第五章细胞的能量供应和利用

第五章细胞的能量供应和利用 知识点总结

解题思路：
解题过程：
细胞的能量供应和利用
§5.1降低反应活化能的酶
n 5.1.1实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解

1) 实验原理
Fe^3＋能催化过氧化氢的分解，新鲜肝脏中则含有过氧化氢酶。经测算，每滴FeCl₃溶液（质量分数3.5%）中的Fe^3＋数，大约是每滴肝脏研磨液（质量分数20%）中过氧化氢酶分子的25万倍。
2) 材料、仪器与用具
Ⅰ、新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液。
Ⅱ、量筒、试管、滴管、试管架，卫生香，火柴，酒精灯，试管夹，大烧杯，三脚架，石棉网，温度计。
Ⅲ、新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液，质量分数为3.5%的FeCl₃溶液。
3) 实验结果
1号试管（常温无处理）几乎没有气泡产生。2号试管（酒精灯加热）产生少量小气泡。3号试管（加FeCl₃溶液）较快地产生较多的小气泡，带火星的卫生香复燃。4号试管（加肝脏研磨液）快速地产生很多的大气泡，带火星的卫生香复燃极其猛烈。

n 5.1.2酶能显著降低反应的活化能

² 5.1.1的实验说明酶（过氧化氢酶）比无机催化剂（Fe^3＋）具有更高的催化效率
² 酶能比无机催化剂催化效率更高，是因为酶能更显著地降低反应的活化能
说明：活化能是指分子从常态变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。
Eg：无机催化剂和酶对反应影响的比较如下图所示



注意：酶只能降低反应所需的活化能，而不能为反应提供能量；也不能改变最终的化学反应平衡状态。

n 5.1.3酶是生物体产生具有催化作用的有机物

² 酶是活细胞产生的，能够起生物催化作用的有机物，绝大多数酶是蛋白质，少部分酶是RNA

n 5.1.4酶具有高效性、专一性和作用条件温和等特性

² 酶具有高效性
与无机催化剂相比，酶能更显著地降低反应的活化能（而不是提供能量）。
² 酶具有专一性
一种酶只能催化一种或一类化合物的反应（类似一把钥匙开一把锁）。
² 酶的作用条件温和
Ⅰ、在适宜的条件下，酶活性最强。
Eg：最适pH或最适温度（如下图所示）时酶的活性最高。



说明：最适pH或最适温度从数学上讲就是曲线的峰值。
Ⅱ、高温、过酸或过碱等会破坏酶的空间结构，导致酶变性失去活性，且不易恢复。
Ⅲ、低温不破坏酶的空间结构，只抑制酶的活性（抑制酶活性的说法有问题，目前我们将就着还这样用）；升高温度后活性可以恢复。

n 5.1.5探究温度或pH为酶活性的影响

² 实验分析：
Ⅰ、实验的选择
①可以选择淀粉酶促进淀粉分解的实验来探究温度对酶活性的影响（因为碘和强碱可发生反应，此实验不适宜探究pH对酶活性的影响）。
②可以选择过氧化氢酶促进过氧化氢的分解实验来探究pH对酶活性的影响（因为温度对过氧化氢的分解影响很大，此实验不适宜探究温度对酶活性的影响）。
Ⅱ、自变量的控制
设置自变量梯度。
Eg：如探究温度对酶活性的影响，可以设置0℃、20℃、40℃、60℃、80℃共5个温度梯度。
Ⅲ、无关变量的控制
每组实验中除自变量的差异外，应保持无关变量处于适宜且相同的状态。
Eg：如探究温度对酶活性影响时，应保证反应在适宜的pH和温度条件下进行，每个实验组所加的试剂种类和试剂的量都相等。
Ⅳ、因变量检测指标的选择
因变量的检测指标要具体，能够反映或说明需要探究的问题。
Eg：用淀粉酶促进淀粉分解的实验来研究温度对酶活性的影响时，一般不选还原糖作为因变量观测指标，因为还原糖鉴定的过程中，需要加热（这就可能改变自变量）。通常会用碘液来检测淀粉的分解情况。


