生物高考复习《生物科技》专题系列课件03：《新陈代谢及发酵工程》课件.ppt

2010生物高考复习生物科技专题系列课件,3新陈代谢及发酵工程,专题解读,专题二生命的新陈代谢及发酵工程,本专题包括：必修教材第三章(生物的新陈代谢)，选修教材第二章(第一节光合作用与生物固氮)、第五章(微生物与发酵工程)。新陈代谢是生物生长、发育、繁殖、遗传、进化等一切生命活动的基础，任何生命现象几乎都是在新陈代谢的基础上表现出来的。生命活动的统一性是靠生命活动的调节实现的。本专题涉及的内容十分广泛，同生产、生活的联系也非常密切，历来都是高考的重点主干知识。因此，在本专题的复习中，既要重视基础知识，又要注意相互联系。选修教材中有关光合作用的内容是在必修教材的基础上的扩展，在高考题中占有一定的比例。微生物与发酵工程的内容，与生物技术发展及生产实践密切相关。,整合回放,1.植物的有机物及能量代谢概述,呼吸作用的概念及类型有氧呼吸的过程无氧呼吸的过程影响呼吸作用的因素呼吸作用的意义,呼吸作用,光合作用,影响光合作用的因素光,光CO2温度矿物质,光合作用的实质,物质变化能量变化,光合色素及其物理性质,颜色吸收光谱层析图谱,光合作用的过程,光反应,暗反应：C3、C4植物,光合作用的效率,整合回放,2.人和动物代谢概要,专题解读,3.微生物与发酵工程,微生物,无细胞结构：病毒,有细胞结构,原核生物,真核生物,微生物生长所需的营养物质,细菌,放线菌,蓝藻,支原体,真菌,原生生物,碳源：无机/有机碳源(与自养、异养有关),氮源：加不加额外的氮源(与固氮能力有关),生长因子：（维生素、氨基酸、碱基构成酶和核酸）,水,无机盐,专题解读,微生物群体生长规律：（1）调整期：代谢活跃，开始合成诱导酶，是初级代谢产物收获的最佳时期。（2）对数期：形态和生理特性稳定，代谢旺盛；宜做科研用菌种，是接种最佳时期。（3）稳定期：是次级代谢产物收获最佳时期,芽孢生成。种内斗争最激烈，产生酶最多。及时补充营养物质，可以延长稳定期。（4）衰亡期：多种形态，出现畸形，释放次级代谢产物，生存环境恶劣，与无机环境斗争最激烈。发酵工程：菌种的选育培养基的配制灭菌扩大培养和接种发酵分离提纯,分析理解,1.水、糖类与光合作用和呼吸作用的关系(1)与光合作用的关系水是光合作用的原料，也是光合作用的产物。水是进行光合作用的介质，整个光合作用过程的完成都是在水中进行的。缺水对光合作用的影响主要是叶肉细胞缺水后，气孔关闭所致。气孔关闭不仅导致水蒸气不能扩散出去，外界的CO2也不能扩散进入叶肉细胞，叶肉细胞因缺CO2而不能进行光合作用。植物进行光合作用的产物主要是葡萄糖，植物体内的物质代谢是以糖为基础进行的。叶绿体进行光合作用制造的葡萄糖可以合成蔗糖等二糖，运出叶绿体及叶肉细胞，为植物体的其他器官提供能源和原料；也可以在叶绿体中合成淀粉，暂时贮存起来。叶片在光下一段时间后，可以用碘检测到淀粉的存在。,分析理解,(2)与呼吸作用的关系水既是呼吸作用的原料，也是呼吸作用的产物。对种子而言，种子的呼吸作用会随着种子含水量的增加而增强，所以干燥的种子有利于贮存，潮湿的种子由于种子的呼吸作用消耗有机物而缩短种子的贮存寿命。对于叶肉细胞而言，缺水会导致呼吸作用的下降。水分往往与氧气供应相矛盾，土壤中一定的含水量对种子的萌发和植物的正常生长是必需的，但含水量过多，会影响土壤的通气，氧气减少，植物细胞因缺氧而进行无氧呼吸，产生酒精毒害细胞而出现烂根等现象。