专题05 细胞的能量供应与利用知识梳理
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必修1第5章 细胞的能量供应与利用
第1节 降低化学反应活化能的酶
一、酶的作用和本质:
1、酶在细胞代谢中的作用：
（1）细胞代谢：细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。
（2）实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解：课本78面
①实验原理:H2O2 H2O+O2
已知：3.5%的FeCl3溶液和20%的肝脏研磨液相比，每滴FeCl3溶液中的Fe3+数，大约是每滴研磨液中过氧化氢酶分子数的25万倍。
②实验方法：
1：H2O2＋不作处理
2：H2O2＋90℃水浴
3：H2O2＋FeCl3
4：H2O2＋新鲜的肝脏研磨液
③结果：观察气泡量或卫生香复燃程度
④分析实验结果，得出结论：
1号为对照组实验，2,3,4为实验组实验。
1、2号比较，说明：加热能加快H2O2的分解，因为加热给H2O2提高了能量，从而加快了反应。
1、3号比较，说明：FeCl3具有催化作用。
1、4号比较，说明：酶具有催化作用。
3、4号比较，说明：同无机催化剂相比，酶具有高效性。
注：3、4号为相互对照。
⑤变量：实验中可以变化因素称为变量。
Ⅰ:自变量：人为改变的变量称作自变量。实验中加热、FeCl3溶液、 H2O2酶都属于自变量。
注：自变量不是酶的种类不同。
Ⅱ:因变量：随着自变量的变化而变化的变量称为因变量。实验中H2O2分解速率为因变量。
观察指标：用以反映因变量的可以观察或检测的指标。如实验中产生气泡多少，卫生香燃烧的猛烈程度。
Ⅲ:无关变量：除自变量外，实验中还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响，这些变量为无关变量。
实验中H2O2的浓度、H2O2的体积，肝脏研磨液新鲜程度等为无关变量,实验中无关变量应保持相同且适宜。
注：①肝脏若不新鲜，过氧化氢酶可能被微生物分解，组织中酶分子数量减少。
②使用肝脏研磨液，可加大肝细胞内过氧化氢酶与H2O2接触面积，加速H2O2分解。
③3,4号试管若也加热至90度，则气泡量：3号试管最多,4号与2号相等,因为高温使酶变性失活了。
（3）酶的作用机理：
活化能：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称为活化能。
①酶具有催化作用，是因为它能降低化学反应的活化能，从而加快反应速率，缩短反应达到平衡的时间，但不改变反应的平衡点。
ac：没有催化剂时反应所需活化能。
bc：加酶时反应所需活化能。
ab：酶降低的活化能。
②酶具有高效性，是因为同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，
因而催化效率更高。
2、酶的本质：
（1）探索历程：
①巴斯德之前，酿酒中发酵（糖类变成酒精和二氧化碳）是纯化学反应，与生命活动无关。
②1857年，法国微生物学家巴斯德通过显微镜观察，提出酿酒中的发酵是由于酵母细胞的存在，没有活细胞的参与，糖类是不可能变成酒精的。
③李比希认为引起发酵的是酵母细胞中的某些物质，但这些物质只有酵母细胞死亡裂解后才能发挥作用。
④毕希纳将酵母细胞放在石英砂中研磨搅拌过滤得到不含酵母细胞的提取液，然后向提取液中加入葡萄糖，一段时间后有气泡产生，糖变成了酒，他将酵母细胞中引起发酵的物质称为酿酶。
⑤1917年，美国科学家萨姆纳从资料中得知刀豆中脲酶含量相当高（分解尿素为氨和二氧化碳），然后他从刀豆中用丙酮作为溶剂提取出一定纯度的脲酶，然后证明脲酶为蛋白质。
