内容正文:
第5章 细胞的能量和利用(知识清单)
学习导航站
知识主脉络:可视化思维导图,建立知识框架
核心知识库:重难考点总结,梳理必背知识、陷阱规避
第1节 降低化学反应活化能的酶(2个考点)
考点1 酶的作用和本质★★☆☆☆
考点2 酶的特性★★☆☆☆
第2节 细胞的能量“货币”ATP(2个考点 )
考点1 ATP是一种高能磷酸化合物★★★☆☆
考点2 ATP与ADP的相互转化与ATP的利用★★★★☆
第3节 细胞呼吸的原理和应用(4个考点 )
考点1 细胞呼吸的方式★★★☆☆
考点2 有氧呼吸★★★★☆
考点3 无氧呼吸★★★★☆
考点4 细胞呼吸原理的应用★★★★☆
第4节 光合作用与能量转化(2个考点 )
考点1 捕获光能的色素和结构★★★☆☆
考点2 光合作用的原理和应用★★★★☆
(星级越高,重要程度越高)
素养加油站:跨学科内容与热点问题分析、聚焦考点预测
方法储备库:高频考点,方法归纳
第1节 降低化学反应活化能的酶
考点1 酶的作用和本质★★☆☆☆
1、新陈代谢:是活细胞中全部化学反应的总称,是生物与非生物最根本的区别,是生物体进行一切生命活动的基础。
2、细胞代谢:细胞中每时每刻都进行着的许多化学反应。
3、酶:是活细胞(来源)所产生的具有催化作用的一类有机物。
4、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。
5、酶的本质:大多数酶是蛋白质(合成酶的场所主要是核糖体,水解酶的酶是蛋白酶),少数是RNA。
6、酶的作用原理
①表示无酶催化时反应进行所需要的活化能是AC 段。
②表示有酶催化时反应进行所需要的活化能是BC 段。
③表示酶降低的活化能是A B段。
科学方法—归纳法
考点2 酶的特性 ★★☆☆☆
1、高效性
①含义解读:与无机催化剂相比,酶的催化效率更高。
②作用实质:酶和无机催化剂一样,只能缩短到达化学平衡所需要的时间,不能改变化学反应的平衡点。因此,酶不能改变最终生成物的量。
2、 酶具有专一性,
即每种酶只能催化一种或一类化学反应,使细胞代谢可以有条不紊的进行。
3、作用条件较温和
(1)曲线解读:在最适宜的温度和pH条件下,酶的活性最高;高温、过酸、过碱等条件会使酶的空间结构遭到破坏而永久失活;低温条件下酶的活性很低,但空间结构稳定。
(2)酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的,即在最适温度和pH条件下,酶的活性最高。温度和pH偏高或偏低,酶活性都会明显降低。胃蛋白酶的最适pH为1.5,小肠液的pH为7.6,胃蛋白酶随食糜进入小肠后不能 发挥作用,原因是小肠液pH为7.6,胃蛋白酶活性大大下降甚至失活,不再发挥作用。
特别提醒
1、过酸、过碱、温度过高 均会使酶变性失活,蛋白质的空间结构会受到破坏且不可恢复(可恢复,不可恢复),从而失去催化活性。酶制剂适于在低温下保存。
2、一般情况下,动物体内酶的最适温度是 35 -40℃,植物体内酶的最适温度是40-50℃。
3、动物体内的酶最适pH大多在6.5-8.0之间,但也有例外,如胃蛋白酶的最适pH为1.5,植物体内的酶最适pH大多在 4.5-6.5之间。
第2节 细胞的能量“货币”ATP
考点1 ATP是一种高能磷酸化合物★★★☆☆
1、ATP的结构简式:
(1)ATP是腺苷三磷酸的英文缩写,结构简式:A-P~P~P(A代表腺苷,P代表磷酸基团,~代表特殊化学键,-代表普通化学键。)
(2)注意:ATP的分子中的特殊化学键中储存着大量的能量,所以ATP被称为高能磷酸化合物。这种高能磷酸化合物的化学性质不稳定,在水解时,一般是远离腺苷的特殊化学键断裂,释放出大量的能量。
(3)功能:ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
(4).ATP中末端磷酸基团容易脱离下来的原因是由于相邻的两个磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因,使得这种化学键不稳定,末端的磷酸基团容易离开与其他分子结合,说明它具有较高的转移势能。ATP是一种高能磷酸化合物的原因是1molATP水解释放的能量高达30.54KJ。
考点2 ATP与ADP的相互转化与ATP的利用★★★★☆
(1).细胞内的ATP和ADP间的相互转化 不是 可逆反应,物质可 逆,能量 不
可 逆。
(2).ATP在细胞内的含量少 ,与ADP之间的转化迅速 ,其含量处于动态平衡之中,ATP含量降为0即意味着细胞的死亡 。
(3).ADP转化成ATP时所需能量的主要来源:在动物、人、真菌和大多数细菌细胞内主要来自呼吸作用所释放的能量,在绿色植物细胞内来自光能以及呼吸作用所释放的化学能,因而细胞内能产生ATP的结构有细胞质基质、线粒体和叶绿体。细胞呼吸不是 ATP的全部来源。
(4).细胞中绝大多数 需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量的。
(5).吸能反应一般与ATP水解 反应相联系,由ATP提供能量;放能反应一般与
ATP的合成 相联系,释放的能量储存在ATP中,例如蛋白质的合成属于吸能反
应,葡萄糖的氧化分解属于放能反应。能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间流通,因
此把ATP比喻成细胞内流通的能量货币。
(6).ATP水解释放的化学能能可转化为光能、电能、渗透能、热能、机械能,供细胞直接利用,