呼吸作用最常利用的底物是葡萄糖，淀粉、糖元必须水解成葡萄糖或磷酸葡萄糖后才能被呼吸作用利用。,分析理解,2.C4植物的叶肉细胞叶绿体中能不能进行C3途径固定CO2PEP羧化酶与二氧化碳的亲和力比C3途径中有关的酶与二氧化碳的亲和力约高60倍，就算C4植物的叶肉细胞中也有C3途径中有关的酶，两者与二氧化碳的结合必然构成一种竞争，这样在竞争中C3途径会处于一种劣势，况且是在大气当中的二氧化碳相对于植物光合作用的需求而言总显不足的情况下。所以，C4植物的叶肉细胞叶绿体中，不能进行C3途径，至少是可以忽略不计。3.有氧呼吸和无氧呼吸的比较有氧呼吸和无氧呼吸的公共途径是呼吸作用第一阶段(葡萄糖分解成丙酮酸的过程)，是在细胞质基质中进行的。在没有氧气的条件下,丙酮酸被H还原成酒精和CO2或乳酸等，在不同的生物体由于酶,分析理解,的不同，其还原的产物也不同。在有氧气的条件下，丙酮酸进入线粒体继续被氧化分解，如下图。由于无氧呼吸分解有机物是不彻底的，释放的能量很少，转移到ATP中的能量就更少，还有大量的能量贮藏在不彻底的氧化产物中，如酒精、乳酸等。有氧呼吸在有氧气存在的条件下能把糖类等有机物彻底氧化分解成CO2和H2O，把有机物中的能量全部释放出来，约有40的能量转移到ATP中。所以，有氧呼吸为生命活动提供的能量比无氧呼吸多得多，在进化过程中绝大部分生物选择了有氧呼吸方式，但还保留了无氧呼吸方式以适应不利的环境条件。,分析理解,分析理解,4.呼吸作用与光合作用的联系呼吸作用是新陈代谢过程一项基本的生命活动，它是为生命活动的各项具体过程提供能量（ATP）。所以，呼吸作用在一切生物的生命活动过程是一刻都不能停止的，呼吸作用的停止意味着生命的结束。光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢，一切生物的生命活动都直接或间接地依赖于光合作用制造的有机物和固定的太阳能。呼吸作用和光合作用表面看起来是两个相反的过程，但这是两个不同的生理过程，在整个新陈代谢过程中的作用是不同的。在植物体内，这两个过程是互相联系，互相制约的。光合作用的产物是呼吸作用的原料，呼吸作用的产物也是光合作用的原料；光合作用的光反应过程产生的ATP主要用于暗反应，很少用于植物体的其他生命活动过程，呼吸作用过程释放的能量主要是用于植物体的各项生命活动过程，包括光合作用产物的运输。二者的关系可以用下面的示意图表示：,分析理解,5.剧烈运动时的供能系统ATP在高等动物体内的贮存量是有限的，在剧烈运动时只能维持3秒钟的消耗，但细胞中的ATP是用不完的，因为有一个ATP的再生系统。,分析理解,在刚开始剧烈运动时，由于有氧呼吸过程还未及时作出反应，ATP的大量消耗依赖于磷酸肌酸中高能磷酸键的迅速转移来维持ATP的供应，但磷酸肌酸也只能维持十几秒钟的时间，这是剧烈运动过程中第一阶段的供能系统，称为ATP磷酸肌酸供能系统。如果运动继续下去，就要依靠无氧呼吸释放少量的能量来维持剧烈运动的需要，这是剧烈运动过程中的第二阶段供能系统，称为无氧呼吸供能系统。但无氧呼吸释放的能量很少，也不能长时间供能，无氧呼吸的产物乳酸在动物体内的积累会降低内环境的pH值，过多的乳酸积累会导致酸中毒。由于在第一阶段和第二阶段的运动过程中，积累了大量的ADP和NAD+(H被消耗后产生的一种物质)两种物质，这两种物质对有氧呼吸过程有强烈的促进作用，这样经过将近1分钟时间的适应，有氧呼吸速度明显加快，如果剧烈运动持续进行下去，能量主要由有氧呼吸提供。