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(fù)雜。腺嘌呤與核糖結(jié)合成腺苷，再與3個(gè)相連的磷酸基團(tuán)結(jié)合形成ATP。ATP的兩個(gè)磷酸基團(tuán)之間（A—P～P～P即P與P之間）用“～”表示的化學(xué)鍵是高能磷酸鍵。高能磷酸鍵水解時(shí)，釋放出的能量是正常的化學(xué)鍵的2倍以上。如，ATP末端磷酸基團(tuán)水解時(shí)，釋放出的能量是30.5kJ/mol，而6磷酸葡萄糖水解時(shí)，釋放的能量只有13.8kJ/mol。一般說來，水解時(shí)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(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的“中轉(zhuǎn)站”。實(shí)際上，ATP是細(xì)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(shí)，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(jìn)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(dāng)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(shí)，同時(shí)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(gè)過程正常進(jìn)行時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)部位是：(E′0值在此三個(gè)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(xué)實(shí)驗(yàn)。P／O比值是指每消耗l摩爾氧所消耗無機(jī)磷酸的摩爾數(shù)。根據(jù)所消耗的無機(jī)磷酸摩爾數(shù)，可間接測出ATP生成量。實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位E′0的不同，實(shí)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(jì)算，也可以由反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物的氧化還原電位計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)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(jì)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。△G′以千卡／摩爾(kcal／mol)計(jì)或千焦耳／摩爾(kJ／m01)計(jì)。 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(jì)算出△G′。 例如 細(xì)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(jì)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(gè)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(jìn)行的。線粒體的主要功能是氧化供能，相當(dāng)于細(xì)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(yán)格的透過選擇性，通常通過外膜與細(xì)胞漿進(jìn)行物質(zhì)交換。 已知道糖酵解作用是在胞漿中進(jìn)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(jìn)入呼吸鏈氧化生成ATP必須通過較為復(fù)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(jìn)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(kuò)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(jìn)入的α-磷酸甘油脫氫，形成FADH2，于是細(xì)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(gè)，即產(chǎn)生36個(gè)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(xiàng)生命活動。這些能量形式主要有： （1）機(jī)械能。生物體內(nèi)的細(xì)胞以及細(xì)胞內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動都在做機(jī)械功，所消耗的就是機(jī)械能。如纖毛和鞭毛的擺動、肌細(xì)胞的收縮、細(xì)胞分裂間期染色體的運(yùn)動等，都是由ATP提供能量來完成的。 （2）化學(xué)能。生物體內(nèi)物質(zhì)的合成需要化學(xué)能，小分子物質(zhì)合成大分子物質(zhì)時(shí)，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(xué)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(xué)能來做化學(xué)功。 （3）熱能。生物體內(nèi)的熱能，來源于有機(jī)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(xì)胞或恒溫動物的體溫。通常情況下，熱能的形成往往是細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中的副產(chǎn)品。 （4）滲透能。細(xì)胞的主動運(yùn)輸是逆濃度梯度進(jìn)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(dǎo)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(xì)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(xì)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(fù)雜，簡式為A—P～P～P。對于植物細(xì)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(xì)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(kuò)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(jìn)行物質(zhì)運(yùn)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(xì)胞中，當(dāng)ATP濃度過高時(shí)，下列反應(yīng)向何方進(jìn)行( ) 酶 ATP+肌酸 ADP+磷酸肌酸 A.向右進(jìn)行 B.向左進(jìn)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(xì)胞大量存在。當(dāng)有機(jī)物氧化分解釋放大量能量時(shí)，ATP也大量形成。但由于ATP在細(xì)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(shí)儲存起來。因此，磷酸肌酸實(shí)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(xì)胞結(jié)構(gòu)有( ) A.葉綠體 B.線粒體 C.高爾基體 D.細(xì)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(yùn)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(jìn)行氣體交換 C.小腸吸收氨基酸 D.神經(jīng)沖動在中樞傳導(dǎo) 答案：B