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第 5講 細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用 一、酶 （1）酶的本質(zhì)、特性和作用（A） 【酶的本質(zhì)】：酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化活性的有機(jī)物，其中大部分是蛋白質(zhì)、少量是 RNA 【酶的特性】：1、酶具有高效性 2、酶具有專一性 3、酶的作用條件比較溫和 【小結(jié)】驗證酶的高效性一般用酶與無機(jī)催化劑進(jìn)行比較；驗證酶的專一性可采用―底物相 同酶不同‖或―酶相同底物不同‖的思路進(jìn)行。 （2）影響酶活性的因素（B） 溫度和 PH 值偏高或偏低，酶活性都會明顯降低。在最適宜的溫度和 PH 值條件下，酶的活 性最高。 過酸、過堿或溫度過高，酶的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，能使蛋白質(zhì)變性失活，不可恢復(fù)。 低溫使酶活性降低，但酶的空間結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，在適宜的溫度條件下酶的活性可以恢復(fù)。 酶的濃度和底物濃度也會影響化學(xué)反應(yīng)速度，但是不影響酶的活性。 二、解釋 ATP 在能量代謝中的作用 1、（了解）說出 ATP 的分子特點(diǎn) 元素組成：ATP 由 C 、H、O、N、P 五種元素組成 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：ATP 中文名稱叫三磷酸腺苷，結(jié)構(gòu)簡式 A—P～ P～P，其中 A 代表腺苷，P 代表磷酸基團(tuán)，～代表高能磷 酸鍵。水解時遠(yuǎn)離 A 的磷酸鍵線斷裂 作用：新陳代謝所需能量的直接來源，ATP 在細(xì)胞內(nèi)含量很少，但在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)化速度很快。 2、（理解）ATP 和 ADP 相互轉(zhuǎn)化的過程和意義： ATP 與 ADP 的相互轉(zhuǎn)化 ATP 酶 ADP + Pi + 能量（1molATP 水解釋放 30.54KJ 能量） ADP+Pi+能量 酶 ATP 這個過程儲存能量 ATP 酶 ADP+Pi+能量 這個過程釋放能量 方向從左到右時能量代表釋放的能量，用于一切生命活動。 方向從右到左時能量代表轉(zhuǎn)移的能量，動物中為呼吸作用轉(zhuǎn)移的能量。植物中來自光合作 用和呼吸作用。 注：在 ATP 和 ADP 轉(zhuǎn)化過程中物質(zhì)是可逆，能量是不可逆的 意義：能量通過 ATP 分子在吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)之間循環(huán)流通，ATP 是細(xì)胞里的能量流通 的能量―通貨‖ 3、（理解）說明 ATP 的利用 ATP 的水解過程中釋放出能量，這些能量被各項吸能反應(yīng)所用，如肌肉收縮、細(xì)胞分裂、主 動運(yùn)輸?shù)?，所?ATP 的水解總伴隨著吸能反應(yīng)。 放能反應(yīng)在進(jìn)行的過程中釋放出能量，可為 ATP 的合成提供能量，故 ATP 的合成總伴隨著 放能反應(yīng)的進(jìn)行。 三、說明細(xì)胞呼吸及其原理的應(yīng)用 1、（理解）概述細(xì)胞呼吸的概念 細(xì)胞呼吸是指在酶的催化作用下，把糖類等有機(jī)物氧化分解，產(chǎn)生 CO2 等物質(zhì)，同時釋放 出能量的過程。 2、（了解）說出細(xì)胞呼吸的方式 細(xì)胞呼吸分為有氧呼吸和無氧呼吸。 有氧呼吸是指細(xì)胞在氧氣的參與下，通過酶的催化作用，把糖類等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn) 生出二氧化碳和水，同時釋放出能量，生成許多 ATP 的過程。 無氧呼吸指在指在無氧條件下通過酶的催化作用，細(xì)胞把糖類等有機(jī)物不徹底氧化分解，同 時釋放少量能量生成少量 ATP 的過程。 