第5章 细胞的能量供应和利用
第1、2节 降低化学反应活化能的酶
细胞的能量“通货”---ATP
1.细胞代谢：
就是活细胞中全部的化学变化的总称.是细胞生命活动的基础。
----------生物与非生物最本质的区别
一、酶在细胞代谢中的作用和本质
2.酶在细胞代谢中的作用----
3.酶的作用机理----
催化作用
降低化学反应的活化能
活化能：
是分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需的能量。
酶降低化学反应活化能
例如：H2O2水解，
无催化剂时需活化能4180KJ/mol；
用FeCl3催化时需活化能2594KJ/mol；
用过氧化氢酶催化时只需活化能46.5KJ/mol；

酶
来源
功能
化学本质
绝大多数是蛋白质，少数RNA也具有生物催化功能。
活细胞产生的
催化剂，降低化学反应的活化能。
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物
4、酶的本质
如何验证酶的化学本质？
4．酶的本质
绝大多数是蛋白质
少数是RNA
氨基酸
核糖核苷酸
核糖体
细胞核(真核生物)
一般来说，活细胞都能产生酶
细胞内、外或生物体外均可
如何验证酶的化学本质？
绝大多数的酶的化学本质是蛋白质，少数RNA也具有生物催化功能。人体内的酶的化学本质都是蛋白质。
2. 酶化学本质的实验验证
(1)证明某种酶是蛋白质
实验组：待测酶液+双缩脲试剂→是否出现紫色反应。
对照组：已知蛋白质液+双缩脲试剂→出现紫色反应。

(2)证明某种酶是RNA
实验组：待测酶液+吡罗红染液→是否呈现红色。
对照组：已知RNA溶液+吡罗红染液→出现红色。
知识拓展：
(1)证明酶是蛋白质的其它证据
①酶经酸、碱水解后的最终产物是氨基酸。
②酶是具有空间结构的生物大分子，凡是能使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活。
③酶和蛋白质一样，具有不能通过半透膜的胶体性质。
④酶也有蛋白质所具有的化学呈色反应。
⑤与蛋白质的分子量相似，结构相似。
⑥在物理、化学因素的作用下，也可变性沉淀。
⑦做元素分析，与蛋白质的元素含量相似，可以用氨基酸人工合成。
(2)证明酶是RNA的其它证据
将某种酶液用核糖核酸酶处理，根据酶液是否被水解予以判断。
对照实验：
除一因素外，其余因素均保持一致的实验。
变量：
实验过程中的可变化的因素。
自变量：
实验过程中人为改变的变量。
因变量：
随自变量变化而改变的变量。
无关变量：
除自变量外，实验过程中可能还存在一些
可变因素，对实验结果造成影响。
对照组：
也称控制组，不接受变量处理。
实验组：
接受变量处理的对象组。
实验组和对照组的差异，可认定是来自实验变量的效果。
1．空白对照
指不做任何实验处理的对象组。
例如，在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验的变化和结果，增强了说服力。
2．自身对照
指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。
如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。 。
3．条件对照
指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。
例如，“动物激素饲喂小动物”实验，采用等组实验法，其实验设计方案是：
甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）；
乙组：饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组）；
丙组：不饲喂药剂（空白对照组）。
显然，乙组为条件对照，该实验既设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照，更能充分说明实验变量——甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。
4．相互对照
指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照，在等组实验法中，大都是运用对照。
如“植物的向性”的等组实验中，5个实验组所采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。
