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生物必修一第五章知识点
第五章细胞的能量供应与利用
第一节降低化学反应活化能的酶
一、酶在细胞代谢中的作用
1、细胞代谢场所:
细胞内
实质:
各种化学反应的总称
意义:
细胞生命活动的基础
2、酶在细胞代谢中的作用
(1)作用:
酶在细胞代谢中具有催化作用,降低化学反应的活化能
(2)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。
作用机理:
降低化学反应所需要的活化能,使一个原本在较温和条件下才能进行的反应可以高效进行。
反应前后酶量和化学性质不变
二、酶的本质
1、酶的本质
(1)关于酶本质的探索
时间
科学家
实验发现或结论
1857年
巴斯德
发酵与活细胞有关
1859年
李比希
发酵与酵母菌内的某些物质有关,且在酵母菌死亡并裂解后才能发挥作用
1897年
毕希纳
发酵是酵母菌内的某些物质引起的,但得到的含有酶的提取物不纯
1917年
萨姆纳
酶是蛋白质
20世纪80年代
切赫和奥特曼
部分RNA也有催化能力
(2)酶的本质
化学本质
绝大多数是蛋白质
少数是RNA
实验验证
与双缩脲试剂反应呈紫色
与吡罗红染液反应呈红色
合成原料
氨基酸
核糖核苷酸
合成场所
核糖体
细胞核(主要)
来源
一般活细胞中均能产生
生理功能
具有生物催化供能
作用机理
降低化学反应活化能
特性
专一性、高效性、酶的作用条件较温和、需要适宜的PH和温度
三、酶的特性
1.酶的高效性:
酶的催化效率是无机催化剂的107—1013倍
2.
曲线ab相比较说明酶具有高效性;曲线ac相比较只能说明具有催化作用
酶只能缩短到达化学平衡所需的时间,不改变化学反应的平衡点
酶只能催化已存在的反应
2、酶的专一性:
每一种酶只能催化一种或一类化合物的化学反应,这说明酶的催化作用具有专一性的特点
3、
如图所示,在某底物中加入酶A,反应速度较未加酶时明显加快,说明酶A催化该底物参加反应
在该底物中加入酶B,反应速度与未加酶时相同,说明酶B不催化该底物参加反应
原因:
酶只能催化与其结构互补的底物
4、酶作用条件的温和性
绝大多数的酶是蛋白质,过酸、过碱和高温都能使蛋白质空间结构破坏,从而引起蛋白质分子变性失活。
低温只是使酶活性下降,适宜温度下酶活性可以恢复
四、影响酶促反应速率的因素
1、底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响
甲图:
在其他条件适宜、酶量一定的情况下,酶促反应速率随底物浓度增加而加快,但当底物达到一定浓度后,受酶数量和活性限制,酶促反应速率不再增加。
乙图:
在底物充足,在其他条件适宜的情况下,酶促反应速率与酶浓度成正比
2、温度和PH
在一定温度(PH)范围内,随温度(PH)的升高,酶的催化作用增强,超过这一范围,酶的催化作用逐渐减弱。
过酸、过碱、高温都会使酶变性失活,而低温只是抑制酶的活性,酶分子结构未被破坏,温度升高可恢复活性。
从丙图可以看出:
反应溶液PH的变化不影响酶作用的最适温度。
3、底物、生成物和酶三者的浓度与酶促反应速率的曲线
(1)图甲:
在底物充足,其它条件均适宜的条件下,酶促反应速率与酶浓度成正比
(2)图乙:
在酶量一定的条件下,在一定范围内酶促反应速率会随着底物浓度的增加而增加;当底物达到一定浓度后,由于受酶数量和活性的限制,酶促反应速率不再增加。
(3)图丙:
在生成物浓度较低时,反应速率随反应进行能较长时间保持不变;随着生成物浓度升高,反应速率明显下降。
