细胞的能量供应和利用复习
一、本章知识结构 作用 作用和本质 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解 本质
专一性
探究：影响酶活性的条件
分子结构的特点
ATP 和ADP 的转换
ATP 的利用
有氧呼吸：场所、过程、概念
无氧呼吸：场所、过程、概念
细胞呼吸原理的应用 种类
色素 作用
实验：绿叶中色素的提取和分离 叶绿体的结构
光合作用的探索历程
光合作用的原理的应用
化能合成作用
光合作用的过程
知识清单
降低化学反应活化能的酶
一、知识结构
细胞代谢：细胞中每时每刻都进行着的许多化学反应
具有催化作用
活化能：分子从常态转变为易发生化学反应的活跃态所需要的能量
同无机催化剂相比，催化效率更高，原因：酶降低活化能的作用更显著。 绝大多数酶是蛋白质 少数种类的酶是RNA
控制变量的概念：实验过程中可以变化的因素
自变量：人为改变的因素 因变量：随着自变量的变化而变化的因素
无关变量：自变量外，实验过程中存在的其他一些对实验结果造成影响的
可变因素
酶的概念：活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质 其催化效率是无机催化剂的107~1013倍
意义：使细胞代谢快速而高效的进行 每一种酶只能催化一种或是一类化学反应 意义：使细胞代谢能有条不紊的进行
需要适宜的反应的条件：如适宜的温度、pH 等条件
二、要点精析
【要点一】酶的化学本质
1、美国科学家萨姆纳也认为酶是蛋白质。在1926年的一天清晨惊喜地发现．在用丙酮作
特性 酶 ATP 细胞呼吸 捕获光能的色素和结构 光合作用的原理和应用 光合 作用 细胞的能量供应和利用 酶的作用 酶的本质 变量类型 高效性 专一性 酶的特性 酶
溶剂的提取液中出现了结晶．这说明提取物达到了一定的纯度。这种结晶溶于水后能够催化尿素分解成氨和二氧化碳。然后他又用多种方法证明脲酶是蛋白质。
后来，科学家又相继获得胃蛋白酶、胰蛋白酶等许多酶的结晶，并证明这此酶都是蛋白质。
20世纪80年代．美国科学家切赫和奥特曼发现少数RNA也具有生物催化功能。
【画龙点睛】酶是活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物。其中，绝大多数酶是蛋白质。少数的酶是RNA。
2、生物体的细胞中每时每到都进行着许多化学反应，这些化学反应都是些极其复杂的生化反应，在实验室条件下模拟这些反应．如果没有酶的参与，改用无机催化剂替代，即使在高温、高压下其反应速率比细胞内也要缓慢得多。酶是怎样起催化作用的呢？
(1)活化能：在一个化学反应体系中．反应开始时，反应物(S)分子的平均能量水平较低．为“常态”。在反应的任何瞬间，反应物中都有部分分子具有了比常态更高些的能量，高出的这部分能量称为活化能，使这些分子进入“活化态”(过渡态)．这时就能形成或打破一些化学键，形成新的物质——产物(P)。即S变为P。这些具有较高能量处于活化态的分子称为活化分子；反应物中这种活化分子愈多．反应速率就愈大。活化能的定义是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)酶的催化机理：催化剂，包括酶在内．能降低化学反应的活化能，如图所示．由于在催化反应中．只需较少的能量就可使反应物进人“活化态”，所以和非催化反应相比．活化分子的数量太大增加．从而加快了反应速率。同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，例如．H2O2的分解．当没有催
化剂时需活化能l 8000卡/克分子，用胶志钯作催化剂