如下图所示：,分析理解,在剧烈运动过程，由于高等动物个体的生理性适应，交感神经兴奋性增加，副交感神经兴奋性降低，心跳加快加强，血液循环的速度加快，运输氧的能力得到加强。血液中CO2的增加刺激呼吸中枢，使呼吸运动加快加深，气体交换量也成倍增加。机体供氧量的成倍增加为高强度的有氧呼吸创造了条件。,分析理解,6.微生物的代谢及其调节微生物代谢是指微生物细胞内所发生的全部化学反应。微生物的代谢产物分为初级产物和次级产物。不同种类的微生物，初级代谢产物的种类基本相同，主要是指氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。不同种类的微生物次级代谢产物有很大差异，如抗生素、毒素、激素、色素等。微生物代谢的调节机制主要有酶合成调节机制和酶活性调节两种。酶合成调节机制是在基因水平上调节酶合成(即产酶量)而实现代谢调节的方式，属一类较间接而缓慢的调节方式。优点是通过阻止酶的过量合成来调节代谢，有利于节约生物合成的原料和能量。酶活性调节包括酶活性的促进和抑制两个方面。酶活性的抑制主要是反馈抑制，它主要表现在某代谢途径的末端产物过量时，这个产物可反过来会直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止,从而避免了末端产物的过多累积。反馈抑制具有作用直接、高效快速以及当末端产物浓度降低时又可重新解除等优点。如谷氨酸棒状杆菌,分析理解,合成谷氨酸过程中的调节机制。微生物代谢可以实现人工控制，在发酵工程中有广泛的应用。人工控制微生物代谢的措施包括改变微生物遗传特性、控制生产过程中的各种条件等。其中应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节和通过控制细胞膜的透性来解除反馈抑制。如黄色短杆菌经天冬氨酸合成赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸的过程。在黄色短杆菌的代谢过程中，当赖氨酸和苏氨酸都积累过量时，就会抑制天冬氨酸激酶的活性，使细胞内难以积累赖氨酸，而赖氨酸单独过量时不会出现这种现象。通过诱变育种方法培育出了不能合成高丝氨酸脱氢酶的营养缺陷型菌株，从而达到了让黄色短杆菌大量积累赖氨酸的目的。控制细胞膜的透性也能达到控制微生物代谢的目的。在谷氨酸的生产过程中，可以采取一定的手段改变细胞膜的透性，使谷氨酸排放到细胞外面，从而解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的控制作用，提高谷氨酸产量。,分析理解,7.对于呼吸方式的分析与判断掌握与新陈代谢有关的反应式及其运用，是复习代谢专题对应重视的一个环节。例如，复习呼吸作用有关过程时，可以利用反应式，通过反应物或生成物来进行推理，判断出其呼吸作用的方式。具体的推理思路如下：不消耗O2，释放CO2只进行无氧呼吸酒精量等于CO2量只进行无氧呼吸CO2释放量等于O2的吸收量只进行有氧呼吸CO2释放量大于O2的吸收量既有氧呼吸，又无氧呼吸；多余CO2来自无氧呼吸酒精量小于CO2量既有氧呼吸，又无氧呼吸；多余的CO2来自有氧呼吸,分析理解,8.微生物的生长、代谢特点及应用,经典示例,例1（2007上海）下图表示叶绿体中色素的吸收光谱（颜色深、浅分别表示吸收量多、少），甲、乙两图分别是（）,经典示例,A.胡萝卜素、叶绿素的吸收光谱B.