第五章　细胞的能量供应和利用

一、本章知识网络：

二、知识解读：

知识点一、酶的本质、生理功能及其实验验证

酶的本质及生理功能

来源及 化学本质	活细胞产生的具有生物催化作用的有机物
	绝大多数酶是蛋白质	少数酶是RNA
合成场所	核糖体	细胞核(真核生物)
生理功能	催化作用(生物催化剂)
作用原理	降低化学反应的活化能

 

 

 

 

 

 

2.酶是蛋白质的验证实验(利用双缩脲试剂)

 

实验结果分析：通过对照，实验组若出现紫色，证明待测酶的化学本质是蛋白质；不出现紫色，则该酶液的化学本质不是蛋白质。

3．酶具有催化作用的实验设计思路及结果分析

 

实验结果分析：根据底物性质利用相应试剂检测，若底物被分解，则证明酶具有催化作用，否则不具有催化作用。

4．酶的高效性——比较过氧化氢在不同条件下的分解

(1)实验过程中的理论分析：

(2)酶具有高效性的机理是其能够显著降低反应活化能，缩短反应达到平衡点的时间，并使细胞代谢在温和条件下快速进行。

知识点二、与酶相关的曲线解读

1．表示酶高效性的曲线

(1)催化剂可加快化学反应速率，与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。

(2)酶只能缩短达到化学平衡所需时间，不改变化学反应的平衡点。

(3)酶只能催化自然条件下能发生的化学反应。

2．表示酶专一性的曲线

加入酶B的反应速率与无酶A或空白对照条件下的反应速率相同，而加入酶A的反应速率随反应物浓度增大明显加快，说明酶B对此反应无催化作用。进而说明酶具有专一性。

3．影响酶活性的曲线

(1)甲、乙曲线表明：

①在一定温度(pH)范围内，随温度(pH)的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围，酶的催化作用逐渐减弱。

②过酸、过碱、高温都会使酶失活，而低温只是抑制酶的活性，酶分子结构未被破坏，温度升高可恢复活性。

(2)从丙图可以看出：反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。

4．底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响

(1)在其他条件适宜，酶量一定条件下，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，但当底物达到一定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。

