细胞的代谢

高中生物学考复习，有氧呼吸过程被详细分解为三个阶段，每个阶段都在特定的细胞结构中发生，并产生不同数量的ATP。脑图还强调了线粒体在氧化磷酸化过程中的重要性，即电子传递链产生的能量被用于生成ATP。无氧呼吸过程则涉及到糖酵解后乳酸或酒精的生成，这一过程产生的ATP较少，并且大部分能量以热能形式散失。通过曲线图分析了不同温度、氧气和二氧化碳浓度对细胞呼吸速率的影响，以及实际生活中如何应用这些知识来优化生产和储存条件。

细胞的代谢

• 物质通过多种方式出入细胞
  • 细胞质膜具有选择透过性
  • 小分子物质经被动或主动运输进出细胞
    • 自由扩散：脂溶性小分子物质通常以扩散的方式透过细胞质膜
    • 异化扩散：借助脂膜上的转运蛋白顺浓度梯度运输
    • 被动转运
    • 主动转运：物质借助质膜上的载体蛋白逆浓度进出细胞，需要消耗能量
    • 渗透：水分子从溶液浓度低的一侧渗入浓度高的一侧
  • 大分子物质通过胞吞和胞吐进出细胞
    • 依赖膜的流动性
    • 需要受体
    • 消耗能量
  • 影响物质跨膜运输的因素
    • 物质浓度
    • O2浓度
  • 植物细胞质壁分离和复原实验
    • 质壁分离：植物细胞渗透失水时，细胞膜和细胞壁分离的现象。
    • 质壁分离的原因：细胞壁伸缩性小于原生质体
    • 选择材料：紫色洋葱外表皮（有大液泡，现象明显）
    • 质壁分离过程中细胞液浓度逐渐变大，吸水能力增强
    • 质壁分离复原后，细胞液浓度依然大于或等于外界溶液
• 酶催化细胞的化学反应
  • 酶是生物催化剂
    • 酶是活细胞产生的具有催化能力的生物大分子，绝大多数是蛋白质，少数是RNA
    • 酶活性：酶催化特定化学反应的能力，可用酶促反应的速率表示
    • 专一性：通常一种酶只催化一种或一类化学反应
    • 高效性：与无机催化剂相比
    • 催化功能受多种条件的制约
      • 酶通常在其适合的温度时活性最高，高温会破坏酶的空间结构，产生不可逆的变化，使酶活性丧失
      • 环境酸碱对酶活力影响很大
      • 有机溶剂、重金属离子、酶的激活剂和抑制剂等都会影响酶的活性
  • 酶的功能与其分子结构相关
    • 酶的功能与其分子结构密切相关
    • 活性中心：酶分子上与底物结合并起催化作用的空间区域
    • 不同种类酶的活性中心结构不同，所以酶的催化作用具有专一性
  • 酶作用的机理：降低反应的活化能
  • 相关实验
    • 探究酶的高效性实验
    • 探究温度对淀粉酶活性的影响
      • 设置一系列温度梯度
      • 酶和底物分别在相应的温度下保温一段时间再混合
      • 不适合用本尼迪特试剂检测
    • 探究酶的专一性
    • 探究pH对酶活性的影响
• 细胞通过分解有机分子获取能量
  • ATP是细胞内的“能量通货”
    • ATP由一个腺苷分子连接三个磷酸基团组成
      • a.磷酸基团
      • b.高能磷酸键
      • c.核糖
      • d.腺嘌呤
      • 腺苷
    • ATP与ADP的相互转换可源源不断地为生命活动提供直接能源
  • 有氧呼吸产生大量ATP
    • 细胞呼吸：细胞通过氧化分解有机物，将有机物中的能量转换成可供生命活动直接使用的ATP
    • 有氧呼吸：C2H12O6+6O2+6H2O→6CO2+12H2O+能量
      • 第一阶段称为糖酵解，在细胞溶胶中进行：葡萄糖氧化分解成丙酮酸，产生少量ATP和还原性氢
      • 第二阶段:O2充足时，丙酮酸进入线粒体，在线粒体基质中彻底氧化分解为 CO2并形成少量的ATP 以及还原性氢