(7).ATP与ADP相互转化的能量供应机制,在所有生物的细胞内都是一样的,这体现了生物界的统一性。
(8).参与主动运输的载体蛋白也是一种能催化ATP水解的酶,被运输的物质,(如某些离子)与载体蛋白的相应位点结合时,其酶的活性将被激活 ,ATP分子的末端磷酸基团脱离下来与载体蛋白结合,这一过程伴随能量的转移,被称为载体蛋白的磷酸化,这将导致载体蛋白的空间结构发生变化,使被运输物质(如某种离子)的结合位点转向膜的另一侧,将该的质运到膜的另一侧。
(9)ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化,这些分子磷酸化后,可以参与各科化学反应的原因:这些分子磷酸化后空间结构发生变化,活性也发生了改变。
特别提醒
1.萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶。荧光素接受ATP提供的能量后就被激活,在酶的催化下发生化学反应,由化学能变成光能,萤火虫发光的生物学意义主要是相互传递求偶信号,以便交尾、繁衍后代。
2.ATP与葡萄糖都是能源物质,请概括ATP与葡萄糖具有的不同特点:ATP分子中含有的化学能虽然比较少,但比较活跃;葡萄糖中含有的稳定的化学能只有转化为ATP分子中活跃的化学能,才能被细胞利用。。
第3节 细胞呼吸的原理和应用
考点1 细胞呼吸的方式★★★☆☆
1、呼吸作用(细胞呼吸):指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解,最终生成二氧化碳或其它产物,释放出能量并生成ATP的过程。根据是否有氧参与,分为:有氧呼吸和无氧呼吸。
2、有氧呼吸:指细胞在有氧的参与下,通过多种酶的催化作用下,把葡萄糖等有机物彻底氧化分解,产生二氧化碳和水,释放出大量能量,生成ATP的过程。
3、无氧呼吸:一般是指细胞在无氧的条件下,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、CO2或乳酸),同时释放出少量能量的过程。
4、发酵:微生物(如:酵母菌、乳酸菌)的无氧呼吸。(两种:酒精发酵和乳酸发酵。)
考点2 有氧呼吸★★★★☆
1. 呼吸作用的实质是细胞内的有机物氧化分解,并释放能量的过程,因此也叫细胞呼吸,其中有氧呼吸是高等动植物细胞呼吸的主要形式,场所是细胞质基质和线粒体,最常利用的物质是葡萄糖。
2.有氧呼吸的过程:
第一阶段:1分子葡萄糖分解成2分子丙酮酸,产生少量的[H],并释放少量能量。
场所:细胞质基质。
第二阶段:丙酮酸 和水彻底分解成二氧化碳和[H]并释放少量的能量
场所:线粒体基质
第三阶段:[H]和氧结合生成水并释放大量的能量
场所:线粒体内膜
总反应式: C6H12O6+6O2+6H20 -酶→ 6CO2 +12H2O +能量
①C02的生成在第二阶段,O2参与反应在第三阶段,大量能量的释放在第三阶段;H20参与反应在第二阶段,H2O的生成在第三阶段。产物H2O中的0全部来自氧气,H来自葡萄糖和水,CO2中的0来自葡萄糖和水,C来自葡萄糖。
②1mol葡萄糖彻底氧化分解释放2870KJ能量,可以使977.28KJ左右的能量储存在ATP中,大约使 32molADP转化为ATP,有氧呼吸产生的能量大多数 以热能的形式散失。
考点3 无氧呼吸★★★★☆
(1)无氧呼吸的总反应式:酶
酒精型: C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+ 2CO2 + 少量能量
乳酸型: C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+ 少量能量酶
酶
注意:大部分储存在乳酸或者酒精中;‘释放出来的能量:大部分以热能的形式散失,少部分用于合成ATP
(2)无氧呼吸的场所是细胞质基质。
(3)无氧呼吸的过程:第一阶段与有氧呼吸相同,第二阶段丙酮酸在不同酶的催化作用下,分解成酒精和二氧化碳或转化成乳酸。无氧呼吸都只在第一 (一、二)阶段释放出少量的能量,生成少量ATP。葡萄糖分子中的大部分能量则存留在酒精或乳酸中。
(4)无氧呼吸产生乳酸的生物有乳酸菌、马铃薯块茎、玉米的胚、甜菜块根、动物的某些细胞无氧呼吸(乳酸菌、酵母菌、马铃薯块茎、玉米的胚、甜菜块根、动物的某些细胞无氧呼吸、玉米的根);无氧呼吸产生酒精的生物有酵母菌、 高等植物的某些器官等。
特别提醒
1. 呼吸作用产生的[H]是氧化型辅酶INAD+ 转化成还原型辅酶INADH ,光合作用会发生氧化型辅酶II NADP+ 与电子和质子(H+)结合,形成还原型辅酶II NADPH 的过程。
2.1mol葡萄精在分解成乳酸以后释放出196.65kJ 的能量,其中只有61.08kJ的能量储存在ATP中,近69%的能量都以 热能的形式散失。人体肌细胞无氧呼吸产生的乳酸能在肝脏中再次转化成葡萄糖。
3.酵母菌、乳酸菌等微生物的无氧呼吸也叫作发酵催化反应的酶不同。不同生物无氧呼吸的产物不同的直接原因是 遗传信息不同。
4.与燃烧迅速释放能量相比,有氧呼吸是逐步释放能量的,这对于生物体来说其意义是保证有机物中的能量得到最充分的利用,主要表现在可以使有机物中的能量逐步地转移到ATP中,同时能量缓慢有序的释放,有利于维持细胞的相对稳定性。
考点4 细胞呼吸原理的应用★★★★☆
1、影响呼吸作用的因素:
(1)温度:温度通过影响细胞内与呼吸作用有关的酶的活性来影响细胞的呼吸作用。温度过低或过高都会影响细胞正常的呼吸作用。在一定温度范围内,温度越低,细胞呼吸越弱;温度越高,细胞呼吸越强。
