第5章 细胞的能量供应和利用

 

细胞代谢与酶

一、细胞代谢与酶

1、细胞代谢的概念：酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物

来源：活细胞。作用：生物催化剂。化学本质：在多数是蛋白质少数是RNA。

2、酶的发现：发现过程，发现过程中的科学探究思想，发现的意义

3、酶的特性：

（1）高效性。

（2）专一性：每一种酶只能催化一种或一类化合物的化学反应。

（3）作用条件较温和（作用需要适宜的条件）

4、活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。

二、影响酶促反应的因素（难点）

（1）PH：在最适pH下，酶的活性最高，pH值偏高或偏低酶的活性都会明显降低。（PH过高或过低，酶活性丧失）

（2）温度：在最适温度下酶的活性最高，温度偏高或偏低酶的活性都会明显降低。（温度过低，酶活性降低；温度过高，酶活性丧失）

另外：还受酶的浓度、底物浓度、产物浓度的影响。

三、实验见百汇课堂

1、 比较过氧化氢酶在不同条件下的分解

实验结论：酶具有催化作用，并且催化效率要比无机催化剂Fe³⁺高得多

控制变量法：变量、自变量、因变量、无关变量的定义。

对照实验：除一个因素外，其余因素都保持不变的实验。

2、 影响酶活性的条件（要求用控制变量法，自己设计实验）

建议用淀粉酶探究温度对酶活性的影响，用过氧化氢酶探究PH对酶活性的影响。

 

第二节：细胞的能量“通货”——ATP

1．ATP的结构简式

⑴ATP的结构简式：A—P～P～P，简式中“A”代表腺苷（即腺嘌呤核苷），“P”代表磷酸基团，“T”代表三个“～”代表高能磷酸键，ATP分子中大量的化学能就储存在高能磷酸键中。“—”表示普通磷酸键。

⑵结构特点：ATP分子中远离A的那个高能磷酸键在一定的条件下易断裂

（伴随能量的释放），也很容易重新形成（伴随能量的储存）。

2．ATP与ADP的相互转化及ATP的形成：

ATP              ADP+Pi+能量

            

⑴此反应式中“能量”的含义

当反应向右进行，能量来源于高能磷酸键 中含有的能量，能量去向是用于各项生命活动；当反应向左进行时，能量主要来源于呼吸作用，能量去向是形成高能磷酸键。因此，两者的相互转化过程中物质变化是可逆的，而能量是不可逆的。

⑵转化的意义：

①ATP在细胞内含量很少，但ATP在细胞内的转化是十分迅速的，这样细胞内ATP的含量总是处于动态平衡中，这对于构成生物体内部稳定的供能环境具有重要意义。

②ATP是生物进行一切生命活动所需能量的 直接来源，是生物体细胞内流通着的“能量通货”。

⑶ATP的生成途径

人和动物：形成ATP的能量来源是呼吸作用。ATP合成的场所_________

绿色植物：形成ATP的能量来源是 呼吸作用和光合作用。

①在动物细胞中，形成ATP需要能量，该能量主要由 有氧呼吸 作用来提供，也可由

无氧呼吸来提供，也可以由其它高能化合物的分解来提供。

②在植物叶肉细胞内，形成

③合成ATP的主要来源是 呼吸作用 ，而ATP释放的能量用于各项生命活动。

 

第三节：ATP的主要来源——细胞呼吸

一、概念：生物体内的有机物在细胞内经过一系列的 化学反应 ，最终生成 二氧化碳和水

或 其它物质 ，并且释放出能量的总过程。

二、有氧呼吸：

（一）概念：细胞在氧的参与下，通过酶的催化作用，把 能源物质彻底氧化分解，产生出二氧化碳和水，同时释放出  大量能量 的过程。

（二）总反应式：                                                   。

（三）过程及场所

阶段项目	第一阶段	第二阶段	第三阶段
场所	细胞质基质	线粒体基质	线粒体内膜
反应物	1葡萄糖 (C6H12O6)	2丙酮酸 （CH3 COCOOH）+6H2O	24[H]+6O2
生成物	2丙酮酸+4[H]	6CO2+20[H]	12H2O
产生ATP数量	少量(2)	少量(2)	大量(34)
氧的关系	不需氧	不需氧	需要氧

