生物高一必修一第五章

生物高一必修一第五章的知识点总结，详细的总结了，降低化学反应活化能的酶，细胞的能量货币，细胞呼吸的原理和应用，光合作用与能量转化。适用于高中生物复习备考。

第五章 细胞的能量供应和利用

• 降低化学反应活化能的酶
  • 酶的本质与作用
    • 定义：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物（酶仅有催化作用）
    • 化学本质：绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA
    • 来源：活细胞（合成场所：核糖体或细胞核）
    • 功能：具有催化作用
    • 作用原理：酶具有催化作用是因为它能降低化学反应的活化能，从而加快反应速率，缩短反应达到平衡点的时间，但不能改变反应的平衡点
      • 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
      • 酶能使细胞代谢能在温和条件下快速有序的进行
      • 与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著催化效率更高
  • 酶的特性
    • 酶具有高效性
      • 与无机催化相比，酶能更显著地降低反应的活化能，并非提供能量。其催化效果是无机催化剂的10000000~10000000000000倍
      • 酶只能催化已存在的化学反应
    • 酶具有专一性
    • 酶作用条件较温和
      • 绝大多数酶是蛋白质，蛋白质在温度过高或过酸过碱的条件下都会变性，空间结构遭到破坏，从而酶将永久失活；低温不会破坏蛋白质的空间结构，但会抑制其功能（37°是人体内酶最适温度，酶制剂因在低温下保存）
      • 最适pH：酶活性最高的pH，过高或过低于最适pH酶的活性都会降低，过酸、过碱都会破坏酶的空间结构，从而影响酶的活性。人体绝大多数酶的最适pH接近中性，但胃蛋白酶的最适PH为1.5
  • 影响酶促反应的因素
    • 酶活性：指酶催化特定化学反应的能力，大小可以用在一定条件下酶所催化某一化学反应的速率来表示，所以测定酶的活性就是测定酶促反应的速率
      • 酶催化的反应速率可用单位时间内底物的减少量或产物的增加量来表示
    • 温度、pH对酶促反应的影响
      • 在一定温度（pH）范围内，岁温度（pH）的升高，酶的活性增强在最适温度（pH）下，酶的活性最强，当超过最适温度（pH）时，酶的活性逐渐减弱
      • 温度和pH是通过影响酶的活性来影响酶促进反应速率的，反应液pH的变化不影响酶作用的最适温度
    • 底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响
      • 在其他条件适宜、酶量一定的情况下，酶促进反应速率随底物的浓度增加而加快，但提高反应速率的同时会改变化学反应平衡点，底物达到一定浓度后，受酶数量的限制，酶促反应速率不再增加
      • 在底物充足、其他条件适宜的情况下，酶促进反应速率与酶浓度成正比
      • 底物浓度与酶的浓度，只影响参加促反应的速率并不影响酶的活性
    • 激活剂、抑制剂对酶促反应的影响
      • 激活剂可以提高酶活性，但不是酶活性所必须的。其大致分为两类：无机离子和小分子化合物
      • 抑制剂使酶的活性下降，但不使酶变性，其作用机制分为两种
        • 竞争性抑制剂：指产生竞争抑制作用的抑制剂。它与被抑制的酶的正常底物通常有结构上的相似性，能与底物相争夺酶分子上的结合点，从而产生酶活性的抑制作用。其也是可逆的，只要底物浓度高于抑制剂浓度，那么活性部位就不易被抑制剂所占据，底物可照常发生反应
        • 非竞争性抑制剂：其在化学结构和分子形状上与正常底物无相似之处，并不在活性部位上与酶结合，而是在活性部分以外的地方与酶结合。一旦结合，酶的构象就发生变化，导致活性部位不能再结合底物
• 细胞的能量货币——ATP
  • ATP的结构
    • 中文名：腺苷三磷酸（主要构成元素是：C、H、O、N、P)
    • ATP的化学组成：一分子腺嘌呤、一分子核糖和三分子磷酸基团
    • 简写：A-P~P~P
      • ATP水解放能反应：由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而互相排斥等原因，使得这个化学键不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，也就具有较高的转移势能
    • ATP中的能量：ATP是能量载体是一种高能磷酸化合物，细胞中绝大多数生命活动的直接能源
  • ATP与ADP可以相互转化
    • 反应式：