叶绿素、胡萝卜素的吸收光谱C.叶黄素、叶绿素的吸收光谱D.叶黄素、胡萝卜素的吸收光谱解析叶绿体中的色素主要功能就是吸收可见光。可见光光束通过三棱镜之后，可以看到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光组成的光谱，称为连续光谱。如果把上述四种色素溶液分别放在可见光光束和三棱镜之间时，可以看到连续光谱中有些波长的光被吸收了，在光谱上显示出暗带，这种光谱称吸收光谱。叶绿素主要吸收蓝紫光(波长430nm450nm)和红光(波长为640nm660nm)。类胡萝卜素（包括胡萝卜、叶黄素）主要吸收蓝紫光。答案B,经典示例,例2（2007全国）下图表示光照强度对A、B两种C3植物光合作用强度的影响。据图回答：（1）A、B两种植物光合作用过程中对光能利用的差异是_。（2）在农业生产中，与B植物相比，A植物应种植在_条件下。,经典示例,解析该题考查了光合作用过程的图形分析，以及光合作用原理在农业生产中的应用。(1)是要求对曲线所表达的生物学含义的准确表述，要注意抓住关键的地方(图形的交叉点P)分段讨论：在低于P光照强度下B植物光能利用率比A植物高，在高于P光照强度下A植物光能利用率比B植物高。(2)要求在对曲线进行讨论的基础上，根据图形的总体趋势得出结论：与B植物相比，A植物应种植在较强光照条件下。该题在审题过程中还要特别注意，不是比较C3植物和C4植物，而是两种C3植物。答案（1）在低于P光照强度下B植物光能利用率比A植物高，在高于P光照强度下A植物光能利用率比B植物高。（2）较强光照,经典示例,例3（2007江苏）下列关于人体健康与营养物质关系的说法不正确的是（）A.营养不良的原因之一是食物种类过于单一B.脂肪肝的形成与脂肪摄入多少无关C.低血糖早期症状可通过及时补充糖含量多的食物来缓解D.大病初愈者适宜进食蛋白质含量丰富的食物解析脂肪肝又称脂肪性肝病和肝内脂肪变性，是一种病变主体在肝小叶，以肝细胞脂肪变性为主的临床病理综合征。患脂肪肝时，肝细胞内中性脂肪甘油三酯增多。凡是引起肝细胞内甘油三酯合成和极低密度脂蛋白分泌之间失去平衡，均可导致脂肪在肝细胞内异常沉积，进而形成脂肪肝。,B,经典示例,例4(2007天津)下列关于动物新陈代谢的叙述，不正确的是（）A.在正常情况下，肝脏细胞可以将多余的脂肪合成为脂蛋白B.当血糖含量升高时，肌肉细胞可以将葡萄糖合成为糖元C.糖类分解时可以产生与必需氨基酸相对应的中间产物D.氨基酸脱氨基产生的不含氮部分可以合成为脂肪解析该题涉及动物三大营养物质代谢。肝脏细胞将脂肪合成为脂蛋白以后，才能运出去，如果脂蛋白合成受阻，就会导致脂肪在肝脏的积累而成脂肪肝。当血糖浓度升高时，葡萄糖可以在肝脏或肌肉细胞内分别合成为肝糖元和肌糖元。糖类分解产生的中间产物，是合成其他物质的基础，但是，能在其体内合成的应该是非必需氨基酸。氨基酸分解代谢中，脱氨基形成的不含氮部分可以合成脂肪和糖类。,C,经典示例,例5(2007江苏)不同的微生物对营养物质的需要各不相同。下列有关一种以CO2为唯一碳源的自养微生物营养的描述中，不正确的是（）A.氮源物质为该微生物提供必要的氮素B.碳源物质也是该微生物的能源物质C.无机盐是该微生物不可缺少的营养物质D.水是该微生物的营养要素之一解析微生物的营养要素是五个：碳源、氮源、生长因子、水分、无机盐。它们都是该微生物不缺少的营养物质。以CO2为碳源，是自养微生物的一个特点。