(2)在底物充足，其他条件适宜的条件下，酶促反应速率与酶浓度成正比。

考点三、图析ATP的结构与作用

1．ATP的结构简析

(1)组成元素：C、H、O、N、P。

(2)简称：三磷酸腺苷。

(3)各字母代表的含义：A——腺苷(腺嘌呤＋核糖)；P——磷酸基团；～——高能磷酸键。

(4)结构简式：A—P～P～P(远离腺苷A的那个高能磷酸键容易断裂，也容易形成)。

2．ATP的形成途径

3．ATP与ADP的相互转化

注意　酶1、酶2不同：酶1——合成酶，酶2——水解酶。

转化式：ADP＋Pi＋能量酶1酶2ATP

(1)ATP在生物体内含量少，但转化十分迅速，从而使细胞中的ATP总是处于一种动态平衡中。

(2)ATP与ADP的相互转化不是可逆反应。因为转化过程中的所需酶、能量的来源和去路和反应场所都不完全相同。但是物质是可循环利用的。

(3)ATP的形成需要满足4个条件：2种原料(ADP和Pi)、能量和酶。另外合成ATP的过程中有水生成。

考点四、探究影响酶活性的条件及酶的专一性

一、温度对酶活性的影响

1．原理解读

②温度影响酶的活性，从而影响淀粉的水解，滴加碘液，根据是否出现蓝色及蓝色的深浅来判断酶的活性。

2．实验设计思路

3．实验设计程序

淀粉　　　　　淀粉酶

↓　　　　　　　↓

各自在所控制的温度下处理一段时间

↓

淀粉与相应温度的淀粉酶混合

↓

在各自所控制的温度下保温一段时间

↓

滴加碘液，观察颜色变化

本实验不宜选用过氧化氢酶催化过氧化氢分解，因为过氧化氢酶催化的底物过氧化氢在加热的条件下分解也会加快。

归纳　不同温度对酶的活性和结构的影响

低温(0 ℃)―→  升温―→   最适温―→   再升温―→  高温

|　　　　     　|　　　    　|　　    　　|　　　　  |

活性受抑制―→活性增高―→活性最高―→活性降低―→无活性

|　　　     　　|　　　   　|　　 　  　|　　   　|

　未变性―→ 未变性―→  未变性―→  渐变性―→ 已变性

二、pH对酶活性的影响

1．原理解读

(1)H₂O₂H₂O＋O₂

(2)pH影响酶的活性，从而影响O₂的生成量，可用点燃但无火焰的卫生香燃烧的情况来检验O₂生成量的多少。

2．实验设计思路

O₂的产生速率

归纳　不同酸碱度对酶的活性和结构的影响

过酸酸性增强最适酸碱度―→碱性增强―→过碱

　|　　　　|　　　　　　|　　　　　|　　　　|

无活性活性降低活性最高―→活性降低―→无活性

　|　　　　|　　　　　　|　　　　　|　　　　|

变性渐变性未变性―→渐变性―→变性

三、酶的专一性

　该实验探究中的自变量可以是不同反应物，也可以是不同酶溶液，因变量是反应物是否被分解。

(1)方案一：用同一种酶催化两种不同物质

解读　用淀粉酶分别作用于淀粉和蔗糖后，再用斐林试剂鉴定，根据是否有砖红色沉淀生成来判断淀粉酶是否对二者都有催化作用，从而探究酶的专一性。

(2)方案二：用两种不同酶催化同一种物质

①

②再用斐林试剂鉴定，从而探究酶的专一性。

考点五、有氧呼吸和无氧呼吸的过程分析及比较

1．有氧呼吸和无氧呼吸过程图解

识图提示：应关注各阶段的场所、反应物、生成物及条件。

提醒　 (1)有氧呼吸第一、二阶段产生的[H]用于第三阶段与O2结合生成水；无氧呼吸第一阶段产生的[H]用于第二阶段将丙酮酸还原为C2H5OH和CO2或乳酸。

(2)有氧呼吸中H2O既是反应物，又是生成物，且生成的H2O中的氧全部来自O2。

(3)不同生物无氧呼吸的产物不同，是由于参与催化反应的酶不同。

(4)有氧呼吸中氧元素的来源和去路

2.有氧呼吸与无氧呼吸的比较

类型		有氧呼吸		无氧呼吸
不 同 点	反应条件	需要O2、酶和适宜的温度		不需要O2，需要酶和适宜的温度
	反应场所	第一阶段在细胞质基质中，第 二、三阶段在线粒体内		全过程都在细胞质基质中
	分解产物	CO2和H2O		CO2、酒精或乳酸
不 同 点	释放能量	释放大量能量	释放少量能量
	特点	有机物彻底分解，能量完全释放	有机物没有彻底分 解，能量没完全释放
相互联系	其实质都是分解有机物，释放能量，生成ATP供生命活动需要；第一阶段(从葡萄糖到丙酮酸)完全相同

提醒　 (1)有H2O生成一定是有氧呼吸，有CO2生成一定不是乳酸发酵。(2)无氧呼吸只释放少量能量，其余的能量储存在分解不彻底的氧化产物——酒精或乳酸中。(3)水稻等植物长期水淹后烂根的原因：无氧呼吸的产物酒精对细胞有毒害作用。玉米种子烂胚的原因：无氧呼吸产生的乳酸对细胞有毒害作用。(4)原核生物无线粒体，仍可进行有氧呼吸，如蓝藻、硝化细菌等。

考点六、影响呼吸速率的因素及实践应用

1．内部因素——遗传因素(决定酶的种类和数量)

(1)不同种类的植物细胞呼吸速率不同，如旱生植物小于水生植物，阴生植物小于阳生植物。

(2)同一植物在不同的生长发育时期细胞呼吸速率不同，如幼苗期、开花期细胞呼吸速率较高，成熟期细胞呼吸速率较低。

(3)同一植物的不同器官细胞呼吸速率不同，如生殖器官大于营养器官。

2．外部因素

提醒　(1)O₂浓度为零时，细胞呼吸强度并不为零，因为细胞可进行无氧呼吸。

(2)随着O₂浓度的增加，无氧呼吸受到抑制，有氧呼吸也因氧气浓度较低而较弱，细胞呼吸的总强度较低；但后来随着氧气浓度的升高，有氧呼吸逐渐增强，细胞呼吸总强度又增大。

(3)从化学平衡的角度分析，高浓度的CO₂在一定程度时可以抑制细胞呼吸。

考点七、探究酵母菌细胞的呼吸方式

1．实验原理

(1)酵母菌在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。酵母菌进行有氧呼吸能产生大量的CO2，在进行无氧呼吸时能产生酒精和CO2。