（2）酶的定义：酶是活细胞产生的具有催化作用的大分子有机物，其中绝大多数酶为蛋白质，少数为RNA。
注：①酶与信号分子都属高效物质，即含量少、作用大、细胞代谢不可缺，但不能直接参与细胞代谢。
比较
本质
来源
结合的物质
作用场所
作用
酶
蛋白质，RNA
活细胞产生
反应物
细胞内外
催化细胞代谢
动物激素
蛋白质,固醇等
内分泌腺（细胞）
特异性受体
生物体内
调节生命活动
②
a：酶 b：动物激素 c：蛋白质
（3）实验：验证酶的化学本质：
①验证酶是蛋白质：
实验组：待测溶液＋双缩脲试剂→是否出现紫色反应；对照组：已知蛋白质溶液＋双缩脲试剂→紫色反应
②验证酶是RNA：
实验组：待测酶溶液＋吡罗红试剂→是否出现红色； 对照组：已知RNA溶液＋吡罗红试剂→出现红色
（4）酶的种类：
①胞内酶：H2O2酶，光合酶，呼吸酶等在细胞质基质中核糖体上合成。
②胞外酶：蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶等属于分泌蛋白在内质网上核糖体合成。
判断：
①能催化淀粉酶水解的酶是蛋白酶（√）
②人成熟红细胞不能产生酶，但含有酶（√）
③能产生酶的细胞一定能产生激素，能产生激素的细胞一定能产生酶（×）
④酶的基本单位一定是氨基酸，酶至少有一个游离的羧基和氨基，合成场所一定是核糖体（×）
二、酶的特性：
1、高效性：催化效率是无机催化剂的107～1013倍，即便是稀释后的酶液，催化效率也很高。
证明实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解：
（1）A与C比较说明：酶能缩短达到化学平衡的时间，但不改变反应的平衡点，
即酶具有催化作用，不改变终产物的量。
（2）A与B比较说明：酶的催化效率比无机催化剂高，即具有高效性。
2、专一性：每种酶只能催化一种或一类化学反应。
酶A可催化该反应；酶B不能催化该反应。
注：某种蛋白酶并非能水解所有的肽键。
实验：验证酶的专一性。
（1）：同种酶催化不同种底物： 自变量：底物不同。
实验组：淀粉＋淀粉酶溶液＋斐林试剂（加热）→砖红色沉淀
对照组：蔗糖＋淀粉酶溶液＋斐林试剂（加热）→无砖红色沉淀
注：检测剂不能用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否分解。
（2）：不同种酶催化同种底物： 自变量：酶不同。 注：本实验中检测剂可用碘液和斐林试剂。
实验组：淀粉＋淀粉酶溶液＋斐林试剂（加热）→砖红色沉淀
对照组：淀粉＋蔗糖酶溶液＋斐林试剂（加热）→无砖红色沉淀
3、酶的作用条件较温和：
酶活性：酶对化学反应的催化效率称为酶活性。
（1）温度：
温度
ac
ce
ca
ec
dc
酶活性
上升
下降
下降
不变
上升
①低温降低酶活性，不使酶失活，温度适当上升，酶活性恢复。如a点。
②高温使酶失活，原因：高温破坏酶（蛋白质）的空间结构。温度降低，酶活性不可以恢复。如e点。
③不同酶催化作用的最适温度不一定相同。（一般是37℃，a—淀粉酶60℃）
注：酶的保存： (0-4)度低温保存。
例1：
例2：80℃～0℃过程中，唾液淀粉酶活性变化为：一直不变。
0℃～80℃过程中，唾液淀粉酶活性变化为：先上升后下降。
例3：
该酶的最适温度不一定是30℃，在30℃左右。
④实验: 探究温度对淀粉酶活性的影响：
1 1’ 2 2’ 3 3’
（唾液淀粉酶： 0℃ 37℃ 60℃）
（a—淀粉酶： 0℃ 60℃ 100℃）
注：
①操作顺序：
反应物调温
酶调温
或：加反应物 调温度 加酶溶液 碘液
但：加反应物 加酶溶液 调温度 碘液 （ × ）
②该实验不宜选H2O2酶。原因：H2O2不稳定，加热易某某。
