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分子与细胞第五章细胞的能量供应和利用第一节降低化学反应活化能的酶细胞代谢（1）概念：细胞中每时每刻都进行的化学反应统称为细胞代谢。（2）特点：一般都需要酶催化，在水环境中进行，反应条件温和，一般伴随着能量的释放和储存。（3）地位：是细胞生命活动的基础。对细胞代谢的理解（1）从性质上看，细胞代谢包括物质代谢和能量代谢两个方面。细胞内每时每刻都在进行着化学反应，与此同时伴随着相应的能量变化。物质是能量的载体，而能量是物质运输的动力。物质代谢和能量代谢相伴而生，相互依存。（2）从方向上看，细胞代谢包括同时进行、对立统一的同化作用和异化作用。同化作用和异化作用相互依存，同化过程中有物质的分解、能量的释放，异化过程中有物质的合成、能量的储存。同化作用为异化作用的进行提供物质和能量基础，而同化作用进行所需的能量又靠异化作用来提供。（3）从实质上看，细胞代谢是生物体活细胞内所进行的有序的连锁的化学反应。应特别注意只有活细胞内进行的化学反应才是有序的，死细胞内虽然也进行着化学反应，但是无序的，所以不属于细胞代谢的范畴。（4）从意义上看，细胞代谢的过程完成了细胞成分的更新，而细胞成分的更新正是生化反应造成的物质转化和能量转变的结果。在细胞代谢的基础上，生物体既进行新旧细胞的更替，又进行细胞内化学成分的更新，最终表现出生长、发育、生殖等生命活动。酶的作用原理（1）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（2）酶是一种生物催化剂，能改变反应途径，其作用是降低化学反应的活化能。（3）酶在代谢中仅起到催化作用，本身化学性质和质量均不发生变化。酶在进行催化作用时，首先与底物（即反应物）结合，形成不稳定的中间产物，中间产物再分解成酶和产物，因此可反复起催化作用。酶的本质酶是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。化学本质绝大多数是蛋白质少数是RNA合成原料氨基酸核糖核苷酸合成场所核糖体细胞核（真核生物）实验验证实验组待测酶液+双缩脲试剂是否出现紫色反应待测酶液+吡罗红染液是否呈现红色对照组已知蛋白液+双缩脲试剂出现紫色反应已知RNA溶液+吡罗红染液出现红色生理功能具有生物催化作用作用原理降低化学反应的活化能酶与激素、蛋白质的关系（1）凡是活细胞都可产生酶（哺乳动物的成熟红细胞等除外），只有内分泌细胞才可产生激素，所以能产生酶的细胞不一定能产生激素，但能产生激素的细胞一定能产生酶。（2）绝大多数酶是蛋白质，但不是所有的蛋白质都是酶，只有具有催化作用的蛋白质才是酶。酶的特性酶具有高效性（1）含义：酶的催化效率是无机催化剂的107-1013倍。（2）意义：保证细胞代谢顺利进行。酶具有专一性（1）含义：每一种酶只能催化一种或一类化学反应，这就像一把钥匙开一把锁一样。酶对它所作用的底物有着严格的选择，它只能催化一定结构或者一些结构近似的化合物，使这些化合物发生生物化学反应。（2）意义：使细胞代谢有序进行。酶的作用条件温和（1）酶在常温、常压、适宜的pH等温和条件下，具有很高的催化效率。酶对化学反应的催化效率也称为酶的活性。（2）在最适的温度和pH条件下，酶的活性最高。（3）温度偏高或偏低，pH过酸或过碱，酶的活性都会明显降低。胃蛋白酶较为特殊，能在强酸性条件下发挥作用。（4）0℃左右的低温虽然使酶的活性明显降低，但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。过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。由于酶具有专一性，而细胞内的化学反应及其繁多，不同的反应需要不同的酶来催化，这说明酶具有多样性。与酶有关的曲线解读1.表示酶高效性的曲线（1）催化剂可加快化学反应速率，与无极催化剂相比，酶的催化效率更高。（2）酶只能缩短达到化学平衡所需时间，不改变化学反应的平衡点。（3）酶只能催化已存在的化学反应。2.表示酶的专一性曲线（1）酶的专一性酶和被催化的反应物分子都有特定的结构。反应前后酶的结构与性质不变（2）表示酶专一性的曲线在反应物中加入酶A，反应速率较未加酶时明显加快，说明酶A催化底物参加反应。