第五章 细胞的能量供应和利用
细胞代谢与酶
细胞代谢的概念：
酶的发现：
发现过程
酶的概念：
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。
酶的特性：
专一性
高效性
作用条件较温和
一、 知识网络
第一节 降低化学反应活化能的酶
细胞内每时每刻进行着许多化学 反应，统称为细胞代谢
发现的意义
发现过程中的科学探究思想
难点再现：
2、影响酶促反应的因素
底物浓度
酶浓度
pH ：
温度：
同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。
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成为活化能。
1、什么是活化能？
强酸、强碱可使酶变性失活
高温使酶变性失活，低温利于酶保存
第二节 细胞的能量通货——ATP
二、结构简式：
一、什么是ATP？
三、ATP和ADP之间的相互转化
酶
酶
动物和人
绿色植物：
是细胞内的一种高能磷酸化合物，中文名称叫做三磷酸腺苷
A-P~P~P
ADP转化为ATP所需能量来源：
ADP + Pi+ 能量
ADP + Pi+ 能量
ATP
ATP
：呼吸作用
呼吸作用、光合作用
细胞代谢
第1课时 酶、酶的研究与应用及ATP
一、考试要求
1．了解酶发现过程中的经典实验，理解酶的概念，掌握酶的本质。
2.理解酶的三个特性，分析比较酶与无机催化剂的不同
3．掌握验证酶的高效性实验的基本操作方法，并具备应用相关知识设计验证实验的能力。
4．掌握ATP的结构简式，理解ATP的生理及ATP与新陈代谢的关系
5.掌握ATP与ADP之间的的相互转化关系，理解细胞内ATP含量的动态平衡
6.掌握动植物活细胞中ATP的形成途径
二、知识整理
1．细胞代谢
概念：
细胞代谢是细胞中每时每刻都进行着许多化学反应的统称。
2．酶
概念：活细胞产生的具有生物催化作用的有机物。
本质：绝大多数是蛋白质，少数酶是RNA。
功能：生物催化剂：
a.在催化某一反应时，与其他一般无机催化剂 一样，能显著降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡的时间，但并不改变反应的方向和平衡常数；
b.反应前后酶的性质和数量均没有变化。
特性：
a.高效性；
b.专一性；
c.需要适宜的条件：适宜的温度和适宜的pH。

分布：细胞外(胞外酶：如各种消化酶)；细胞内(胞内酶：如呼吸氧化酶)
3.酶在细胞代谢中的作用
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解，如下表
通过1号与2号相比，2号试管明显的气泡产生，说明升高温度能加快过氧化氢的分解反应。
3号和4号试管中都有大量的气泡产生，说明Fecl3溶液和肝脏研磨液都能催化过氧化氢的分解反应；4号比3号的反应速度快，说明酶的催化效率比Fecl3高。
结论：酶在细胞代谢中具有催化作用，且酶具有高效性。
在本实验中应该注意哪些事项？
1.实验时肝脏必须要新鲜。肝脏如果不新鲜，实验效果不好。因为酶是蛋白质，如果取材过早，肝细胞内的过氧化氢酶等有机物就会在腐生细菌的作用下分解，使组织中酶的数量减少且活性降低。
2.要使用肝脏的研磨液，这样可加大肝细胞内过氧化氢酶与试管中过氧化氢的接触面积，从而加速过氧化氢的分解。
3.滴加氯化铁和肝脏研磨液不能合用一支滴管。原因是酶的催化效率具有高效性，少量酶带入氯化铁溶液中也会影响实验结果的准确性，导致得出错误的结论。
4.由于反应速度快，要注意观察实验的现象。
5.过氧化氢具有一定的腐蚀性，使用时不要让其接触皮肤。
4.实验探究出影响酶活性的条件
