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细胞通过分解有机分子获取能量
第三节
第四章 细胞的代谢
高一生物 必修一
细胞通过分解有机分子获取能量
据估算，体重67.5kg 的人慢跑消耗的能量约为每小时3621kJ；即使安静地坐着，每小时也需要消耗约117kJ 的能量。
细胞生命活动能直接利用的能源物质是什么？食物中的糖类等有机分子是如何转化为直接能源物质的？让我们从探究酵母的呼吸作用开始，逐一解开这些疑问。
探究不同供氧环境下酵母的呼吸方式
思考与讨论：
1. 列表比较两组实验结果中 CO2 浓度和酒精含量的数据，分析不同供氧状态下，酵母产生的物质有何差异？你能否解释原因？
2. 酵母在分解葡萄糖、释放 CO2 的过程中获得了什么？
在不同供氧条件下，细胞呼吸分解有机分子的效率是否相同？酵母在有氧或缺氧条件下都能分解葡萄糖。通过比较单位时间内产生的 CO2 和酒精量，可以判断分解程度，实验步骤如下。
1. ATP 是生命活动的直接能源物质
科学家研究发现，在活细胞中，直接驱动生命活动的能源物质是一些称为“能量载体”的分子，其中腺苷三磷酸用途最为广泛。
ATP的结构组成
1．中文名称：腺苷三磷酸（1个腺苷+3个磷酸）
2．结构简式：A—P～P～P，其中A代表腺苷（腺嘌呤+核糖），T代表三，P代表磷酸基团，～代表特殊的化学键
ATP的两种供能方式
(1)在酶的作用下，ATP的磷酸基团可水解，末端两个磷酸基团水解均可释放30kJ/mol的能量。ATP失去末端一个磷酸基团后水解为ADP（腺苷二磷酸），失去末端两个磷酸基团后水解为AMP（腺苷一磷酸）。
ATP的两种供能方式
（2）ATP普遍存在于细胞中，主要通过含磷基团转移到目标分子上或水解，为生命活动提供能量。例如肌细胞中，ATP结合到肌球蛋白上并释放能量，改变肌球蛋白构象，使肌动蛋白丝移动，导致肌细胞收缩；细胞质膜主动运输过程中，为载体蛋白提供能量的也是ATP。
细胞内ATP分子的总量是有限的，人体细胞内ATP总量只能维持生命活动15s左右。但正常情况下，细胞内的ATP是不会耗尽的：当ATP减少、ADP增加时，细胞通过氧化分解有机物，在酶的催化下，通过能量转换，使ADP和Pi重新结合，形成新的ATP。ATP与ADP的相互转换，可源源不断地为生命活动提供直接能源。
ATP与ADP之间的转化
ATP与ADP之间的转化
ATP 酶 ADP + Pi + 能量
ADP+ Pi +能量 酶 ATP
ATP与ADP相互转化过程是可逆反应吗？
不是可逆反应：
（1）反应条件不同；（2）能量来源和去路不同；
（3）反应场所不同。
ATP
ATP合成酶
ATP水解酶
ADP + Pi + 能量
2．有氧呼吸产生大量 ATP
细胞通过氧化分解有机物，将有机物中的能量转换成可供生命活动直接使用的ATP，这个过程称为细胞呼吸。
细胞呼吸的类型：有氧呼吸和无氧呼吸。
（1）有氧呼吸化学反应式：
有氧呼吸场所
（2）有氧呼吸场所：反应可归纳为两个阶段，分别在细胞质基质和线粒体中进行。真核细胞有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体；原核细胞无线粒体，有氧呼吸在细胞质基质和细胞膜（分布与有氧呼吸有关的酶）上进行。
①糖酵解：1分子葡萄糖在酶的催化下分解成2分子丙酮酸，同时形成少量ATP，脱下的H由还原型辅酶Ⅰ（NADH）携带进入线粒体。（大部分能量以热能形式散失，小部分推动ADP形成ATP）
有氧呼吸过程
具体过程：
C6H12O6
酶
2丙酮酸（C3）+ 4NADH（还原性辅酶Ⅰ）+少量能量
场所：细胞质基质