    • ATP水解的实质：远离A的特殊化学键水解，ATP是一种高能磷酸化合物，水解释放的能量高达30.54kJ/mol
    • ATP的含量很少，但转化十分迅速，使得在细胞内ATP含量相对稳定时即使在剧烈运动时也不会有大量ADP的积累。
    • ATP和ADP相互转化是不可逆的
  • ATP的利用
    • ATP的利用
      • 消耗
        • 细胞膜：主动运输、胞吞、胞吐
        • 叶绿体：暗反应和自身DNA复制、转录、翻译等
        • 线粒体：自身DNA复制、转录、翻译等
        • 核糖体：蛋白质合成
        • 细胞核：自身DNA复制、转录等
      • 产生
        • 细胞质基质：细胞呼吸第一阶段
        • 叶绿体：光反应
        • 线粒体：有氧呼吸第二三阶段
• 细胞呼吸的原理和应用
  • 探究酵母菌细胞的呼吸方式
    • 实验原理
      • 酵母菌：是一种单细胞真菌，有细胞壁、大液泡，可发生质壁分离与复原，其代谢类型是兼性厌氧型，酵母菌进行有氧呼吸能产生大量的水和二氧化碳，在进行无氧呼吸时能产生酒精和二氧化碳，便于研究细胞呼吸的不同方式
      • 呼吸产物的检测
        • CO2的检测：CO2可以使澄清的石灰水变浑浊，观察澄清石灰水变浑浊的程度；CO2可使溴麝香草酚蓝（C27H28O₅SBr₂）溶液由蓝变绿再变黄，观察溶液变色时间
        • 酒精的检测：在酸性条件下，橙色的重铬酸钾溶液会与乙醇发生化学反应变成灰绿色
    • 实验现象
      • 在有氧情况下：澄清的石灰水变浑浊的程度快；重铬酸钾在加入浓硫酸的溶液后无变化
      • 在无氧情况下：澄清的石灰水变浑浊的程度慢；重铬酸钾在加入浓硫酸的溶液后出现灰绿色
    • 实验结论
      • 酵母菌在有氧和无氧的情况下都可以进行细胞呼吸
  • 细胞呼吸过程
    • 有氧呼吸
      • 定义：细胞在氧的参与下，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（特征：彻底氧化分解生成大量ATP）
      • 有氧呼吸主要场所：线粒体
      • 过程
        • 场所：细胞质基质
        • 物质变化：
        • 产能情况：少量能量
        • 第一阶段（有无氧呼吸共有步骤）
        • 场所：线粒体基质
        • 物质变化：
        • 产能情况：少量能量
        • 第二阶段
        • 场所：线粒体内膜
        • 物质变化：
        • 产能情况：大量能量
        • 第三阶段
      • 反应总式
      • 特点：有氧呼吸在温和条件下进行，需要有氧气的参与，且有机物的能量是逐步释放的，这些能量有相当一部分储存在ATP中
    • 无氧呼吸
      • 定义：在没有氧气参与的情况下，葡萄糖等有机经过不完全分解，释放少量能量的过程
      • 场所：全过程是在细胞质基质中进行的
      • 过程
        • 第一阶段
        • 第二阶段
          • 乙醇发酵：
            • 植物、苹果果实酵母菌等
          • 乳酸发酵:
            • 高等动物、马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚、乳酸菌
      • 无氧呼吸两种形式的化学反应式
        • 产生酒精：
        • 产生乳酸：
      • 注意
        • 无氧呼吸只在第一阶段释放出少量能量，生成少量ATP。无氧呼吸释放的能量少，是因为其过程中，有机物分解的不彻底，还有大量能量储存在不彻底的氧化产物酒精或乳酸中
        • 酶的不同决定了丙酮酸还原产物不同：大多数植物细胞无氧呼吸的产物是酒精和二氧化碳
        • 根本原因：控制酶合成的基因不同
      • 特点：无氧呼吸在温和条件下进行，不需要氧气的参与，能量逐步不完全释放，葡萄糖中的大部分能量存留在酒精或乳酸中，是不彻底的氧化分解
    • 细胞呼吸意义
      • 为生物体的生命活动提供能量。生命活动所需要的能量基本都来源于细胞呼吸
      • 是生物体代谢的枢纽，蛋白质、糖类和脂质的代谢，都可以通过细胞呼吸联系起来
    • 有氧呼吸和无氧呼吸的联系
      • 到要经过糖酵解，第一阶段完全相同：
  • 影响细胞呼吸的因素和应用
    • 内部因素
      • 遗传特性：不同种类的植物呼吸速率不同。eg：旱生植物＜水生植物
      • 生长发育时期：同一植物在不同的生长发育时期呼吸速率不同。eg：幼苗时期呼吸速率高，成熟时期呼吸速率低