(2)氧气:氧气充足,则无氧呼吸将受抑制;氧气不足,则有氧呼吸将会减弱或受抑制。
(3)水分:一般来说,细胞水分充足,呼吸作用将增强。但陆生植物根部如长时间受水浸没,根部缺氧,进行无氧呼吸,产生过多酒精,可使根部细胞坏死。
(4)CO2:环境CO2浓度提高,将抑制细胞呼吸,可用此原理来贮藏水果和蔬菜。
2、呼吸作用在生产上的应用:
(1)、作物栽培时,要有适当措施保证根的正常呼吸,如疏松土壤等。
(2)、粮油种子贮藏时,要风干、降温,降低氧气含量,则能抑制呼吸作用,减少有机物消耗。
(3)、水果、蔬菜保鲜时,要低温或降低氧气含量及增加二氧化碳浓度,抑制呼吸作用。
第4节 光合作用与能量转化
考点1 捕获光能的色素和结构★★★☆☆
1.捕获光能的色素:
①分布:叶绿体类囊体薄膜上。
②功能:吸收、 传递、转化光能。
③种类:叶绿素(含Mg)含量约占3/4;叶绿素a(蓝绿色)和叶绿素b(黄绿色);类胡萝卜素含量约占1/4,胡萝卜素(橙黄色)和叶黄素(黄色)
2.叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。绿色植物对绿光的吸收最少,被反射出来,所以叶片呈现绿(绿、黄)色。(光合作用的最有效光是白光,其次是蓝紫光和红光,最无效光是绿)。光是一种电磁波。可见光的波长范围大约是400-760nm。一般情况下,光合作用所利用的光是可见光。温室或大棚种植蔬菜时,应选择无色透明的玻璃或塑料薄膜,如果用同等光照强度的光源在夜间补充光照应选用 蓝紫光或红光,不能用绿色的光源,原因是.绿光几乎不能被光合色素吸收,不利于光合作用合成有机物。
3.绿色植物光合作用的场所是叶绿体, 有关酶分布于基粒的类囊体薄膜上及基质中, 叶绿体中每个基粒都含有两个以上的类囊体,众多的基粒和类囊体增大了受光面积,这种结构必需借助电子显微镜才能看到。
4.实验:色素的提取和分离
(1)提取原理:色素能够溶解在无水乙醇中
(2)分离原理:不同色素在层析液的溶解度不同,溶解度越高的随滤纸条扩散的速度越快
(3)分离的方法:纸层析法
考点2 光合作用的原理和应用★★★★☆
1、 叶绿体的功能:叶绿体是进行光合作用的场所。在类囊体的薄膜上分布着具有吸收光能的光合色素,在类囊体的薄膜上和叶绿体的基质中含有许多光合作用所必需的酶。
2、光合作用
(1)光反应阶段:
①部位:叶绿体类囊体薄膜 。
②条件:光、光合色素、酶、ADP、 Pi、H,0、NADP+等。
③过程:
1)水的光解: 2H20→ 4H+ + 02 + 4e- ,
2)NADPH的形成: NADP+ + H+ +2e- -酶→NADPH
3)ATP的形成: ADP+Pi+ 能量 -酶→ATP
④能量变化: 光能→ATP和NADPH中活跃的化学能。
(2)暗反应阶段也称碳反应阶段或卡尔文循环。
①部位:叶绿体基质。
②条件:酶、 ATP、 NADPH、 C3、CO2等。
③过程: CO2的固定 :CO2+ C5→2C3 。
C3的还原:2C3→(CH20) +C5。
CO2的固定需要(需要、不需要)酶,C3接受 ATP和NADPH(ATP、NADPH、ATP和NADPH)释放的能量,并且被 NADPH还原,在酶的作用下经过一系列的反应转化成(CH2O)即糖类,另一些C3接受能量经过一系列变化,形成 C5。
④能量变化: ATP、 NADPH中活跃的化学能-→有机物中稳定的化学能,氧气的产生和糖类的合成不是 同一个化学反应。
⑤ 碳的转移途径:CO2→三碳化合物→糖类; 氧气中氧元素来自水。
3、光合作用的应用:
(1)、光合作用强度:简单地说,就是指在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)、呼吸速率:绿色植物组织在黑暗条件下,测得的实验容器中02的减少量或CO2的增加量。
(3)、真正(总)光合速率:绿色植物组织在有光条件下进行光合作用消耗CO2或产生02的量。
(4)、净(表观)光合速率:绿色植物组织在有光条件下,光合作用与细胞呼吸同时进行时,测得的实验容器中02的增加量或CO2的减少量。
(5)、净光合速率 =真正(总)光合速率 — 呼吸速率
4、影响光合作用的外界因素主要有:
(1)、光照强度:在一定范围内,光合速率随光照强度的增强而加快,超过光饱合点,光合速率反而会下降。
A点:光照强度为0,只进行呼吸作用
AB段:光合速率<呼吸速率
B点:光合速率=呼吸速率 【光补偿点】
BC段:光合速率>呼吸速率
C点:光合作用达到最大
【C点对应光照强度为光饱和点】
(2)、温度:温度可影响酶的活性。
(3)、二氧化碳浓度:在一定范围内,光合速率随二氧化碳浓度的增加而加快,达到一定程度后,光合速率维持在一定的水平,不再增加。
(4)、水:光合作用的原料之一,缺少时光合速率下降。
(5)、矿质元素:Mg参与叶绿素的形成
5、光合作用的应用:
(1)、适当提高光照强度。
(2)、延长光合作用的时间。
(3)、增加光合作用的面积------合理密植,间作套种。
(4)、温室大棚用无色透明玻璃。
(5)、温室栽培植物时,白天适当提高温度,晚上适当降温。
(6)、温室栽培多施有机肥或放置干冰,提高二氧化碳浓度。
特别提醒
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物氧化时所释放的能量来制造有机物,这种合成作用,叫做化能合成作用,这些细菌也属于自养生物。(如:硝化细菌)
1、 前沿科学动态
