布所有植物細胞
葉綠體由（雙層）膜包被，內(nèi)部有許多基粒。每個基粒都由一個個圓餅狀的囊狀結(jié)構(gòu)堆疊而成，這些囊狀結(jié)構(gòu)稱之為類囊體，基粒與基粒之間充滿了基質(zhì)。
每個基粒都含有兩個以上的類囊體，多的可達100個以上，葉綠體內(nèi)有如此眾多的基粒和類囊體，極大的擴展了受光面積。
吸收光能的4種色素就分布在類囊體的薄膜上，在類囊體的薄膜上和葉綠體基質(zhì)中，還有許多進行光合作用所必需的酶。
光合作用的原理
概念：光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。
反應式：
實質(zhì)：合成有機物，儲存能量
過程：根據(jù)是否需要光能，將光合作用分為光反應階段（光合作用第一階段）和暗反應階段（光合作用第二階段）。其中光反應必需有光才能反應，暗反應有光、無光都能反應。
化能合成作用
概念：某些細菌（如硝化細菌等）可以利用體外環(huán)境中的某些無機物氧化時所釋放的能量，將CO2等無機物轉(zhuǎn)變成有機物的合成作用。
實例：硝化細菌的化能合成作用
光合作用和化能合成作用的比較
項目 光合作用 化能合成作用
不同點 生物類型 綠色植物和光合細菌 硝化細菌等
能量來源 光能 體外物質(zhì)氧化時釋放的能量
相同點 代謝類型 自養(yǎng)生物
物質(zhì)變化 將無機物（CO2和H2O等）轉(zhuǎn)化為儲存能量的有機物
6．光合作用原理的應用
光合作用的強度
概念：植物在單位時間內(nèi)通過光合作用制造糖類的數(shù)量。
表示方法
影響光合作用的因素
光照強度：通過影響植物的光反應，制約NADPH和ATP的產(chǎn)生，進而影響暗反應。
在一定范圍內(nèi)，光合作用速率隨著光照強度的增加而增大；當光照強度增加到一定值（光飽和點）后，光合作用速率不再隨光照強度的增加而增大；
B點（光補償點）對應的光照強度下，植物的光合作用速率等于細胞呼吸速率，即凈光合速率等于0；C點對應的光照強度為光飽和點，此時光照強度不再是植物光合作用速率的限制因素
真正光合速率（總光合作用）=凈光合速率+呼吸速率
有機物積累量=光合作用制造量-呼吸作用消耗量
應用：大棚種植陰雨天應補充光照，增加光合作用強度；根據(jù)陽生植物和陰生植物對光照的不同要求，控制光照強弱。如間作套種時農(nóng)作物的種類搭配，合理利用光能。
CO2濃度：影響暗反應階段，制約C3的形成
一定范圍內(nèi)，光合作用速率隨CO2濃度的增大而增大，但當CO2濃度增加到一定值后，光合作用速率不再隨CO2濃度的增加而增大；
圖1中A點和圖2中A’點表示該植物光合作用速率=細胞呼吸速率時的CO2濃度，即CO2補償點。圖1中B點和圖2中B’點對應的CO2濃度都表示CO2飽和點。
應用：大田生產(chǎn)“正其行（合理安排植株的間距），通其風（補充新鮮的CO2）”，即為提高CO2濃度、增加產(chǎn)量；多施有機肥或農(nóng)家肥等。
溫度：通過影響酶的活性來影響光合作用強度
B點對應的溫度是最適溫度，此時光合作用最強，高于或低于此溫度，光合作用強度都會下降。
應用：白天調(diào)到光合作用最適溫度，以提高光合作用速率；晚上適當降低溫室的溫度，以降低細胞呼吸，保證植物有機物的積累。
水和無機鹽對光合作用的影響
水是光合作用的原料，缺水既可直接影響光合作用，又會導致葉片氣孔關閉，限制CO2進入葉片，從而間接影響光合作用。N、Mg、Fe等是葉綠素合成的必需元素，若這些元素缺乏，會影響葉綠素的合成從而影響光合作用
應用：預防干旱，合理灌溉；合理施肥
多因子對光合速率的影響
P點及P點之前限制光合速率的因子應為橫坐標所表示的因子，隨橫坐標所表示的因子的不斷加強，光合速率不斷提高；當?shù)絈點及Q點后，橫坐標所表示的因子不再是影響光合速率的因素。

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