      • 器官类型：同一植物的不同器官呼吸速率不同。eg：生殖器官＞营养器官
    • 外界因素
      • 温度：影响酶的活性，细胞呼吸是一系列酶促反应，温度通过影响酶的活性从而影响细胞呼吸速率。应用：储存水果、蔬菜时应选取零上低温
      • 氧气浓度
        • 氧气是有氧呼吸所必须的，且氧气对无氧呼吸过程有抑制作用
        • 氧气浓度低时无氧呼吸占据优势
        • 随着氧气浓度增大，无氧呼吸逐渐被抑制，有氧呼吸不断增强。当氧气浓度达到一定值后，随着氧气浓度增大，有氧呼吸不再增强。（受呼吸酶数量等因素的影响）
        • 应用
          • 选用透气消毒纱布包扎伤口，抑制破伤风芽孢杆菌等厌氧菌的无氧呼吸从而抑制其繁殖
          • 提倡慢跑，防止肌细胞无氧呼吸产生乳酸
          • 稻田定期排水，抑制无氧呼吸产生酒精，防止酒精中毒，烂根死亡
      • 二氧化碳浓度
        • 二氧化碳是细胞呼吸的最终产物，积累过多会抑制细胞呼吸的进行
        • 应用：在蔬菜和水果保鲜时，增加二氧化碳浓度可抑制细胞呼吸，减少有机物消耗
      • 含水量
        • 在一定范围内，细胞中自由水含水量越多代谢越旺盛，细胞呼吸越强。eg：粮食储存前要进行晒干处理，目的是降低粮食中自由水的含量，降低细胞呼吸的强度，减少存储时有机物的消耗
• 光合作用与能量转化
  • 捕获光能的色素
    • 分部：在绿色植物中，光合色素位于叶绿体的类囊体膜上
    • 种类
      • 叶绿素75%（C、H、O、N、Mg）
        • 叶绿素a：蓝绿色、
        • 叶绿素b：黄绿色
        • 主要吸收蓝紫光和红光
      • 类胡萝卜素25%
        • 胡萝卜素：橙黄色（C、H)
        • 叶黄素：黄色（C、H、O）
        • 主要吸收蓝紫光
    • 影响因素
      • 光照：光是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素而发黄
      • 温度：温度可通过影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成。低温时，叶绿素分子易被破坏，而类胡萝卜素分子较为稳定，从而使叶子变黄
      • 必须元素：叶绿素中N、Mg等必须元素，缺少该元素将导致叶绿素无法合成叶片变黄
    • 叶绿体色素功能：吸收、传递光能（四种色素）、转换光能（只有少量特殊状态的叶绿素a）
  • 绿叶中色素的提取与分离
    • 实验原理
      • 提取
        • 方法：用无水乙醇提取或使用95%的乙醇代替，但需要加入适量无水碳酸钠除去水分
        • 原理：叶绿体中的色素不溶于水，溶于有机溶剂（相似相容）
      • 分离
        • 纸层析法
        • 叶绿体中色素在层析液中溶解度不同，色素随层析液在滤纸条上的扩散速度不同，扩散速度越快，溶解度越大
    • 注意事项
      • 色素提取
        • 研磨
          • 选择新鲜绿叶（选菠菜叶、白菜叶不行）
          • 无水乙醇溶解色素
          • 二氧化硅充分研磨，加入碳酸钙防止色素（尤其是叶绿素）被破坏
          • 迅速充分研磨防止乙醇挥发，充分溶解色素
        • 过滤：用单层尼龙布过滤，不用滤纸过滤因为滤纸会吸附色素
        • 收集滤液
          • 盛放滤液的试管管口加棉塞：防止乙醇挥发和色素氧化
          • 滤液颜色浅的原因：研磨不充分；没有加碳酸钙；乙醇太多
      • 制备滤纸条
        • 干燥稳定性滤纸条：使层析液在滤纸上快速均匀扩散
        • 一段剪去两角：保证色素带整齐
        • 距剪去两角一端底部1cm处用铅笔画一条细线（画滤液细线的标记）
      • 画滤液细线
        • 要求：细、直、齐（过粗：色素带部分重叠）
        • 干燥后重复几次：使滤液细线含有一定量色素，使分离出的色素带清晰分明
      • 分离色素
        • 插入层析液：层析液不能触及滤液细线：防止色素溶于层析液，导致实验失败
        • 该培养皿或将试管口封堵：防止层析液挥发
    • 实验结果
      • 按照色素条带的距离从上到下一次排布
        • 胡萝卜素：橙黄色、色素含量最少、溶解度最高、扩散速度最快
        • 叶黄素：黄色、色素含量较少、溶解度较高、扩散速度较快
        • 叶绿素a：蓝绿色、色素含量最多、溶解度较低、扩散速度较慢