3、（理解）闡述有氧呼吸和無氧呼吸的過程及異同點(diǎn) （1）有氧呼吸的過程 第一階段、C6H12O6→2 丙酮酸＋2ATP＋4［H］（在細(xì)胞質(zhì)中） 第二階段、丙酮酸＋6H2O→6CO2＋20［H］＋2ATP（線粒體基質(zhì)中） 第三階段、24［H］＋6O2→12H2O＋34ATP（線粒體內(nèi)膜中） （2）無氧呼吸的過程 ①C6H12O6→2 丙酮酸＋2ATP＋4［H］（在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中） ②2 丙酮酸→2 酒精＋2CO2＋能量（細(xì)胞質(zhì)）或 2 丙酮酸→2 乳酸＋能量（細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)） （3）有氧呼吸與無氧呼吸的異同： 項目 有氧呼吸 無氧呼吸 區(qū)別 進(jìn)行部位 第一步在細(xì)胞質(zhì)中，然 后在線粒體 始終在細(xì)胞質(zhì)中 是否需 O2 需氧 不需氧 最終產(chǎn)物 CO2＋H2O 不徹底氧化物酒精或乳酸 可 利 用 能 （ 儲 存 ATP 中） 1161KJ 61.08KJ 聯(lián)系 把 C6H12O6----2 丙酮酸這一步相同，都在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行 4、說明細(xì)胞呼吸的意義 ⑴為生命活動提供能量 ⑵為其他化合物的合成提供原料 5、舉例說明光合作用原理在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用 （1）影響呼吸速率的外界因素： ①溫度：溫度通過影響細(xì)胞內(nèi)與呼吸作用有關(guān)的酶的活性來影響細(xì)胞的呼吸作用。 溫度過低或過高都會影響細(xì)胞正常的呼吸作用。在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越低，細(xì)胞呼吸越 弱；溫度越高，細(xì)胞呼吸越強(qiáng)。 ②氧氣：氧氣充足，則無氧呼吸將受抑制；氧氣不足，則有氧呼吸將會減弱或受抑制。 ③水分：一般來說，細(xì)胞水分充足，呼吸作用將增強(qiáng)。但陸生植物根部如長時間受水浸沒， 根部缺氧，進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)生過多酒精，可使根部細(xì)胞壞死。 ④CO2：環(huán)境 CO2 濃度提高，將抑制細(xì)胞呼吸，可用此原理來貯藏水果和蔬菜。 （2）呼吸作用在生產(chǎn)上的應(yīng)用： ①作物栽培時，要有適當(dāng)措施保證根的正常呼吸，如疏松土壤等。 ②糧油種子貯藏時，要風(fēng)干、降溫，降低氧氣含量，則能抑制呼吸作用，減少有機(jī)物消耗。 ③水果、蔬菜保鮮時，要低溫或降低氧氣含量及增加二氧化碳濃度，抑制呼吸作用。 四、說明光合作用以及對它的認(rèn)識過程 1、光合作用的認(rèn)識過程 （1）1771 年，英國科學(xué)家普利斯特利證明植物可以更新空氣實驗； （2）1864 年，德國科學(xué)家薩克斯證明了綠色葉片在光合作用中產(chǎn)生淀粉的實驗； （3）1880 年，德國科學(xué)家恩吉爾曼證明葉綠體是進(jìn)行光合作用的場所，并從葉綠體放出氧 的實驗； （4）20 世紀(jì) 30 年代美國科學(xué)家魯賓和卡門采用同位素標(biāo)記法研究證明光合作用釋放的氧 氣全部來自水的實驗。 （5）恩格爾曼實驗的結(jié)論是：氧氣是葉綠體釋放出來的，葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用 的場所。 2、葉綠體中色素的種類、作用 （1）種類：包括葉綠素 a、葉綠素 b 占 3/4 和 類胡蘿卜素（葉黃素、胡 ① 蘿卜素） 1/4 ② （2）色素提取實驗：無水乙醇提取色素； 二氧化硅使研磨更充分；碳酸 ③ 鈣防止色素受到破壞 ④ （3）作用：葉綠素 a 和葉綠素 b 主要吸收藍(lán)紫光和紅光，胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍(lán)紫 光。 