§5.2细胞的能量通货——ATP
n 5.2.1 ATP分子的结构

² ATP是三磷酸腺苷的英语缩写
² ATP含有（2个）高能磷酸键
说明：有些磷酸键在水解时会释放大量能量，因此叫做高能磷酸键（高能磷酸键的提法有问题，但是题目中还经常这样讲）。




n 5.2.2ATP和ADP可以相互转化

² ATP中远离腺苷的高能磷酸键特别容易水解和重新生成
Ⅰ、利用ADP合成ATP时需要消耗能量
ADP＋Pi＋能量AE→E(酶)AATP
Ⅱ、利用ATP分解产生ADP时会释放能量
ATPAE→E(酶)AADP＋Pi＋能量

n 5.2.3ATP是生物体的直接能源物质

² ATP分解时释放的能量可用于推动吸能反应的进行，生物体内绝大多数吸能反应都和ATP的分解相耦联。因此ATP是生物体的直接能源物质
² ATP在生物体内的含量较少且相对稳定，生物体通过调节ATP的更新速率来控制能量的释放

n 5.2.4生物体通过光合作用和细胞呼吸生成ATP
² 生物体内合成ATP所需的能量来自光合作用或呼吸作用
ADP＋Pi＋（由光合作用或细胞呼吸提供）能量AE→E(酶)AATP



§5.3ATP的主要来源——细胞呼吸
n 5.3.1细胞呼吸与燃烧是有区别的

² 燃烧时，将有机物中的能量在短时间内集中释放，这会灼伤生物体
² 细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并推动ATP生成的过程。细胞呼吸释放能量是在相对温和的条件下进行的；释放能量是分步进行的；且释放的部分能量会储存在ATP中

n 5.3.2 细胞呼吸的方式——探究酵母菌细胞呼吸的方式

1) 实验原理
Ⅰ、酵母菌是兼性厌氧菌，在有氧和无氧条件下均可以进行细胞呼吸。
Ⅱ、二氧化碳及其量的检测：
①澄清石灰水:根据产生碳酸钙沉淀的多少判断二氧化碳的产生量。
②溴麝香草酚蓝:其由蓝变绿再变黄所经历的时间越短，则二氧化碳的产生速率越快。
Ⅲ、酒精的检测：可用酸性的重铬酸钾进行检测（由橙色变成灰绿色）。
2) 材料、仪器与用具
Ⅰ、新鲜酵母（或干酵母），质量分数为5%的葡萄糖溶液。
Ⅱ、玻璃棒，玻璃导管，试管夹，研钵，烧杯，量筒，500mL广口瓶或锥形瓶，胶塞，滴管。
Ⅲ、质量分数10%的NaOH，澄清的石灰水，酸性重铬酸钾溶液，色拉油，溴麝香草酚蓝。
3) 实验装置



说明：在装置二的酵母菌培养液表面加一层色拉油可起到阻止空气进入的作用。

n 5.3.3 有氧呼吸可将有机物彻底氧化分解，并释放大量能量，生成较多的ATP

² 真核生物有氧呼吸的主要场所是线粒体
（复习有关线粒体的知识）
² 有氧呼吸可以人为划分为三个阶段：
Ⅰ、第一阶段发生在细胞质基质中，反应方程式如下：
C₆H₁₂O₆AE→E(酶)A2C₃H₄O₃(丙酮酸)＋4[H]＋能量(少)
Ⅱ、第二阶段发生在线粒体基质中，反应方程式如下：
2C₃H₄O₃＋6H₂OAE→E(酶)A6CO₂＋20[H]＋能量(少)
Ⅲ、第三阶段发生在线粒体内膜，反应方程式如下：
24[H]＋6O₂AE→E(酶)A12H₂O＋能量(多)
Ⅳ、总反应方程式：
C₆H₁₂O₆＋6H₂O＋6^﹡O₂
AE→E(酶)A6CO₂＋12H₂^﹡O＋能量
说明：[H]是指还原态氢，有氧呼吸中的[H]包括了NADH和FADH₂（不要求记忆）。
² 有氧呼吸时释放的能量中约40%将会暂时储存在ATP中，其余的能量以热能的形式散失

n 5.3.4 无氧呼吸能将有机物不彻底的氧化分解，并释放少量能量，生成少量ATP

² 无氧呼吸发生在细胞质基质
² 无氧呼吸可以人为划分为两个阶段
Ⅰ、第一阶段和有氧呼吸第一阶段相同
Ⅱ、第二阶段发生在细胞质基质中，丙酮酸转变为酒精或乳酸
2C₃H₄O₃(丙酮酸)＋4[H]
AE→E(酶)A2C₂H₅OH＋2CO₂＋能量(少)
或
2C₃H₄O₃(丙酮酸)＋4[H]
AE→E(酶)A2C₃H₆O₃(乳酸) ＋能量(少)
注：无氧呼吸第二阶段生成的能量较少，不足以推动ATP的生成；只有第一阶段释放的能量推动生成少量ATP。
Ⅲ、总反应方程式：
C₆H₁₂O₆AE→E(酶)A2C₂H₅OH＋2CO₂＋能量(少)
——发生在植物细胞中
或
C₆H₁₂O₆AE→E(酶)A2C₃H₆O₃(乳酸)+能量(少)
——通常发生在动物细胞，部分植物组织细胞也可以

