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第五章 细胞的能量供应和利用
第1节 降低化学反应活化能的酶
酶在细胞代谢中的作用
细胞代谢：活细胞内每时每刻发生的化学反应的总和，需要酶的催化，是细胞生命活动的基础
比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验原理：
实验设计
实验结论：酶具有催化作用，同无机催化剂相比，酶的催化效率更高
控制变量和设计对照实验
实验中的相关变量（以本实验为例）
项目 概念 举例
自变量 人为控制的对实验对象进行处理的因素 温度（加热）、催化剂（氯化铁溶液、过氧化酶）
因变量 因自变量改变而变化的变量 过氧化氢的分解速率
无关变量 除自变量外，实验过程中还存在的一些对实验结果造成影响的可变因素 过氧化氢的浓度和体积，反应时间等
对照实验
除作为自变量的因素外，其余因素（无关变量）都保持相同且适宜，并将结果进行比较的实验叫作对照实验。对照实验一般要设置对照组和实验组。
酶的作用原理
活化能的概念：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
酶催化作用的本质：降低化学反应的活化能，使化学反应在较低能量水平上进行，从而加快化学反应速率
与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高
结果：使细胞代谢在温和条件下快速进行
易错提醒：a：酶和无机催化剂一样，能催化化学反应的进行，降低化学反应的活化能，但本身并不被消耗，并不为化学反应提供物质和能量，不改变化学反应的方向和生成物的量；b：用加热的方法不能降低化学反应的活化能，但可以增加反应物分子的内能，从而能够增加活化分子数
酶的本质
关于酶本质的探索（看书！掌握每位科学家做出的贡献！）
酶的概念：一般来说，酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数种类的酶是RNA
酶的特性
高效性
含义：酶的高效性是相对无机催化剂而言的。酶的催化效率是无机催化剂的107-1013倍
实例：比较过氧化氢酶和氯化铁对过氧化氢分解的催化效率实验
意义：保证细胞代谢快速进行
专一性
实验原理：①淀粉和蔗糖都是非还原糖。它们在酶的催化下都能水解成还原糖，还原糖能与斐林试剂反应，生成砖红色沉淀；②在淀粉溶液和蔗糖溶液中分别加入淀粉酶，一段时间后，再用斐林试剂鉴定溶液中有无还原糖，就可以看出淀粉酶是否只能催化特定的化学反应
实验设计（以淀粉酶催化淀粉和蔗糖为例）
实验结论：酶具有专一性，淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解
注意事项：本实验中，无论蔗糖是否发生水解，都不能与碘液发生颜色反应，因此不能用碘液代替斐林试剂
作用条件较温和
酶活性
概念：酶催化特定化学反应的能力。可用在一定条件下酶所催化某一化学反应的速率表示
影响因素：温度和pH等，在最适温度和pH条件下，酶的活性最高；过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活；低温会抑制酶的活性，但酶的空间结构稳定，在适宜温度下酶的活性会升高
实验1——探究温度对酶活性的影响
原理：温度影响淀粉酶的活性，进而影响淀粉的水解速率。淀粉遇碘液变蓝，根据是否出现蓝色及蓝色的深浅可以判断酶的活性
实验设计
注意事项：a：一定要让反应物和酶分别在相应的温度下保存一段时间，再进行混合；b：检测的试剂不可用斐林试剂代替碘液，因为斐林试剂需在水浴加热条件下才会发生特定的颜色反应，而该实验中需严格控制温度；c：探究温度对酶活性的影响时，不宜用过氧化氢作为反应物，因为加热可以加快过氧化氢的分解，不能准确反映温度对酶活性的影响
实验2——探究pH对酶活性的影响
原理：2H2O2 过氧化氢酶2H2O+O2
步骤：
实验步骤 实验操作内容 试管1 试管2 试管3
一 加入等量的过氧化氢酶溶液 2滴 2滴 2滴
二 加入不同pH的溶液 1ml蒸馏水 1ml盐酸 1ml NaOH溶液
三 加入等量的过氧化氢溶液 2ml 2ml 2ml
四 观察现象 有大量气泡产生 基本无气泡 基本无气泡
实验结论：酶的催化作用需要适宜的pH，pH偏低或偏高都会影响酶的活性
注意事项：不易选择淀粉酶催化淀粉分解的反应，因为酸性条件下淀粉也会水解，从而影响实验的观察效果。