填空：①有氧呼吸过程中，水的利用发生在 第二阶段  ，水的产生发生在 第三阶段 ，氧的利用发生在 第三阶段 ，CO₂的产生发生在第二阶段。因此，CO₂中的氧来自  葡萄糖 ，生成物水中的氧来自 氧气 。

②有氧呼吸过程中在线粒体内进行的有 第二、三两阶段 ，释放能量最多的是第三阶段。

      ③有氧呼吸过程中能产生[H]的步骤是第一、二两阶段，产生的[H]的作用是还原O₂，

光合作用过程中能产生[H]的步骤是 光反应 ，产生的[H]的作用是还原 C₃ 。

（四）能量变化:1mol葡萄糖在体内彻底氧化分解所释放的能量是2870kJ，但只有l161kJ的能量转移到ATP中，能量转移率是40.5％。   

三、无氧呼吸   

 （一）概念：细胞在 缺氧 的条件下，通过 酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解成  乳酸或酒精与二氧化碳 ，同时释放出 少量能量的过程。   

 （二）过程及场所：   

	场所	反应物	生成物	产生能量	是否需氧
第一阶段	细胞质基质	C6H12O6	CH3COCOOH  [H]	少量	不需
第二阶段	细胞质基质	CH3COCOOH  [H]	酒精、CO2或乳酸	不产生	不需

填空：①无氧呼吸产生的能量主要在 细胞质基质中 产生的。

②不同的生物无氧呼吸产生不同的产物(如：酒精和CO₂、乳酸)，原因是不同生物所含酶的种类不同 。动物无氧呼吸生成物是乳酸；一般植物组织无氧呼吸生成物是酒精和二氧化碳，但马铃薯块茎、玉米胚、甜菜块根无氧呼吸生成物是乳酸菌呼吸作用生成乳酸，马蛔虫呼吸作用生成 乳酸 ，酵母菌呼吸作用生成 水和二氧化碳或酒精与二氧化碳 。

③生物进行呼吸作用只要有CO₂产生，就一定不是乳酸发酵；只要有水产生，就一定是有氧呼吸  。

（三）无氧呼吸反应式：

①                                  ②                                 。

 （四）能量变化：1mol葡萄糖不彻底氧化分解形成乳酸，所释放的能量是196.65 kJ，但只有61.08 kJ能量转移到ATP中，能量转移率是31％。   

填空：(1)无氧呼吸比有氧呼吸产生的能量少，原因是形成的 酒精或乳酸 中，仍贮存着大量能量。(2)氧化分解相同数量的呼吸底物(主要是葡萄糖)释放的ATP数，无氧呼吸∶有氧呼吸=l∶19；产生相同数量的能量，所需葡萄糖量无氧呼吸∶有氧呼吸=19∶1；产生相同量的CO_{2<, /sub> ，所需葡萄糖量无氧呼吸∶有氧呼吸=3∶1 。}  

四、有氧呼吸和无氧呼吸的比较   

		有氧呼吸	无氧呼吸
不同点	场所	主要在线粒体中	完全在细胞质基质中
	条件(氧、酶)	需氧和酶	不需氧，需酶
	物质变化	有机物彻底氧化分解形成 二氧化碳和水	有机物不彻底氧化分解形成 乳酸或酒精与二氧化碳
	能量变化	释放出大量的能量	释放出少量的能量
相同点	联系	第一阶段 相同 ，都是在  细胞质基质中进行
	实质	都是将 能源物质氧化分解释放能量 ，为各项生命活动提供动力

细胞呼吸方式的判断：①若某种生物吸收O₂的量和放出CO₂的量相同，则该生物进行 有氧呼吸  ；若某种生物不吸收O₂ ，但放出CO₂，则该生物进行 无氧呼吸    。

