高一生物：细胞的能量供应和利用公开课课件

高一生物公开课细胞的能量供应和利用能量·酶·呼吸·光合内容导览01能量之源ATP的结构与能量货币功能02酶的作用酶的本质、特性与实验探究03细胞呼吸有氧与无氧呼吸的能量释放04光合作用光反应与暗反应的物质能量转化05能量整合呼吸与光合的能量流动全景Chapter能量之源ATP是细胞生命活动的直接能源从能量货币出发，理解细胞如何获取与利用能量01生命活动需要能量肌肉收缩、神经传导、主动运输、物质合成——生命活动的每一刻都在消耗能量细胞生命活动所需的能量，主要来自ATP的即时供给01储能与利用的差异细胞中的糖类、脂肪等有机物储存着大量能量，但不能被直接利用。02关键分子的即时供给细胞生命活动所需的能量，主要来自一个关键分子的即时供给。03ATP——直接能源这一核心分子就是

ATP，它是驱动细胞绝大多数耗能反应的直接能源。谁是直接能源物质细胞为何不能直接燃烧葡萄糖？能源物质作用方式糖类主要储能物质，需氧化分解后释放能量脂肪良好储能物质，能量密度高但转化慢ATP直接能源物质，水解即可释放能量被利用实验证据表明，离体肌肉收缩直接利用的物质是

ATP

而非葡萄糖ATP的分子结构腺苷组成由腺嘌呤和核糖组成结构简式中写作

A磷酸基团连接三个依次连接结构简式中写作

P高能磷酸键能量结构简式中写作“～”水解时释放较多能量易断裂键供能远离腺苷的特殊化学键最易断裂释放能量供生命活动利用ATP与ADP相互转化ATP与ADP相互转化，构成循环利用的"能量货币"系统1ATP水解释放能量末端磷酸基团脱离，转化为ADP并释放能量2ADP再合成储存能量获得能量后与磷酸结合，重新生成ATP并储存能量持续循环保障2项动态平衡两者相互转化时刻发生能量供应保证能量供应不中断能量来源两大途径两类途径共同构成全章主线——能量的储存、转化与利用贯穿细胞代谢始终。无论是动物还是植物，驱动ADP与Pi重新结合生成ATP的能量来源，本质上是两类代谢途径。两大能量来源途径动物、真菌和多数细菌细胞呼吸分解有机物，释放能量合成ATP绿色植物细胞呼吸+光合作用呼吸供能，同时将光能转化为化学能细胞代谢概念辨析细胞代谢是细胞内全部有序化学反应的总称代谢含同化与异化两个对立统一的过程，二者相辅相成同化作用合成代谢吸收能量将小分子合成大分子如光合作用异化作用分解代谢释放能量分解有机物释放能量如细胞呼吸Chapter酶的作用酶是细胞代谢的催化剂探究酶的特性，理解代谢高效进行的分子基础02酶的本质探究历程从发酵之谜到酶本质确认，科学探究步步深入——绝大多数酶是蛋白质19世纪中叶巴斯德与李比希之争巴斯德认为发酵是活酵母细胞的作用李比希主张是细胞死亡后释放的物质引起1897年毕希纳·酿酶发酵无需完整活细胞酵母提取液实验证明，相关物质命名为"酿酶"1926年萨姆纳·脲酶结晶从刀豆中提取脲酶结晶证明脲酶本质是蛋白质后续发现RNA的催化功能少数RNA也具有催化功能酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物酶的高效性与专一性酶是生物体内的“高效精密催化剂”酶是生物体内的“高效精密催化剂”，高效性与专一性两大特性缺一不可。高效性催化速率远高于无机催化剂反应条件可在常温常压下进行高效性专一性专一性催化范围每种酶只能催化一种或一类化学反应结构基础源于酶与底物的结构互补，常以“锁与钥匙”模型理解案例脲酶只催化尿素分解探究酶的高效性实验比较过氧化氢酶与氯化铁溶液催化过氧化氢分解的效率实验目的比较过氧化氢酶与氯化铁溶液催化过氧化氢分解的效率“同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高”能力训练：对照原则、单一变量原则与观察记录能力实验设计自变量催化剂的种类因变量产气速率控制变量其他条件保持相同预期现象加肝脏研磨液（含过氧化氢酶）的试管产气更快，卫生香复燃更明显酶的作用原理酶通过