可能考查新型酶的发现及作用机制,如某些极端环境微生物体内特殊酶的特性和功能,分析其适应极端环境的原因。还可能涉及酶的定向进化技术,让考生根据相关信息,解释通过该技术改造酶的活性、稳定性等特性的原理。也可考查细胞呼吸过程中关键酶的调控机制,如磷酸果糖激酶1对细胞呼吸速率的调节。也可能涉及线粒体动态变化与细胞呼吸的关系,如线粒体碎片化现象对有氧呼吸的影响,或者考查蓝细菌中特殊光合作用结构的功能,分析其与高等植物光合作用的异同。还可能涉及光呼吸的调控机制,要求考生根据相关研究,阐述降低光呼吸对提高作物产量的意义。
考点预测:1.细胞呼吸的调控机制
2.线粒体自噬与疾病
3.光驱动人工细胞的构建
二、热点问题分析
考查某些疾病中酶活性的变化,如帕金森病与相关酶活性异常的关系,分析通过调节酶活性治疗疾病的原理和方法。还可能涉及酶在疾病诊断和治疗中的应用,如以某种酶为标志物进行疾病诊断,或利用酶的催化作用设计药物。结合水果保鲜、粮食储存等实际问题,考查氧气浓度、温度等因素对细胞呼吸的影响,让考生分析相应的保鲜和储存措施。也可能结合农业生产,考查中耕松土等措施对植物根系细胞呼吸的作用。以农作物增产为背景,考查光照强度、二氧化碳浓度等对光合作用的影响,要求考生设计合理的农业生产措施来提高光合效率。还可能涉及基因工程技术对农作物光合作用相关基因的改造,分析其增产原理。
考点预测:1.气候变化对光合作用的影响
2. 光污染与代谢调控
3.微生物燃料电池(MFCs)
三、科学史实引荐
考查普利斯特利、英格豪斯等科学家的实验结论,以及萨克斯实验中暗处理、酒精脱色等操作的目的。还可能考查恩格尔曼实验的巧妙之处,如实验材料的选择、自变量和因变量的控制等。可考查巴斯德、李比希等科学家对酶本质的认识过程,要求考生理解不同观点的依据和局限性。也可能考查萨姆纳从刀豆中提取脲酶并证明其本质是蛋白质的实验思路和方法。
考点预测:1. 光合作用的发现史
2. 比较糖酵解、三羧酸循环中NADH的产生与电子传递链的关系。
四、跨学科知识整合
从化学键角度,考查ATP中高能磷酸键的形成和断裂与能量转化的关系。还可结合化学平衡原理,分析光合作用中二氧化碳浓度变化对暗反应平衡的影响。与物理学的整合:根据光的波长、频率等知识,考查光合色素对不同波长光的吸收特性。也可能结合能量守恒定律,分析光合作用和细胞呼吸过程中的能量转化,让考生理解能量在细胞内的流动和转化遵循物理规律 。
考点预测:1.光合作用和细胞呼吸过程中的能量转化
1、下图为某种酶催化作用的图解。下列相关叙述错误的是( )
A.该酶的基本组成单位是核苷酸
B.底物活化所需的能量由酶提供
C.高温通过影响酶的空间结构从而影响催化效率
D.酶与底物间的碱基互补配对方式无法体现酶的专一性
【答案】B
【详解】该酶与底物间可进行碱基互补配对,说明该酶的本质为RNA,酶能降低化学反应的活化能,但不能为化学反应提供能量,B错误。
【解题方法归纳】教材中具有专一性或特异性的物质归纳
2.ATP可为代谢提供能量,也参与RNA的合成,ATP结构如图所示,图中~表示特殊的化学键,下列叙述错误的是( )
A.ATP转化为ADP可为离子的主动运输提供能量
B.用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA
C.β和γ位磷酸基团之间的特殊的化学键不能在细胞核中断裂
D.光合作用可将光能转化为化学能储存于β和γ位磷酸基团之间的特殊的化学键
【答案】C
【详解】ATP转化为ADP时释放的能量可用于离子的主动运输,A正确;ATP脱去β和γ位磷酸基团后成为RNA的基本组成单位之一——腺嘌呤核糖核苷酸,所以用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA,B正确;在细胞核中进行的某些生理活动,如DNA的复制、转录等都需要消耗ATP中β和γ位磷酸基团之间的特殊的化学键断裂所释放的能量,C错误;光合作用的光反应可将光能转化为化学能储存于β和γ位磷酸基团之间的特殊的化学键,D正确。
【解题方法归纳】不同化合物中“A”的辨析
ATP脱去两个磷酸基团后的产物为AMP,即腺嘌呤核糖核苷酸,为RNA的基本单位之一。
3.某同学在做“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验时,将完全相同的甲、乙、丙、丁四瓶混有酵母菌的葡萄糖培养液(葡萄糖足够用),分别通入不同浓度的O2维持相同时间,测得实验结果见下表。下列分析正确的是( )
分组
甲
乙
丙
丁
产生CO2的量/mol
9
12.5
15
30
产生酒精的量/mol
9
6.5
6
0
A.甲瓶中酵母菌有氧呼吸速率等于无氧呼吸速率
B.乙瓶中酵母菌有氧呼吸速率大于无氧呼吸速率
C.丙瓶中酵母菌有氧呼吸消耗的葡萄糖的量是无氧呼吸消耗的葡萄糖的量的2倍
D.丁瓶中酵母菌只进行有氧呼吸
【答案】D
【详解】甲瓶中酵母菌细胞呼吸产生酒精的量与产生CO2的量相等,因此酵母菌只进行无氧呼吸,A错误;乙瓶中酵母菌产生酒精的量为6.5 mol,产生CO2的量为12.5 mol,说明酵母菌有氧呼吸产生的CO2的量为6 mol,因此酵母菌有氧呼吸速率小于无氧呼吸速率,B错误;丙瓶中酵母菌无氧呼吸产生酒精的量为6 mol,产生CO2的量为15 mol,因此有氧呼吸产生的CO2的量为9 mol,有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖之比是(9÷6)∶(6÷2)=1∶2,即无氧呼吸消耗的葡萄糖的量是有氧呼吸消耗的葡萄糖的量的2倍,C错误;丁瓶中酵母菌产生酒精的量为0,说明细胞不进行无氧呼吸,只进行有氧呼吸,D正确。