      • 第三阶段：还原性氢携带的电子经线粒体内膜上的电子传递链，逐渐释放能量。电子最终传递给O2，生成H₂O
      • 注意
        • 线粒体不能利用葡萄糖
        • 进行需氧呼吸不一定需要线粒体
        • 释放的能量小部分转化生成 ATP，大部分以热能的形式释放。
        • 需氧呼吸过程中1分子葡萄糖氧化分解共产生32个ATP
  • 无氧呼吸产生少量ATP
    • 无氧呼吸过程中，糖酵解形成的NADH不进人线粒体，而是在细胞质溶胶中将丙酮酸还原，最终产物是乳酸或酒精和CO2。
    • 无氧呼吸仅第一阶段产生ATP，大部分能量储存在乳酸和酒精中为释放出来，释放的能量大部分一热能形式散失
  • 探究酵母菌的呼吸方式
    • A瓶加入的试剂是NaOH,其目的是排除空气中CO2对实验结果的干扰。
    • C加入的试剂是澄清石灰水(或溴麝香草酚蓝溶液),其作用是检测CO2的产生
    • D瓶应用花生油等植物油覆盖形成油脂层可以确保通入澄清石灰水(或溴麝香草酚蓝溶液)中的CO2是酵母菌的厌氧呼吸所产生的
    • E瓶加重铬酸钾可检测是否有酒精产生
  • 其他有机分子也可被氧化分解
    • 脂肪和蛋白质等有机物也可以成为细胞有氧呼吸的原料
    • 脂肪先分解形成甘油和脂肪酸,甘油形成一个三碳化合物后进入糖酵解,脂肪酸则进一步被分解
    • 蛋白质先被分解成氨基酸,氨基酸脱去氨基后变成不同的有机酸,最终被完全氧化
    • 供能顺序：1糖类2油脂3蛋白质
  • 细胞呼吸是细胞代谢的核心：呼吸作用的中间代谢产物是物质转化的枢纽
  • 影响细胞呼吸的因素
    • 温度
      • 原理:通过影响与细胞呼吸有关的酶的活性来影响呼吸速率
      • 曲线分析
        • 在最适温度时,呼吸速率最大
        • 超过最适温度,呼吸酶活性降低甚至变性失活,呼吸速率下降，不可逆
        • 低于最适温度,酶活性下降,呼吸速率下降，可逆
    • O2浓度
      • 原理:O2是需氧呼吸所必需的,且O2对厌氧呼吸过程有抑制作用。
      • 曲线分析
        • O2浓度=0时,只进行厌氧呼吸。
        • 0<O2浓度<10%时,同时进行需氧呼吸和厌氧呼吸。
        • O2浓度≥10%时,只进行需氧呼吸
    • CO2浓度
      • CO2是细胞呼吸的最终产物,积累过多会抑制细胞呼吸的进行。
  • 细胞呼吸的实践应用
    • 乳酸菌制作酸奶、泡菜（厌氧呼吸）
    • 酿酒(酵母菌厌氧呼吸产生酒精)
    • 透气纱布包扎(抑制破伤风杆菌繁殖）
    • 提倡慢跑等有氧运动使细胞进行需氧呼吸,避免肌细胞产生大量乳酸。
    • 稻田定期排水有利于根系需氧呼吸,防止幼根受酒精毒害
    • 零上低温、低氧储藏果蔬、种子,抑制细胞呼吸强度,减少有机物消耗。
    • 中耕松土:使土壤疏松、促进植物根细胞的需氧呼吸
    • 蔬菜、水果与种子储藏条件的区别
      • 蔬菜、水果：零上低温、湿度适中、低氧
      • 种子：零上低温、干燥、低氧
      • 降低细胞呼吸，减少有机物的消耗
    • 大棚蔬菜栽培也将适当降温，抑制细胞呼吸，减少有机物消耗，提高产量
• 叶绿体将光能转换并储存在糖分子中
  • 叶绿体是植物光合作用场所
    • 类囊体膜上分布着丰富的与光合作用有关的色素和蛋白质（包括但不仅限于酶），是光能吸收和转换的场所
    • 正常叶片中叶绿素含量约为类胡萝卜素的3倍，但随着叶片衰老或季节变化，这两类色素的比例会发生改变