        • 叶绿素b：黄绿色、色素含量较多、溶解度最低、扩散速度最慢
  • 叶绿体的结构适用于光合作用
    • 叶绿体的结构
      • 叶绿体的分部：主要分部在绿色植物的叶肉细胞中，并非遍布整个植物体
      • 叶绿体的形态：光学显微镜下观察，一般扁平的椭圆形或球形
      • 叶绿体的结构：依据电子显微镜下观察到的叶绿体结构绘制的结构模式图
        • 
        • 基质：含有暗反应所需的酶，光合作用暗反应的场所
        • 基粒：由类囊体堆叠而成增大了膜面积，其上分布着与吸收光能有光的色素和光反应所需的酶，光合作用光反应的场所
    • 叶绿体的功能
      • 叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
  • 光合作用的原理
    • 光合作用的概念：光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成存储能量的有机物，并释放出氧气的过程（蓝细菌：无叶绿体，有叶绿素、藻蓝素，与光合作用有关的酶）
    • 光合作用的场所：植物的光合作用过程都是在叶绿体中进行的。部分原核细胞无叶绿体，但细胞内有叶绿素、藻蓝素及相应的酶，也可以进行光合作用。绿色植物进行光合作用的基本单位：叶绿体
    • 光合作用的过程：
      • 光反应阶段：光合作用第一阶段的化学反应，必须有光才能进行，在类囊体的薄膜上进行。光反应包括：一是将水分解成氧气和NADPH（还原型辅酶Ⅱ）；二是在相关酶的催化作用下，提供能量，促使ADP与P反应生成ATP，从而使光能转变成储存在ATP中的化学能
        • 水的光解：
        • NADPH的合成(此处“*”表示正电荷）：
        • ATP的合成：
      • 暗反应阶段：光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体基质中进行的，暗反应包括二氧化碳的固定和C3化合物的还原两个过程
        • CO2的固定:
        • C3的还原：
      • 
  • 光合作用速率及计算方法
    • 表示方法：一定光照下，单位叶面积在单位时间内植物体或叶绿体固定消耗的二氧化碳或产生的氧气或制造的有机物的量
    • 计算公式：总（实际或真正）光合速率=呼吸速率+净光合速率
      • 呼吸速率：黑暗条件下，单位叶面积在单位时间内线粒体吸收的氧气或释放的二氧化碳量或消耗的有机物量
      • 净光合速率：一定光照条件下，单位叶面积在单位时间内植物体吸收的二氧化碳量或释放的氧气量或积累的有机物的量
  • 影响光合作用的因素
    • 内部因素
      • 植物自身的遗传特性不同
      • 植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶
    • 外部因素
      • 光照强度
        • 光照强度通过影响光反应阶段制约ATPA及NADPH的产生，进而制约暗反应从而影响光合速率
        • 应用：室温下，增强光照强度，以提高光合速率，使作物增产；阴生植物的光补偿点和光饱和的点较阳生植物低，间作套种农作物，可合理利用光能
      • CO2浓度
        • 原理：CO2影响暗反应阶段，制约C3的形成
        • 应用：在农业生产上可以通过保持植株间一定的行距和株距使植物受到充足阳光照射的同时并使农田中空气流通加强，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率
      • 温度
        • 温度通过影响酶的活性进而影响光合作用
      • 水分和矿物质元素：水分是光合作用的原材料，矿物质元素影响叶绿素等有关化合物的合成，应用：合理灌溉和施肥
  • 化能合成作用
    • 自然界中少数种类的细菌，虽然细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但是能够利用体外环境中的某些无机氧化时所释放的能量来制造有机物，这种合成作用叫作化能合成作用，这些细菌也属于自养生物
      • eg:土壤中的硝化细菌
      • 硝化细菌反应式：
    • 对比
      • 光合作用：能量来源是光能；代表生物是绿色植物
      • 化能合成作用：能量来源是氧化无机物释放的能量；代表生物是硝化细菌
      • 相同点是都能将CO2和H2O等无机物合成有机物
• eg：人的唾液淀粉酶的最适温度为37°，植物的淀粉酶的最适温度为60°
• 成熟的红细胞进行无氧呼吸
• 乳酸菌
  • 原核生物，细菌
• 酵母菌
  • 真核生物，真菌
• 消耗氧气
• 不消耗氧气