能源物质应该是有机物，既然CO2为唯一碳源，那么这种碳源物质就不可能是该微生物的能源物质，它还应该有别的能源物质(如氮源物质，不仅为该微生物提供必要的氮素，也可作为能源物质)。,B,经典示例,例6（2007全国I）通过发酵罐发酵可大规模生产谷氨酸，生产中常用的菌种是好氧的谷氨酸棒状杆菌。下面有关谷氨酸发酵过程的叙述，正确的是（）A.溶氧充足时，发酵液中有乳酸的积累B.发酵液中碳源和氮源比例的变化不影响谷氨酸的产量C.菌体中谷氨酸的排出，有利于谷氨酸的合成和产量的提高D.发酵液pH值呈碱性时，有利于谷氨酸棒状杆菌生成乙酰谷氨酰胺解析该题涉及现代生物技术(属于发酵工程)，味精制造与生产、生活实际密切相关。已知生产中常用的菌种谷氨酸棒状杆菌是好氧的，所以A项中乳酸的积累是错误的。这也提示我们，要善于获得题目中的信息。碳源和氮源都属于微生物五大营养要素，它们必然会影响谷氨酸的产量，如碳源与氮源比为41时，菌体大量繁殖而产生的谷氨酸少，为31时，菌体繁殖受抑制，但谷氨酸合成量大增。菌体代谢过程的调节常常为负反馈型的，所以，菌体中谷氨酸的排出，有利于谷氨酸的合成和产量的提高。D项是错误的，发酵液pH值呈酸性时，才有利于谷氨酸棒状杆菌生成乙酰谷氨酰胺。,C,经典示例,例7（2006全国II）根瘤菌是一种固氮微生物，其生物学特征之一是（）A.在土壤中独立生活时能够固氮B.需氧的异养细菌C.所需能量由自身的线粒体提供D.单细胞真核生物解析本题从考试大纲之理解能力入手，考查根瘤菌的相关知识。要求能阐述所学知识的要点，把握知识间的内在联系，形成知识的网络结构。根瘤菌是共生固氮菌，只有与相应的豆科植物建立共生关系后才具有固氮功能，根瘤菌属于原核生物，无线粒体。,B,经典示例,例8（2006北京）夏季，在晴天、阴天、多云、高温干旱四种天气条件下，猕猴桃的净光合作用强度(实际光合速率与呼吸速率之差)变化曲线不同，表示晴天的曲线图是（）,经典示例,解析本题对绿色植物的光合作用与呼吸作用理解及识图能力进行了考查。影响呼吸作用的主要因素是温度，而光合作用要受多个因素的影响：光、温度和CO2等。晴天，在正午12时左右，光合作用强度明显减弱，此时温度很高，蒸腾作用很强，气孔大量关闭，CO2供应减少，导致光合作用强度明显减弱，而呼吸强度不减但净光合作用强度要大于零，在正午12时左右出现凹点。答案B,经典示例,例9（2006全国）番茄种子萌发露出两片子叶后，生长出第一片新叶，这时子叶仍具有生理功能。对一批长出第一片新叶的番茄幼苗进行不同处理，然后放在仅缺N元素的营养液中进行培养，并对叶片进行观察，最先表现出缺N症状的幼苗是（）A.剪去根尖的幼苗B.剪去一片子叶的幼苗C.剪去两片子叶的幼苗D.完整幼苗解析N属于植物体内可被再利用元素，在植物体内，是可以转移的。新叶代谢旺盛，需要大量的N元素，当环境中缺N时，植物体的其他部分N素就会转移到新叶中去(新叶一时还不会表现出症状)。营养液缺N元素，幼苗的叶片只能从变绿的子叶获得。C项所述，剪去两片子叶，相当于去掉了N素的主要来源，新叶又是在缺N的营养液中培养，则会最先表现出症状。,C,经典示例,例10（2006天津）下列有关ATP的叙述，正确的是（）A.线粒体是蓝藻细胞产生ATP的主要场所B.光合作用产物中的化学能全部来自ATPC.ATP分子由1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成D.