3、闡述光合作用的過程 （1）光反應(yīng)階段 場所：葉綠體囊狀結(jié)構(gòu)（類囊體）薄膜上進(jìn)行 條件：必須有光，色素、化合作用的酶 步驟： ①水的光解，水在光下分解成氧氣和還原氫 H2O—→2[H] + 1/2 O2 ②ATP 生成，ADP 與 Pi 接受光能變成 ATP 能量變化：光能變?yōu)?ATP 活躍的化學(xué)能 （2）暗反應(yīng)階段 場所：葉綠體基質(zhì) 條件：有光或無光均可進(jìn)行，二氧化碳，能量、酶 步驟： ①二氧化碳的固定，二氧化碳與五碳化合物結(jié)合生成兩個三碳化合物 ②二氧化碳的還原，三碳化合物接受還原氫、酶、ATP 生成有機(jī)物 能量變化：ATP 活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成化合物中穩(wěn)定的化學(xué)能 （3）總結(jié) 項目 光反應(yīng) 暗反應(yīng) 區(qū)別 條 件 需要葉綠素、光、酶 不需要葉綠素和光，需要多種酶 場 所 葉綠體內(nèi)囊體的薄膜上 葉綠體的基質(zhì)中 物 質(zhì) 變 化 （1）水的光解 2H2O 4[H]+O2 (2)ATP 的形成 ADP+Pi+能量 ATP （1）CO2 固定 CO2＋C5 2C3 (2) C3 的還原 2C3 （C H2O）+ C5 能 量 變 化 葉綠素把光能轉(zhuǎn)化為 ATP 中活躍的化學(xué) 能 ATP 中活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成 （CH2O）中穩(wěn)定的化學(xué)能 實 質(zhì) 把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成有機(jī)物，同時把光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在有機(jī)物中 聯(lián)系 光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供[H]、ATP，暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供 ADP+Pi，沒有光反應(yīng)，暗反應(yīng)無法進(jìn) 行，沒有暗反應(yīng)，有機(jī)物無法合成。 4、舉例說明光合作用原理的應(yīng)用 ⑴意義：①制造有機(jī)物②轉(zhuǎn)化并儲存太陽能③使大氣中的 CO2 和 O2 保持相對穩(wěn)定。 ⑵農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及溫室中提高農(nóng)作物產(chǎn)量的方法 ①控制光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱 ②控制溫度的高低 ③適當(dāng)?shù)脑黾幼魑锃h(huán)境中二氧化碳的濃度 五、研究影響光合作用速率的環(huán)境因素 1、影響光合作用的因素 CO2 濃度 、溫度 、光照強(qiáng)度對光合作用都有影響，其中光照為最關(guān)鍵因素 因素 圖像 關(guān)鍵點(diǎn)的含義 在生產(chǎn)上的應(yīng)用 單 因 子 影 響 光 照 強(qiáng) 度 A 點(diǎn)光照強(qiáng)度為 0，此時只 進(jìn)行呼吸作用，釋放 CO2 的 量，表明此時的呼吸強(qiáng)度。 AB 段表明隨光照強(qiáng)度加 強(qiáng)，光合作用逐漸加強(qiáng)，CO2 的釋放量逐漸減少，有一部 分用于光合作用； B 點(diǎn)時， 呼吸作用釋放的 CO2 全部用 于光合作用，即光合作用強(qiáng) 度=呼吸作用強(qiáng)度，稱 B 點(diǎn) 為光補(bǔ)償點(diǎn)(植物白天光照 強(qiáng)度應(yīng)在光補(bǔ)償點(diǎn)以上，植 物才能正常生長)。BC 段表 明隨著光照強(qiáng)度不斷加強(qiáng)， 光合作用強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，到 C 點(diǎn)以上不再加強(qiáng)了。C 點(diǎn) 為光合作用的飽和點(diǎn)。 (1)適當(dāng)提高光照強(qiáng) 度 (2)延長光合作用時 間(例：輪作) (3)對溫室大棚用無 色透明玻璃 (4)若要降低光合作 用則用有色玻 璃。如用紅色玻 璃，則透紅光吸 收其他波長的 光，光合能力較 白光弱。但較其 他單色光強(qiáng)。 光 合 面 積 物 A 光合作用實際量 質(zhì) 的 B 干物質(zhì)量 量 C 呼吸量 O 2 4 6 8 葉面積指數(shù) OA 段表明隨葉面積的不斷 增大，光合作用實際量不斷 增大，A 點(diǎn)為光合作用面積 的飽和點(diǎn)，隨葉面積的增大， 光合作用不再增強(qiáng)，原因是 有很多葉被遮擋在光補(bǔ)償點(diǎn) 以下。