n 5.3.5 衡量呼吸作用的指标

² 可用单位时间内有机物的消耗量来衡量呼吸作用强度
² 可用单位时间内CO₂的产生量来衡量呼吸作用强度
² 如果只进行有氧呼吸，也可用单位时间内O₂的消耗量来衡量呼吸作用强度

n 5.3.6细胞呼吸原理的应用

Eg：①包扎用的创可贴或纱布是透气的——有利于有氧呼吸，抑制无氧呼吸；
②及时松土防止土壤板结——防止无氧呼吸，促进有氧呼吸；
③稻田定期排水——防止无氧呼吸积累酒精对植物造成伤害；
④伤口深时，需要注射破伤风抗毒素——破伤风杆菌进行无氧呼吸，可在深伤口中繁殖，导致破伤风；
⑤粮食储存时要求低氧（注意不是无氧）、低温、低湿度——降低呼吸强度，减少有机物的消耗；
⑥果蔬储存时要求低氧、低温、适宜的湿度——降低呼吸强度的同时保证产品品质。



§5.4能量之源——光与光合作用
n 5.4.1叶绿体中色素的提取与分离

1) 实验原理
Ⅰ、绿叶中的色素溶于无水乙醇，，可用无水乙醇提取绿叶中的色素。
Ⅱ、绿叶中的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的在滤纸上扩散得快，溶解度小的在滤纸上扩散得慢。
Ⅲ、叶绿素提取后易被破坏，加入CaCO₃可保护叶绿体中的色素。
2) 材料、仪器与用具
Ⅰ、新鲜的绿叶。
Ⅱ、干燥的定性滤纸，试管，试管架，棉塞，研钵，玻璃漏斗，尼龙布（或纱布），毛细吸管，剪刀，药勺，量筒，天平。
Ⅲ、无水乙醇，层析液，二氧化硅和碳酸钙。
3) 实验结果（示意）




n 5.4.2捕获光能的色素位于类囊体的薄膜上

² 捕获光能的色素包括叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素
² 叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素）主要吸收蓝紫光
² 捕获光能的色素位于类囊体的薄膜上



n 5.4.3 光合作用的探究历程

1) 普里斯特利：植物能更新空气。
2) 英格豪斯：植物在有光条件下才更新空气。
3) 梅耶：光合作用的实质是光能转变成化学能并储存起来。
4) 萨克斯的实验——研究光合作用的产物：
Ⅰ、材料及预处理：天竺葵的绿叶在暗处放置一段时间（饥饿处理消耗掉其中的淀粉）。
Ⅱ、实验处理及结果：
遮光处理AE－E(实)AAE－E(验)AAE－E(结)AAE→E(果)A不产生淀粉
曝光处理AE－E(实)AAE－E(验)AAE－E(结)AAE→E(果)A产生淀粉
Ⅲ、实验结论：光合作用的产物是淀粉。
5) 恩格尔曼的实验
Ⅰ、实验一：



黑暗条件下用极细光束照射水绵（具有带状叶绿体），好氧细菌分布在叶绿体被光照射的部分。完全曝光后，好氧细菌在叶绿体周围均匀分布。这个实验说了叶绿体是光合作用的部位。

实验二：



好氧细胞主要分布在蓝紫光和红光照射部位，说明光合作用主要吸收红光和蓝紫光。
6) 鲁宾和卡门的实验——研究光合作用产物氧气的来源
Ⅰ、实验方法：同位素标记法。
Ⅱ、实验处理及结果
第一组H₂¹⁸O＋CO₂AE－E(小)AAE－E(球)AAE→E(藻)A产物氧气全部被¹⁸O标记。
第二组H₂O＋C¹⁸O₂AE－E(小)AAE－E(球)AAE→E(藻)A开始阶段的产物氧气中不含¹⁸O标记。
Ⅲ、实验结论：光合作用的产物氧气来自于原料水。
同位素标记法
科学家通过追踪同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。如分泌蛋白的合成运输，鲁宾和卡门研究光合作用产物氧气的来源，卡尔文研究暗反应过程以及必修二中研究DNA分子复制的机制等都采用了同位素标记法。