在最适pH或最适温度下，酶的活性最高；过酸、过碱、温度过高会使蛋白质的空间结构发生变化，导致蛋白质变性失活，不可恢复；而低温只是抑制酶的活性，酶的空间结构并没有破坏。
酶催化反应时,最适温度和最适pH不会相互影响。
与酶有关的曲线解读
与无机催化剂相比，酶的催化效率更高；酶只改变反应速率，不改变生成物的量
在其他条件适宜且酶量一定的条件下，酶促反应速率随反应物浓度的增大而加快，当反应物浓度达到一定值时，所有的酶与反应物结合，在A点酶促反应速率达到最大，再继续增大反应物浓度，酶促反应速率不再增大
如图5，在反应物充足且其他条件适宜的情况下，酶促反应速率与酶浓度呈正相关
不同因素影响酶促反应的速率的本质不同
第2节 细胞的能量“货币”ATP
ATP是一种高能磷酸化合物
ATP的功能：是驱动细胞生命活动的直接能源物质
ATP的结构：①中文名称：腺苷三磷酸；②元素组成：C、H、O、N、P；③分子组成：1分子核糖+1分子腺嘌呤+3分子磷酸基团
结构简式：A－P~P~P，符号含义：A：腺苷（核糖和腺嘌呤组成）；P：磷酸基团；~：特殊的化学键（数量：2个）
ATP脱去一个磷酸基团成为ADP（腺苷二磷酸），再脱去一个磷酸基团就成为RNA的基本单位之一——腺嘌呤核糖核苷酸，简称AMP
ATP和ADP可以相互转化
ATP的水解：
ATP的合成：
ATP和ADP相互转化示意图
ATP在细胞内的含量很少，但在细胞内的转化十分迅速，使得细胞内ATP的含量总是处在动态平衡之中。
ATP的利用
细胞中绝大多数需要能量的生命活动都是有ATP直接提供能量的
ATP中的化学能 各种形式的能量 各项生命活动
ATP是细胞内主要的直接供能物质，但不是唯一，还有其他的直接供能物质，如（UTP、CTP、GTP）
许多吸能反应与ATP的水解反应相联系，由ATP水解提供能量（ATP水解本身属于放能反应）
放能反应一般与ATP的合成相联系，释放的能量可以储存在ATP中（ATP合成本身属于吸能反应，所需要的能量来自放能反应）
第3节 细胞呼吸的原理和应用
探究酵母菌细胞呼吸的方式
呼吸作用的实质：细胞内的有机物氧化分解，并释放能量，因此也叫细胞呼吸
根据是否需要O2参与，分为有氧呼吸和无氧呼吸
实验原理：
实验材料：酵母菌（真核生物）属于兼性厌氧菌，既可以进行有氧呼吸，又可以进行无氧呼吸
呼吸产物的检测：
物质 试剂 实验现象
CO2 澄清石灰水 变浑浊（根据石灰水的浑浊程度可确定产生CO2的多少）
溴麝香草酚蓝溶液 蓝—绿—黄（根据溴麝香草酚蓝溶液变成黄色的时间长短可确定产生CO2的多少）
酒精 酸性重铬酸钾 橙色——灰绿色
设计思路——设计对比实验
实验装置
实验结果
实验结论：酵母菌在有氧和无氧条件下都进行细胞呼吸；在有氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量CO2；在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量CO2
4）实验注意事项
配制酵母菌培养液时，要煮沸处理，一是为了除去溶液中的氧气，避免对自变量的影响；二是为了杀死葡萄糖溶液中可能存在的杂菌，避免对实验结果的干扰。
煮沸的葡萄糖溶液一定要冷却到常温，才加入酵母菌，否则高温会杀死酵母菌。
甲装置中NaOH溶液处理为了去除空气中CO2 ，保证澄清石灰水变浑浊是酵母菌有氧条件产生CO2所致
乙装置中B瓶应封口放置一段时间后，再连通盛有澄清石灰水的锥形瓶的目的是消耗掉B瓶中的氧气，确保通过澄清石灰水的CO2是无氧呼吸产生的。
有氧呼吸
有氧呼吸的主要场所——线粒体：双层膜结构，外膜光滑，内膜向内折叠形成嵴，内膜和基质中含有多种与有氧呼吸的酶。
有氧呼吸的过程（以葡萄糖为底物）
3）与有氧呼吸有关的几点提醒：①：葡萄糖不能进入线粒体被氧化分解，葡萄糖先在细胞质基质中分解成丙酮酸，在有氧条件下，丙酮酸才能进入线粒体被氧化分解成CO2和水。②：有氧呼吸前两个阶段不消耗氧气，只有在第三个阶段消耗氧气。③：有氧呼吸三个阶段都释放能量，前两个阶段释放少量能量，第三个阶段释放大量能量。④：[H]是指NADH，称为还原性辅酶Ⅰ。
4）总反应式：反应式中能量不能写成ATP，因为只有小部分能量存储在ATP中，反应式中前后的H2O不能消去，在第二阶段消耗水，第三阶段生成了水。
5）概念：细胞在氧气的参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，同时释放大量能量,生成ATP的过程。
6）能量利用特点：一部分储存在ATP中（用于各项生命活动），大部分的能量都以热能散失。
3. 无氧呼吸
场所：细胞质基质
过程：
项目 反应过程