a.酶的确定：淀粉酶不适合做研究pH对酶活性的影响的实验 ，是由于在碱性条件下，碘与淀粉的反应不能进行；氧化氢酶不适合做研究温度对酶活性的影响的实验，是由于温度能影响过氧化氢分解反应的速度。
b.实验原理：用淀粉和淀粉酶做实验时，可利用加碘液后看溶液是否变蓝来判断淀粉是否水解，从而了解淀粉酶的活性；用过氧化氢酶做实验时， 可根据产生气泡的数量和速度来判断酶的活性。
c.变量的确定：本实验的自变量是温度或pH，因变量是酶的活性。温度的控制可用冰块降温或水浴加热，用温度计随时测量；pH的控制可加入强酸或强碱，用pH试纸进行测量。
d.对照组的设置：应将温度或pH调到该酶的最适温度或pH水平上，其他条件与实验组相同。
e.实验组的设置：探究pH对酶活性的影响，实验组至少要设置2组，一组pH明显高于对照组，一组pH明显低于对照组，其他条件实验组和对照组均相同。探究温度对酶活性的影响，实验组至少要设置2组，一组温度明显高于对照组，一组温度明显低于对照组，其他条件实验组和对照组均相同。
对症下药
1、细心、认真；
2、严格按照“三看”要求识图。
一看坐标轴：横轴、纵轴各表示什么？
二看曲线的变化趋势：
①上升（直线上升，逐渐上升）？
②下降（直线下降，逐渐下降）？
③还是保持稳定？
④先上升后下降？先下降后上升？
三看关键点：
①曲线的起点、终点；
②曲线与横轴的交点、与纵轴的交点、两条曲线相交的交点；
③曲线的顶点、转折点、最低点等。
常见错误
粗心大意，不按“三看”要求识图，导致失误。
C
C
《第5章 细胞的能量供应和利用》复习要点
一．重要考点
1．ATP的结构简式。写法；高能磷酸键的特点及个数；磷酸基团的个数
2．ATP与ADP的相互转化。反应式写法；能量的来源及去向；意义。
第二节 细胞的能量通货——ATP
二、结构简式：
一、什么是ATP？
三、ATP和ADP之间的相互转化
酶
酶
动物和人
绿色植物：
是细胞内的一种高能磷酸化合物，中文名称叫做三磷酸腺苷
A-P~P~P
ADP转化为ATP所需能量来源：
ADP + Pi+ 能量
ADP + Pi+ 能量
ATP
ATP
：呼吸作用
呼吸作用、光合作用
关于生物体内的能源物质可概括为：[记住！]
生物体的主要能源物质：糖类
生物体的贮能物质：脂肪
生物体的能源物质：糖类、脂肪、蛋白质
动物细胞内贮能物质：糖原
植物细胞内贮能物质：植物淀粉
生物体进行生命活动的直接能源物质：ATP
最终能量来源：光能
细胞的“燃料”：葡萄糖
ATP的结构简式及其中字母的代表意义？
ATP（生命活动的直接能源物质）结构简式：
A– P～ P～ P [记住！]
中文名：三磷酸腺苷
A：腺苷
T：三个
P：磷酸基团
–：普通磷酸键
～：高能磷酸键
4. ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物，每摩尔的高能磷酸键水解时释放出的能量多达30.54kJ/mol
ATP在生物体内的含量如何？
（含量很少但总处于动态平衡中）
ATP水解的实质是什么？最先水解的是哪一个高能磷酸键？（即ATP分子中高能磷酸键的水解）
把ATP比喻成细胞内能量流通的能量“货币”的原因是什么？(理科)[请看下一幻灯片]
3.把ATP比喻成细胞内能量流通的能量“货币”的原因是什么？
（细胞内糖类、脂质等能源物质是比较稳定的，可以相对大量地储存能量。但利用时，都必须经细胞呼吸分解释放传递给ATP，转变成活跃的形式，由ATP直接供给各种生命活动利用，解决了“稳定储存”和“灵活利用”的矛盾。各种能源物质中的能量，需要转换成ATP这种“能量货币”形式才能利用，有利于能量的运输和协调供给，也可以进入细胞核推动DNA的复制等。因此，解决了“产能”和“用能”在空间上的矛盾。）