    • 叶绿体色素的显著特点是能吸收可见光中特定波长的光主要集中在蓝紫光和红橙光区域，几乎不吸收绿光。
    • 光合作用的场所在真核生物中一定为叶绿体,在原核生物中为光合膜。
  • 光合作用是物质和能量的转换过程
    • 反应式：CO2+H2O→(光能，叶绿体) (CH2O)+O2
    • 光反应
      • 光能的捕获与转换
      • 水的光解：产物为H+、e-及O2
      • 高能化合物ATP和NADPH的形成
      • 产物为ATP、NADPH、O2。其中ATP的生成需要H+浓度差推动,而NADPH的生成则直接需要H+和e-的参与。
    • 碳反应
      • CO2固定
      • 三碳酸还原
      • 再生五碳糖
      • 叶绿体利用ATP、NADPH将CO2合成为糖的过程（卡尔文循环）
    • 这两个阶段发生在叶绿体不同的位置，但存在一定的联系，不仅会相互促进，也会相互制约
    • 三碳糖离开叶绿体，在叶绿体外合成蔗糖，并运输到其他细胞
  • 光合作用受环境因素影响
    • 光照强度
      • A点:只进行细胞呼吸;
      • AB段:随光强度增大,光合速率也逐渐增大
      • B点(光补偿点):光合速率等于细胞呼吸速率
      • BC段:光强度不断加强,光合速率不断加大,C点对应的光强度为光饱和点
    • CO2浓度
      • 图1和图2都表示在一定范围内,光合速率随CO2浓度的增加而增加,但当CO2浓度增加到一定范围后,光合速率不再增加
      • 图1中A点表示光合速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点;图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。图1中的B点和图2中的B′点都表示CO2饱和点
      • 水虽是光合作用的原料，但缺水常导致气孔关闭影响CO2的吸收使光合作用速率减慢甚至停止
      • 补充CO2的浓度，可使一些作物生长加快，增产效果明显
    • 温度
    • 多因素对光合速率的影响
      • ①曲线解读:P点时,限制光合速率的因素应为横坐标所示因素,随该因素的不断增强,光合速率不断提高;Q点时,横坐标所示因素不再影响光合速率,若要提高光合速率,可适当提高图示其他因素的强度。
      • ②应用
        • 温室栽培时,光强度一定的条件下,白天适当提高温度,可提高与光合作用有关酶的活性,提高光合速率,也可同时适当补充CO2进一步提高光合速率
        • 当温度适宜时,可适当增加光强度和CO2浓度以提高光合速率
• 实验：叶绿体色素的提取分离及叶绿素含量的测定
  • 叶绿体中的色素为脂溶性色素
  • 色素提取
    • 选取新鲜绿色的叶片：保证滤液中色素含量高
    • 将新鲜的菠菜叶烘干、粉碎成干粉,研磨时加入2～3 mL 95%的酒精：溶解叶片中的色素
    • 研磨时加入少许的二氧化硅和碳酸钙：研磨充分和保护叶绿素
    • 迅速充分研磨：防止溶剂挥发并充分溶解色素
    • 盛放滤液的小试管口加棉塞：防止色素分子被氧化
  • 色数分离
    • 滤纸条的一端剪去两角：防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快
    • 滤液细线要细、齐、直：使分离的色素带平齐,不重叠
    • 滤液细线干燥后重复画3～4 次：使分离的色素带清晰,便于观察
    • 滤液细线不能触及层析液：防止色素直接溶解到大试管内的层析液中