OB 段干物質(zhì)量隨光 合作用增強(qiáng)而增加，而由于 A 點(diǎn)以后光合作用量不再增 加，而葉片隨葉面積的不斷 增加 OC 段呼吸量不斷增 加，所以干物質(zhì)積累量不斷 降低如 BC 段。植物的葉面 積指數(shù)不能超過 C 點(diǎn)，若超 過 C 點(diǎn)，植物將入不敷出， 無法生活下去。 適當(dāng)間苗、修剪， 合理施肥、澆水， 避免陡長，封行過 早，使中下層葉子 所受的光照往往在 光補(bǔ)償點(diǎn)以下，白 白消耗有機(jī)物，造 成不必要的浪費(fèi)。 溫室栽培植物時， 可增加光合作用面 積，合理密植是增 加光合作用面積的 一項重要措施。 二 氧 化 碳 濃 CO2 是光合作用的原料，在 一定范圍內(nèi)，CO2 越多，光 合作用速率越大，但到 A 點(diǎn) 時，即 CO2 達(dá)到飽和時，就 不再增加了 溫室栽培植物時適 當(dāng)提高室內(nèi) CO2 的 濃度，如釋放一定 量的干冰或多施有 機(jī)肥，使根部吸收 度 的 CO2 增多。大田 生產(chǎn)―正其行，通其 風(fēng)‖，即為提高 CO2 濃度、增加產(chǎn)量 溫 度 光合作用是在酶催化下進(jìn)行 的，溫度直接影響酶的活性。 一般植物在 10℃～35℃下 正常進(jìn)行光合作用，其中 AB 段(10℃～35℃)，隨溫度 的升高而逐漸加強(qiáng)，B 點(diǎn) (35℃)以上光合酶活性下 降，光合作用開始下降， 40℃～50℃光合作用幾乎完 全停止 (1)適時播種 (2)溫室栽培植物 時，白天適當(dāng)提 高溫度，晚上適 當(dāng)降溫 (3)植物―午休‖現(xiàn)象 的原因之一 葉 齡 OA 段為幼葉，隨幼葉的不 斷生長，葉面積不斷增大， 葉內(nèi)葉綠體不斷增多，葉綠 素含量不斷增加，光合作用 速率不斷增加。AB 段為壯 葉，葉片的面積、葉綠體和 葉綠素都處于穩(wěn)定狀態(tài)，光 合速率也基本穩(wěn)定。BC 段 為老葉，隨葉齡的增加，葉 片內(nèi)葉綠素被破壞，光合速 率也隨之下降 農(nóng)作物、果樹管理 后期適當(dāng)摘除老 葉、殘葉及莖葉蔬 菜及時換新葉，都 是根據(jù)其原理。又 可降低其呼吸作用 消耗有機(jī)物 礦 質(zhì) 元 素 礦質(zhì)元素是光合作用的產(chǎn)物——葡萄糖進(jìn)一步合成許多有 機(jī)物時所必需的物質(zhì)。如缺少 N，就影響蛋白質(zhì)(酶)的合成； 缺少 P 就會影響 ATP 的合成；缺少 Mg 就會影響葉綠素的 合成 合理施肥可促進(jìn)葉 片面積增大，提高 酶的合成率，提高 光合作用速率 多 因 子 影 響 圖 像 含 義 P 點(diǎn)時，限制光合速率的因素應(yīng)為橫坐標(biāo)所表示的因子，隨其因子的不斷加強(qiáng)， 光合速率不斷提高。當(dāng)?shù)?Q 點(diǎn)時，橫坐標(biāo)所表示的因子，不再是影響光合速率的 因子，要想提高光合速率，可采取適當(dāng)提高圖示的其他因子 應(yīng) 溫室栽培時，在一定光照強(qiáng)度下，白天適當(dāng)提高溫度，增加光合酶的活性，提高 用 光合速率，也可同時適當(dāng)充加 CO2，進(jìn)一步提高光合速率。當(dāng)溫度適宜時，可適 當(dāng)增加光照強(qiáng)度和 CO2 濃度以提高光合作用速率?？傊?，可根據(jù)具體情況，通過 增加光照強(qiáng)度，調(diào)節(jié)或增加 CO2 濃度來充分提高光合效率，以達(dá)到增產(chǎn)的目的 2.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及溫室中提高農(nóng)作物產(chǎn)量的方法（B） 延長光照時間 如：補(bǔ)充人工光照、多季種植（輪作） 增加光照面積 如：合理密植、套種（間作） 光照強(qiáng)弱的控制：陽生植物（強(qiáng)光），陰生植物（弱光） 增強(qiáng)光合作用效率 適當(dāng)提高CO2濃度：施農(nóng)家肥、使用CO2發(fā)生器 適當(dāng)提高白天溫度（降低夜間溫度）； 必需礦質(zhì)元素的供應(yīng) 六、生物的代謝類型 1.自養(yǎng)生物：可將 CO2、H2O 等無機(jī)物合成葡萄糖等有機(jī)物，如綠色植物，硝化細(xì)菌（化能 合成） 2.異養(yǎng)生物：不能將 CO2、H2O 等無機(jī)物合成葡萄糖等有機(jī)物，只能利用環(huán)境中現(xiàn)成的有機(jī) 物來維持自身生命活動，如許多動物。