显著降低活化能

加速化学反应活化能，是分子从常态迈向反应活跃状态的能量门槛活化能分子从常态转变为易发生反应的活跃状态所需的能量无机催化剂降低活化能的作用较小，酶则显著降低活化能活化能降低后，更多分子能在温和条件下达到反应所需能态，反应速率大幅提升这一机制从分子层面解释了酶高效性的根本原因温度对酶活性的影响低温与高温对酶的影响有本质区别，这是理解酶保存与使用条件的关键每种酶都有其最适温度，在此温度下活性最高01低温条件低温酶活性：下降空间结构：未破坏温度回升后：活性可恢复02高温条件高温酶活性：丧失空间结构：被破坏温度回升后：不可逆失活pH对酶活性的影响每种酶都有其最适pH，过酸或过碱都会破坏酶的空间结构而使其失活实例对比胃蛋白酶最适pH偏酸性，与胃内酸性环境相适应胰蛋白酶等消化酶在中性偏碱环境中活性最高实验与机制实验探究pH影响：先调节底物与酶液的pH再混合，避免局部酸碱干扰机制温度与pH共同决定酶在细胞内的适宜作用环境酶在生产生活中的应用酶制剂已深入日常生活，从洗衣粉到果汁，从抑菌到助消化酶的特性能否转化为生产力？从洗衣粉到果汁，从抑菌到助消化，酶制剂已深入日常生活。理解酶的特性，才能科学解释并合理利用各类酶制剂产品生产要点：酶制剂工业要求选择适宜的温度与pH，以维持酶活性、降低生产成本洗涤领域加酶洗衣粉利用蛋白酶、脂肪酶分解污渍中的蛋白质和油脂，提升去污力食品领域果胶酶用于果汁生产，可分解果胶使果汁澄清、出汁率提高医药领域医用溶菌酶溶解细菌细胞壁，发挥抑菌作用多酶片帮助消化Chapter细胞呼吸有机物氧化分解，释放生命能量追踪葡萄糖的分解路径，理解能量逐步释放的机制03细胞呼吸概念辨析细胞呼吸是温和条件下逐步释放能量的过程细胞呼吸是逐步释放能量、合成ATP的受调控过程细胞呼吸有机物在细胞内经过一系列氧化分解，生成二氧化碳或其他产物并释放能量、合成ATP的过程能量释放是分阶段、受调控的，部分储存在ATP中，部分以热能散失依据是否需氧参与，分为有氧呼吸和

无氧呼吸两种类型核心特征辨析与体外燃烧的剧烈氧化不同，细胞呼吸在酶催化下逐步释放能量能量释放是分阶段、受调控的，部分储存在ATP中，部分以热能散失有氧呼吸场所与总反应葡萄糖+氧气→二氧化碳+水+大量能量碳元素与氧元素的来源追踪能量分阶段逐步释放有氧呼吸的主要场所是线粒体，被称为细胞的“动力车间”阶段

