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备课资料
一、在生物体能量代谢中铁的载体作用
生物体内的能量代谢主要是通过氧完成的。氧的生物功能包括通过氧化有机营养物质向细胞内提供能量，参与某些氧化性代谢和生物合成等，其基本反应相当于有机物的完全氧化：
C，H+O2－→,CO2+H2O
C，H被氧化成CO2和H2O ，这一反应实质上是光合作用的逆向反应。从反应的起点和终点看，它无机生物的燃烧相同，但生物体内的能量和物质代谢有其本身的特点：
(1)生物体以自由能形式释放和贮存能量；
(2)生物体内进行的物质及能量转化需恒温(37℃左右)，近中性的水溶液中完成；
(3)生物体内的物质与能量转化是多种多样的，每个细胞都能产生、贮存和利用自由能，以保证定时、定点、定量地提供能量和对物质加工。
(4)有机物氧化反应的最终产物CO2最终由肺呼出。
可以把能量代谢中氧的利用表示如下：
每一环节的完成都有一种或几种生物物质作为其物质基础。它包括运氧载体并运送CO2经肺呼出的血红蛋白(Hb)，它存在于红细胞内；也包括在组织中负责从Hb中获得氧并贮存起来的肌红蛋白(Mb)以及定位于线粒体内膜的呼吸链中电子传递系统，使有机代谢物最终氧化生成CO2和H2O。这里，Hb、Mb和电子传递系统中的细胞色素(Cyt)都是血红素蛋白，即都是以铁的卟啉络合物为辅基的蛋白质。
铁是人体的必需微量元素，其含量占人体约4.5 g，分布于人体各部，几乎所有组织都有，其中以肝脾中含量最高。铁在体内的存在形式可分两大类：血红素类和非血红素类。非血红素类主要有运铁蛋白、乳铁蛋白、铁蛋白、含铁血黄素及一些酶类。而血红蛋白、肌红蛋白及细胞色素即为血红素类，参与体内物质及能量的代谢的载体作用。
1．含铁氧载体
Hb和Mb的运氧和贮氧功能都是依靠血红素中的Fe+3与O2的配位结合：
Hb　 Fe2++ O2　　　　Hb　Fe2++ O2
Mb 　 Fe2++ O2　　　　Mb 　 Fe2++ O2
所以都属于载氧体。它们的作用是：Hb能在肺泡中尽量结合较多的、本来难溶于水的氧，在需氧组织中把氧转给Mb，并在这里使CO2溶解在血液中，即要求下列氧转移反应在氧分压较低的组织中进行：
Hb·O2+Mb　　　　Mb·O2+Hb
在氧分压高些的肺泡处，Hb能较快较多地结合O2，而在氧分压低些的组织中，它又能把O2转给含氧的能力比它强的Mb，这一性质是由它们的分子结构决定的。
Hb含铁O.34％，每个红细胞含2.8亿个Hb分子，每个Hb分子由4个亚单位组成，每个亚单位以铁原子为核心，与很多C、H、O、N结合成亚铁血红素，再与肽链结合。每个铁原子和一个分子氧结合。可见，Hb的运氧效率是很高的。
Mb和Hb一样，它存在于肌肉中，每个肌红蛋白分子为单一的肽链，并含有一个亚铁血红素成为肌肉中的“氧库”。
2．含铁递电子体
有机物在生物体内氧化分解的产物是CO2、H2O和能量。
C6H12O6+6O2－→6 CO2+6H2O+能量(17.1 kJ·g-1)，这种氧化是与呼吸过程结合进行的。其释能过程是由线粒体内膜上的一套酶系统催化而成的，此酶构成了链状反应，称之为呼吸链。有机营养物质消化、吸收进入细胞内的线粒体，脱氢，经呼吸链的逐步传递，最后交给氧使其变成水，与此同时产生能量供机体利用。
呼吸链的传递过程是：
呼吸链组成的前三种复合物中都含有铁硫蛋白(Fe－S)，Fe—S是一种重要的电子传递体，这类蛋白的特征是含有非血红素铁和对酸不稳定的硫，称它为非血红素铁蛋白。在氧化态时铁硫蛋白中的铁原子都是三价的；当铁硫蛋白被还原时，其中一个铁原子被还原成二价铁，由此起传递电子的作用。
呼吸链中细胞色素的组成及电子传递顺序为b→c1→c→aa3，它们都是以血红素为中心的含铁蛋白，其分子内铁卟啉中的铁能够进行可逆的氧化还原反应，Fe3+接受电子还原成Fe2+，然后再将电子传递给另一个Cyt，最后再由Cytaa3将电子传递给O2，使氧活化成氧离子(O2－)，再与介质中的2H+结合成水。Cyt传递电子的过程如下：
　　由此看来，铁是重要的氧载体和电子传递体，影响着生物体的物质代谢和能量代谢。
二、呼吸、呼吸作用与发酵
1．呼吸
呼吸是指生物与外界环境进行气体交换的全过程。主要为吸入氧气和排出二氧化碳的过程。