细胞连续分裂时，伴随着ATP与ADP的相互转化解析本题考查ATP的相关知识。A考查原核生物的结构特点，蓝藻是原核生物，没有线粒体。B考查光合作用中的能量转化，C3还原生成有机物的能量由ATP和NADPH共同提供。C考查ATP的化学构成：1个腺苷和3个磷酸基团组成。D项，细胞分裂所需能量由ATP提供。所以D为正确答案。,D,经典示例,例11（2006重庆）下列有关生物新陈代谢的叙述，正确的是（）A.完成有氧呼吸所需要的酶由线粒体DNA指导合成B.植物根系吸收矿质元素的速率与土壤溶液中矿质离子的浓度成正比C.用15N标记的蛋白质饲喂小白鼠，一段时间后可在其肝糖元中发现15ND.用14CO2研究玉米的光合作用过程，最早在C4化合物中检测到14C解析A项，很多原核生物（如硝化细菌、蓝藻等）是需氧型生物，它们有有氧呼吸酶，但没有线粒体。B项，考查植物的矿质营养，矿质元素的吸收是主动运输，其影响因素是能量和载体。C项，题干中“在其肝糖元中发现15N”，显然是错误的，因为肝糖元是多糖，仅由C、H、O三元素构成。D项，考查C4植物光合作用过程，玉米是C4植物，CO2首先与PEP结合形成C4。,D,经典示例,例12（2006江苏）人体内物质代谢以及与人体健康关系的叙述，正确的是（）A.糖类可以通过氨基转换作用等过程转化为各种蛋白质B.只要控制脂肪的摄入量，人就不会发胖C.当血糖含量低于45mg/dL时，脑组织得不到足够的能量供给，发生功能障碍D.人体的必需氨基酸只能从食物中获得，而非必需氨基酸只能在体内合成解析运用物质代谢的原理来分析，理解有关人体健康的问题，这种命题方向符合课标和考纲的精神，值得重视。糖类通过氨基转换作用等过程转化只能形成非必需氨基酸，不能合成各种蛋白质，A项是错误的；脂肪还会由糖类等其他物质转化而来，故B错；人体的必需氨基酸不仅能从食物中获得，生物自身蛋白质分解也能产生，而非必需氨基酸在体内合成，食物中也可获得，自身蛋白质分解也能产生，所以，D项也不对。通过排除法确定正确答案是C。,C,经典示例,例13（2006江苏）关于真核细胞呼吸正确的说法是（）A.无氧呼吸是不需氧的呼吸，因而其底物分解不属于氧化反应B.水果贮藏在完全无氧的环境中，可将损失减小到最低程度C.无氧呼吸的酶存在于细胞质基质和线粒体D.有氧呼吸的酶存在于细胞质基质、线粒体内膜、线粒体基质解析无氧呼吸是不需氧的呼吸，但其底物分解仍属于氧化反应；水果贮藏在完全无氧的环境中，无氧呼吸太强，会导致水果烂掉，增加损失；无氧呼吸只是在细胞质基质中进行，故酶只存在于细胞质基质中，而不存在于线粒体中；有氧呼吸分为三个阶段，第一阶段在细胞质基质中进行，第二阶段在线粒体基质中进行，第三阶段在线粒体内膜上进行，故有氧呼吸的酶存在于细胞质基质、线粒体基质、线粒体内膜。,D,经典示例,例14(2006北京)用蔗糖、奶粉和经蛋白酶水解后的玉米胚芽液，通过乳酸菌发酵可生产新型酸奶，下列相关叙述错误的是（）A.蔗糖消耗量与乳酸生成量呈正相关B.酸奶出现明显气泡说明有杂菌污染C.应选择处于对数期的乳酸菌接种D.只有奶粉为乳酸菌发酵提供氮源解析本题对微生物的营养、生长及代谢等知识点进行了综合考查。乳酸菌是异养厌氧菌，乳酸菌的生长所需要碳源可由蔗糖提供，乳酸菌通过无氧呼吸产生乳酸，但不会放出气体，有气泡说明有杂菌污染。当蔗糖消耗量增大，产生的乳酸量也随之增多，二者呈正相关。根据微生物的生长曲线规律得知，用处于对数期的乳酸菌进行接种，生长繁殖速率快，代谢旺盛，可以缩短生产周期。对于异