2019-2020年高中生物 （人教大綱版）第一冊 第三章　生物的新陳代謝 2新陳代謝與ATP(備課資料).doc

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2019-2020年高中生物 （人教大綱版）第一冊 第三章　生物的新陳代謝 2新陳代謝與ATP(備課資料) 一、ATP ATP也叫三磷酸腺苷、腺三磷。ATP的分子結(jié)構(gòu)復雜。腺嘌呤與核糖結(jié)合成腺苷，再與3個相連的磷酸基團結(jié)合形成ATP。ATP的兩個磷酸基團之間（A—P～P～P即P與P之間）用“～”表示的化學鍵是高能磷酸鍵。高能磷酸鍵水解時，釋放出的能量是正常的化學鍵的2倍以上。如，ATP末端磷酸基團水解時，釋放出的能量是30.5kJ/mol，而6磷酸葡萄糖水解時，釋放的能量只有13.8kJ/mol。一般說來，水解時釋放20.92kJ/mol以上能量的化合物就叫高能化合物。顯然，ATP是一種高能化合物。在生物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞中，ATP是一種關(guān)鍵的物質(zhì)。生物體的一切生命活動都離不開ATP。ATP是生物體內(nèi)直接供給可利用能量的物質(zhì)，是細胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的“中轉(zhuǎn)站”。實際上，ATP是細胞內(nèi)能量釋放、儲存、轉(zhuǎn)移和利用的中心物質(zhì)。 二、ATP的生成 APT主要由ADP磷酸化所生成，少數(shù)情況下，可由AMP焦磷酸化而生成。 ADP＋Pi＋能量→ATP AMP＋2 Pi＋能量→ATP 1．底物水平磷酸化　底物水平磷酸化是在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。即底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物，通過酶的作用可使ADP生成ATP。 X～＋ADP→APT＋X 式中X～代表底物在氧化過程中所形成的高能磷酸化合物。 在糖的分解代謝中如3－磷酸甘油醛轉(zhuǎn)變成1，3-二磷酸甘油酸，形成了高能磷酸化合物。a-酮戊二酸氧化脫羧生成琥珀酸時，也有高能化合物形成。底物磷酸化形成高能化合物，其能量來源于伴隨著底物的脫氫，分子內(nèi)部能量的重新分布。 底物磷酸化也是捕獲能量的一種方式，在發(fā)酵作用中是進行生物氧化取得能量的唯一方式。底物磷酸化和氧的存在與否無關(guān)。 2．電子傳遞體系磷酸化 當電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP，這一全過程稱電子傳遞體系磷酸化。 電子傳遞體系磷酸化是生成ATP的一種主要方式，是生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移的主要環(huán)節(jié)。人們發(fā)現(xiàn)這個過程正常進行時，只要有ADP與Pi存在，就有ATP生成。電子傳遞過程和磷酸化作用相偶聯(lián)的部位，根據(jù)實驗證明，從NADH到分子氧的呼吸鏈中，有三處能使氧化還原過程釋放的能量轉(zhuǎn)化為ATP，而且這三個釋放能量的部位都已弄清。這三處也即是傳遞鏈上可被特異性抑制劑切斷的地方。NADH呼吸鏈生成ATP的三個部位是：(E′0值在此三個部位有大的“跳動”，都在0.2 V以上) 研究氧化磷酸化最常用的方法是測定線粒體或其制劑的P／O比值和電化學實驗。P／O比值是指每消耗l摩爾氧所消耗無機磷酸的摩爾數(shù)。根據(jù)所消耗的無機磷酸摩爾數(shù)，可間接測出ATP生成量。實驗指明NADH呼吸鏈的P／O值是3，即每消耗1摩爾氧原子就可形成3摩爾ATP，F(xiàn)ADH2呼吸鏈的P／O值是2，即消耗1摩爾氧原子可形成2摩爾ATP。從不同底物的氫所得到的P／O值不完全相同，故按不同底物參加呼吸鏈的P／O比值，可以推斷氧化磷酸化的部位。 在呼吸鏈中各電子對標準氧化還原電位E′0的不同，實質(zhì)上也就是能級的不同。自由能的變化可以從平衡常數(shù)計算，也可以由反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物的氧化還原電位計算。在實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出電位差不同和自由能的關(guān)系可由以下公式計算： 能量(電池所做的功)＝電位差電量 △G＝－nF△E， △G′＝－nF△E′0 △G 代表反應(yīng)的自由能，n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)，F(xiàn)為Farady常數(shù)23.062千卡／伏，△E′0為電位差值?！鱃′以千卡／摩爾(kcal／mol)計或千焦耳／摩爾(kJ／m01)計。 利用上式，對于任何一對氧化還原反應(yīng)都可由△E′0方便地計算出△G′。 例如 細胞色素a→O2 　△G′=-223.062(0.816-0.29) =-223.0620.52=-23.9千卡／摩爾=一99.9千焦／摩爾 從△G′的計算也可推斷氧化磷酸化的偶聯(lián)部位，并與P／O比值的結(jié)果一致。