③指示剂：碘液，不可用斐林试剂，原因：斐林试剂需水浴加热，会干扰实验。
④温度设置：低温、适温、高温。有时需做预实验，但不需要设置一系列温度进行实验。
⑤该实验结果不能确定酶的最适温度为60度，若要探究淀粉酶的最适温度，则需要设置一系列温度进行相同的实验，而且无关变量应相同且适宜，如pH。
⑥进一步探究低温、高温对酶活性影响的区别：
1 1’ 3 3’
0℃ 100℃ 混合后，将1、3号管都放在60℃保温，滴加碘液，观察颜色变化。
1号蓝色褪去，3号仍为蓝色，说明低温不使酶失活，高温使酶失活。
（2）pH：
①强酸、强碱使酶失活，原因：强酸强碱可破坏酶的空间结构。
②不同酶催化作用的最适pH不同。
如：唾液pH是：6.2～7.4，胃液pH是：0.9～1.5；小肠液pH是：7.6。
例1：
pH 13→pH 2
pH 2→pH 13
pH4→pH 2
胃蛋白酶的活性
不变
不断降低以至于失活
不断增强
唾液淀粉酶活性
不变
不变
不断降低以至于失活
例2：
a、该酶适宜pH约为8，或8左右。
b、pH的变化不影响酶作用的最适温度（M）。
③实验：探究pH对酶活性的影响：
Ⅰ：操作顺序：反应物调pH
酶调pH
或：加酶 调pH 加反应物 观察 或：加缓冲液 调pH 加入底物 加入酶
但：加酶 加反应物 调PH （ × ）
Ⅱ：该实验一般不选淀粉酶。原因：淀粉在酸性条件下也会发生水解。
三、影响酶促反应速率的因素：
（1）温度和pH：通过影响酶活性，从而影响酶促反应速率。
（2）底物浓度和酶浓度：通过影响酶与底物的接触，从而影响酶促反应速率。
（3）酶的抑制剂： ①对应图2中甲； ②对应图2中乙； ③对应图2中丙。
第2节 细胞的能量“通货”--ATP
一、ATP的结构：
（1）
一磷酸腺苷（AMP：RNA的基本单位之一。）
二磷酸腺苷（ADP）
三磷酸腺苷 (ATP结构简某某：A－P～P～P)
1、ATP与DNA、RNA、核苷酸的联系
（1）ATP中的A为腺苷，由腺嘌呤和核糖组成；元素：CHONP,与ADP，磷脂，核苷酸，核酸元素组成相同。
注：胸苷由胸腺嘧啶与脱氧核糖组成，参与组成DNA；尿苷由尿嘧啶与核糖组成，参与组成RNA。
TTP：三磷酸胸苷，UTP：三磷酸尿苷，GTP：三磷酸鸟苷。
（2）DNA分子中的A为腺嘌呤脱氧核苷酸 ，由 一分子腺嘌呤、一分子脱氧核糖和一分子磷酸组成；
（3）RNA分子中的A为腺嘌呤核糖核苷酸 ，由 一分子腺嘌呤、一分子核糖和一分子磷酸组成；
（4）核苷酸中的A为腺嘌呤。
2、ATP的结构特点：
（1）1个ATP中有2个高能磷酸键（“～”），有3个磷酸键。
（2）远离A的高能磷酸键易断裂、也易某某，利于释放、捕获能量。
（3）1molATP水解为ADP，可释放30.54kJ/mol的能量，为高能磷酸化合物，ADP也是。
（4）1分子ATP彻底水解产物为：1分子腺嘌呤、1分子核糖、3分子磷酸，共有3种物质，其中有2种有机物，1种无机物。
二、ATP的功能：细胞中绝大多数生命活动的直接能源物质。
注：细胞中还有其他物质可以直接提供能量。
三、ATP的水解：ATP+H2O ATP水解酶 ADP＋Pi＋能量
1、ATP水解时断裂的是远离腺苷（A）的高能磷酸键。
2、ATP水解释放的能量直接用于各项生命活动。
（1）糖类，脂肪细胞呼吸能量（少部分）ATP能量各项生命活动
（2）ATP水解释放的能量直接用于各项生命活动，如：肌肉收缩，兴奋的传导，生物放电放光，主动运输（植物对矿质元素的吸收），胞吞胞吐，细胞分裂，物质合成，维持体温等等。
（3）ATP水解，释放能量，与吸能反应相联系。
四、ATP的合成：ADP＋Pi＋能量 ATP合成酶 ATP+H2O
1、ATP合成时形成的也是远离腺苷（A）的高能磷酸键。
2、ATP形成时能量的来源：