ATP与ADP的相互转化 （不可逆的）
转化式： 合成酶
ADP+Pi+能量 ATP
水解酶
ATP合成和水解的酶是不同的，这说明酶具有专一性。ATP水解释放出的能量用于生物的各项生命活动。
ATP水解释放的能量是储存在高能磷酸键内的化学能。
Pi:磷酸
ADP：结构简式A– P～ P
（二磷酸腺苷）
ATP的水解 其实质是什么？
在有关酶的作用下，ATP分子中远离A的那个高能磷酸键易水解，释放大量的能量，能量用于细胞的生命活动。
3. 转化的意义：
细胞内能源物质贮存大量且稳定的化学能，但不利于及时灵活地利用。ATP解决了“稳定贮存”和“灵活利用”的矛盾。
ATP形成的途径有哪些？[记住]
在绿色植物形成的能量（ATP）来源是 ① 通过光合作用形成ATP；② 通过细胞呼吸形成ATP。

2、在人和动物形成的能量（ATP）来源是 只有一条：通过细胞呼吸形成ATP
3、
细胞呼吸
（各种生物）
光合作用
（绿色植物）
ADP+Pi+能量 酶 ATP
叶绿体
有氧呼吸的主要场所在线粒体，无氧呼吸发生在细胞质基质
ATP形成的途径（图解）：ADP转化成ATP时所需能量的主要来源
ATP循环与应用（图解）[记住！]
肌肉收缩

神经传导

吸收、分泌

生物合成

体温维持
理解：细胞代谢的能量通货
为生物体提供能量的物质主要是糖类，此外还有脂肪、蛋白质。为细胞代谢直接提供能量的物质是ATP。能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间循环流通，因而被比喻为细胞内流通的能量“通货”。

ATP简介：ATP的全称是三磷酸腺苷，分子式简写为A—P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，“～”代表一种特殊的化学键 ，叫高能磷酸键，该键 消解时释放的能量多达30.54kJ，所以说ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物。
理解：ATP与ADP的关系
ADP是二磷酸腺苷，分子式可简写成A—P～P，ATP与ADP之间可以发生相互转换：
ATP
ADP+Pi+能量
当反应从左向右进行时，ATP中远离腺苷的那个高能磷酸键水解，释放能量；当反应由右向左进行时，能量来自于光合作用和呼吸作用，即太阳能或有机物中的化学能转移到ATP中。
a.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，即两种反应需要的酶不同。
b.从场所上来看：ATP合成的场所在细胞质基质、线粒体和叶绿体；而ATP的消耗则发生在细胞的多个部位。因此ATP的合成与分解的场所不同。
c.从能量上来看：ATP水解所释放的能量来自于储存在高能磷酸键中的化学能，释放出来后供细胞各生命活动的利用；而ATP的合成所需要的能量来自太阳能或有机物中的化学能。因此ATP的合成的水解反应中能量的来源和用途是不同的。
总之，ATP与ADP的相互转化从物质方面看是可逆的，从反应进行的场所、条件、能量方面看是不可逆的，即整体看二者的反应是不可逆的，而是细胞内ATP与ADP的循环过程。
理解：ATP与能量代谢
(1)生物体内的能源物质
① 能源物质：主要是ATP，其次如暗反应中，NADPH除供氢外，也能直接提供能量
②能源物质：糖类、脂肪、蛋白质，其中，糖类是主要能源物质，脂肪是主要的储能物质，蛋白质在极度饥饿、严重疾病时可分解供能。
③储能物质：能储存的能源物质，主要是脂肪，此外，糖元、淀粉也是储能物质
④根本能量来源：太阳能
⑤生物界的能量转换过程：
理解：ATP与能量的关系及与新陈代谢的关系