第二节细胞的能量“通货”——ATP
一、ATP分子结构与供能
1、ATP的结构
(1)中文名称:
三磷酸腺苷
(2)
元素组成:
CHONP
(3)结构简式:
A—P~P~P
(4)符号含义:
A代表腺苷(核糖+腺嘌呤);P代表磷酸基团;—代表普通磷酸键;~代表高能磷酸键
(5)化学组成:
1分子腺苷(核糖+腺嘌呤)和3分子磷酸基团
(6)结构特点:
ATP是细胞内一种高能磷酸化合物,含有两个高能磷酸键
ATP化学性质不稳定,在有关酶的作用下,远离腺苷的高能磷酸键易水解,释放出大量能量
2、功能:
ATP是细胞代谢所需能量的直接来源
二、ATP和ADP的互相转化
1、
相互转化反应式
2、相互转化特点:
(1)ATP和ADP相互转化时刻不停地发生且处于动态平衡之中
(2)ATP和ADP相互转化的能量供应机制,是生物界的共性
(3)ATP和ADP的相互转化是不可逆的
反应式
ATP→ADP+Pi+能量
ADP+Pi+能量→ATP
类型
水解反应
合成反应
所需酶
ATP水解酶
ATP合成酶
场所
活细胞内多种场所
细胞质基质、线粒体、叶绿体
能量转化
放能
储能
能量来源
高能磷酸键
细胞呼吸、光合作用(光反应阶段)
能量去路
用于各项生命活动
储存于ATP中
三、ATP的产生和利用
1、吸能与放能反应
吸能反应:
与ATP水解反应相联系,由ATP水解提供能量
放能反应:
与ATP合成反应相联系,释放的能量储存在ATP中
能量通过ATP分子在吸能与放能反应间循环流通,ATP是细胞内流通的能量“通货”
2、ATP的利用
3、ATP产生和消耗的场所及生理过程
场所
生理过程
细胞膜
消耗ATP:
主动运输、胞吞、胞吐
细胞质基质
产生ATP:
细胞呼吸第一阶段
叶绿体
产生ATP:
光反应;消耗ATP:
暗反应和自身DNA复制
线粒体
产生ATP:
有氧呼吸第二、三阶段;消耗ATP:
自身DNA复制
核糖体
消耗ATP:
蛋白质的合成
细胞核
消耗ATP:
DNA复制、转录等
第三节ATP的主要来源——细胞呼吸
一、探究酵母菌细胞的呼吸方式
1、细胞呼吸的概念
(1)实质:
分解有机物,释放能量
(2)产物:
ATP、CO2或其他产物
2、酵母菌的生存特点
在有氧和无氧的条件下都有能生存,属于兼性厌氧菌
有氧呼吸C6H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量
无氧呼吸C6H12O6→2C2H5OH+CO2+少量能量
3、实验装置(实验前必须检查装置的气密性)
装置甲(有氧呼吸装置):
质量分数为10%的NaOH溶液的锥形瓶,清楚和空气中的CO2,保证第三个锥形瓶中的澄清石灰水变浑浊是由酵母菌有氧呼吸产生的CO2所致
装置乙(无氧呼吸装置):
先将B瓶封闭一段时间,再连通盛有澄清石灰水的玻璃瓶,目的是让酵母菌将B瓶中的氧气消耗完,以确保通入的澄清石灰水的CO2是酵母菌无氧呼吸产生的
3、呼吸产物的检测
(1)检测CO2的产生
试剂
现象
衡量指标
澄清石灰水
变浑浊
石灰水浑浊程度
溴麝香草酚蓝水溶液
由蓝变绿再变黄
由蓝变绿再变黄的时间长短
(2)检测酒精的产生
试剂:
重铬酸钾溶液条件:
酸性颜色变化:
由橙色变为灰绿色
4、结论
(1)酵母菌细胞呼吸的类型:
有氧呼吸和无氧呼吸
(2)呼吸产物:
CO2、H2O和酒精
二、有氧呼吸
1、概念:
细胞在有氧的参与下,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,生成大量ATP的过程
2、过程
第一阶段
第二阶段
第三阶段