人和高等动物呼吸的全过程包括外呼吸、气体在血液中运输、内呼吸三个相互联系的环节。外呼吸包括肺的通气和肺泡内的气体交换，即是指血液与外界空气在肺部进行的气体交换过程。气体在血液中的运输是通过血液循环运输O2和CO2的过程。内呼吸是指组织细胞之间的气体交换过程。
低等动物的呼吸方式与其生活环境和自身相应的呼吸结构相适应。如：蝗虫用气管呼吸，河蚌用鳃呼吸，蚯蚓用皮肤呼吸，草履虫用表膜（细胞膜）呼吸。
植物是以叶片等部位的气孔和茎的皮孔及表皮等从外界空气中吸入O2，排出CO2，本质上同动物一样与外界环境进行着气体交换。
微生物（需氧型和兼性厌氧型）则是直接通过体表吸入O2，排出CO2，完成气体交换。
2．呼吸作用
呼吸作用是指生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，最终生成CO2或其他产物，并且释放出能量的总过程。呼吸作用严格属于新陈代谢的范筹，不论何种生物均在细胞内进行，因此，又称之为脱氧化、细胞呼吸等。根据生物对氧气的需求不同，呼吸作用又分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。
人、动物、植物主要是以有氧呼吸的方式获取生命活动所需能量的，好氧性微生物和兼性厌氧微生物也均能以有氧呼吸方式获取能量。
人、动物、植物、微生物在特定条件下，均能进行无氧呼吸，只是条件不同，产物不同。如：高等植物水淹、种子萌发初期、苹果贮藏过久等情况下，均进行无氧呼吸，产生酒精和二氧化碳，获得能量；高等植物的某些器官（马铃薯块茎、甜菜块根、胡萝卜的叶、玉米的胚）和人处于某特定环境（剧烈运动、刚进入高原等）都能进行无氧呼吸，但产物是乳酸，并获得能量；某些寄生虫（蛔虫、绦虫、血吸虫等）也进行无氧呼吸（只能无氧呼吸）产生二氧化碳和其他有机物。
3．发酵
发酵是指通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程。发酵的种类很多，根据培养的物理状态分为固体发酵和液体发酵；根据生成的产物不同分为抗生素发酵、维生素发酵和氨基酸发酵等；根据对氧的需求与否分为厌氧发酵和需氧发酵。
醋酸杆菌发酵可以造醋（需氧）；
乳酸菌发酵可以制泡菜、酸菜、青饲料（厌氧）；
酵母菌发酵可以酿酒（先需氧增加菌数，再厌氧增产酒精）。
三、范例析与解
［例1］新鲜蔬菜放在冰箱的冷藏室中，能适当延长保鲜时间的生理原因是( )
A.呼吸作用减弱 B.呼吸作用加强
C.光合作用减弱 D.促进了物质分解
分析：新鲜蔬菜的细胞是活细胞，活细胞内不断地进行着呼吸作用，当然也就在不断地消耗有机物（削弱着营养价值），而呼吸作用又是在酶的作用下进行的，温度能影响呼吸酶的催化效率，故温度降低时可抑制呼吸酶的活性，适当延长蔬菜的保鲜时间。
答案：A
［例2］假如宇宙空间站内的绿色植物积累了120mol的O2，这些O2可供宇航员氧化分解多少mol的葡萄糖？分解葡萄糖所释放的能量大约有多少kJ转移给了ATP （　　）
A.120和23220 B.20和2870 C.60和69660 D.20和23220
分析：这是一道涉及光合作用、呼吸作用和能量转移以及相关化学知识的综合题。根据有氧呼吸的总反应式“C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量”可知，氧化分解1 mol葡萄糖消耗6 mol O2，则120 mol O2可分解葡萄糖为：120÷6=20(mol)；又因为1 mol葡萄糖彻底氧化分解后释放的能量是2870 kJ，其中只有1161 kJ转移给了ATP，则20 mol葡萄糖彻底氧化可转移给ATP的能量为1161×20=23220(kJ)。
答案：D
［例3］在贮藏水果时需充加CO2或N2或抽取空气，其目的是( )
A.促进有氧呼吸 B.促进无氧呼吸
C.抑制有氧呼吸 D.抑制无氧呼吸
分析：本题是考查有氧呼吸的条件的。有氧呼吸需要氧气，贮藏水果时，充加CO2或N2或抽取空气，其目的都是使氧气减少，抑制呼吸作用，使代谢缓慢，营养物质消耗减少，延长贮存的时间。
答案：C
［例4］运动员在进行不同项目运动时，机体供能方式不同。对三种运动项目的机体需氧量、实际摄入氧量和血液中的乳酸增加量进行测定，结果如下：
运动项目 总需O2量（升） 实摄O2量（升） 血中乳酸增加量
马拉松跑 600 589 略有增加
