生物必修一 第五章 细胞的能量供应和利用.doc

第五章 细胞的能量供应和利用降低反应活化能的酶基础知识1、 酶的作用和本质1、 细胞代谢：细胞中每时每刻发生的化学反应。主要场所：细胞质基质。2、酶的本质：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物3、萨姆纳：提取酶，并证明酶是蛋白质；切赫、奥特曼发现：少数RNA也具有生物催化功能。4、酶在细胞代谢中的作用：降低化学反应的活化能1）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2）催化效率：酶无机催化剂3）只改变反应速率，不改变反应的方向的平衡点4）酶在反应前后性质不变，质量不变5）酶既可以在细胞内也可以在细胞外（加酶洗衣粉）实验8：过氧化氢在不同条件下的分解【实验目的】了解过氧化氢酶的作用和意义【实验材料】新鲜的20%肝脏研磨液（新鲜：如果不新鲜，肝细胞内的过氧化氢酶可能在腐生细菌的作用下分解，使组织中酶分子的数量减少且活性降低；研磨：使细胞破裂，酶在细胞内）【实验步骤】加入物质处理现象结论2ml H2O2基本无气泡缓慢分解2ml H2O290C水浴有气泡加热可以促进分解2ml H2O22滴FeCl3较多气泡Fe3+催化分解2ml H2O22滴肝脏研磨液大量气泡H2O2酶催化分解【实验结论】H2O2酶和Fe3+相比，催化效率更高。【相关知识】对照实验：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验；对照组：不接受人为处理的对象组；实验组：接受人为处理的对象组。2、 酶的特性1、 高效性实验：比较Fe3+和过氧化氢酶的催化效率实验组：反应物+等量相应的酶对照组：反应物+无机催化剂意义：1）保证细胞代谢的快速进行 2）保证细胞内能量供应的稳定。2、 专一性（锁钥学说：结构互补）实验：淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用意义：细胞代谢能够有条不紊的进行，与酶的专一性分不开。【注意】保持蔗糖的新鲜度和纯度是实验成功的关键。3、 酶促反应：酶所催化的反应叫酶促反应。实验9：探究影响酶活性的条件1、探究温度对酶活性的影响：【实验材料】淀粉酶（过氧化氢酶在高温下易分解）用碘液和淀粉的颜色反应来反映酶活性（斐林试剂需要水浴加热，会破坏实验变量）【注意】本实验应先控制条件，再混合。先将酶与底物溶液分别处于相应温度一段时间后，再混合于不同温度下保温，因为一旦酶与底物接触就会进行反应，影响实验结果。2、探究PH对酶活性的影响：【实验材料】过氧化氢酶（酸性条件会加快淀粉酶分解）三、酶的作用条件比较温和1、酶的活性：酶对化学反应的催化效率称为酶的活性，催化效率的高低也称酶活性的强弱。通过反应物的分解速率或生成物的产生速率来反映。2、酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。3、温度和PH对酶促反应的影响：低温可逆，高温酶变性失活不可逆 过酸过碱，酶变性，不可逆温度和PH能影响酶的空间结构，改变影响酶的活性；酶制剂适于在低温下保存；高温下，酶的空间结构被破坏，但是肽键依然存在；反应溶液PH的变化不会影响酶作用的最适温度（如右图）。唾液淀粉酶随食物进入胃，不能继续将淀粉分解为麦芽糖，因为唾液淀粉酶的最适PH=7，而胃液的PH在2左右。唾液淀粉酶将失活，并被蛋白酶水解；4、 底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响：1） 酶量一定，随着底物浓度增加，反应速率逐渐加快，但达到一定浓度后，受酶的数量和活性的限制，反应速率不再增加；2） 反应物充足，随着酶浓度的增加，反应速率与酶浓度成正比。底物浓度和酶的浓度能影响底物和酶的接触面积，不改变酶的空间结构，不影响活性；ATP细胞能量“通货”基础知识1、 ATP 高能磷酸键1、ATP：细胞内的一种高能磷酸化合物2、 ATP和ADP的相互转化1、ATP在细胞内的含量很少，但转化十分迅速ATP和ADP的相互转化处于动态平衡之中。2、 细胞内ATP和ADP相互转化的能量供应机制，是生物界的共性。【注意】这两个反应不是可逆反应，因为所需酶不同，反应场所不同，且物质可逆，能量不可逆。