【解题方法归纳】有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸各物质间的关系比(以葡萄糖为呼吸底物)
(1)有氧呼吸中葡萄糖∶O2∶CO2=1∶6∶6。
(2)产生酒精的无氧呼吸中葡萄糖∶CO2∶酒精=1∶2∶2。
(3)消耗等量的葡萄糖时,产生酒精的无氧呼吸与有氧呼吸产生的CO2摩尔数之比为1∶3。
(4)消耗等量的葡萄糖时,有氧呼吸消耗的O2摩尔数与有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸产生的CO2摩尔数之和的比为3∶4。
4.种皮会限制O2进入种子。豌豆干种子吸水萌发实验中子叶耗氧量、乙醇脱氢酶活性与被氧化的NADH的关系如图所示。已知无氧呼吸中,乙醇脱氢酶催化生成乙醇,与此同时NADH被氧化。下列说法错误的是( )
A.p点为种皮被突破的时间点
B.Ⅱ阶段种子内O2浓度降低限制了有氧呼吸
C.Ⅲ阶段种子无氧呼吸合成乙醇的速率逐渐增加
D.q处种子无氧呼吸比有氧呼吸分解的葡萄糖多
【答案】C
【详解】种皮会限制O2进入种子,p点是子叶耗氧量下降后突然上升的时间点,推测p点是种皮被突破的时间点,A正确;Ⅱ阶段子叶耗氧量下降,原因是种皮限制O2进入种子,且Ⅰ阶段种子不断消耗O2导致种子内O2浓度降低,即Ⅱ阶段种子内O2浓度降低导致有氧呼吸被限制,B正确;结合题图可知,Ⅲ阶段乙醇脱氢酶活性下降,无氧呼吸合成乙醇的速率逐渐减小,C错误;q处种子有氧呼吸和无氧呼吸氧化的NADH相等,产生等量NADH时无氧呼吸需要消耗更多的葡萄糖,故q处种子无氧呼吸比有氧呼吸分解的葡萄糖多,D正确。
5.下图为植物体内光合作用示意图,下列叙述错误的是( )
A.①可进入线粒体或出细胞,②可为暗反应提供能量
B.突然停止光照,短时间内C3的含量将增多
C.图示中的NADPH可进入线粒体中参与H2O的生成
D.14CO2中14C的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O)+14C5
【答案】C
【详解】 ①为光反应阶段水光解产生的O2,O2可进入线粒体用于有氧呼吸,也可释放到细胞外,②为ATP,可为暗反应中C3的还原提供能量,A正确;突然停止光照,光反应停止,短时间内C3的还原速率减慢,但CO2的固定速率不变,故C3的含量将增多,B正确;光反应产生的NADPH不能进入线粒体中被利用,C错误;暗反应包括CO2的固定和C3的还原,故14CO2中14C的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O)+14C5,D正确。
【解题方法归纳】 “过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
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第5章 细胞的能量和利用(知识清单)
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第1节 降低化学反应活化能的酶(2个考点)
考点1 酶的作用和本质★★☆☆☆
考点2 酶的特性★★☆☆☆
第2节 细胞的能量“货币”ATP(2个考点 )
考点1 ATP是一种高能磷酸化合物★★★☆☆
考点2 ATP与ADP的相互转化与ATP的利用★★★★☆
第3节 细胞呼吸的原理和应用(4个考点 )
考点1 细胞呼吸的方式★★★☆☆
考点2 有氧呼吸★★★★☆
考点3 无氧呼吸★★★★☆
考点4 细胞呼吸原理的应用★★★★☆
第4节 光合作用与能量转化(2个考点 )
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第1节 降低化学反应活化能的酶
考点1 酶的作用和本质★★☆☆☆
1、新陈代谢:是活细胞中全部化学反应的总称,是生物与非生物最根本的区别,是生物体进行一切生命活动的基础。
2、细胞代谢:细胞中每时每刻都进行着的许多化学反应。
3、酶:是 的具有催化作用的一类有机物。
4、活 化 能: 所需要的能量。
5、酶的本质:大多数酶是蛋白质(合成酶的场所主要是核糖体,水解酶的酶是蛋白酶),少数是RNA。
6、酶的作用原理
①表示无酶催化时反应进行所需要的活化能是 段。
②表示有酶催化时反应进行所需要的活化能是 段。
③表示酶降低的活化能是 段。
科学方法—归纳法
考点2 酶的特性 ★★☆☆☆
1、高效性
①含义解读: ,酶的催化效率更高。
②作用实质:酶和无机催化剂一样,只能缩短到达化学平衡所需要的时间,不能改变化学反应的平衡点。因此,酶不能改变最终生成物的量。
2、 酶具有 性,
即每种酶只能催化 化学反应,使细胞代谢可以有条不紊的进行。
3、作用条件较温和
(1)曲线解读:在最适宜的温度和pH条件下,酶的活性最高; 等条件会使酶的空间结构遭到破坏而永久失活; 条件下酶的活性很低,但空间结构稳定。
(2)酶所催化的化学反应一般是在比较 的条件下进行的,即在 条件下,酶的活性最高。温度和pH 或 ,酶活性都会明显降低。胃蛋白酶的最适pH为1.5,小肠液的pH为7.6,胃蛋白酶随食糜进入小肠后 发挥作用,原因是 。
特别提醒
1、过酸、过碱、温度过高 均会使酶变性失活,蛋白质的空间结构会受到破坏且不可恢复(可恢复,不可恢复),从而失去催化活性。酶制剂适于在低温下保存。
2、一般情况下,动物体内酶的最适温度是 35 -40℃,植物体内酶的最适温度是40-50℃。