7) 卡尔文——研究有机物是怎样合成的
二氧化碳转变为有机物的过程（暗反应或碳反应）称为卡尔文循环。

n 5.4.4光合作用可分为光反应和碳反应两个阶段

² 光合作用分为两个阶段：光反应阶段和暗反应（叫“碳反应”更标准） 阶段
² 光反应阶段发生在类囊体薄膜上，其主要变化是叶绿体中的色素吸收光能，然后将吸收的能量用于推动水的光解和ATP的合成
Ⅰ、物质变化：
①水的光解
——H₂OAE－E(光)AAE→E(解)AO₂＋[H]（或NADPH）；
②ATP的合成
——ADP＋Pi＋能量AE→E(酶)AATP
Ⅱ、能量变化：光能转变为ATP和[H]中不稳定的化学能暂时储存起来
注意：类囊体结构的完整性是进行光反应的前提。
² 暗反应阶段发生在叶绿体基质，其主要变化是固定CO₂，并利用光反应产生的ATP和[H]制造糖类
Ⅰ、物质变化：
①CO₂的固定
——CO₂＋C₅AE→E(酶)A2C₃；
②C₃的还原
——C₃＋ATP＋[H]AE→E(酶)AC₅＋（CH₂O）
Ⅱ、能量变化：不稳定的化学能转变成（CH₂O）中稳定的化学能储存起来



注意：糖类要写成（CH₂O），不要写成CH₂O；还原氢要写成[H]，而不要写成H。
² 光合作用的总反应方程式
H₂O＋CO₂AE－E(一)AAE－E(定)AAE－E(条)AAE－E(件)AAE→E(下)AO₂＋（CH₂O）


n 5.4.5探究——光照强度对光合作用的影响（非考纲要求实验，但有点重要）

1) 实验原理
Ⅰ、光合作用强度可用单位时间内通过光合作用制造的氧气的量来表示。
Ⅱ、氧气在水中的溶解度小（本实验中可忽略），二氧化碳在水中的溶解度较大。绿色植物叶肉细胞间隙含有空气，故其能漂浮在水面上；当把叶肉细胞间隙的气体抽去后，叶片下沉；植物光合作用释放氧气充满叶肉细胞间隙后，叶片又上浮。
Ⅲ、光照强度可以用不同功率的光源或相同功率的光源在不同的距离来控制。
2) 材料、仪器与用具
Ⅰ、绿色的嫩叶。
Ⅱ、打孔器，注射器，台灯，40W灯泡，100W灯泡，烧杯。

n 5.4.6 光照、[CO₂]和温度等环境因素会影响光合作用

² 光照（包括光照强度和光质等）通过影响光反应来影响光合作用
Eg:：有光照条件下才能进行光合作用，黑暗时只进行细胞呼吸。光照强度、光的颜色（波长）等都对光合作用强度有所影响。
² 二氧化碳做为暗反应的原料，通过影响暗反应来影响光合作用
Eg：夏季晴朗的中午，一些植物会由于光照强、温度高而关闭气孔，从而导致二氧化碳的供应减少，光合作用速率下降。这种情况被称为光合作用的午休。
² 温度通过影响光合作用（主要是暗反应）相关酶活性来影响光合作用

n 5.4.7衡量光合作用强度的指标

² 真正光合作用速率（总光合作用速率）
真正光合作用速率（总光合作用速率）可以用叶绿体在单位时间内制造的糖类的量来表示，也可用叶绿体单位时间内产生的氧气的量或消耗的二氧化碳的量来表示。
² 表观光合作用速率（净光合作用速率）
植物细胞通过叶绿体制造的糖类，一部分被线粒体通过细胞呼吸而消耗，剩余部分才能积累在细胞中。植物细胞在单位时间内积累的糖类的量叫做表观光合作用强度（净光合作用速率）。表观光合作用强度也可用植物细胞在单位时间内氧气的释放量或二氧化碳的吸收量来表示。
特别提示：区分总光合速率和净光合速率是高中解决光合作用相关计算题的基础。

n 5.4.8化能合成作用

² 利用无机物氧化释放的能量推动有机物的合成，这种合成作用叫做化能合成作用
Eg：硝化细菌利用NH₃转化成HNO₂和HNO₃释放的能量推动有机物的合成。