3、ATP和ADP的转化：转化场所相关生理过程ATP合成细胞质基质有氧呼吸和无氧呼吸的第一阶段线粒体有氧呼吸第二、三阶段叶绿体内囊体薄膜光合作用光反应阶段ATP水解叶绿体基质光合作用暗反应阶段细胞膜等生物膜物质跨膜运输细胞核核酸的合成细胞质蛋白质、多糖的合成和各种耗能过程【注意】光合作用光反应产生的ATP只能用于暗反应；呼吸作用产生的ATP用于物质运输等各种生命活动。4、ATP产生量与O2含量和呼吸强度的关系：AB：ATP含量随着O2供应量的增加而增加（有氧呼吸速率增加）； BC：O2供应量达到一定值的时候，ATP产量不再增加（细胞中ATP的量很少，处于动态平衡当中，酶、ADP、磷酸有限）； A：细胞无氧呼吸也能产生少量ATP。横坐标为呼吸强度时，ATP产生量曲线应从原点开始。【注意】节点位置不一样。5、ATP的利用：机械能肌细胞收缩渗透能主动运输化学能蛋白质合成电能大脑思考，电鳗放电光能萤火虫发光细胞呼吸基础知识一、细胞呼吸的方式1、细胞呼吸：有机物有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其它产物，释放出能量并生成ATP的过程。实验10：探究酵母菌细胞呼吸的方式【实验原理】酵母菌是一种单细胞真菌，有细胞壁，在有氧和无氧的条件下都能生存，属于兼性厌氧菌。CO2的检测：酒精的检测：橙色的重铬酸钾溶液在酸性环境下与酒精发生反应，变成灰绿色【实验步骤】配置酵母菌培养液（煮沸后冷却）安装实验装置（一）有氧呼吸（二）无氧呼吸 【实验结果】CO2的放出情况：A、B两组都有CO2的产生，但A组产生的CO2更多。酒精产生的情况：A组没有酒精的产生，B组产生了酒精。二、对照实验与对比实验1、概念：对比实验：设置两个或两个以上的实验组，通过的对结果的比较分析，来探究某种因素与实验对象的关系，这样的实验叫做对比实验。 对照实验：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。一般设置实验组和对照组，遵循单一变量原则。2、区别：对照实验：有对照组，单一变量，有检验标准，可以预测实验结果。对比实验：无对照组只有实验组，多个变量，无检验标准，实验结果事先未知。三、有氧呼吸1、过程反应方程式与氧的关系场所第一阶段糖酵解（2ATP）无关细胞质基质第二阶段三羧酸循环（2ATP）无关线粒体基质第三阶段氧化磷酸化（34ATP）必需氧线粒体内膜2、总反应式热能 60%ATP 40%3、有氧呼吸：细胞在氧气的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放能量，生成许多ATP的过程。原核生物有与有氧呼吸有关的酶，可以进行有氧呼吸，在细胞质基质中进行；四、无氧呼吸1、过程过程ATP场所第一阶段少量细胞质基质第二阶段不产生2、 实例：对象产生乳酸高等动物、高等食物的某些器官或细胞（马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚）、乳酸菌产生酒精高等植物、酵母菌等生物3、 发酵：微生物的无氧呼吸也叫发酵，生成乳酸的叫乳酸发酵，生成酒精的叫酒精发酵。发酵不全都是无氧呼吸，微生物的有氧呼吸和无氧呼吸统称为发酵。4、无氧呼吸：细胞在缺氧的条件下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物进行不彻底的氧化分解，产生酒精或乳酸等中间产物，释放少量能量，生成ATP的过程。5、无氧呼吸的特点：氧气的存在抑制了无氧呼吸的进行能量去路：有氧呼吸：所释放的能量一部分用于生成ATP，大部分以热能形式散失了。无氧呼吸：能量小部分用于生成ATP和以热能形式散失，大部分储存于乳酸或酒精中。五、有氧呼吸和无氧呼吸的比较有氧呼吸无氧呼吸不同点反应条件需要O2、酶和适宜的温度不需要O2，需要酶和适宜的温度呼吸场所第一阶段在细胞质基质中，第二、三阶段在线粒体内全过程都在细胞质基质内分解产物CO2和H2OCO2、酒精或乳酸释放能量释放能量较多，1mol葡萄释放能量2870kJ，其中1161kJ转移至38molATP中1mol葡萄糖释放能量196.65kJ(生成乳酸)或222kJ(生成酒精)，其中均有61.08kJ转移至2molATP中相同点实质都是：分解有机物，释放能量，生成ATP供生命活动需要，都需要酶的催化，第一阶段(从葡萄糖到丙酮酸)完全相同相互联系第一阶段完全相同，之后在不同条件下，在不同的场所沿不同的途径，在不同的酶作用下形成不同的产物：6、 影响呼吸作用的因素温度含水量O2浓度CO2浓度关系影响酶活性随着含水量的增多，细胞的呼吸速率增高在一定范围内，随O2浓度的增大，有氧呼吸增强，达到一定浓度以后，由于受线粒体的限制，呼吸作用强度不再增大。