场所
细胞质基质
线粒体基质
线粒体内膜
过程
一份子葡萄糖分解成2分子丙酮酸,产生少量[H],并释放少量能量
丙酮酸和水彻底分解,生成CO2和[H],并释放少量能量
前两阶段产生的[H]和O2结合生成水,并释放大量的能量
反应式
C6H12O6→2丙酮酸+4[H]+2ATP
2丙酮酸+6H2O→6CO2+20[H]+2ATP
6O2+24[H]→12H2O+34ATP
与氧的关系
无关
无关
必须氧
总反应式及各元素的去向
3、能量转换
1mol葡萄糖彻底氧化分解后,释放出2870KJ的能量,其中1161KJ的能量储存在ATP中,其余的能量以热能形式散失
三、无氧呼吸
1、概念:
细胞在无氧条件下,通过多种酶的催化作用,把葡萄糖等有机物不彻底的氧化分解,产生C2H2OU(乙醇)和2CO2或2C3H6O3(乳酸),释放出少量能量,生成少量ATP的过程
2、阶段:
细胞质基质
3、过程:
第一阶段:
C6H12O6→2C3H4O3(丙酮酸)+4[H]+2ATP
第二阶段:
2C3H4O3+4[H]→2C2H5OH+2CO2+能量
或者:
2C3H4O3+4[H]→2C3H6O3+能量
4、总反应式
(1)高等植物、酵母菌等
C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量(少量)
(2)高等动物、人、高等植物的某些硕大器官(马铃薯块茎、甜菜块根)、乳酸菌等:
C6H12O6→2C3H6O3+能量(少量)
微生物的无氧呼吸习惯上称为发酵
(3)能量产生与去向
1mol葡萄糖→乳酸时,放能196.65KJ(61.08KJ→ATP;其余→热能散失)
四、影响细胞呼吸的因素及应用
1、温度
(1)温度主要影响呼吸酶的活性
(2)在一定范围内,呼吸作用强度随温度升高而增强
(3)超过最适温度后,呼吸酶活性下降,呼吸作用受到抑制。
(4)生产应用:
低温下储存蔬菜水果;在大棚蔬菜的栽培过程中,夜间适当降温,抑制呼吸作用,减少有机物的消耗,可达到提高产量的目的。
2、O2浓度
(1)O2浓度低时,无氧呼吸占优势
(2)随着O2浓度增大,无氧呼吸逐渐被抑制,有氧呼吸不断加强
(3)当O2浓度达到一定值后,随着O2浓度增大,受呼吸酶量等因素的影响,有氧呼吸不再加强
(4)生产应用:
用透气的纱布包扎伤口;中更松土,防止土壤板结;稻田需要定期排水,否则水稻幼根会变黑腐烂
3、CO2浓度
(1)CO2是细胞呼吸的产物,从化学平衡的角度分析,增加CO2的浓度抑制细胞呼吸
(2)生产应用:
在密闭的地窖中,O2浓度低,CO2浓度较高,抑制细胞的呼吸作用
4、含水量
(1)在一定范围内,呼吸作用强度随含水量的增加而增强,随含水量的减少而减弱
(2)生产应用:
种子晒干贮藏,使呼吸作用降至最低,以减少有机物消耗;合理灌溉
五、有氧呼吸与无氧呼吸的计算
1、消耗等量的葡萄糖时,无氧呼吸与有氧呼吸产生的CO2摩尔数之比为1:
3
2、消耗等量的葡萄糖时,有氧呼吸消耗的氧气与有氧和无氧呼吸产生的二氧化碳摩尔数之和的比为3:
4
3、产生等量的CO2时,无氧呼吸与有氧呼吸消耗的葡萄糖摩尔数之比为3:
1
4、产生等量的CO2时,无氧呼吸与有氧呼吸产生的ATP摩尔数之比为3:
19
5、消耗等量的葡萄糖时,无氧呼吸与有氧呼吸产生的ATP摩尔数之比为1:
19
六、细胞呼吸类型的判断
1、依据O2吸收量和CO2释放量判断
(1)无CO2释放→只进行产生乳酸的无氧呼吸
(2)不消耗O2,但产生CO2→只进行产生酒精的无氧呼吸
(3)CO2释放量=O2消耗量→只进行有氧呼吸