第一阶段（与有氧呼吸第一阶段相同）
第二阶段 产生酒精 大多数植物，酵母菌等
产生乳酸 乳酸菌，人和动物，少数植物器官（马铃薯块茎、甜菜块根、玉米的胚等）
总反应式 酒精发酵
乳酸发酵
3）能量转化：无氧呼吸只在第一阶段生成少量ATP，在第二阶段不产生ATP。
4）概念：在没有氧气参与下，葡萄糖等有机物经过不完全分解，释放少量能量的过程。
5）有氧呼吸和无氧呼吸的区别
细胞呼吸原理的应用
类型 应用 原理
有氧呼吸 提倡慢跑等有氧运动 避免肌细胞因供氧不足进行无氧呼吸积累过多的乳酸而使肌肉酸胀乏力
农作物栽培时及时松土透气 根对无机盐的吸收是主动运输的过程，消耗能量；农作物栽培时及时松土透气，增加土壤中氧气的浓度，使根的有氧呼吸加强，产生大量能量，从而促进根对无机盐的吸收
稻田定期排水 避免根因无氧呼吸产生大量酒精，对细胞产生毒害作用，造成烂根
生产醋酸、味精等 利用醋酸菌的有氧呼吸
制作馒头、面包 利用酵母菌有氧呼吸产生CO2，使馒头和面包松软可口
无氧呼吸 包扎伤口时，选用透气的消毒纱布或“创可贴”等敷料 既为伤口敷上了药物，又为伤口创造了疏松透气的环境、避免厌氧病原菌的繁殖，从而有利于伤口的痊愈
皮肤破损较深或被锈钉扎伤，需及时到医院治疗 避免破伤风芽孢杆菌等进行无氧呼吸而大量繁殖、引发破伤风
制作酸奶、泡菜等 利用乳酸菌无氧呼吸产生乳酸
酿酒 酿酒的早期要通气，有利于酵母菌进行有氧呼吸，从而快速繁殖，后期密闭，有利于酵母菌进行无氧呼吸产生酒精
细胞呼吸的影响因素及其应用
温度：主要影响与细胞呼吸有关酶的活性
原理：在最适温度时细胞呼吸最强；超过最适温度则呼吸酶活性降低，甚至变性失活，细胞呼吸受抑制；低于最适温度则呼吸酶活性下降，细胞呼吸受抑制。
应用：零上低温储存蔬菜、水果；大棚栽培植物过程中增加昼夜温差以减少有机物的消耗，提高产量
O2浓度：决定细胞呼吸类型和强度
原理：一定范围内，有氧呼吸随氧气浓度升高而增大，但氧气浓度达到一定值时，不再增加(受底物的量或酶的浓度限制）；无氧呼吸随氧气浓度增加而受抑制，氧气浓度达一定值时，被完全抑制。
应用：常利用适当降低氧气的浓度抑制细胞呼吸、减少有机物消耗这一原理来延长蔬菜、水果的保鲜时间。
CO2浓度
原理：CO2是呼吸作用的产物，对细胞呼吸有明显的抑制作用。
应用：地窖来贮藏大白菜、甘薯等，适当增加CO2浓度，可抑制细胞呼吸，减少有机物的消耗。
水分
原理：在一定范围内，细胞呼吸速率随含水量的增加而加快，随含水量的减少而减慢。
当含水量过多时，呼吸速率减慢，甚至死亡。
应用：种子储存应晒干，降低呼吸作用；作物栽培中，合理灌溉。
第4节 光合作用与能量转化
绿叶中色素的提取和分离
实验原理：
提取原理：绿叶中的色素属于脂溶性色素，能溶解于有机溶剂无水乙醇中
分离原理：不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散的快，反之则慢。
注意事项
色素提取的材料、试剂和关键步骤
项目 操作内容 操作目的
材料 叶片要新鲜、深绿 使滤液中色素含量高
试剂 二氧化硅 利于绿叶的充分研磨
碳酸钙 防止研磨过程中色素（主要是叶绿素）被破坏
无水乙醇 溶解色素
关键步骤 研磨要迅速、充分 提取较多色素、防止溶剂挥发
盛滤液的试管口加棉塞 防止试剂挥发
色素分离的试剂和关键步骤
项目 操作内容 操作目的
试剂 层析液 分离色素
关键步骤 滤纸条的一端剪去两角 防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快
滤液细线重复画若干次，且要求细、直、齐 使分离的色素带清晰
滤液细线不能触及层析液 防止色素溶解到层析液中
实验现象分析：滤纸条上出现四条宽度、颜色不同的色素带（如图所示）
色素带的位置与溶解度有关，四种色素在层析液中溶解度高低依次为胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b
色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有四种色素
色素带的宽窄与色素含量有关，叶绿素a的色素带最宽说明其含量最多，胡萝卜素的色素带最窄说明其含量最少。
捕获光能的色素
种类：
作用：吸收、传递、转化光能
色素的吸收光谱：叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光；胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光，对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。