动植物在代谢过程中会产生H2O2（双氧水，有腐蚀性），对机体是有毒的。肝脏有解毒的功能---新鲜肝脏含有大量的过氧化氢酶，可以催化H2O2迅速分解成H2O和O2，从而达到解毒的目的。Fe3+也可催化H2O2分解成H2O和O2。
比较过氧化氢在不同条件下的分解速率
加热或久置H2O2也会分解成H2O和O2。
比较过氧化氢在不同条件下的分解速率
2滴清水常温
2滴清水90℃热水浴
2滴FeCl3
2滴肝脏研磨液
不明显
少量
较多
大量
不复燃
不复燃
变亮
复燃
1.酶的催化效率比无机催化剂的显著。
对照组
实验组
2.酶在生物体内外，细胞内外均可发挥作用。
3.酶只能催化那些在没有酶的情况下也可发生的反应。
实验分析：
1、对照组和试验组比较能得出什么结论？3号试管和4号试管比较能得出什么结论？
2、加热为什么可促进过氧化氢分解？
加热使过氧化氢分子得到能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。
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。
3、在细胞内，能通过加热来提高反应速率吗？
4、氯化铁、过氧化氢酶促进分解，是否也提供能量？
不是，只是降低了活化能
特别提示：
（1）要求用新鲜肝脏，因其内H2O2酶的含量及活性较高。（除肝脏研磨液外，其他的生物材料中也含过氧化氢酶）
（2）实验使用的肝脏研磨液，可以加大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）滴加氯化铁溶液和肝脏研磨液不能用同一支试管。
（4）注意安全，过氧化氢具有一定的腐蚀性，不要溅到皮肤上，如果不慎溅到皮肤上要及时用清水清洗。
酶和无机催化剂的比较：
共性：
（1）只降低化学反应的活化能，改变反应的速率。
（2）不改变化学反应的平衡点，反应前后催化剂本身无发生改变。

不同点（酶的特性）：
（1）高效性；（2）专一性；
（3）酶的作用条件较温和（易受温度，PH值，活化剂或抑制剂等的影响）；
1、酶具有高效性
比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率
事实上，酶的催化效率一般是无机催化剂的————————倍。
—保证了细胞内化学反应的顺利进行、能量供应的稳定。
107 ～1013
二.酶的特性
每一种酶只能催化 化学反应。
细胞代谢能够有条不紊地进行，与酶的
是分不开的。
2、酶具有专一性
一种或一类
4000
专一性
目前发现的酶有 多种,它们分别催化不同的化学反应。
3.酶需要适宜的条件：
温度
PH
最适温度
v/mmol.s-1
t/℃
0
酶的活性受温度的影响
1.温度
酶活性：酶对化学反应的催化效率。
在最适温度的两侧，反应速率都比较 ；较高的温度容易使酶的 遭到破坏而失去 。
低
空间结构
活性
每种酶都有自己的__________
最适温度
“低温失活可复活”
低温不会破坏酶的分子结构，故酶适合在低温下保存。
在一定温度范围内，随温度的升高，酶的催化作用增强，
超过最适温度，酶的催化作用逐渐减弱
2. PH值
最适PH值
v/mmol.s-1
0
酶的活性受PH值的影响
最高
在过酸过碱的条件下，都会使酶的__________ 遭到破坏而失去______。
空间结构
活性
在最适PH时，酶的催化作用最强，
高于或低于最适PH，酶的催化作用都将减弱。
反应溶液PH的变化不影响酶作用的最适温度，反之亦然。
影响酶促反应的因素常有：酶的浓度、底物浓度、PH、温度、抑制剂、激活剂等。
（1）在其他条件适宜、酶量一定的情况下，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。
探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
原理：
1.淀粉和蔗糖都是非还原性糖，麦芽糖、葡萄糖、果糖均属还原性糖。
2.淀粉在酶的催化作用下能水解为麦芽糖和葡萄糖。
蔗糖在酶的催化作用下能水解为葡萄糖和果糖。
3.还原性糖能够与斐林试剂发生氧化还原反应，生成砖红色的沉淀。
现在给你淀粉酶溶液，要观察淀粉酶能催化哪种糖水解，应该如何设计这个实验？你又怎么知道淀粉酶催化了糖的水解呢？
加入淀粉酶2滴，振荡，试管下半部浸入60℃左右的热水中，反应5min
2号试管中加入2mL
蔗糖溶液
加入斐林试剂
振荡
约60℃水浴2min
1号试管中加入2mL
淀粉溶液
蓝色
无变化
棕色
砖红色沉淀
淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解。
探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
1号试管
2号试管
3号试管
加入淀粉酶2滴，振荡
试管各加入2mL淀粉溶液
蓝色
保持0℃冰水中反应约5min
加热至100℃，反应约5min
加热至60℃，
反应约5min
各加入两滴碘液
振荡
无明显现象
只有在一定温度下酶的催化效率最好
蓝色
探究温度对淀粉酶活性的影响
1号试管
2号试管
3号试管
试管各加入2mL过氧化氢溶液
无明显变化
pH＝7
pH=12
pH＝2
各加入几滴过氧化氢酶溶液，2—3min后将点燃的卫生香分别放入试管中
只有在适合的pH下酶的催化效率最好
复燃
无明显变化
探究pH对过氧化氢酶活性的影响
特别提示：合理选择检测剂
（1）若反应物选择淀粉和蔗糖，酶溶液为淀粉酶，验证酶的专一性，检测反应物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂，不能选用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否被水解。
（2）若选择淀粉和淀粉酶，探究酶的最适温度，检测反应物是否被分解的试剂宜选用碘液，不能选用斐林试剂，因为斐林试剂需水浴加热，而该实验中需严格控制温度。
1．表示酶高效性的曲线
(1)催化剂可加快化学反应速率，与无机催化剂相比，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．表示酶专一性的曲线
(1)在A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A参加反应。
(2)在A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A参加反应。

3．影响酶活性的曲线
(1)甲、乙曲线表明：
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，酶的催化作用逐渐减弱。
②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。
(2)从丙图可以看出：反应溶液pH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

(1)甲图：在其他条件适宜、酶量一定的情况下，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)乙图：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。
规律总结：①温度和pH是通过影响酶活性而影响酶促反应速率的。
②底物浓度和酶浓度是通过影响底物与酶的接触而影响酶促反应的速率，并不影响酶的活性。
③分析此类曲线时首先要弄清横坐标纵坐标表示的意义，其次再分析影响该曲线的因素有几个，一般情况下，曲线未达到饱和时，影响因素是横坐标的因素，达到饱和稳定状态后限制因素是除横坐标因素之外的其它因素。
（1）产生场所：活细胞
（2）作用场所：细胞内外均可发挥作用。
（3）化学本质：绝大多数酶是蛋白质，少数RNA也有生物催化功能。
（4）酶只起催化作用。（高效性，专一性）
（5）酶的作用条件较温和（易受温度，PH值，活化剂或抑制剂等的影响）；
——高温，PH过高或过低都会破坏酶的空间结构，造成不可逆的失活。 “低温失活可复活”
关于酶的知识点总结：
3、(2010海南)为探究NaCl和CuSO4对唾液淀粉酶活性的影响，某同学进行了实验，实验步骤和结果见表。请回答：
（1）实验中加入缓冲液的作用是 。
维持反应液中pH的稳定
（2）分析实验结果可知：对酶活性有影响的离子是＿＿＿＿＿＿＿，其中对酶活性有抑制作用的离子是 ＿ ，对酶活性有促进作用的离子是＿ 。
Cl-和Cu2+
Cu2+
Cl-
（3）该实验中设置4号试管的目的是＿＿＿＿＿＿＿；设置3号试管的目的是 。
对照
确定Na+ 和SO42-对唾液淀粉酶催化活性是否有影响
（4）上述实验中若用斐林试剂代替碘溶液进行检测，1～4号试管中的颜色依次是 。
根据上述实验结果，在操作过程中，保温之前不能加入斐林试剂，其原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
深砖红色、无砖红色（或蓝色）、浅砖红色、浅砖红色
斐林试剂中有Cu2+，其可抑制唾液淀粉酶的活性