②若某种生物吸收O₂的量比放出CO₂的量少，则该生物一部分进行有氧呼吸另一部分进行无氧呼吸 。

五、呼吸作用与光合作用的关系

	光合作用	呼吸作用
进行部位	叶肉细胞、幼嫩茎皮层细胞等	所有活细胞
反应场所	叶绿体	线粒体、细胞质基质
反应条件	光、色素、酶	酶、
物质转变	把无机物转变成有机物	分解有机物产生CO2和H2O，同时形成大量ATP
能量转变	将光能转变成储藏在有机物中的化学能	将有机物中的化学能释放出来，一部分转移到ATP中
实质	合成有机物，贮存能量	分解有机物，释放能量
联系	光合作用为呼吸作用提供用于分解的物质和O2，呼吸作用为光合作用提供原料和用于产物运出等的动力(能量)

光合作用和呼吸作用的等量关系：实际光合速率=可见光合速率 + 呼吸速率 = 从外界吸收的CO₂ + 呼吸释放的CO₂  = 释放到外界的O₂ + 呼吸消耗的O₂

六、影响植物呼吸速率的因素及在农业生产上的应用

(一)内部因素

1．不同种类的植物因遗传物质不同呼吸速率不同，一般来说陆生植物  快于  水生植物，阴生植物慢于阳生植物。

    2．同一植物在不同的生长发育时期呼吸速率不同，一般来说幼苗期和开花期呼吸速率  较快 ，成熟期呼吸速率  较慢  。

3．同一植物的不同器官呼吸速率不同，生殖器官快于营养器官，幼嫩组织 快于

衰老组织。

(二)环境因素

 

1．温度：细胞呼吸在最适温度(25℃～35℃)最强，超过最适温度呼吸酶活性降低，甚至变性失活，呼吸受抑制，低于最适温度酶活性下降，呼吸受抑制。

填空：变温动物当外界温度降低时，体内的呼吸作用强度将 减弱；而恒温动物在外界温度降低时，为维持体温恒定，需分解更多的有机物，体内呼吸强度将 增强。

 

2．O₂的浓度：(如上图)在O₂浓度为零时只进行  无氧呼吸 ；浓度为10％以下，进行两种呼吸作用 ，浓度为10％以上，只进行有氧呼吸 。

(1)绿色植物在完全缺氧条件下进行 无氧呼吸 。大多数陆生植物无氧呼吸的产物是 酒精和二氧化碳  ，而酒精对植物细胞有毒害作用，所以大多数陆生植物不能长期忍受无氧呼吸，但水稻较适应生活在水生环境(为什么？)。本身耐受无氧呼吸的能力就较强，另外地上部分可将氧气部分运输至地下。

(2)在低氧条件下，植物能进行无氧呼吸，但氧气的存在对无氧呼吸有 抑制 作用。

应用：

①生产中常利用降低 氧气浓度 ，能够抑制 有氧呼吸，减少 有机物的消耗。

这一原理来延长蔬菜、水果的保鲜时间。从果蔬保鲜角度分析氧气的浓度应控制在5％左右，在5％左右时细胞呼吸强度较 弱 ，有机物消耗较  少  。即应将氧的浓度控制在呼吸作用最低点，原因是温度降得太低，植物组织进行无氧呼吸，产生酒精，而酒精对细胞有一定的毒害作用，影响蔬菜水果的贮藏保鲜。

②施肥后，适时中耕松土，有利于提高肥效。（原因是：a．促进根的有氧呼吸，促进根对矿质元素的吸收；b．促进硝化细菌的作用；c．抑制反硝化细菌的作用）。

③酵母菌发酵生产中，先通入空气，目的是  促进酵母菌的有氧呼吸，从而促进其快速繁殖；然后密封，目的是 抑制有氧呼吸，促进其无氧呼吸产生酒精。   

 

3．CO₂的浓度

规律：①从化学平衡的角度可以分析得知C₆H₁₂O₆+6H₂O+6O₂6CO₂+12H₂O+能量，CO₂浓度增加，对呼吸作用有明显的 抑制 作用，呼吸速率会 减慢 。