(4)CO2释放量>O2消耗量→同时进行产生酒精的无氧呼吸和有氧呼吸
若Vco2/Vo2=4/3,有氧呼吸和无氧呼吸消耗葡萄糖的速率相等
若Vco2/Vo2>4/3,无氧呼吸消耗葡萄糖的速率>有氧呼吸的速率
若Vco2/Vo2=4/3,有氧呼吸消耗葡萄糖的速率>无氧呼吸的速率
2、依据酒精与CO2生成量判断
(1)酒精量=CO2量,只进行无氧呼吸
(2)酒精量 (3)有H2O生成一定有有氧呼吸,有CO2生成一定不是乳酸发酵 3、根据曲线图判断 (1) O2浓度为0时,只进行无氧呼吸 (2)O2消耗曲线与CO2生成曲线重合以后(图中P点以后),只进行有氧呼吸 (3)O2消耗曲线与CO2生成曲线重合之前(图P点之前,不包括0点),即进行有氧呼吸又进行产生酒精的无氧呼吸 (4)阴影部分的相对值表示不同氧浓度下无氧呼吸中CO2的释放量 第四节能量之源——光和光合作用 一、捕获光能的色素和结构 1、绿叶中色素种类、分布及吸收光谱 色素种类 颜色 吸收光谱 分布 化学特性 叶绿素 (约占3/4) 叶绿素a 蓝绿色 主要吸收红光 和蓝紫光 叶绿体中的类囊体薄膜上 不溶于水,能容于酒精、丙酮和石油醚等有机溶剂 叶绿素b 黄绿色 类胡萝卜素 (约占1/4) 胡萝卜素 橙黄色 主要吸收蓝紫光 叶黄素 黄色 2、叶绿体的结构和功能 (1)形态: 一般呈扁平的椭球形或球形 (2)结构: 基质 基粒 外膜内膜类囊体 (3)功能: 吸收和转化光能,是植物光合作用的场所 二、绿叶中色素的提取和分离实验 1、实验原理: 提取: 绿叶中的色素溶于有机溶剂,而不溶于水,可用无水乙醇等有机溶剂提取绿叶中的色素。 分离: 各种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的快,反之则慢,从而使各种色素相互分离。 实验试剂的作用 化学试剂 作用 化学试剂 作用 无水乙醇 提取叶绿体中的色素 SiO2 使研磨充分 层析液 分离叶绿体中的色素 CaCO3 防止研磨过程中色素被破坏 2、方法步骤 3、实验结果: 色素种类 色素颜色 色素含量 溶解度 扩散速度 胡萝卜素 橙黄色 最少 最高 最快 叶黄素 黄色 较少 较高 较快 叶绿素a 蓝绿色 最多 较低 较慢 叶绿素b 黄绿色 较多 最低 最慢 三、光合作用的探究历程 (1)1771年普利斯特利实验 绿色植物+点燃蜡烛密封蜡烛不易熄灭 绿色植物+小鼠密封蜡烛不易熄灭 本实验缺点: 缺少空白对照,实验结果的说服力不强。 光照条件未统一。 (2)1864年萨克斯实验 曝光深蓝色 遮光无颜色变化 本实验黑暗处理的目的: 消耗叶片中原有的淀粉 本实验为自身对照,自变量为是否光照,因变量为叶片是否产生淀粉。 (3)1880年恩格尔曼实验 极细光束好氧菌只分布在叶绿体 被光束照射部位的周围 完全曝光好氧菌分布在叶绿体 所有受光部位 本实验的实验组为极细光束照射处的叶绿体,对照组为黑暗处和完全曝光的叶绿体。 本实验为自身对照,自变量为光照,因变量为好氧细菌分布。 (4)1941年鲁宾、卡门实验 H218O、CO2释放18O2 H2O、C18O2释放O2 本实验方法为同位素标记法 本实验为相互对照,自变量为标记物质,因变量为O2的放射性。 四、光合作用的过程 1、光合作用反应式: 2、光合作用过程: 光反应暗反应 条件: 条件: 场所: 场所: 光暗 反物质水的光解: 反物质CO2的固定: 应变化光合磷酸化: 应变化C3的还原: 能量变化: 能量变化: 光反应为暗反应提供;暗反应为光反应提供。 