(2)CO2可使澄清石灰水变浑浊，也可使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿再变黄。根据石灰水浑浊程度或溴麝香草酚蓝水溶液变成黄色的时间长短，可以检测酵母菌培养液中CO2的产生情况。

(3)橙色的重铬酸钾溶液，在酸性条件下可与乙醇发生化学反应，变成灰绿色。

2．实验流程

　

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3．注意事项

(1)通入A瓶的空气中不能含有CO2，以保证使第三个锥形瓶中的澄清石灰水变浑浊是由酵母菌有氧呼吸产生的CO2所致。

(2)B瓶应封口放置一段时间，待酵母菌将B瓶中的氧气消耗完，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶，确保通入澄清石灰水中的CO2是由无氧呼吸产生的。

考点八、光合作用发现史中的经典实验分析

1．1771年普里斯特利实验

植物更新空气

缺点：缺乏对照组(记录时漏掉了实验在阳光下进行这一重要条件，后来英格豪斯为其纠正)

2．1864年萨克斯实验

提前暗处理——消耗掉叶片中原有的淀粉，避免干扰

\b\lc\ (\a\vs4\al\co1(实验组：一半曝光――→,\s\up7(脱色处理

3．1880年恩格尔曼实验

黑暗、无空气显微镜观察

 

实验组：极细光束照射处的叶绿体

对照组：黑暗处的叶绿体和完全曝光的叶绿体

4．20世纪30年代鲁宾、卡门实验

实验方法：同位素标记法

 

 

提醒　在光合作用的发现中，大多数科学家们利用了对照实验，使结果和结论更科学、准确。

(1)萨克斯：自身对照，自变量为光照(一半曝光与另一半遮光)，因变量为颜色变化。

(2)恩格尔曼：自身对照，自变量为光照(照光处与不照光处；黑暗与完全曝光)，因变量为好氧菌的分布。

(3)鲁宾和卡门：相互对照，自变量为标记物质(HO与C¹⁸O₂)，因变量为O₂的放射性。

(4)普里斯特利：缺少空白对照，实验结果说服力不强。

考点九、光合作用过程分析

1．识图领悟光合作用过程

结合上图，列表分析如下：

光反应与暗反应的比较

2.动态分析：光照与CO₂浓度变化对植物细胞内C₃、C₅、[H]、ATP、C₆H₁₂O₆合成量的影响

当外界因素中光照强弱、CO₂浓度骤然变化时，短时间内将直接影响光合作用过程中C₃、C₅、[H]、ATP及C₆H₁₂O₆生成量，进而影响叶肉细胞中这些物质的含量，它们的关系归纳如下：

(1)

―→―→

即：停止光照(强→弱)时，[H]↓，ATP↓，C₃↑，C₅↓，(CH₂O)↓。

(2)同理：突然增强光照时，[H]↑，ATP↑，C₃↓，C₅↑，(CH₂O)↑。

(3)―→

―→―→

即：停止(减少)CO₂供应时，C₃↓，C₅↑，[H]↑，ATP↑，(CH₂O)↓。

(4)同理：突然增加CO₂供应时，C₃↑，C₅↓，[H]↓，ATP↓，(CH₂O)↑。

考点十、影响光合作用的环境因素及其在生产上的应用

一、内部因素对光合作用速率的影响

1．同一植物的不同生长发育阶段

曲线分析：在外界条件相同的情况下，光合作用速率由弱到强依次是幼苗期、营养生长期、开花期。

应用：根据植物在不同生长发育阶段光合作用速率不同，适时、适量地提供水肥及其他环境条件，以使植物茁壮成长。

2．同一叶片的不同生长发育时期

曲线分析：随幼叶发育为壮叶，叶面积增大，叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，光合速率增大；老叶内叶绿素被破坏，光合速率随之下降。

应用：农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶及茎叶蔬菜及时换新叶，都是根据其原理，可降低其细胞呼吸消耗的有机物。

二、单因子变量对光合作用的影响(外界因素)

1．光照——光合作用的动力

①光照时间越长，产生的光合产物越多。

②光质，由于色素吸收可见光中的红光和蓝紫光最多，吸收绿光最少，故不同波长的光对光合作用的影响不一样，建温室时，选用无色透明的玻璃(或塑料薄膜)做顶棚，能提高光能利用率。