②CO₂的浓度增加，会降低细胞内的pH值，使呼吸酶的活性降低，呼吸速率也会下降。

应用：冬季，在北方利用地窖储存大白菜，可延长大白菜的保鲜时间，原因是大白菜呼吸作用消耗地窖中的氧气，使O₂ ↓、CO₂ ↑，呼吸作用下降。(在下地窖前应注意先打开地窖口，过一段时间才可下去。)

 

4．H₂O

规律：在一定范围内，含H₂O量越多，呼吸作用越强

应用：储存种子时，必须降低含水量，使种子处于风干状态，从而使种子的呼吸作用降到最低，以减少有机物的消耗(同时，也可避免因呼吸放热引起种子发芽、霉变)。但要注意因各地气候条件不同如温度、湿度等不同，种子含水量的控制应不同。

填空：①干种子中水多为结合水，因此呼吸作用强度 较低 ；   

②长时间水涝地时，植物烂根的原因是水涝时根进行无氧呼吸产生酒精。

 

七、不同状况下，植物代谢特点及代谢相对强度的表示方法

1．黑暗状况：植物只进行呼吸作用，不进行光合作用。

⑴代谢特点：此状态下植物从外界吸收O₂ ，并将呼吸作用产生的CO₂释放到体外(如图甲)。

⑵呼吸作用相对强度可用如下三种方式表示：

A．用植物重量(有机物)的减轻量表示；

B．用O₂吸收量(或实验容器内O₂减少量)表示；

C．用CO₂释放量(或实验容器内CO₂增加量)表示；

 

2．较强光照时：植物同时进行呼吸作用和光合作用，且光合作用强度大于呼吸作用强度。

  ⑴代谢特点：植物光合作用产生的氧气(用m表示)除用于植物的呼吸作用消耗(用m₁表示)之外，其余的氧气释放到周围的环境中(用m₂表示)。

    植物光合作用所利用的CO₂(用N表示)除来自植物自身呼吸作用(用N表示)外，不足的CO₂部分从外界吸收(用N₁表示)(乙图所示)。分析乙图可知，图乙中有如下数量关系：

    m = m _l+m ₂ ，N = N ₁+N ₂

⑵光合作用相对强度的三种表达方法：

A．用O₂释放量(或实验容器内O₂增加量)表示；

B．用CO₂吸收量(或实验容器内CO₂减少量)表示；

C．用植物重量(有机物)增加量来表示。

 

八、光合作用、呼吸作用 (列表比较)

	光合作用	呼吸作用(有氧)
反应式	CO2+H2O 光 ───→(CH2O)+O2  叶绿体	酶 C6H12O6+6O2+6H2O──→6CO2+12H2O+能量
氧化还 原反应	加[H]还原的同化过程	脱[H]氧化的异化过程
[H]供体	H2O	葡萄糖、丙酮酸、H2O
[H]受体	C3	O2

 

细胞呼吸原理的应用：

1、作物栽培时，要有适当措施保证根的正常呼吸，如疏松土壤（如：花盆经常松土，促进根部有氧呼吸，吸收无机盐等）。

2、粮油种子贮藏时，要风干、降温，降低氧气含量，则能抑制呼吸作用，减少有机物消耗。

3、水果、蔬菜保鲜时，要低温或降低氧气含量及增加二氧化碳浓度，抑制呼吸作用。

4、大棚蔬菜的栽培过程中，夜间适当降温，降低细胞呼吸，减少有机物的消耗，提高产量。

5、包扎伤口，选用透气消毒纱布，抑制细菌有氧呼吸

6、酵母菌酿酒：选通气，后密封。先让酵田菌有氧呼吸，大量繁殖，再无氧呼吸产生酒精

7、稻田定期排水：抑制无氧呼吸产生酒精，防止酒精中毒，烂根死亡

8、提倡慢跑：防止剧烈运动，肌细胞无氧呼吸产生乳酸

9、破伤风杆菌感染伤口：须及时清洗伤口，以防无氧呼吸