在反应物中加入酶B，反应速率和未加酶时相同，说明酶B不催化底物参加反应。3.酶活性的影响因素曲线（1）在一定温度（pH）范围内，随温度（pH）的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围酶催化作用逐渐减弱。（2）在最适温度（pH）时，酶的催化作用最强，高于或低于最适温度（pH），酶的催化作用都将减弱。（3）过酸、过碱、高温都会使酶失活，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。（4）反应溶液酸碱度的变化不影响酶作用的最适温度。4.底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响曲线（1）在其他条件适宜、酶量一定的条件下，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，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。（2）在底物充足、其他条件适宜的情况下，酶促反应速率与酶浓度成正比。温度、pH、底物浓度和酶浓度可影响酶促反应速率。不同的是温度和pH是通过影响酶活性而影响酶促反应的，而底物浓度和酶浓度不影响酶活性。第二节细胞的能量“通货”——ATPATP的结构全称：三磷酸腺苷结构简式ATP分子的结构简式可以写成A—P～P～P，其中A代表腺苷，T代表3个，P代表磷酸基团，“～”代表高能磷酸键。“—”表示一般的共价键。可见，在1分子ATP中，含有1个腺苷、2个高能磷酸键、3个磷酸基团。（1）在ATP中，A代表腺苷，在碱基中，A代表腺嘌呤。（2）ATP是一种物质，不是能量，当ATP的高能磷酸键断裂时，会释放出能量。ATP是细胞内的一中高能磷酸化合物。在动物细胞内除了ATP为高能磷酸化合物之外，还含有一种高能磷酸化合物，即磷酸肌酸。ATP的分子组成（1）腺苷是腺嘌呤和核糖结合而成的，所以ATP去掉两个磷酸基团后，剩余的部分为腺嘌呤核糖核苷酸，它是RNA的基本组成单位之一。（2）ATP的结构特点可用“一、二、三”来记忆：一个腺苷，二个高能磷酸键，三个磷酸基团。ATP与ADP相互转化的反应式结构基础ATP中远离A的那个高能磷酸键易断裂也易形成。ATP水解酶反应式ATPADP+Pi+能量能量的来源和去路：能量来源于ATP中高能磷酸键的断裂，产生的能量用于各种需能的生命活动。ATP的水解一般是远离腺苷的那个高能磷酸键断裂，生成的ADP中含有两个磷酸基，叫做二磷酸腺苷。（3）ATP的合成储存能量反应式：ADP+Pi+能量ATPATP的形成途径植物光合作用：光能ATP动物细菌呼吸作用：有机物能量真菌ATP与ADP的相互转化过程的比较反应式ATPADP+Pi+能量ADP+Pi+能量ATP类型水解反应合成反应条件水解酶合成酶场所细胞膜、叶绿体基质、细胞核等细胞质基质、线粒体、叶绿体能量转化放能储能能量去向各种生命活动消耗储存于ATP中磷酸肌酸与ATP的关系磷酸肌酸也是高等动物细胞内的高能化合物，在动物和人体的肌细胞内存在且储存量比ATP多，但不能作为生命活动的直接能源，只是能量的一种储存形式。（1）当细胞内的有机物被氧化分解释放出能量，合成ATP数量过多时，部分ATP把能量转移到磷酸肌酸中，转化关系如下：ATP+肌酸ADP+磷酸肌酸（2）细胞中的ATP大量减少时，磷酸肌酸与ADP反应生成ATP，维持细胞中ATP数量的相对稳定。转化关系如下：ADP+磷酸肌酸ATP+肌酸ATP是细胞中的直接能源物质ATP合成酶色素吸收、传递、转化氧化分解，有氧或无氧热能散失ATP磷酸肌酸激酶磷酸肌酸水解酶糖类和脂肪分子中的能量很多而且很稳定，不能被细胞直接利用，这些稳定的化学能只能转化成ATP分子中活跃的化学能，才能被细胞直接利用。ATP分子中远离腺苷的高能磷酸键很容易水解，也很容易重新形成，因此，ATP是直接的能源物质。ATP是细胞内的直接供能物质，但并非所有的生命活动所需的能量都是由ATP提供的，如植物对水分子的吸收和运输，其动力来自叶片蒸腾作用产生的拉力。ATP中能量的转化（1）渗透能：细胞的主动运势是逆浓度梯度进行的，物质跨膜移动所做的功消耗了能量，这些能量叫做渗透能，渗透能来自ATP。（2）机械能：细胞各种结构的运动大都是机械运动，所消耗的是机械能。