400米跑 16 2 显著增加
100米跑 8 0 未见增加
根据以上资料分析马拉松跑、400米跑、100米跑运动时机体的主要供能方式分别是( )
A.有氧呼吸、无氧呼吸、磷酸肌酸分解
B.无氧呼吸、有氧呼吸、磷酸肌酸分解
C.有氧呼吸、无氧呼吸、无氧呼吸
D.有氧呼吸、磷酸肌酸分解、无氧呼吸
分析：运动员的运动是肌肉收缩的结果。肌肉收缩的直接能源物质是ATP，正常情况下肌细胞的ATP含量并不高，只能维持2～3秒的快速短跑，因此，需要通过呼吸作用分解有机物释放能量、并转移到ATP中，还可以通过贮存在细胞内的高能化合物磷酸肌酸释放能量，合成ATP。依表中数据：马拉松长跑过程中，机体实摄O2 589 L，接近总需O2量（600 L），乳酸含量略有增加，说明此过程机体供能方式主要是有氧呼吸，其次是无氧呼吸。在400米中长跑过程中，机体实摄O2 2 L，远小于总需O2量（16 L），乳酸含量增加，说明此过程机体供能方式主要是无氧呼吸。在100米短跑过程中，机体实摄O2为0，说明没有耗氧，乳酸含量也未见增加，说明此过程机体供能既没通过有氧呼吸，也没通过无氧呼吸，故此仅10秒左右的运动过程是磷酸肌酸分解提供能量的。
答案：A
［例5］酵母菌在氧充足时，也进行有氧呼吸。但一般来说，乙醇发酵是衡量它的一个标准。酵母菌在含有葡萄糖的培养液里进行培养，做了测定单位时间内吸氧量（气体体积）和CO2发生量（气体体积）的实验。回答跟这个实验有关的问题，分别从①～③中选出它们的正确答案。
（1）在酵母菌只进行有氧呼吸时，比较吸氧量和CO2产生量哪一个大？
①吸氧量大；②CO2发生量大；③两者相等
（2）酵母菌同时进行有氧呼吸和乙醇发酵，假如等量的葡萄糖在有氧呼吸和乙醇发酵过程中被消耗掉，这时的吸氧量和CO2产生量之比是多少？
①1∶2 ②2∶3 ③3∶4
（3）酵母菌同时进行有氧呼吸和乙醇发酵，根据有氧呼吸和乙醇发酵所产生的CO2量，如果相等，这时吸氧量和CO2产生量之比又是多少？
①1∶1 ②1∶2 ③2∶1
（4）根据乙醇发酵消耗了360 mg葡萄糖，可生成多少mol的乙醇？
①0.004 mol　　②0.03 mol　　③0.25 mol
分析：本题属考试热点之一。（1）根据有氧呼吸的反应式：C6H12O6+6H2O+6O2
6CO2+12H2O+能量，可以判断两者相等。（2）在有氧呼吸中吸收6O2，放出6CO2；在乙醇发酵中只放出2CO2，因为酒精发酵的反应式是C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+能量。所以，O2∶CO2=6∶8。（3）O2∶CO2=2∶4。（4）180 g∶92 g=360 mg∶x mg，x=184 mg（生成的酒精量）。因此，1 mol酒精为46 g，0.184/46=0.004 mol。
答案：（1）③ （2）③ （3）② （4）①
［例6］植物在有氧呼吸与无氧呼吸过程中，产生同样数量ATP所消耗糖的摩尔数是( )
A.前者比后者约多9倍 B.后者比前者约多9倍
C.前者比后者约多19倍 D.后者比前者约多19倍
答案：D
［例7］将10 mL酵母液放在适宜温度下培养，并于不同时间内等量均匀取样4次，分别测定样品中酵母菌的数量和pH，结果如下表。请分析回答：
样品 酵母菌数量（个/立方毫米） pH
1 1210 4.8
2 820 5.4
3 1210 3.7
4 1000 5.0
（1）表中样品的取样先后顺序为______。
（2）对酵母菌而言，10 mL该培养液的环境负荷量为______个。
（3）若第5次均匀取样时，样品中的酵母菌数量为760个/立方毫米，产生这一结果的原因是___________________。
答案：（1）②④①③ （2）1.21×107 （3）培养液中的营养物质不断被消耗，部分酵母菌因营养缺乏而死亡并解体
［例8］（2000年广东高考题）解除休眠期的干种子吸收后，呼吸作用强度( )
A.下降 B.上升 C.不变 D.不确定
答案：B
［例9］（2001年山西高考题）如果一定重量的黄豆全部萌发生成黄豆芽，黄豆芽中的有机物总量、有机物种类分别比黄豆中的( )
A.多、多 B.少、多 C.多、少 D.少、少
答案：B
酶
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