时．只需活化能11170卡/克分子，而当用过氧化氢酶
催化时．活化能下降到2000/克分子。所以．酶的催化
效率更高。
【画龙点睛】酶对生物化学反应具有催化作用的
根本原因在于酶可以降低活化一个反应所需要的能
量，即使是一个放能反应，在它放出能量之前，也存
着化学反应启动的能量障碍因为新的化学键形成之前
存在着必须首先断开键，这就是“能障”。用于克服
能障、启动反应进行所需要的能量就是“活化能”，
而酶恰好可以降低化学反应所需要的活化能。
【要点二】酶催化作用的特点
生物体内的各种化学反应，几乎都是在酶的催化下完成的。酶作为生物催化剂，与一般无机催化剂既有共同之处，也有其独特的特点。
1、酶具有一般催化剂的特性。
【画龙点睛】(1)能显著降低反应的活化能．提高反应速率缩短到达平衡所用的时间,但不改变反应的方向和平衡常数。
(2)反应前后，酶的性质和数量不变。
2、酶具有一般催化剂所不具备的特性。
(1)高效性，指催化效率很高．使得反应速率很快；
(2)专一性，任何酶只作用于一种或几种相关的化合物，这就是酶对底物的专一性；
(3)酶的作用条件较温和，一般催化剂在一定条件下会因中毒而失去催化能力，而酶较其他催化剂更加脆弱，更易失去活性。强酸、强碱、或温度过高会使酶的空间结构遭到破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件，如常温、常压、接近中性的酸碱度等。
【画龙点睛】0℃左右的低温虽然使酶的活性明显降低，但能使酶的空间结构保持稳定，在适宜的温度下酶的活性可以恢复。但在高温下酶的空间结构遭到破坏而失去活性。
(4)多样性，指生物体内具有种类繁多的酶。
【要点四】影响酶的作用的因素
酶促反应受到多种因素的影响，这些因素既包括酶的浓度等内部因素，也包括温度、pH 等外部因素。
1、温度对酶促反应的影响：酶促反应在一定温度范围内反应速度
随温度的升高而加快；但当温度升高到定限度时，有适宜的温度下可
以恢复。在一定条件下．每一种酶在某一定温度时活力最大这个温度
称为这种酶的最适温度。
【画龙点睛】温度对酶促反应的影响可以如右图所示。
2、 pH 对酶促反应的影响：每一种酶只能在一定限度的pH 范围
内才表现活性，超过这个范围．酶就会失去活性。(过酸或碱会使酶的分子
结构遭到破坏而失去活性)， 在一定条件下，每种酶在某一定pH 的活力最
大这个pH 称为这种酶的最适pH
【画龙点睛】pH 对酶促反应的影响如图所示。
3、酶浓度对酶促反应的影响：在底物充足．其他条件固定的条件
下应应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因
素时．酶促反应速率与酶浓度成正比。
【画龙点睛】酶浓度对酶促反应的影响如图所示。
4 、底物浓度对酶促反应的影响：在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度增加而加快，反应速率与底物浓度近乎成正比，在底物浓度较高时．底物浓度增
加，反应速率也随之加快，但不显著；当底物浓度很大且达到一定
限度时，反应速率达到一个最大值此时即使冉增加底物浓度，反应
速率也几乎不再改变。
【画龙点睛】底物浓度对酶促反应的影响如图所示。
【要点五】在探究影响酶活性的条件实验中的注意事项
1、制备的可溶性淀粉液定要冷却后才能使用，如果用刚煮沸的
可溶性淀粉溶液进行实验，就会因温度过高而破坏淀粉酶的活肚。
2、淀粉酶的来源不同．其最适温度也不定相同，在保温时必须加以考虑。市售的淀粉酶的最适温度一般在60℃左右，唾液淀粉酶的最适温度在37℃。