O2的存在抑制了无氧呼吸的进行。随着CO2的浓度升高，细胞呼吸的速率降低图像应用低温储存贮藏种子低氧气浓度保存水果蔬菜高二氧化碳浓度保存水果蔬菜7、 细胞呼吸方式的判定1、根据反应中的物质的量关系进行判断比例即消耗的O2量=0，气体的总体积增加，只有无氧呼吸。气体的总体积增加，既有有氧呼吸又有无氧呼吸，且有氧呼吸等于无氧呼吸。即消耗的O2量等于生成的CO2量，气体的总体积不变，只有有氧呼吸。既有有氧呼吸又有无氧呼吸，且无氧呼吸大于有氧呼吸。既有有氧呼吸又有无氧呼吸，且无氧呼吸小于有氧呼吸。如果有氧呼吸与无氧呼吸共存时，O2/CO2的比值一定在01之间，且分母与分子的差值就是无氧呼吸的所产生的CO2总量。2、根据反应物和生成物的种类判断：如果消耗氧气，则一定是有氧呼吸；如果产物中有水，则一定是有氧呼吸；如果产物中有酒精或乳酸，则为无氧呼吸。3、根据反应场所判断8、 应用实验11：探究发芽种子的细胞呼吸类型【实验原理】生物呼吸时既产生CO2又释放O2 ，前者可引起装置内气压升高，而后者引起装置内气压下降，为便于测定，只选择其中一种气体测定真实呼吸情况。（装置一）NaOH溶液可吸收CO2，使装置中的气压变化全为O2引起，排除CO2对气压变化的干扰。（装置二）用等量的蒸馏水代替NaOH溶液，控制单一变量，此装置内气压由CO2和O2共同决定实验现象结论装置一液滴装置二液滴不动不动种子死亡不动右移只进行产生酒精的无氧呼吸左移右移有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸左移不动有氧呼吸【实验结果】根据着色液单位时间移动的距离，可以计算呼吸速率光合作用实验12：绿叶中色素的提取和分离【实验原理】提取：绿叶中的色素都能溶解于有机溶剂无水乙醇中，所以用无水乙醇提取绿叶中的色素。分离：（纸层析法）绿叶中的色素在层析液中的溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢。【实验步骤】步骤具体步骤目的注意事项提取绿叶中的色素称取绿叶五克，剪碎，放在研钵中加入少许SiO2、CaCO3，再加入10毫升无水乙醇，进行快速、充分的研磨SiO2使研磨充分CaCO3中和酸性物质，防止色素被破坏无水乙醇溶解色素过滤将研磨液迅速倒入玻璃漏斗，获取绿色滤液基部放置单层尼龙布及时用棉塞将试管口封严防止乙醇挥发，叶绿素氧化分解制备滤纸条将干燥的定性滤纸剪成稍小于试管长与直径的滤纸条，将一端减去两角，并在距这一端1厘米处用铅笔画一条细线。剪角防止两侧色素扩散快，色素带不整齐画滤液细线用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀划出一条细线。待滤液干后，重复1-2次。要求：细、直、匀积累更多色素，使色素分离效果更明显分离色素原理：色素随层析液在滤纸上扩散速度不同，从而分离色素步骤取适量层析液倒入烧杯中，将滤纸条轻插入层析液中滤液细线不能触及层析液，以防止色素溶解于层析液中而无法分离用培养皿盖住防止层析液挥发观察与记录【实验结果】名称颜色含量主要吸收光谱与光合作用联系胡萝卜素橙黄色最少约占1/4蓝紫光吸收光能叶黄素黄 色较多蓝紫光叶绿素a蓝绿色最多约占3/4蓝紫光、红光叶绿素b黄绿色较少蓝紫光、红光 【实验拓展】【注意事项】1、收集到的滤液绿色过浅：未加SiO2，研磨不充分 未加CaCO3，色素分子被破坏 使用放置数天的菠菜叶，滤液中的叶绿素太少 一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低（正确做法：分次加入少量无水乙醇提取色素）2、 滤纸条色素带重叠：滤纸条上的滤液细线接触到层析液3、 滤纸条看不见色素带：忘记画滤液细线 滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素溶解在层析液中基础知识一、补获光能的色素1、色素的功能：吸收、传递（四种色素）、转化光能（少数处于特殊状态的叶绿素a可转化光能）的作用。