生物体的各项活动需要能量作动力。ATP为高能化合物，既可储能，又可作为生命活动的直接能源物质，但ATP在生物体内的含量并不多，需要不断地合成，其合成的主要能量来源在动物体内是呼吸作用，在植物体内是呼吸作用和光合作用。
ATP的来源和利用
1．（2006年高考理综天津，5）下列有关ATP的叙述，正确的是
A．线粒体是蓝藻细胞产生ATP的主要场所
B．光合作用产物中的化学能全部来自ATP
C．ATP分子由1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成
D．细胞连续分裂时，伴随着ATP与ADP的相互转化
[思路解析]ATP是生物体内的一种高能化合物，是生物体进行各种生命活动的直接能源物质，是许多生理过程相互关联的枢纽。蓝藻细胞是原核细胞，没有线粒体；光合作用产物中的化学能主要来自ATP，也有部分来自NADPH；ATP结构简式表示为A－P～P～P，其中A表示为腺苷，而不是腺嘌呤，T表示三个，P表示磷酸，“～”表示高能磷酸键；细胞分裂需要能量，所以伴随有ATP和ADP的转化。
[答案] D
6、下列哪项生物体的生命活动不是直接依赖于ATP的水解（ ）
A 蛋白质的氧化分解 B 细胞的有丝分裂
C 细胞的生长 D 矿质元素的吸收
7、生物体内既能储存能量，又能为生命活动直接提供能量的物质是（ ）
A 葡萄糖 B 糖原 C ATP D 脂肪
8、下列生理过程中，不消耗ATP的是（ ）
A 核糖体上合成血红蛋白 B 在肺泡表面进行气体交换
C 小肠吸收氨基酸 D 神经冲动在中枢传导
A
C
B
[练习]
2、人的骨骼肌细胞中，ATP的含量仅够剧烈运动时3秒钟以内的能量供给。某运动员参加短跑比赛过程中肌细胞中ATP的含量变化如图。据图回答
（1）a---b 的变化过程，说明ATP被水解，释放的能量用于 肌肉收缩（运动）
（2）b---c过程中ATP含量增加说明 无氧呼吸 加强，释放更多 能量 ，供ADP形成ATP，以补充细胞中ATP含量的不足；
（3）从整个曲线来看，肌细胞中ATP的含量不会降为零，说明 ATP和ADP可以相互转化
ATP
如图1是ATP和ADP相互转化示意图，请根据图回答下面的问题。
4
2
能量
酶
能量
1
图1
（1）写出图中标号名称：
1 ；2 ；3 ；4 。
能量
Pi
酶
ADP
3
（2）当反应从下向上进行时，能量是从哪里来的？
_____________________________
（3）当反应从上向下进行时，能量是从哪里来的？________________________
（4）ATP的功能是____________________
呼吸作用或光合作用（有机物中的能量或光能）
ATP的高能磷酸键水解
直接为细胞的生命活动提供能量
补充：高能磷酸化合物，重要的有ATP和磷酸肌酸，后者主要存在于动物和人体细胞中，特别是骨骼肌细胞中，当由于能量大量消耗从而使细胞中的ATP含量过分减少时，磷酸肌酸就释放出所储存的能量，供ADP合成为ATP，这是动物体内ATP形成的一个途径。磷酸肌酸是能量的一种储存形式，但是不能直接被利用，它在能量的释放、转移和利用之间起着缓冲作用，使细胞内ATP的含量保持相对稳定。磷酸肌酸（C~P）+ADP ATP+肌酸（C）
酶
根据生命活动中能量转移关系的图解，分析并填空回答：
(1)、图解中过程①是_________，过程③是_________。
（2）、过程④和⑥只发生在高等动物和人的_________细胞中。在剧烈运动时，磷酸肌酸以过程［ ］来维持ATP的数量，保证生命活动的正常进行。ATP分子的化学性质不稳定，能量通过ATP分子在_____反应和_____反应之间循环流通，因此将ATP形象地比喻成_________________________.