3、在探究温度对酶活性影响时．对照组加人等量的反应物如2 mL 可溶性淀粉后要先放人不同环境5min 使反应物达到所处不同环境的温度．然后再加新鲜酶液．摇匀维持5min 否则若加入酶后再放入不同温度的环境中．由于酶的高效性．在升温或降温的过程中已把反应物给分斛了．会造成错觉。
4、关于pH 对酶活性影响实验中．操作时必须先将酶置于不同环境条件下(加清水、加氢氧化钠、加盐酸)．然后再加入反应物如可溶性淀粉液。不能在加入酶后，先加入反应物，再加入盐酸或氢氧化钠，这样可以防止反应物在酶的作用下水解，方可证实环境过酸和过碱对酶活性的影响。如果改变顺序则会影响效果。此实验中要注意保持酶在最适温度下发挥作用．排除温度对酶活性的影响．变量只有pH 的不同。
【画龙点睛】设计对照实验时，很重要的 一点是遵循“单一变量”原则，至于让哪个因素成为变量，要根据实验目的而定。
细胞的能量通货――ATP
一、知识结构
ATP 是三磷酸腺苷的英文名称的缩写，结构简式为A －P~P~P ，其中A 代表
腺苷，P 代表磷酸，~代表高能磷酸键。ATP 水解指ATP 分子中高能磷酸键的水解。释放能量多达30.54kj/mol 。所以说ATP 是细胞内的一种高能磷酸
化合物 1、 ATP 分子中远离A 的那个高能磷酸键很容易水解，形成ADP 和Pi ，同
时释放能量，同样ADP 可以接受能量与Pi 结合，重新形成ATP ；这种
相互转化时刻不停发生并且处于动态平衡之中，反应式：
酶1
酶2 ATP 分子中具有高能磷酸键
ATP 与ADP
可以相互转
化 ATP
ADP ＋ Pi ＋能量 ATP
2、动物、真菌和大多数细菌产生ATP 的过程是呼吸作用
绿色植物产生ATP 的过程则是呼吸作用和光合作用
细胞绝大多数需要能量的生命活动都是由ATP 直接提供的，吸能反应总与
ATP 的水解反应相联系，放能反应总与ATP 的合成相联系。即能量ATP 通过吸能反应和放能反应之间循环流通。因此，可以形象地把ATP 比喻成细
胞内流通的能量“通货”
二、要点精析
【要点一】ATP 的结构
ATP 是生物体内一种重要的高能磷
酸化合物．是生命活动的直接能源．ATP
的这种功能是与ATP 的结构密切相关的。
【画龙点睛】ATP(三磷酸腺苷)是腺嘌
呤核苷的衍生物．可以看成是含三个磷酸
根的腺嘌呤核苷酸，其构式如图所示。
ATP 的结构简式：A －P ～P ～P 。其中A 代表腺苷，T 代表三个，P 表示磷酸．所以称之为三磷酸腺苷。对于所有的细胞来说，几乎都是用ATP 作为直接能源的．凡是不能单独由酶催化的化学反应，几乎都要由ATP 供给能量，使化学反应能够顺利进行。
【要点二】ATP 和ADP 的相互转化
ADP 是二磷酸腺苷的英文名称缩写，分子式可简写成A －P ～P 。从分子简式中可以看出．ADP 比ATP 少了一个磷酸基团和个高能磷酸键。ATP 的化学性质不稳定。在有关酶的催化作用下ATP 分子中远离A 的那个高能磷酸键很容易水解．于是远离A 的那个P 就脱离开来．形成游离的Pi(磷酸)．同时，储存在这个高能磷酸键中的能量释放出来，ATP 就转化成ADP ．这个过程通常称为ATP 的水解。ATP 水解时释放出的能量，可直接用于各项生命活动．如细胞分裂、根细胞通过主动运输从土壤中吸收矿质元和肌肉收缩等。ATP 是新陈代谢所需能量的直接来源，也可以说ATP 是生物新陈代谢中的直接能源物质。在有关酶的催化作用下．ADP 可“接受能量，同时与一个游离的Pi 结合，重新形成AT P 。对细胞的正常生活来说．ATP 与ADP 的这种相互转化，是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的。
【画龙点睛】ATP 与ADP 的相互转变可能下列反应式表示