（1）动物,真菌细菌等形成ATP所需能量来自细胞呼吸：将有机物中稳定化学能转为ATP中活跃的化学能。
（2）植物--根部细胞，表皮细胞：不能进行光合作用：形成ATP所需能量来自细胞呼吸。
植物—叶肉细胞等：能进行光合作用：形成ATP所需能量来自细胞呼吸和光合作用。
（3）ATP合成，储存能量，与放能反应相联系。
（4）合成ATP的场所：细胞质基质，线粒体（基质和内膜），叶绿体基粒（类囊体薄膜）。
例：①葡萄糖进入人体红细胞 ②葡萄糖进入肾小管上皮细胞 ③葡萄糖进入消化道上皮细胞
④消化酶进入消化道 ⑤呼吸作用 ⑥淀粉的合成 ⑦核酸的水解 ⑧胰岛素的合成
⑨酶的合成 ⑩质壁分离 其中消耗ATP的有：②③④⑥⑧⑨，产生ATP的有：⑤。
五、ATP与ADP相互转化
1、不是可逆反应，但物质是可逆的。
ATP水解（释能）
ATP合成（储能）
能量来源不同
远离A的高能磷酸键中的化学能
光合作用（光能）或细胞呼吸（化学能）
反应条件不同
水解酶
合成酶
场所不同
细胞需要能量的部位
细胞质基质、线粒体、叶绿体
2、ATP在细胞中含量很少，但转化迅速且转化量大，使细胞中的ATP与ADP处于动态平衡中。
3、细胞中ATP和ADP不会发生明显变化的原因：因为ATP与ADP的相互转化是时刻同时进行的。
总结：
①生物体生命活动的主要能源物质：糖类；细胞生命活动的主要能源物质：葡萄糖；
②生物体内良好的储能物质：脂肪；植物细胞内储能物质：淀粉；动物细胞内储能物质：糖原；
③生物体生命活动的直接能源物质：ATP；根本（最终）能源：太阳能（光能）。
④生物体生命活动的供能：光能→ATP→有机物→细胞呼吸→化学能→ATP→生命活动
光合作用：物质合成，同化作用；细胞呼吸：物质分解，异化作用。
例：(1)静脉注射ATP，肌肉注射ATP，口服ATP心肌细胞：分别跨 3，5，7 层膜（磷脂双分子层），
6，10，14层磷脂分子。
(2)葡萄糖从小肠到达肌细胞，氧气从外界进入肌细胞的线粒体被利用分别跨7,11层膜。
第3节 ATP的主要来源—细胞呼吸（呼吸作用）
一、细胞呼吸的方式：有氧呼吸和无氧呼吸。
1、有氧呼吸:细胞呼吸的主要方式。
（1）过程与场所：
①C6H12O6 2丙酮酸 + 4[H] + 2ATP（少量） 细胞质基质
热能（大部分）
②2丙酮酸+ 6H2O 6 CO2 + 20[H] + 2ATP（少量） 线粒体基质
热能（大部分）
③24[H] + 6O2 12 H2O + 34ATP（大量） 线粒体内膜
热能（大部分）
（2）总反应式：
C6H12O6 + 6H2O + 6O2 6CO2 + 12H2O + 大量能量
①1mol葡萄糖彻底氧化分解释放能量2870kJ，有2个方面的去向，热能和ATP中活跃的化学能，其中，热能（主要）散失1709kJ，用于形成ATP的能量1161kJ。
（1161 kJ／2870kJ）× 100% ＝ 40.45%；1161kJ／（30.54kJ/mol）＝38mol
②有氧呼吸的相关酶分布在：细胞质基质、线粒体基质、线粒体内膜。
③C6H12O6中O，其转移途径为：C6H12O6→丙酮酸→CO2，产物CO2中的O来自反应物：葡萄糖和H2O。
④有氧呼吸中第二阶段消耗H2O，第三阶段产生H2O。
⑤产物H2O中O全部来自O2，但若提供18O2，长时间考虑，会产生C18O2。
⑥[H]：NADH，还原型辅酶Ⅰ，第一和第二阶段产生，来自葡萄糖和H2O，第三阶段消耗，用于还原O2。
⑦ATP：三个阶段都产生，第一，二阶段产生少量ATP，第三阶段产生大量ATP。
（3）有氧呼吸的定义：细胞在O2参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生CO2和H2O，释放能量，生成大量ATP的过程。
2、无氧呼吸：