在生命系统中
主要的能源物质：
最终（或最初）的能量来源：
主要的贮能物质：
糖类
脂肪
太阳能
生物体的能源物质：
糖类、脂肪、蛋白质
生物体的储能物质：
脂肪、糖原（动物）、淀粉（植物）
直接能源物质：
ATP
细胞绝大多数的生命活动所需能量由ATP直接提供。
直接供能物质还有三磷酸胞苷(CTP)、三磷酸鸟苷(GTP)、三磷酸尿苷(UTP)。
一.ATP分子中具有高能磷酸键
3、ATP的结构简式:
A-P~P~P
ATP的结构
核糖
~
~
腺嘌呤
A:腺苷(腺嘌呤核苷)
P:磷酸基团
~:高能磷酸键（储存大量能量）
T:三
1、ATP的中文全称：三磷酸腺苷
(30.54KJ/mol)
ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物（一般将水解时，
能释放能量在20.92kJ／mol以上的化合物称高能化合物）
2、化学式：C10H16O13N5P3
腺苷
新陈代谢与ＡＴＰ
A
P
P
P
AMP
ADP
ATP
普通磷酸键
ＡＴＰ
腺嘌呤
三磷酸腺苷与腺嘌呤核苷酸的区别：
ATP
腺嘌呤核苷酸
(AMP)
ATP的化学性质很不稳定。在有关酶的催化下， 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(二磷酸腺苷)。
+
A-P~P
A-P~P P
~
P
ATP
ADP
Pi(磷酸)
能量
+
酶
细胞分裂、营养物质吸收
神经传导、生物电、肌肉收缩
离A最远的高能键
二.ATP和ADP可以相互转化
ATP
ADP +Pi
+能量
1、转化过程
能量的储存
能量的释放
2、ADP转化成ATP时所需能量的主要来源
动物和人等
绿色植物
能量
呼
吸
作
用
呼
吸
作
用
光
合
作
用
ADP +Pi+
ATP
酶
动物、人等:通过呼吸作用分解有机物释放的能量
绿色植物:呼吸作用和光合作用
1.对动物和人体内来说，主要来自呼吸作用。（或C~P即磷酸肌酸转化而来）
2.绿色植物主要来自呼吸作用和光合作用。
ADP转化成ATP所需的能量的根本来源是光能。
3.硫细菌、硝化细菌、铁细菌等微生物除呼吸作用，还有化能合成作用（氧化分解其周围的物质）提供能量。
ADP转化ATP的能量来源：
磷酸肌酸如ATP一样也属于高能化合物，但磷酸肌酸分解释放的能量不能直接供给生命活动的需要，而只能在ATP因大量消耗而过分减少时，磷酸肌酸分解释放出所储存的能量，供ADP合成ATP，再由ATP分解释放的能量才能直接供生命活动利用。因此ATP是生命活动的直接能源。　
磷酸肌酸→肌酸+Pi+能量
　　　　　　　　　　↓
　　　　　　　　　　ADP +Pi+能量→ATP
ATP
机械能
热能
渗透能
电能
光能
转
化
为
化学能
含羞草受到刺激小叶合拢是由于复叶基部叶枕中的细胞紧张引起的，不消耗ATP。
（如肌细胞收缩）
（如维持体温）
（如主动运输）
（如用于大脑思考、电鳐放电）
（如萤火虫发光）
（如葡萄糖和果糖合成蔗糖）
4.下面为绿色植物体内ATP与ADP的相互转换式

请回答：
（1）A代表 ，P代表 ，~代表 ，Pi代表 。
（2）当反应从左向右进行时，释放的能量供给 ；当反应从右向左进行时，所需要的能量来源于 和 。
ATP ADP+P i+能量
腺苷
磷酸基团
高能键
磷酸
各种生命活动
呼吸作用
光合作用
5、ATP与ADP的转化及ATP的形成与水解
细胞质基质和线粒体
细胞呼吸
光合作用
磷酸肌酸水解
骨骼肌细胞
可利用的能量
ADP+Pi

ATP
叶绿体
能量
合成酶
水解酶
物质运输
物质合成
细胞分裂
肌肉收缩
神经传导
生物电
·
·
·
形成场所
生理过程
ATP的形成和水解
生命过程
2．ATP合成与水解的比较
ADP＋Pi＋能量
ATP（+水）
ATP ADP＋Pi
＋能量
ATP合成酶
ATP水解酶
光能(光合作用)， 化学能(细胞呼吸)
储存在高能磷酸键中的能量
储存于形成的高能磷酸键中
用于各项生命活动
细胞质基质、线粒体、叶绿体
生物体的需能部位
其一，ATP的化学性质不稳定，远离A的高能磷酸键容易断裂。(储能只是暂时的）----“通货”
其二，ATP在生物体内不能大量储存，是ATP与ADP迅速转化的主要原因。
其三，ATP的转化和形成十分迅速，从而使细胞中的ATP总是处于一种动态平衡。保证了生命活动的顺利进行。（也是细胞中ATP含量不会下降为0的原因。）
注意：ATP与ADP的相互转化，“物质是可逆的，能量是不可逆的，而且所需的酶、进行的场所也是不同的。”
ATP与ADP的相互转化的原因和生理功能