3、光合作用的实质 物质转变: 能量变化: 4、植物光合作用的生成物为葡萄糖时,其反应式为 6CO2+12H2O(光能,叶绿体)→C6H12O6(葡萄糖)+6H2O+6O2 五、影响光合作用的环境因素及其在生产上的应用 1、光合作用强度 (1)概念: 植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。 (2)表示方法: 用一定时间内原料消耗或产物生产的数量来定量表示。 2、影响因素 (1)外因 空气中CO2浓度光照的时间、强度以及光的成分温度的高低土壤中水分含量 P点之前,限制光合速率的因素为横坐标所示的因素;P点之后,随该因素的不断加强,光合作用不断提高,横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因素,要想提高光合速率,可采取适当提高图示的其他因素的措施。 (2)内因 同一植物的不同生长发育阶段同一叶片的不同生长发育时期 开花期 营养生长期 幼苗期 光合速率 光强度 叶龄 光合速率 在外界条件相同的情况下,光合速率由随着幼夜发育成壮叶,叶面积增大,叶绿体 弱到强依次是: 幼苗期、营养生长期和不断增多,叶绿素含量不断增加,光合速率增 开花期大;老叶内叶绿素被破坏,光合速率随之下降 3、应用: 控制光照的强弱和温度的高低,适当增加作物环境中CO2的浓度来提高光合作用的强度。 六、光合条件巨变时物质的量的变化 1、模型图分析 2、含量变化归纳- 条件 C3 C5 [H]和ATP (CH2O)合成量 CO2供应不变,增加光照 减少 增加 增加 增加 CO2供应不变,停止光照 增加 下降 减少或没有 减少或没有 CO2供应不变,光照不变,(CH2O)运输受阻 增加 减少 增加 减少 CO2供应增加,光照不变 增加 减少 减少 增加 停止CO2供应,光照不变 减少 增加 增加 减少或没有 七、光合作用与呼吸作用的综合分析 光合速率与呼吸速率的关系 1、各点(段)光合作用和呼吸作用分析 A点只进行呼吸作用,不进行光合作用——吸收氧气,释放二氧化碳 AB段: 细胞呼吸>光合作用,细胞呼吸所需要的氧气,一是来自光合作用,而是从外界吸收;细胞呼吸产生的二氧化碳一部分供给光合作用利用,一部分释放到外界环境中 B点光合作用强度=细胞呼吸强度,细胞呼吸产生的二氧化碳全部用于光合作用,光合作用产生的氧气全部用于细胞呼吸 BC段: 强光照时,光合作用>细胞呼吸,此时细胞所需要的二氧化碳,一部分是由细胞呼吸产生,二是从外界环境吸收;光合作用的产生的氧气,一部分供给细胞呼吸利用,一部分释放到外界环境中 2、总(真正)光合速率=净光合速率+呼吸速率 3、光合作用的产氧量=氧气释放量+细胞呼吸消耗氧 4、光合作用葡萄糖产生量=葡萄糖积累量+细胞呼吸消耗葡萄糖量 八、化能合成作用 自养生物、异养生物及化能合成作用 类型 代谢特征 举例 自养生物 光能自养型 绿色植物和少数种类的细菌以光为能量来源,以环境中的CO2为原料,合成有机物,并且储存能量。 (光合作用) 绿色植物、蓝藻及少数细菌 化能自养型 一些细菌,不能进行光合作用,但能利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物,储存能量。 (化能合成作用) 硝化细菌、硫化细菌、铁细菌等 异养生物 只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动 人、动物、真菌以及大多数细菌 不能根据是否进行光合作用来区分自养生物和异养生物。
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