（1）过程： 场所：细胞质基质
①C6H12O6 2丙酮酸 + 4[H] + 2ATP（少量） 与有氧呼吸第一阶段完全相同。
热能（大部分）
②2丙酮酸 + 4 [H] 2C2H5OH + 2CO2 +能量（热能）
2丙酮酸 + 4 [H] 2C3H6O3 +能量（热能）
（2）总反应式：
产酒精的无氧呼吸：C6H12O6 2C2H5OH（酒精）+ 2CO2 + 少量能量
如：酵母菌、植物（根，叶，种子等）缺氧时。
产乳酸的无氧呼吸：C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）+ 少量能量
如：乳酸菌、缺氧的动物及人体细胞、马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚缺氧时。
①无氧呼吸产酒精或乳酸与生物体内酶的种类不同有关。
如：玉米种子的胚、马铃薯块茎无氧呼吸产乳酸，玉米的根、马铃薯的根无氧呼吸产酒精。
结论：同种植物不同部位所含无氧呼吸相关酶的种类可能不同，
根本原因是：基因在不同组织器官中进行选择性表达,从而产生不同的呼吸酶。
②玉米烂根的原因：缺氧时根细胞进行无氧呼吸，产生酒精，对根有毒害作用。
③[H]：NADH，第一阶段产生，来自葡萄糖，第二阶段消耗，用于还原丙酮酸。
④ATP：第一阶段产生少量ATP，第二阶段释放的能量没有产生ATP。
⑤1mol葡萄糖无氧呼吸时释放能量为196.65kJ，2870kJ与196.65kJ之间差值很大，是因为还有大部
分能量储存在酒精或乳酸中。
⑥无论是分解成酒精和二氧化碳或者是转化成乳酸，无氧呼吸都只在第一阶段释放出少量的能量，生产少量ATP，葡萄糖分子中的大部分能量则存留在酒精或乳酸中。因此,无氧呼吸时，葡萄糖中能量的去向有三个方面：分别是酒精或乳酸中化学能，热能和ATP中活跃的化学能。
⑦生物进化历程中：无氧呼吸→有氧呼吸；高等动、植物细胞以有氧呼吸为主，但保留无氧呼吸能力。
（3）无氧呼吸的定义：细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底氧化分解，同时释放出少量能量的过程。
注：无氧呼吸产物为酒精和CO2或乳酸。
3、比较有氧呼吸与无氧呼吸
有氧呼吸
无氧呼吸
阶段
一
二
三
一
二
场 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 等，都是影响光合作用强度的外界因素。
（2）实验步骤：
①取圆形叶片若干。
②抽气：食指堵住注射器前端小孔且拉动活塞使小圆叶片内气体逸出。
③叶圆片放入黑暗处盛有清水的烧杯中
④取三只小烧杯，分别倒入20mL富含二氧化碳的清水（用口通过玻璃管向清水内吹气）。
⑤向三只富含二氧化碳的烧杯中各放入10片圆形片，然后分别对这三个实验装置进行强，中，弱光照。
⑥观察记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量或叶片全部浮起所需的时间。
（3）自变量：光照强度不同。
控制光照强度的方法：①3盏40瓦台灯与三套装置距离不同。（√）
②1盏40瓦台灯与1套装置，不断改变两者间距离。（×）
因变量：光合速率，观察指标：同一时间内各装置中小圆叶片浮起的数量。
无关变量： ①抽气：食指堵住注射器前端小孔且拉动活塞使小圆叶片内气体逸出。
②向清水内吹气：使清水中富含CO2。
注：提高光能利用率的措施：
（1）延长光合时间：如套种、一块地种植多季作物。
（2）增加光合面积：如合理密植、间作。
（3）提高光合作用效率：如适宜的光照强度、温度、CO2浓度、矿质元素等。
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