3、动物体内的酶最适pH大多在6.5-8.0之间,但也有例外,如胃蛋白酶的最适pH为1.5,植物体内的酶最适pH大多在 4.5-6.5之间。
第2节 细胞的能量“货币”ATP
考点1 ATP是一种高能磷酸化合物★★★☆☆
1、ATP的结构简式:
(1)ATP是腺苷三磷酸的英文缩写,结构简式 (A代表腺苷,P代表磷酸基团,~代表特殊化学键,-代表普通化学键。)
(2)注意:ATP的分子中的特殊化学键中储存着大量的能量,所以ATP被称为 。这种高能磷酸化合物的化学性质不稳定,在水解时,一般是远离腺苷的特殊化学键断裂,释放出大量的能量。
(3)功能:ATP是驱动细胞生命活动的 。
(4).ATP中末端磷酸基团容易脱离下来的原因是 ,说明它具有较高的 。ATP是一种高能磷酸化合物的原因是 。
考点2 ATP与ADP的相互转化与ATP的利用★★★★☆
(1).细胞内的ATP和ADP间的相互转化 可逆反应,物质 逆,能量 逆。
(2).ATP在细胞内的含量 ,与ADP之间的转化 ,其含量处于 之中,ATP含量降为0即意味着细胞的 。
(3).ADP转化成ATP时所需能量的主要来源:在动物、人、真菌和大多数细菌细胞内主要来自 ,在绿色植物细胞内来自 ,因而细胞内能产生ATP的结构有 、 和 。细胞呼吸 ATP的全部来源。
(4).细胞中 需要能量的生命活动都是由ATP直接提供能量的。 (5).吸能反应一般与ATP 反应相联系,由 提供能量;放能反应一般与
ATP的 相联系,释放的能量储存在ATP中,例如蛋白质的合成属于 反
应,葡萄糖的氧化分解属于 反应。能量通过 分子在吸能反应和放能反应之间流通,因
此把 比喻成细胞内流通的能量货币。
(6).ATP水解释放的 能可转化为 、 、 、 、 ,供细胞直接利用,
(7).ATP与ADP相互转化的能量供应机制,在所有生物的细胞内都是一样的,这体现了生物界的 。
(8).参与主动运输的载体蛋白也是一种能催化 的酶,被运输的物质,(如某些离子)与载体蛋白的相应位点结合时,其酶的活性将被 ,ATP分子的末端磷酸基团脱离下来与 结合,这一过程伴随 的转移,被称为载体蛋白的 ,这将导致载体蛋白的 发生变化,使被运输物质(如某种离子)的结合位点转向膜的另一侧,将该的质运到膜的另一侧。 (9)ATP水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化,这些分子磷酸化后,可以参与各科化学反应的原因: 。
特别提醒
1.萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶。荧光素接受ATP提供的能量后就被激活,在酶的催化下发生化学反应,由化学能变成光能,萤火虫发光的生物学意义主要是相互传递求偶信号,以便交尾、繁衍后代。
2.ATP与葡萄糖都是能源物质,请概括ATP与葡萄糖具有的不同特点:ATP分子中含有的化学能虽然比较少,但比较活跃;葡萄糖中含有的稳定的化学能只有转化为ATP分子中活跃的化学能,才能被细胞利用。。
第3节 细胞呼吸的原理和应用
考点1 细胞呼吸的方式★★★☆☆
1、呼吸作用(细胞呼吸):指 经过一系列的氧化分解,最终生成二氧化碳或其它产物,释放出能量并生成ATP的过程。根据是否有氧参与,分为:有氧呼吸和无氧呼吸。
2、有氧呼吸:指细胞在有氧的参与下,通过多种酶的催化作用下,把 ,产生二氧化碳和水,释放出大量能量,生成ATP的过程。
3、无氧呼吸:一般是指细胞在无氧的条件下,通过酶的催化作用,把 ,同时释放出少量能量的过程。
4、发酵:微生物(如:酵母菌、乳酸菌)的无氧呼吸。(两种:酒精发酵和乳酸发酵。)
考点2 有氧呼吸★★★★☆
1. 呼吸作用的实质是细胞内的 ,因此也叫细胞呼吸,其中 是高等动植物细胞呼吸的主要形式,场所是 ,最常利用的物质是 。
2.有氧呼吸的过程:
第一阶段: 。
场所: 。
第二阶段:
场所:
第三阶段:
场所:
总反应式: ①C02的生成在第 阶段,O2参与反应在第 阶段,大量能量的释放在第 阶段;H20参与反应在第 阶段,H2O的生成在第 阶段。产物H2O中的0全部来自 ,H来自 ,CO2中的0来自 ,C来自 。
②1mol葡萄糖彻底氧化分解释放2870KJ能量,可以使 左右的能量储存在ATP中,大约使 ADP转化为ATP,有氧呼吸产生的能量 以热能的形式散失。
考点3 无氧呼吸★★★★☆
(1)无氧呼吸的总反应式:酶
酒精型: C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+ 2CO2 + 少量能量
乳酸型: C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+ 少量能量酶
酶
注意:大部分储存在乳酸或者酒精中;
(2)无氧呼吸的场所是 。
(3)无氧呼吸的过程:第一阶段与有氧呼吸相同,第二阶段 在 的催化作用下,分解成 或转化成 。无氧呼吸都只在第 (一、二)阶段释放出少量的能量,生成少量ATP。葡萄糖分子中的大部分能量则存留在 。
(4)无氧呼吸产生乳酸的生物有 (乳酸菌、酵母菌、马铃薯块茎、玉米的胚、甜菜块根、动物的某些细胞无氧呼吸、玉米的根);无氧呼吸产生酒精的生物有 。
特别提醒
1. 呼吸作用产生的[H]是氧化型辅酶INAD+ 转化成还原型辅酶INADH ,光合作用会发生氧化型辅酶II NADP+ 与电子和质子(H+)结合,形成还原型辅酶II NADPH 的过程。
2.1mol葡萄精在分解成乳酸以后释放出196.65kJ 的能量,其中只有61.08kJ的能量储存在ATP中,近69%的能量都以 热能的形式散失。人体肌细胞无氧呼吸产生的乳酸能在肝脏中再次转化成葡萄糖。