一主要场所有氧呼吸的场所是线粒体，被称为细胞的“动力车间”阶段

二元素去向二氧化碳中的碳来自葡萄糖水中的氧来自进入的氧气阶段

三分阶段释放通过三个连续阶段逐步完成，能量分阶段释放123有氧呼吸三个阶段详解葡萄糖经过三阶段被彻底氧化分解阶段场所关键变化能量去向第一阶段细胞质基质葡萄糖分解为丙酮酸和少量还原剂释放少量能量合成ATP第二阶段线粒体基质丙酮酸与水反应生成二氧化碳和还原剂释放少量能量合成ATP第三阶段线粒体内膜还原剂与氧气结合生成水释放大量能量合成ATP三个阶段中，第三阶段释放的能量最多；氧气只在第三阶段参与反应，与还原剂结合生成水有氧呼吸的能量效率2870kJ1mol葡萄糖彻底氧化分解释放的总能量有氧呼吸将有机物中的化学能充分释放，供细胞生命活动利用01呼吸作用能量去向部分能量储存于ATP，供细胞各项生命活动利用其余大部分以热能形式散失，用于维持体温等与无氧呼吸相比有氧呼吸能量利用率显著更高，是细胞供能的主要方式无氧呼吸的过程与类型无氧呼吸在细胞质基质中完成，产物类型因生物而异两种类型都只释放少量能量，大部分能量仍储存在产物中两阶段过程丙酮酸+少量能量不同产物第一阶段葡萄糖第二阶段丙酮酸两种发酵类型酒精发酵丙酮酸→酒精+二氧化碳如酵母菌、多数植物细胞乳酸发酵丙酮酸→乳酸如乳酸菌、动物剧烈运动时的肌细胞VS呼吸作用对比与意义有氧呼吸与无氧呼吸对比对比项有氧呼吸无氧呼吸场所细胞质基质和线粒体仅在细胞质基质需氧需要不需要产物二氧化碳和水酒精和二氧化碳或乳酸能量释放大量少量细胞呼吸为生命活动提供直接能源ATP，并为合成代谢提供中间产物呼吸作用释放的热能有助于维持体温稳定这一过程是生物界有机物氧化分解、能量供应最普遍的方式影响细胞呼吸的环境因素温度、水分、氧气——三大环境因素如何调控细胞呼吸的速率？温度影响呼吸酶活性水分自由水含量氧气有氧呼吸条件温度通过影响呼吸酶活性影响呼吸速率低温可抑制呼吸、延长果蔬储藏期水分自由水含量升高会增强呼吸种子储藏前需晒干以降低含水量氧气氧气充足时利于有氧呼吸低氧环境可抑制有氧呼吸并降低有机物消耗农业生产中的松土、晾晒、低温储藏等措施，本质上都是对呼吸作用的合理调控呼吸作用在生产中的应用控制呼吸速率，就是控制有机物的消耗呼吸作用调控四大应用场景，通过环境条件调节呼吸速率“这些措施体现了细胞呼吸知识在农业生产与食品工业中的广泛应用。”果蔬储藏调控低温、低氧、适宜湿度目的抑制呼吸、延长保鲜粮食保存调控充分晒干降低含水量，保持干燥低温目的减少有机物消耗作物栽培调控适时松土保证根部氧气供应目的促进根系有氧呼吸酿酒发酵调控创造密闭无氧条件目的利用酵母菌无氧呼吸产生酒精Chapter光合作用光能转化为化学能，滋养整个生物圈从叶绿体到卡尔文循环，解密光能固定的完整路径04光合作用的探索历程科学结论在实验与修正中逐步逼近真相1642海尔蒙特柳树增重来自水开启定量探究1771普利斯特利植物能更新空气证明可释放氧气1779英格豪斯实验仅在光照下成功1845梅耶光能转变为化学能储存1864萨克斯光下产生淀粉鲁宾和卡门用同位素标记证明氧气来自水20世纪40年代卡尔文探明CO₂固定途径卡尔文循环叶绿体的结构与功能叶绿体是光合作用的完整场所叶绿体以双层膜为界、由基粒与基质分工协作，完成光合作用的结构与功能统一01结构层次双层膜包裹，内部含基粒与基质基粒＝类囊体堆叠；基质＝暗反应场所02功能对应类囊体膜上布有光合色素与光反应酶；基质含暗反应酶色素主要吸收红光与蓝紫光，绿光吸收最少结构与功能的对应关系，是理解后续光反应与暗反应分区的基础色素的提取与分离实验1实验原理色素溶于有机溶剂可提取，溶解度不同则扩散速度各异→2提取无水乙醇