每合成1摩爾ATP需能7.3千卡，在NADH呼吸鏈中三個部位所產(chǎn)生的自由能均超過此值(見下圖)。 呼吸鏈、生物氧化與氧化磷酸化都是在線粒體內(nèi)進行的。線粒體的主要功能是氧化供能，相當于細胞的發(fā)電廠。線粒體具有雙層膜的結(jié)構(gòu)，外膜的通透性較大，內(nèi)膜有較嚴格的透過選擇性，通常通過外膜與細胞漿進行物質(zhì)交換。 已知道糖酵解作用是在胞漿中進行的，在真核生物中胞液中的NADH不能通過正常的線粒體內(nèi)膜，要使糖酵解所產(chǎn)生的NADH進入呼吸鏈氧化生成ATP必須通過較為復雜的過程，據(jù)現(xiàn)在了解，線粒體外的NADH可將其所帶之H轉(zhuǎn)交給某種能透過線粒體膜的化合物。進入線粒體內(nèi)后再氧化。能完成這種穿梭任務(wù)的化合物有磷酸甘油與蘋果酸等。胞液中含有 α-磷酸甘油脫氫酶，可以將磷酸二羥丙酮還原為α-磷酸甘油，后者可以擴散到線粒體內(nèi)，線粒體內(nèi)則有另一種α-磷酸甘油脫氫酶，可以催化進入的α-磷酸甘油脫氫，形成FADH2，于是細胞液的NADH便間接地形成了線粒體內(nèi)的FADH2，后者通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP。這種穿梭作用主要存在于肌肉、神經(jīng)組織，所以葡萄糖在這些組織中徹底氧化所產(chǎn)生的ATP比其他組織要少2個，即產(chǎn)生36個ATP。 三、ATP中能量的利用 ATP中的能量可以直接轉(zhuǎn)換成其他各種形式的能量，用于各項生命活動。這些能量形式主要有： （1）機械能。生物體內(nèi)的細胞以及細胞內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的運動都在做機械功，所消耗的就是機械能。如纖毛和鞭毛的擺動、肌細胞的收縮、細胞分裂間期染色體的運動等，都是由ATP提供能量來完成的。 （2）化學能。生物體內(nèi)物質(zhì)的合成需要化學能，小分子物質(zhì)合成大分子物質(zhì)時，必須有直接或間接的能量供應(yīng)。另外，物質(zhì)在分解的開始階段，也需要化學能來活化成能量較高的物質(zhì)。在生物體的物質(zhì)代謝中，可以說到處都需要由ATP轉(zhuǎn)換的化學能來做化學功。 （3）熱能。生物體內(nèi)的熱能，來源于有機物的氧化分解。大部分的熱能通過各種途徑向外界環(huán)境散失，只有一小部分熱能用于維持細胞或恒溫動物的體溫。通常情況下，熱能的形成往往是細胞能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中的副產(chǎn)品。 （4）滲透能。細胞的主動運輸是逆濃度梯度進行的，物質(zhì)過膜移動所做的功消耗了能量，這些能量叫做滲透能，滲透能也來自ATP。 （5）電能。生物體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)傳導沖動和某些生物能夠產(chǎn)生電流，所做的電功消耗的就是電能。電能也是由ATP所提供的能量轉(zhuǎn)換而成的。 （6）光能。用于發(fā)光的能量仍然直接來源于ATP。 四、范例析與解 ［例1］下列有關(guān)ATP敘述中正確的是( ) A.它的分子簡式是A—P—P～P B.所有植物細胞中的ATP都是由葉綠體產(chǎn)生的 C.它的分子簡式是A—P～P～P D.動物細胞中全部生理活動都離不開ATP 分析：ATP，全名三磷酸腺苷，其分子結(jié)構(gòu)復雜，簡式為A—P～P～P。對于植物細胞而言，形成ATP的能量來自于光合作用和呼吸作用，所以ATP是由光合作用的場所——葉綠體和呼吸作用的場所——線粒體產(chǎn)生的。動物細胞中的生理活動大多數(shù)離不開ATP，但并不是所有的生理活動都離不開ATP。比如自由擴散這一生理活動，是從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)進行物質(zhì)運輸，不需要載體，不需要能量，便可以離開ATP。 答案：C ［例2］在綿羊細胞中，當ATP濃度過高時，下列反應(yīng)向何方進行( ) 酶 ATP+肌酸 ADP+磷酸肌酸 A.向右進行 B.向左進行 C.既可向右，也可向左 D.不發(fā)生反應(yīng) 分析：磷酸肌酸是含有高能磷酸鍵的又一種高能化合物，在動物肌細胞大量存在。當有機物氧化分解釋放大量能量時，ATP也大量形成。但由于ATP在細胞內(nèi)含量不多，ATP中的能量會釋放出來形成磷酸肌酸暫時儲存起來。因此，磷酸肌酸實際上是ATP的后備軍。 答案：A ［例3］生物體內(nèi)既能貯存能量，又能為生命活動直接提供能量的物質(zhì)是( ) A.葡萄糖 B.糖元 C.三磷酸腺苷 D.脂肪 答案：C ［例4］在綠色植物的生命活動中，能生成ATP的細胞結(jié)構(gòu)有( ) A.葉綠體 B.線粒體 C.高爾基體 D.細胞質(zhì)基質(zhì) 答案：ABD ［例5］高等植物體內(nèi)產(chǎn)生ATP的生理過程有( ) A.呼吸作用、滲透作用 B.呼吸作用、蒸騰作用 C.光合作用、主動運輸 D.光合作用、呼吸作用 答案：D ［例6］下列生理過程中，不需要消耗ATP的是( ) A.核糖體上合成血紅蛋白 B.在肺泡表面進行氣體交換 C.小腸吸收氨基酸 D.神經(jīng)沖動在中樞傳導 答案：B