3.酵母菌、乳酸菌等微生物的无氧呼吸也叫作发酵催化反应的酶不同。不同生物无氧呼吸的产物不同的直接原因是 遗传信息不同。
4.与燃烧迅速释放能量相比,有氧呼吸是逐步释放能量的,这对于生物体来说其意义是保证有机物中的能量得到最充分的利用,主要表现在可以使有机物中的能量逐步地转移到ATP中,同时能量缓慢有序的释放,有利于维持细胞的相对稳定性。
考点4 细胞呼吸原理的应用★★★★☆
1、影响呼吸作用的因素:
(1)温度:温度通过影响细胞内与呼吸作用有关的酶的活性来影响细胞的呼吸作用。温度过低或过高都会影响细胞正常的呼吸作用。在一定温度范围内,温度越低,细胞呼吸越弱;温度越高,细胞呼吸越强。
(2)氧气:氧气充足,则无氧呼吸将受抑制;氧气不足,则有氧呼吸将会减弱或受抑制。
(3)水分:一般来说,细胞水分充足,呼吸作用将增强。但陆生植物根部如长时间受水浸没,根部缺氧,进行无氧呼吸,产生过多酒精,可使根部细胞坏死。
(4)CO2:环境CO2浓度提高,将抑制细胞呼吸,可用此原理来贮藏水果和蔬菜。
2、呼吸作用在生产上的应用:
(1)、作物栽培时,要有适当措施保证根的正常呼吸,如疏松土壤等。
(2)、粮油种子贮藏时,要风干、降温,降低氧气含量,则能抑制呼吸作用,减少有机物消耗。
(3)、水果、蔬菜保鲜时,要低温或降低氧气含量及增加二氧化碳浓度,抑制呼吸作用。
第4节 光合作用与能量转化
考点1 捕获光能的色素和结构★★★☆☆
1.捕获光能的色素:
①分布:叶绿体 。
②功能: 光能。
③种类:叶绿素(含Mg)含量约占 ;叶绿素a( 色)和叶绿素b( 色);类胡萝卜素含量约占 ,胡萝卜素( 色)和叶黄素( 色)
2.叶绿素主要吸收 ,类胡萝卜素主要吸收 。绿色植物对 的吸收最少,被反射出来,所以叶片呈现 (绿、黄)色。(光合作用的最有效光是 ,其次是 ,最无效光是 )。光是一种电磁波。可见光的波长范围大约是400-760nm。一般情况下,光合作用所利用的光是 。温室或大棚种植蔬菜时,应选择 的玻璃或塑料薄膜,如果用同等光照强度的光源在夜间补充光照应选用 , 用绿色的光源,原因是 。
3.绿色植物光合作用的场所是 , 有关酶分布于 叶绿体中每个基粒都含有两个以上的 ,众多的基粒和类囊体增大了受光面积,这种结构必需借助 才能看到。
4.实验:色素的提取和分离
(1)提取原理:色素能够溶解在 中
(2)分离原理:不同色素在 不同,溶解度越高的随滤纸条扩散的速度越快
(3)分离的方法:
考点2 光合作用的原理和应用★★★★☆
1、 叶绿体的功能:叶绿体是进行光合作用的场所。 分布着具有吸收光能的 ,在 含有许多光合作用所必需的 。
2、光合作用
(1)光反应阶段:
①部位: 。
②条件: 等。
③过程:
1)水的光解: ,
2)NADPH的形成:
3)ATP的形成: ④能量变化: 能→ 能。
(2)暗反应阶段也称 阶段或 循环。
①部位: 。
②条件: 。
③过程: CO2的 :CO2+ →2 。
C3的 :2C3→ + 。
CO2的固定 (需要、不需要)酶,C3接受 (ATP、NADPH、ATP和NADPH)释放的能量,并且被 还原,在酶的作用下经过一系列的反应转化成(CH2O)即糖类,另一些C3接受能量经过一系列变化,形成 。
④能量变化: ATP、 NADPH中活跃的化学能-→ 能,氧气的产生和糖类的合成 同一个化学反应。
⑤ 碳的转移途径:CO2→三碳化合物→糖类; 氧气中氧元素来自水。
3、光合作用的应用:
(1)、光合作用强度:简单地说,就是指在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)、呼吸速率:绿色植物组织在黑暗条件下,测得的实验容器中02的减少量或CO2的增加量。
(3)、真正(总)光合速率:绿色植物组织在有光条件下进行光合作用消耗CO2或产生02的量。
(4)、净(表观)光合速率:绿色植物组织在有光条件下,光合作用与细胞呼吸同时进行时,测得的实验容器中02的增加量或CO2的减少量。
(5)、净光合速率 =真正(总)光合速率 — 呼吸速率
4、影响光合作用的外界因素主要有:
(1)、光照强度:在一定范围内,光合速率随光照强度的增强而加快,超过光饱合点,光合速率反而会下降。
A点:光照强度为0,只进行呼吸作用
AB段:光合速率<呼吸速率
B点:光合速率=呼吸速率 【光补偿点】
BC段:光合速率>呼吸速率
C点:光合作用达到最大
【C点对应光照强度为光饱和点】
(2)、温度:温度可影响酶的活性。
(3)、二氧化碳浓度:在一定范围内,光合速率随二氧化碳浓度的增加而加快,达到一定程度后,光合速率维持在一定的水平,不再增加。
(4)、水:光合作用的原料之一,缺少时光合速率下降。
(5)、矿质元素:Mg参与叶绿素的形成
5、光合作用的应用:
(1)、适当提高光照强度。
(2)、延长光合作用的时间。
(3)、增加光合作用的面积------合理密植,间作套种。
(4)、温室大棚用无色透明玻璃。
(5)、温室栽培植物时,白天适当提高温度,晚上适当降温。
(6)、温室栽培多施有机肥或放置干冰,提高二氧化碳浓度。
特别提醒
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物氧化时所释放的能量来制造有机物,这种合成作用,叫做化能合成作用,这些细菌也属于自养生物。(如:硝化细菌)
1、 前沿科学动态