2、色素的种类：见上【实验结果】3、捕获光能的结构叶绿体分布：主要分布在绿色植物的叶肉细胞形态：一般呈扁平的椭球形或球形功能：光合作用的场所。4、影响叶绿素合成的因素光照一般植物在黑暗中不能合成叶绿素温度温度影响酶的活性，进而影响叶绿素的合成。低温时，叶绿素易被破坏。而类胡萝卜素较稳定。必需元素缺乏N、Mg，将导致叶绿素无法合成，叶片变黄。5、色素与叶片颜色正常绿色对绿光吸收最少，呈现绿色叶色变黄寒冷时，叶绿素被破坏，类胡萝卜素较稳定，叶片呈现黄色叶色变红秋天降温时，植物体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶片呈现红色二、光合作用的探索历程时间国籍科学家过程结论1771年英普利斯特利点燃的蜡烛与绿色植物、密闭蜡烛不熄灭小鼠与绿色植物、密闭小鼠不易窒息植物更新空气1779年荷兰英格豪斯基于普利斯特利的实验植物更新空气需要绿叶和光照1785年植物更新空气是因为：吸收CO2，放出O21845年德梅耶根据能量转化与能量守恒定律推测植物进行光合作用时，把光能转化成化学能储存起来1864年德萨克斯碘蒸汽光合作用的产物除了氧气还有淀粉1880年德恩吉尔曼叶绿体是进行光合作用的场所，并从叶绿体放出氧1939年美鲁宾和卡门（放射性同位素示踪法）向植物提供光合作用释放的氧气全部来自水20世纪40年代美卡尔文CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径（卡尔文循环）同位素标记法：科学家通过追踪放射性同位素标记化合物，可弄清化学反应详细过程的方法。放射性同位素标记的化合物，化学性质不会改变。同位素：质子数相同，中子数不同的同一类原子的总称。持续光照10min照5s暗5s，持续20min（产生的有机物更多）因为光反应和暗反应速率不同，如果暗反应不能及时消耗掉光反应的产物，光反应会被拖延。3、 光合作用的过程 【能量转化过程】光能电能ATP中活跃的化学能有机物中稳定的化学能ATP中活跃的化学能【注意事项】上式中等号两边的水不能抵消。原因是左边的水，是植物吸收所得，而且用于制造氧气和提供电子和氢离子。而右边的水分子的氧原子则是来自二氧化碳。（1） 光反应阶段1、 场所：叶绿体内囊体薄膜（蓝细菌等微生物的反应场所在细胞膜色素所在地）2、 条件：光、色素、酶4、 特点：短促5、 影响因素：光照强度、CO2浓度、水分供给、温度、酸碱度、矿质元素等。6、过程： 水的光解：2H2O 4H+O2（在光和叶绿体中的色素的催化下）ATP的合成：ADP+Pi+能量 ATP（在酶的催化下）7、意义：光解水，产生氧气。将光能转变成活跃的化学能，储存在ATP中，为碳反应提供能量。利用水光解的产物氢离子，合成NADPH（还原型辅酶），为碳反应提供还原剂NADPH（还原型辅酶）。（2） 暗反应阶段1、 场所：叶绿体基质2、 条件：ATP、H（NADPH）、酶3、 特点：较缓慢4、 影响因素：温度、CO2浓度碳的固定：5、 过程： C5+CO2 2C3（在酶的催化下）2C3+H (CH2O)+C5（在ATP供能和酶的催化下）ATP的分解：ATPADP+Pi+能量（耗能）【二者联系】光反应和碳反应是一个整体，二者紧密联系。光反应是碳反应的基础，光反应阶段为碳反应阶段提供能量（ATP、NADPH）和还原剂（NADPH）；碳反应产生的ADP和Pi为光反应合成ATP提供原料。4、 影响光合作用的因素（一）光照强度 在纵坐标没有达到最大值之前，主要受横坐标的限制，当达到最大值之后，限制因素主要是其它因素了AC：限制光合作用强度的因素光照强度。CD：限制光合作用强度的因素外因：CO2浓度、温度等；内因：酶、叶绿体色素、C5（二）CO2浓度 （三）水分：缺乏水时会使光合速率下降。 （四）温度温度是通过影响与光合作用有关的酶来影响光合速率的光合作用的有关酶和呼吸作用的有关酶的最适温度不一样（五）叶片面积 （六）矿质元素：矿质元素直接或间接影响光合作用。例如：N是构成叶绿素、酶、ATP的化合物的元素；P是构成ATP的元素；Mg是构成叶绿素的元素，缺少Mg会导致补偿点右移，饱和点左移。多因子对光合速率的影响五、实践应用6、 题型分析1、夏季的一天中CO2吸收量和释放量变化曲线分析： 2、有关有机物的情况：积累有机物的时间段：ce段；制造有机物的时间段：bf段；消耗有机物的时间段：Og段；一天中有机物积累最多的时间点：e点；一昼夜有机物的积累量：SPS