ATP与ADP间的转化过程不是可逆反应的原因：
1、反应时间不同：细胞中能量供应充足时，更多地发生ATP的合成反应；（物质的合成反应耗能）
2、反应场所不同：ATP合成的场所是细胞质基质、线粒体和叶绿体；而ATP分解发生在需要ATP供能的地方，范围广。3、能量来源不同：ATP水解释放的是储存在高能磷酸键内的化学能，被各项生命活动所利用；而合成ATP的能量主要来自有机物分解释放的化学能和光合作用中吸收的太阳能。4、反应性质不同：ATP的分解为水解反应，催化该反应的酶属于水解酶；酶具有专一性，因此反应条件不同。
ATP
三.ATP的利用
热能形式的散失
1、(2010高考四川卷) 某同学感冒发热39°C，伴有轻度腹泻。与病前相比，此时该同学的生理状况是
A、呼吸、心跳加快，心肌细胞中ATP大量积累。
B、汗液分泌增多，尿量减少，血浆Na+浓度降低
C、甲状腺激素分泌增多，代谢增强，产热量增加
D、糖元合成增强，脂肪分解加快，尿素合成增多
C
解析：发热后，呼吸、心跳会加快，但心肌细胞中ATP不会大量积累， ATP在细胞内储量很少，但ATP与ADP在不断转化中 ，以保证能量的不断供应，A错；发热又轻度腹泻，汗液分泌增多，尿量减少，血浆中钠离子不会降低。发热时，甲状腺激素分泌增多，导致代谢增强，产热量增加。发热时，代谢增强，加上轻度腹泻，糖元合成不会增强，D错。
第5章 细胞的能量供应和利用
第3节 ATP的主要来源----细胞呼吸
“呼吸”和“细胞呼吸”有什么区别？
“呼吸”是指生物体或细胞吸入氧气和呼出二氧化碳的过程，而“细胞呼吸”是指细胞内有机物分解释放能量的过程。
“呼吸”是“细胞呼吸”的前提和基础，没有呼吸过程吸入的氧气，就不能进行细胞呼吸（有氧呼吸）；而“细胞呼吸”是“呼吸”的继续。
细胞呼吸=呼吸作用
一、细胞呼吸
概念：
实质：
氧化反应（包括有氧呼吸和无氧呼吸）
特征：
1、温和条件下逐步进行
2、需酶的作用
3、能量逐步释放
4、没有剧烈的发光发热现象
呼吸作用是生物体活细胞中有机物的氧化分解、释放能量并且生成ATP的过程。又叫生物氧化。
二、呼吸作用的类型
（一）有氧呼吸
（二）无氧呼吸
细胞在O2的参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物彻底氧化分解，产生出CO2和H2O，同时释放出大量能量的过程。
细胞在无O2的参与下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解为不彻底的氧化产物（酒精和CO2 或乳酸)，同时释放出少量能量的过程。
在低氧条件下，有氧呼吸和无氧呼吸都可进行。
（一）有氧呼吸的过程（3个阶段）
葡萄糖的初步分解
C6H12O6
酶
+4[H] +少量能量（2ATP)
场所：细胞质基质
①
丙酮酸彻底水解
酶
6CO2+20[H] +少量能量(2ATP)
场所：线粒体基质
②
[H]的氧化
酶
12H2O+大量能量(34ATP)
场所：线粒体内膜
③
24[H] + 6O2
+6H2O
2C3H4O3
2C3H4O3
总反应式：
C、H、O的元素去向：
C：
H：

O：
H2O →
O2 →
C6H12O6 →
C6H12O6 →
H2O →
丙酮酸→
[H] →
C6H12O6
丙酮酸→
CO2
[H] →
H2O
H2O
[H] →
H2O
H2O
丙酮酸→
CO2
CO2
[H]
2分子丙酮酸
CO2
释放少量能量，形成少量ATP
H2O
线粒体不能直接利用葡萄糖
有氧呼吸三个阶段的比较
细胞质基质
1葡萄糖
2丙酮酸、4[H]
少量2ATP
2丙酮酸、6H2O
6CO2、20[H]
少量2ATP
24[H]、6O2
12H2O
大量34ATP
☆与有氧呼吸第一阶段相同
葡萄糖的初步分解
C6H12O6
酶
+4[H] + 少量能量
场所：细胞质基质
①
（2ATP）
（二）无氧呼吸的过程
2C3H4O3
只有第一阶段释放能量
丙酮酸不彻底分解
场所：细胞质基质
②
酶
2C3H6O3(乳酸)
A.乳酸
例：高等动物、乳酸菌、泡菜、酸菜、高等植物的某些器官（马铃薯块茎、甜菜块根等）
2C2H5OH(酒精)
+2CO2
B.酒精
例：大多数植物、酵母菌、苹果、梨、水稻。
酶
2C3H4O3
2C3H4O3
取决于酶的种类
为什么陆生植物不能长期被水淹？
酒精对细胞有毒害作用
发酵：微生物在缺氧条件下的呼吸。
+4[H]
+4[H]
无氧呼吸产生酒精的释放的能量比产生乳酸的多
细胞质基质、线粒体（主要）
全部在细胞质基质
需氧、酶等
不需氧、需酶
较 多
较 少