ADP ＋ Pi ＋能量 ATP
有人认为．ATP 与ADP 的相互转变关系是一种可逆反应．理由是存在可逆符号“ ”。根据化学中讲到的可逆反应特点：无论正逆反应都能在同一条件下同时进行可知，可知上述反应不是可逆反应，原因是：
①从反应条件上看：ATP 的分解是一种水解反应，催化该反应的酶属于水解酶．而ATP 的合成是一种合成反应，催化该反应的酶属于合成酶，由酶的专一性可知上述反应的条件是不相同的。
②从ATP 合成与分解的场所上看：ATP 合成的场所所有细胞质基质、线粒体和叶绿体；而ATP 分解的场所有细胞膜(供主动运输消耗的能量)、叶绿体基质(将ATP 中的能量释放出来．储存在合成的有机物中)、细胞核(DNA 复制和RNA 合成所消耗的能量)等。因此，其合成与分解的场所不尽相同。显然上述反应并不是同时进行的。
③从能量上看：ATP ，水解的能量是储存在高能磷酸键内的化学能，释放出来后供各种生命活动利用．不能再由Pi 和ADP 形成ATP 而储存；而合成ATP 的能量主要是有机物中的化
ATP 的利用 酶1
酶2
学能和太阳能，因此，反应的能量来源是不同的；反应中的能量流向是不可逆的。
综上所述，ATP和ADP的相互转化是不可逆的。体内的过程应判断为“物质是可逆的．能量是不可逆的，且酶也是不相同的”。
【要点三】ATP中能量的利用
生物体内能量的转化和传递过程，ATP是一种关键的物质。ATP是生物体内直接提供可利用能量的物质，是细胞内能量转换的“中转站”。各种形式的能量转换都是以ATP为中心环节的。生物体内由于有各种酶作为生物催化剂，同时又有细胞中生物膜系统的存在．因此ATP 中的能量可以直接转换成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。
【画龙点睛】这些能量形式主要有以下几种：
1、机械能。生物体内的细胞以及细胞内各种结构的运动都在做功．所消耗的就是ATP水解释放出的能。例如．纤毛和鞭毛的摆动、肌细胞的收缩、细胞分裂期间染色体的运动等。
2、电能。生物体内神经系统传导冲动和某些生物能够产生电流．所消耗的就是电能。电能也是由ATP所提供的能量转换而来的。
3、渗透能。如细胞的主动运输逆浓度梯度做功消耗的能量．叫做渗透能．渗透能也是来自ATP。
4、化学能。生物体内物质的合成需要化学能．小分子物质合成大分子物质时．必须有直接或间接的能量供应。另外．物质在分解的开始阶段．也需要化学能来活化能量较高的物质。在生物体的物质代谢中．可以说到处都需要由ATP转换的化学能来做功。
5、光能。如萤火虫用于发光的能量仍然直接来源于ATP．
6、热能。生物体内的热能．来源于有机物的氧化分解。大部分的热能通过各种途径向外界环境散发，只有小部分热能用于维持细胞或恒温动物的体温。通常情况下．热能的形式往往是细胞能量转换和传递过程中的副产品。
【要点四】生物体生命活动与能源物质、主要能源物质、储存能源物质、直接能源物质和最终能量来源的关系
细胞内的生命活动有很多是需要消耗能量的，源源不断的能量供应是生命活动得以顺利进行的前提条件之一。
【画龙点睛】糖类，脂质和蛋白质等有机物中含有大量的能量，都可作为能源物质氧化分解释放能量，供生命活动的需要。其中糖类是细胞和生物体的主要能源物质，脂肪是生物体内储存能量的主要物质。但是这此有机物中的能量不能直接用于各项生命活动，它们在细胞中被逐步氧化分解释放出来，其中一少部分能量用于合成直接能源物质ATP后才能供细胞各项生命活动利用，大部分能量以热能的形式散失掉了。糖类等有机物中的能量几乎全部来自绿色植物通过光合作用固定的太阳能，所以太阳能是细胞和生物体生命活动的最终能量来源。