例如，肌细胞的收缩、草履虫纤毛的摆动、精子鞭毛的摆动、有丝分裂期间染色体的运动、腺细胞对分泌物的分泌等。（3）电能：大脑的思考——神经冲动在神经纤维上的传导，以及电鳐、电鳗等动物体内产生的生物电等，它们所消耗的就是电能。电能是由ATP提供的能量转化而来的。（4）化学能：细胞内物质的合成需要化学能，如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，细胞内的物质在分解的开始阶段，也需要化学能来活化，从而成为能量较高的物质（如葡萄糖活化成磷酸葡萄糖）。可以说在细胞内的物质代谢中，到处都需要由ATP水解释放的化学能。（5）光能：目前关于生物发光的生理机制还没有完全弄清楚，但是已经知道，生物体用于发光的能量直接来自ATP，如萤火虫的发光。（6）热能：有机物的氧化分解释放的能量小部分用于生成ATP，大部分转化为热能，通过各种途径向外界散发，其中一小部分热能用于维持体温。通常情况下，热能的形成往往是在细胞能量转化和传递的过程中。第三节ATP的主要来源——细胞呼吸细胞呼吸概念细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或者其他产物，释放能量并生成ATP的过程。细胞呼吸的本质细胞内有机物氧化分解，并释放能量。细胞呼吸的类型根据细胞氧化分解有机物时是否有氧气参与，把细胞呼吸分为两种，一种是需要氧气参与，为有氧呼吸；另一种是没有氧气参与，为无氧呼吸。对细胞呼吸的理解（1）细胞呼吸发生的场所：活细胞内；（2）反应底物：有机物；（3）呼吸产物：二氧化碳或其他产物；（4）反应类型：氧化分解反应；（5）能量变化：释放能量；（6）物质变化：分解有机物、生成ATP。酵母菌的细胞呼吸方式（1）酵母菌是一种单细胞真菌，在有氧和无氧条件下都能生存，属于兼性厌氧菌，因此便于用来研究细胞呼吸的不同方式。通过定性测序酵母菌在有氧和无氧的条件下细胞呼吸的产物，来确定酵母菌细胞呼吸的方式。有氧条件：葡萄糖CO2+H2O+能量无氧条件：葡萄糖CO2+H2O+能量酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸，完成细胞增殖，在无氧条件下进行无氧呼吸产生酒精，几乎不再增殖，因此，在酿酒的初期先通氧气，使酵母菌大量增殖，再密闭发酵产生酒精。（2）CO2的检测使澄清的石灰水变混浊，混浊程度越高，产生的CO2越多。使溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿再变黄，变化所需时间越短，产生的CO2越多。（3）酒精的检测：在酸性条件下，橙色重铬酸钾溶液与酒精发生化学反应，变成灰绿色。探究酵母菌呼吸方式的实验过程提出问题：酵母菌使葡萄糖发酵产生酒精是在有氧条件还是无氧条件下进行的？酵母菌在有氧和无氧条件下细胞呼吸的产物是什么酵母菌酵母菌作出假设：针对上述问题，根据已有的知识和生活经验（如酵母菌可用于酿酒、发面等）作出合理的假设设计并进行实验：（1）配制酵母菌培养液，（2）检测CO2的产生，装置如图所示，（3）检测酒精的产生：自A、B瓶中各取2mL滤液，分别注入编号为1、2的两支试管中，分别滴加0.5mL溶有0.1g重铬酸钾的浓硫酸溶液，振荡并观察溶液中颜色变化。实验现象：（1）甲、乙两装置中石灰水都变浑浊，但甲中浑浊程度高且速率快（2）2号试管中溶液由橙色变成灰绿色，1号试管不变色实验结论：酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸，在有氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量的二氧化碳和水；在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精，还产生少量的二氧化碳。有氧呼吸的主要场所——线粒体（1）线粒体的结构外膜：表面光滑内膜：有多种与有氧呼吸有关的酶嵴：由内膜向内腔折叠而成，以扩大膜面积，为酶附着提供位点基质：含有许多种与有氧呼吸有关的酶（2）功能：有氧呼吸的主要场所（3）线粒体普遍存在于动植物细胞中，对于绝大多数生物来说，有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式。线粒体时有氧呼吸的主要场所，因此，代谢越旺