②三羧酸循环：在氧气充足的情况下，丙酮酸进入线粒体，在线粒体基质中氧化脱去一个CO2，生成乙酰辅酶A（二碳化合物），参与到“三羧酸循环”的反应中，彻底氧化分解为CO2，并形成一定的ATP以及NADH，CO2从细胞中排出。
有氧呼吸过程
具体过程：
丙酮酸（C3）
酶
CO2+ 乙酰辅酶A（二碳化合物）
场所：线粒体基质
乙酰辅酶A+H2O
酶
CO2+ NADH+少量能量
③电子传递链：NADH携带的电子经线粒体内膜上的电子传递链，逐渐释放能量。释放的能量部分转化生成ATP，部分以热能的形式释放。电子最终传递给O2，生成H2O。
有氧呼吸过程
具体过程：
24NADH（H+）+O2
酶
12H20+ 大量能量
场所：线粒体内膜
有氧呼吸总结
场所 细胞质基质 线粒体（有氧呼吸的主要场所）
过程 糖酵解 三羧酸循环、电子传递链
产物 丙酮酸（C3H4O3） CO2和H2O
能量 少量ATP和热能 大量ATP和热能
产物 丙酮酸（C3H4O3）、释放少量能量、形成少量ATP CO2、H+、释放少量能量、形成少量ATP；H2O、释放大量能量、形成大量ATP
3．无氧呼吸产生少量 ATP
概念：在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机物经过不完全分解，释放少量能量的过程。
酶
不彻底氧化产物 + 少量能量
总反应式：有机物
无氧
不彻底氧化产物
指什么呢？
无氧呼吸过程
第一个阶段糖酵解：与有氧呼吸的第一阶段相同； 第二个阶段（乳酸发酵）：无氧呼吸过程中，糖酵解形成的NADH不进入线粒体，而是在细胞质基质中将丙酮酸还原，最终产物是乳酸。这一过程中，1分子葡萄糖分解为2分子的乳酸，形成2个ATP。
无氧呼吸过程
第二个阶段（酒精发酵）：酵母无氧呼吸的产物是乙醇（酒精）和 CO2。糖酵解产生的丙酮酸，继续降解释放出1个CO2分子后，接受 NADH的H+和电子，形成乙醇，该过程称为酒精发酵。酒精积累会对细胞产生伤害，在葡萄酒酿制过程中，当酒精含量达到12%～16%时，发酵停止。
无氧呼吸总结
第一阶段（细胞质基质） 第二阶段（细胞质基质） 酒精发酵 大多数植物、酵母菌等
乳酸发酵 高等动物、马铃薯块茎、甜菜块根、乳酸菌等
葡萄糖
酶
丙酮酸+ NADH+少量能量
4.其他有机分子也可被氧化分解
4.其他有机分子也可被氧化分解
在酶的作用下，脂肪可被水解为甘油和脂肪酸。
①甘油可转变成丙酮酸进入糖的氧化分解途径；
②脂肪酸在酶的作用下逐步氧化分解形成乙酰辅酶A，并进入三羧酸循环被彻底氧化。因此，脂肪酸的彻底氧化分解需要在有氧条件下进行。
4.其他有机分子也可被氧化分解
当体内糖类供应不足时，氨基酸也可作为能源物质。
在酶的作用下，氨基酸脱去氨基，剩下的碳链可进入到细胞有氧呼吸的各环节中，氧化分解放出能量；脱下的氨基则被转化成尿素等含氮废物排出体外。
4.其他有机分子也可被氧化分解
细胞在不同的生活环境中，都能通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量，这体现了生命的适应性。
课堂练习
1.下列有关呼吸作用的叙述中，错误的是（ )
A.生活在人体肠道内的蛔虫进行无氧呼吸
B.哺乳动物的成熟红细胞只能进行无氧呼吸
C.长跑时，人体产生的二氧化碳是有氧呼吸和无氧呼吸的共同产物
D.酵母菌的无氧呼吸能产生二氧化碳
C
2.种子在浸水和不浸水的情况下进行细胞呼吸，都能产生（ ）
A.葡萄糖 B.丙酮酸 C.酒精 D.乳酸
课堂练习
B
课堂练习
3．下列关于细胞呼吸的叙述错误的是（　　　）
A.细胞呼吸必须在酶的催化下进行
B.人体硬骨组织细胞也进行呼吸
C.酵母菌可以进行有氧呼吸和无氧呼吸
D.叶肉细胞在光照下进行光合作用，不进行呼吸作用
D
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