可能考查新型酶的发现及作用机制,如某些极端环境微生物体内特殊酶的特性和功能,分析其适应极端环境的原因。还可能涉及酶的定向进化技术,让考生根据相关信息,解释通过该技术改造酶的活性、稳定性等特性的原理。也可考查细胞呼吸过程中关键酶的调控机制,如磷酸果糖激酶1对细胞呼吸速率的调节。也可能涉及线粒体动态变化与细胞呼吸的关系,如线粒体碎片化现象对有氧呼吸的影响,或者考查蓝细菌中特殊光合作用结构的功能,分析其与高等植物光合作用的异同。还可能涉及光呼吸的调控机制,要求考生根据相关研究,阐述降低光呼吸对提高作物产量的意义。
考点预测:1.细胞呼吸的调控机制
2.线粒体自噬与疾病
3.光驱动人工细胞的构建
二、热点问题分析
考查某些疾病中酶活性的变化,如帕金森病与相关酶活性异常的关系,分析通过调节酶活性治疗疾病的原理和方法。还可能涉及酶在疾病诊断和治疗中的应用,如以某种酶为标志物进行疾病诊断,或利用酶的催化作用设计药物。结合水果保鲜、粮食储存等实际问题,考查氧气浓度、温度等因素对细胞呼吸的影响,让考生分析相应的保鲜和储存措施。也可能结合农业生产,考查中耕松土等措施对植物根系细胞呼吸的作用。以农作物增产为背景,考查光照强度、二氧化碳浓度等对光合作用的影响,要求考生设计合理的农业生产措施来提高光合效率。还可能涉及基因工程技术对农作物光合作用相关基因的改造,分析其增产原理。
考点预测:1.气候变化对光合作用的影响
2. 光污染与代谢调控
3.微生物燃料电池(MFCs)
三、科学史实引荐
考查普利斯特利、英格豪斯等科学家的实验结论,以及萨克斯实验中暗处理、酒精脱色等操作的目的。还可能考查恩格尔曼实验的巧妙之处,如实验材料的选择、自变量和因变量的控制等。可考查巴斯德、李比希等科学家对酶本质的认识过程,要求考生理解不同观点的依据和局限性。也可能考查萨姆纳从刀豆中提取脲酶并证明其本质是蛋白质的实验思路和方法。
考点预测:1. 光合作用的发现史
2. 比较糖酵解、三羧酸循环中NADH的产生与电子传递链的关系。
四、跨学科知识整合
从化学键角度,考查ATP中高能磷酸键的形成和断裂与能量转化的关系。还可结合化学平衡原理,分析光合作用中二氧化碳浓度变化对暗反应平衡的影响。与物理学的整合:根据光的波长、频率等知识,考查光合色素对不同波长光的吸收特性。也可能结合能量守恒定律,分析光合作用和细胞呼吸过程中的能量转化,让考生理解能量在细胞内的流动和转化遵循物理规律 。
考点预测:1.光合作用和细胞呼吸过程中的能量转化
1、下图为某种酶催化作用的图解。下列相关叙述错误的是( )
A.该酶的基本组成单位是核苷酸
B.底物活化所需的能量由酶提供
C.高温通过影响酶的空间结构从而影响催化效率
D.酶与底物间的碱基互补配对方式无法体现酶的专一性
【解题方法归纳】教材中具有专一性或特异性的物质归纳
2.ATP可为代谢提供能量,也参与RNA的合成,ATP结构如图所示,图中~表示特殊的化学键,下列叙述错误的是( )
A.ATP转化为ADP可为离子的主动运输提供能量
B.用α位32P标记的ATP可以合成带有32P的RNA
C.β和γ位磷酸基团之间的特殊的化学键不能在细胞核中断裂
D.光合作用可将光能转化为化学能储存于β和γ位磷酸基团之间的特殊的化学键
【解题方法归纳】不同化合物中“A”的辨析
ATP脱去两个磷酸基团后的产物为AMP,即腺嘌呤核糖核苷酸,为RNA的基本单位之一。
3.某同学在做“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验时,将完全相同的甲、乙、丙、丁四瓶混有酵母菌的葡萄糖培养液(葡萄糖足够用),分别通入不同浓度的O2维持相同时间,测得实验结果见下表。下列分析正确的是( )
分组
甲
乙
丙
丁
产生CO2的量/mol
9
12.5
15
30
产生酒精的量/mol
9
6.5
6
0
A.甲瓶中酵母菌有氧呼吸速率等于无氧呼吸速率
B.乙瓶中酵母菌有氧呼吸速率大于无氧呼吸速率
C.丙瓶中酵母菌有氧呼吸消耗的葡萄糖的量是无氧呼吸消耗的葡萄糖的量的2倍
D.丁瓶中酵母菌只进行有氧呼吸
【解题方法归纳】有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸各物质间的关系比(以葡萄糖为呼吸底物)
(1)有氧呼吸中葡萄糖∶O2∶CO2=1∶6∶6。
(2)产生酒精的无氧呼吸中葡萄糖∶CO2∶酒精=1∶2∶2。
(3)消耗等量的葡萄糖时,产生酒精的无氧呼吸与有氧呼吸产生的CO2摩尔数之比为1∶3。
(4)消耗等量的葡萄糖时,有氧呼吸消耗的O2摩尔数与有氧呼吸和产生酒精的无氧呼吸产生的CO2摩尔数之和的比为3∶4。
4.种皮会限制O2进入种子。豌豆干种子吸水萌发实验中子叶耗氧量、乙醇脱氢酶活性与被氧化的NADH的关系如图所示。已知无氧呼吸中,乙醇脱氢酶催化生成乙醇,与此同时NADH被氧化。下列说法错误的是( )
A.p点为种皮被突破的时间点
B.Ⅱ阶段种子内O2浓度降低限制了有氧呼吸
C.Ⅲ阶段种子无氧呼吸合成乙醇的速率逐渐增加
D.q处种子无氧呼吸比有氧呼吸分解的葡萄糖多
5.下图为植物体内光合作用示意图,下列叙述错误的是( )
A.①可进入线粒体或出细胞,②可为暗反应提供能量
B.突然停止光照,短时间内C3的含量将增多
C.图示中的NADPH可进入线粒体中参与H2O的生成
D.14CO2中14C的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O)+14C5
【解题方法归纳】 “过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
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