一般情况下，叶绿体的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收。
叶绿体的结构适用于光合作用
叶绿体主要分布在绿色植物的叶肉细胞中，而并非遍布所有植物细胞
叶绿体由（双层）膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称之为类囊体，基粒与基粒之间充满了基质。
每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上，叶绿体内有如此众多的基粒和类囊体，极大的扩展了受光面积。
吸收光能的4种色素就分布在类囊体的薄膜上，在类囊体的薄膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
光合作用的原理
概念：光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
反应式：
实质：合成有机物，储存能量
过程：根据是否需要光能，将光合作用分为光反应阶段（光合作用第一阶段）和暗反应阶段（光合作用第二阶段）。其中光反应必需有光才能反应，暗反应有光、无光都能反应。
化能合成作用
概念：某些细菌（如硝化细菌等）可以利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量，将CO2等无机物转变成有机物的合成作用。
实例：硝化细菌的化能合成作用
光合作用和化能合成作用的比较
项目 光合作用 化能合成作用
不同点 生物类型 绿色植物和光合细菌 硝化细菌等
能量来源 光能 体外物质氧化时释放的能量
相同点 代谢类型 自养生物
物质变化 将无机物（CO2和H2O等）转化为储存能量的有机物
6．光合作用原理的应用
光合作用的强度
概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
表示方法
影响光合作用的因素
光照强度：通过影响植物的光反应，制约NADPH和ATP的产生，进而影响暗反应。
在一定范围内，光合作用速率随着光照强度的增加而增大；当光照强度增加到一定值（光饱和点）后，光合作用速率不再随光照强度的增加而增大；
B点（光补偿点）对应的光照强度下，植物的光合作用速率等于细胞呼吸速率，即净光合速率等于0；C点对应的光照强度为光饱和点，此时光照强度不再是植物光合作用速率的限制因素
真正光合速率（总光合作用）=净光合速率+呼吸速率
有机物积累量=光合作用制造量-呼吸作用消耗量
应用：大棚种植阴雨天应补充光照，增加光合作用强度；根据阳生植物和阴生植物对光照的不同要求，控制光照强弱。如间作套种时农作物的种类搭配，合理利用光能。
CO2浓度：影响暗反应阶段，制约C3的形成
一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增大而增大，但当CO2浓度增加到一定值后，光合作用速率不再随CO2浓度的增加而增大；
图1中A点和图2中A’点表示该植物光合作用速率=细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点。图1中B点和图2中B’点对应的CO2浓度都表示CO2饱和点。
应用：大田生产“正其行（合理安排植株的间距），通其风（补充新鲜的CO2）”，即为提高CO2浓度、增加产量；多施有机肥或农家肥等。
温度：通过影响酶的活性来影响光合作用强度
B点对应的温度是最适温度，此时光合作用最强，高于或低于此温度，光合作用强度都会下降。
应用：白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室的温度，以降低细胞呼吸，保证植物有机物的积累。
水和无机盐对光合作用的影响
水是光合作用的原料，缺水既可直接影响光合作用，又会导致叶片气孔关闭，限制CO2进入叶片，从而间接影响光合作用。N、Mg、Fe等是叶绿素合成的必需元素，若这些元素缺乏，会影响叶绿素的合成从而影响光合作用
应用：预防干旱，合理灌溉；合理施肥
多因子对光合速率的影响
P点及P点之前限制光合速率的因子应为横坐标所表示的因子，随横坐标所表示的因子的不断加强，光合速率不断提高；当到Q点及Q点后，横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的因素。

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