③光照强度：在一定光照强度范围内，增加光照强度可提高光合作用速率。

曲线分析：A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放CO₂量表示此时的呼吸强度。

AB段表明光照强度加强，光合作用速率逐渐加强，CO₂的释放量逐渐减少，有一部分用于光合作用；而到B点时，细胞呼吸释放的CO₂全部用于光合作用，即光合作用强度＝细胞呼吸强度，B点对应的光照强度称为光补偿点。

BC段表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以上不再加强了。C点对应的光照强度称为光饱和点。

应用：阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低，如上图虚线所示。间作套种时农作物的种类搭配，林带树种的配置，冬季温室栽培避免高温等都与光补偿点有关。

提醒　外界条件变化时，CO₂(光)补偿点移动规律：

①呼吸速率增加，CO₂(光)补偿点应右移；呼吸速率减小，CO₂(光)补偿点应左移。

②呼吸速率基本不变，条件的改变使光合速率下降，CO₂(光)补偿点右移；条件的改变使光合速率上升时，CO₂(光)补偿点左移。

2．光照面积

曲线分析：OA段表明随叶面积的不断增大，光合作用实际量不断增大，A点为光合作用面积的饱和点。随叶面积的增大，光合作用强度不再增加，原因是有很多叶被遮挡，光照不足。

OB段表明干物质量随光合作用增加而增加，而由于A点以后光合作用强度不再增加，但叶片随叶面积的不断增加，呼吸量(OC段)不断增加，所以干物质积累量不断降低(BC段)。

应用：适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免徒长。封行过早，使中下层叶子所受的光照往往在光补偿点以下，白白消耗有机物，造成不必要的浪费。

3．CO₂浓度

曲线分析：图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO₂浓度，即CO₂补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO₂的最低浓度。两图中的B和B′点都表示CO₂饱和点，两图都表示在一定范围内，光合作用速率随CO₂浓度增加而增大。

应用：大田要“正其行，通其风”，多施有机肥；温室内可适当补充CO₂，即适当提高CO₂浓度可提高农作物产量。

4．必需矿质元素

曲线分析：在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高而导致植物光合作用速率下降。

应用：在农业生产上，根据植物的需肥规律，适时、适量地增施肥料，可以提高作物的光能利用率。

5．温度

曲线分析：温度主要是通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合作用速率。

应用：冬天，温室栽培可适当提高温度；夏天，温室栽培可适当降低温度。白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。

三、多因子变量对光合作用速率影响的分析(外界因素)

　曲线分析：P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法。

　应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合作用酶的活性，提高光合速率，也可同时充入适量的CO₂，进一步提高光合速率，当温度适宜时，要适当提高光照强度和CO₂浓度以提高光合速率。总之，可根据具体情况，通过提高光照强度、调节温度或增加CO₂浓度等来充分提高光合速率，以达到增产的目的。

提醒　各种环境因子对植物光合作用并不是单独地发挥作用，而是综合作用。但各种因子的作用并不是同等重要的，其中起主要作用的因子为关键因子，因此在分析相关问题时，应抓关键因子。

考点十一、绿叶中色素的提取和分离

1．实验原理

(1)提取：叶绿体中的色素溶于有机溶剂而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。

(2)分离：各种色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢，从而使各种色素相互分离。

提醒　关键词及其与试剂的对应关系

提取色素——无水乙醇；分离色素——层析液。

2．实验程序

　提取色素

　画滤液细线

　

　观察结果

　整理、洗手

3．实验成功的关键

(1)叶片要新鲜、颜色要深绿，含有较多色素。

(2)研磨要迅速、充分。叶绿素不稳定，易被活细胞内的叶绿素酶水解。充分研磨使叶绿体完全破裂，提取较多的色素。

(3)制备滤纸条时，要将滤纸条的一端剪去两角，这样可以使色素在滤纸条上扩散均匀，便于观察实验结果。

(4)滤液细线不仅要求细、直，而且要求含有较多的色素，所以要求待滤液干后再画1～2次。

(5)滤液细线不能触及层析液，否则色素溶解到层析液中，滤纸条上得不到色素带或色素较少。

提醒　(1)从色素带的宽度可推知色素含量的多少；

(2)从色素带的位置可推知色素在层析液中溶解度大小；

(3)在滤纸上距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的两条色素带是胡萝卜素与叶黄素。