（3）、图解中过程⑤如果发生在高等动物体内，那么，葡萄糖转化为多糖的变化主要是在____________和______________中进行。
（4）、过程⑦是______________。举例说明过程⑦产生的能量在细胞生命活动中的利用：_______________________。
光合作用
呼吸作用
骨骼肌
④
肌肉
肝脏
ATP的分解
细胞的主动运输、肌肉收缩、物质合成、神经传导等
吸能
放能
细胞内流通的能量“通货”
第3课时 细胞呼吸
第三节 ATP 的主要来源——细胞呼吸
细胞呼吸
概念：
有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。
1细胞质基质
酶
2丙酮酸+少量[H]+少量能量
有氧呼吸
2线粒体基质
酶
3线粒体内膜
酶
总反应式：
酶
无氧呼吸
产生酒精：
C6H12O6
酶
产生乳酸：
C6H12O6
酶
发生生物：
发生生物：
反应场所：
6CO2+大量[H] +少量能量
2丙酮酸+6H2O
12H2O+大量能量
24 [H] +6O2
6CO2 +6H2O +大量能量
C6H12O6 +6O2
2C2H5OH+2CO2+少量能量
大部分植物，酵母菌
2乳酸+少量能量
动物，乳酸菌，马铃薯块茎，玉米胚
细胞质基质
C6H12O6
注意：菌类的无氧呼吸也叫发酵，生成乳酸的叫乳酸发酵，生成酒精的叫酒精发酵
讨论：
有氧呼吸及无氧呼吸的能量去路
有氧呼吸：

无氧呼吸：

2 有氧呼吸过程中氧气的去路
氧气用于和[H]生成水
能量小部分用于生成ATP，大部分储存于乳酸或酒精中
所释放的能量一部分用于生成ATP，大部分以热能形式散失了。
一、考试要求
理解呼吸作用的意义。
1．有氧呼吸
正确把握有氧呼吸的概念，阐述细胞有氧呼吸的全过程。
2．无氧呼吸
正确把握无氧呼吸的概念，阐述细胞无氧呼吸的全过程。
3．呼吸作用的意义
二、知识整理
有氧呼吸是生物体进行呼吸作用的主要方式。通常所指的呼吸作用就是指有氧呼吸。
1．概念：是指生物细胞在 的参与下，通过酶的催化作用，把 等有机物
氧化分解，产生出 和 ，同时释放出大量 的过程。
2．场所：先在 内，后在 内。
(一)、有氧呼吸
3．有氧呼吸的全过程：
葡萄糖的初步分解
场所：细胞质基质
①
在细胞质的基质中，一个分子葡萄糖脱氢氧化成两分子丙酮酸，脱下少量的氢[H]，释放少量的能量生,成少量的ATP。
丙酮酸彻底分解
场所：线粒体的基质
②
在线粒体中两个分子丙酮酸分解成二氧化碳和还原氢[H]，释放出少量能量,生成少量ATP。
[H]的氧化
场所：线粒体的内膜
③
在线粒体中前两阶段产生的氢[H]，经过一系列反应，被氧化成水，同时释放大量的能量，生成较多的ATP。
比较有氧呼吸三个阶段的场所、反应物、产物、产生的能量
提问：
在有氧呼吸过程中，葡萄糖彻底氧化分解，1mol葡萄糖可以释放2870kJ的能量，
其中1161kJ储存在 中，其余能量都以 形式散失。能量利用率约为
左右。
4．有氧呼吸释放的能量：
(二)、无氧呼吸
1．概念：是指细胞在 条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解成为
的氧化产物，同时释放出 能量的过程。
2．场所：
3．无氧呼吸的过程：
葡萄糖的初步分解
C6H12O6
酶