溶解色素→3分离纸层析法→4预期结果自上而下：胡萝卜素→叶黄素→叶绿素a→叶绿素b→5结论含量最多叶绿素a，扩散最快胡萝卜素研磨加

二氧化硅

助研、碳酸钙

防色素破坏滤液细线要

细、齐、直四色带示意（自上而下）胡萝卜素橙黄叶黄素黄色叶绿素a蓝绿叶绿素b黄绿光反应的过程与产物光反应把光能转化为活跃化学能光反应在类囊体薄膜上将光能转化为活跃化学能产物去向：ATP与还原型辅酶进入暗反应，供二氧化碳还原使用反应条件与场所场所：类囊体薄膜上，需要光照、色素和酶参与光反应在类囊体薄膜上进行物质变化与能量转化水在光下分解为氧气和还原剂，氧气释放到空气中光能驱动ADP与磷酸结合生成

ATP，同时生成还原型辅酶能量变化：光能转变为储存在

ATP

和还原型辅酶中的活跃化学能光能转变为活跃化学能暗反应的过程与产物暗反应把活跃化学能转化为稳定化学能暗反应的循环过程称为卡尔文循环，实现了无机碳向有机碳的转化01第一步二氧化碳固定CO2与C5结合，在酶的催化下完成固定。形成的产物为两分子C3（三碳化合物）。02第二步三碳化合物还原C3被

ATP和还原型辅酶还原。部分转化为糖类等有机物。碳进入卡尔文循环。场所：叶绿体基质，有光无光均进行能量变化：活跃化学能→稳定化学能光反应与暗反应对比对比项光反应暗反应场所类囊体薄膜叶绿体基质条件光、色素、酶多种酶，有光无光均可物质变化水的光解、ATP与还原型辅酶生成CO2固定、三碳化合物还原能量变化光能转活跃化学能活跃化学能转稳定化学能光合作用的影响因素光合速率受多种环境因素共同制约，理解其作用规律是高效利用光能的前提水分与矿质元素也会间接影响色素合成与气孔开闭，从而调节光合作用实际生产中需综合协调各因素，才能实现光能的高效利用光光照强度光照强度一定范围内光合速率随光照增强而升高光饱和点超过光饱和点后趋于稳定二二氧化碳浓度二氧化碳浓度作为暗反应原料，浓度升高可促进光合速率限制因素直至受其他因素限制温温度温度通过影响光合作用相关酶的活性影响光合速率最适温度存在最适温度光合作用的应用与意义光合作用是生物圈能量与物质的源头光合作用将光能转化为化学能，并维持大气碳氧平衡，支撑着整个生物圈的运转农业增产·合理密植合理密植充分利用光能，提高单位面积产量农业增产·间作套种间作套种错开空间与时间，提高光能利用率农业增产·温室补碳温室补充二氧化碳·控制光照与温度补充原料并优化环境条件，促进光合速率提升Chapter能量整合能量流动不息，生命循环不止呼吸与光合相互依存，构建细胞能量代谢的完整图景05呼吸与光合的内在联系两者是物质与能量循环中互为补充的两个半程光合作用与细胞呼吸，构成生命体内物质转化与能量流转的完整闭环物质联系2项产物互为原料光合作用的产物葡萄糖和氧气，正是细胞呼吸的反应物废物成为原料细胞呼吸产生的二氧化碳和水，又成为光合作用的原料能量联系2项固定与释放光合作用将光能固定为有机物中的化学能，细胞呼吸则将其释放供生命利用闭环形成两个过程在叶绿体与线粒体之间形成物质循环与能量流动的闭环光合与呼吸的综合比较对比项光合作用细胞呼吸场所叶绿体细胞质基质和线