2C3H4O3 +4 [H] +少量能量
（丙酮酸）
①
☆与有氧呼吸第一阶段相同
场所：细胞质基质
丙酮酸不彻底分解
场所：细胞质基质
②
C6H12O6
酶
2C3H4O3（丙酮酸）
酶
2C3H6O3（乳酸）
A.乳酸发酵

C6H12O6
2C3H4O3 （丙酮酸）
酶
2C2H5OH（酒精）
+ 2CO2 + 少量能量
B.酒精发酵
例：大多数植物、酵母菌,苹果储藏过久,植物水淹
例：高等动物、乳酸菌、高等植物的某些器官（马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚、骨骼肌供氧不足,无氧呼吸产生乳酸等）
4．无氧呼吸释放的能量：
在无氧呼吸中，葡萄糖氧化分解时所释放出的能量，比有氧呼吸释放出的要少得多。如1mol葡萄糖在分解成乳酸以后，共放出196.65kJ的能量，其中有61.08kJ的能量储存在 中，其余的能量都以 形式散失。能量利用率约为 左右。
(三)、无氧呼吸和有氧呼吸的比较
主要在线粒体内
细胞质基质
需氧
不需氧
葡萄糖彻底分解,产生
CO2、H2O
葡萄糖分解不彻底,产生
酒精或乳酸
释放大量能量,形成
大量ATP
释放少量能量,形成少量ATP(部分能量储存在产物中)
第一阶段的反应完全相同,并且都在细胞质基质
内进行
分解有机物,释放能量,形成,供生命活动需要
提问：
根据反应式中原料与产物之间的关系进行简单的化学计算，这类题目的难度不大。
规律1：消耗等量的葡萄糖时无氧呼吸与有氧呼吸所产生的二氧化碳摩尔数之比为1：3
规律2：产生等量的ATP时无氧呼吸与有氧呼吸消耗的葡萄糖摩尔数之比为19：1
规律3：释放等量的二氧化碳时无氧呼吸与有氧呼吸所消耗的葡萄糖摩尔数之比为3：1，转移到ATP中能量之比为1：6.8
规律4：有氧呼吸过程中能量转化率为1161/2870=40.5%
无氧呼吸产生酒精过程中能量转化率为61.08/225.94=27%
无氧呼吸产生乳酸过程中能量转化率为61.08/219.65=31.1%
9、生物体吸收的O2用于（ ）
A 在线粒体中合成CO2
B 在细胞质中与H结合生成水
C 部分形成CO2，部分 与[H]结合成水
D 在线粒体中与[H]结合成水
10、苹果内部腐烂时消耗一定量的葡萄糖可产生A摩尔CO2，其植物体叶片在正常生长时消耗同样数量的葡萄糖，可产生CO2（ ）
A A/3摩尔 B A/6摩尔 C 3A 摩尔 D 6A摩尔
D
C
11、把小白鼠和青蛙从约25度温室中移至5度的环境中，这两种动物的耗氧量会发生什么变化（ ）
A 两种动物的耗氧量都减少
B 两种动物的耗氧量都增加
C 青蛙的耗氧量增加，小白鼠的耗氧量减少
D 小白鼠的耗氧量增加，青蛙的耗氧量减少
12、人体剧烈运动时骨骼肌细胞呼吸作用的产物是（ ）
A CO2、H2O、酒精、ATP B H2O 、乳酸
C 乳酸、ATP D CO2、H2O、乳酸、ATP
D
D
13、人体吸入18O标记的氧气后，检验其体内代谢产物，可从下列中找到18O的是（ ）
A 丙酮酸 B CO2 C ATP D 尿液和汗液
14、人体内代谢终产物CO2形成的主要场所是（ ）
A 血浆内 B 肺泡 C 线粒体 D 细胞质基质
15、在呼吸作用过程中，有CO2放出，则可判断此过程（ ）
A 一定是无氧呼吸 B 一定是有氧呼吸
C 一定不是酒精发酵 D 一