专题三：细胞代谢的基础

专题三：细胞代谢的基础［竞赛要求］1．细胞代谢与能量ATP（三磷酸腺苷）结构和功能2．酶的功能细胞膜：理化性质、分子结构与物质运输等［知识梳理］一、细胞代谢与能量细胞代谢与能量生物的新陈代谢，或称代谢，是生物体内所进行的全部物质和能量变化的总称，它是最基本的生命活动过程。生活的细胞通过代谢活动，不断从环境中取得各种必需的物质，来维持自身高度复杂的有序结构，并保证细胞生长、发育和分裂等活动的正常进行。细胞中能的转换类型是多种多样的。由于细胞成分中的蛋白质、核酸等分子相当脆弱，遇到高温就要变性失活，所以细胞内不能利用热能来做功。在细胞和生物体的能量转换中起重要作用的是化学能。三磷酸腺苷（ATP）常常充当各种类型的能量相互转换的媒介物。许多放能反应总是和ATP的合成相耦联，将放出的能贮存在ATP中；许多需能反应总是和ATP分解相耦联，从ATP中获得自由能（在压力和温度都恒定的条件下能够做功的能称为自由能）。三磷酸腺苷（ATP）（1） ATP的结构特性三磷酸腺苷（ATP）也叫做腺苷三磷酸、是高能磷酸化合物的典型代表。ATP是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的。这三个磷酸基团从与分子中腺苷基团连接处算起，依次分别称为a、B、Y磷酸基团。ATP的结构式是：腺昔 三个礁酸基团ATP分子中的Y磷酸基团水解时（有关酶的催化下）厂能释放30.5kj/mol的能量。ATP分子既可以水解一个磷酸基团（Y磷酸基团），而彩成二磷酸腺苷（ADP）和磷酸（Pi）；也可以同时水解两个磷酸基团（B磷酸基团和Y磷酸基团），而形成一磷酸腺苷（AMP）和焦磷酸（PPi）。后一种水解方式在某些生物合成中具有特殊意义。AMP可以在腺苷酸激酶的作用下，由ATP提供一个磷酸基团而形成ADP,ADP又可以迅速地接受另外的磷酸基团而形成ATP。（2） ATP系统的动态平衡ATP是活细胞内一种特殊的能量载体，在细胞核、线粒体、叶绿体以及细胞质基质中广泛存在着，但是ATP在细胞内的含量是很少的。ATP与ADP在细胞内的相互转化却是十分迅速的。在活细胞中，ATP末端磷酸基团的周转是极其迅速的，其消耗与再生的速度是相对平衡的，ATP的含量因而维持在一个相对稳定的、动态平衡的水平。这对于构成细胞内稳定的供能环境具有十分重要的意义。（3） ATP的生成动物和人等：呼吸作用绿色植物：光合作用；呼吸作用（4） ATP的利用ATP中的能量可以直接转化成其他各种形式的能量，用于各项生命活动。这些能量的形式主要有以下6种。渗透能：细胞的主动运输是逆浓度梯度进行的，物质跨膜移动所做的功消耗了能量，这些能量叫做渗透能。机械能：细胞内各种结构的运动都是在做机械功，所消耗的就是机械能。例如，肌细胞的收缩，草履虫纤毛的摆动，精子鞭毛的摆动，有丝分裂期间染色体的运动，腺细胞对分泌物的分泌等。电能：大脑的思考——神经冲动在神经纤维上的传导，以及电鳐、电鳗等动物体内产生

的生物电等，它们所做的电功消耗的就是电能。化学能：细胞内物质的合成需要化学能，如小分子物质合成为大分子物质时，必须有直接或间接的能量供应。另外，细胞内物质在分解的开始阶段，也需要化学能来活化，成为能量较高的物质（如葡萄糖活化成磷酸葡萄糖）。可以说在细胞内的物质代谢中，到处都需要由ATP转化而来的化学能做功。光能：目前关于生物发光的生理机制还没有完全弄清楚，但是已经知道，生物体用于发光的能量直接来自ATP,如萤火虫的发光。热能：有机物的氧化分解释放的能量，一部分用于生成ATP,大部分转化为热能通过各种途径向外界环境散发,其中一小部分热能作用于体温。通常情况下，热能的形成往往是细胞能量转化和传递过程中的副产品。此外，ATP释放的能量中，一部分能量也能用于动物的体温的提升和维持。（4）其他高能磷酸化合物除ATP外，由其他有机碱构成的核苷酸也有重要的生物学功能，如三磷酸鸟苷（GTP）是蛋白质合成过程所需要的，三磷酸尿苷（UTP）参与糖原的合成，三磷酸胞苷（CTP）是脂肪和磷脂合成所必需的。在动物和人体细胞（特别是肌细胞）内，除了ATP外，其他的高能磷酸化合物还有磷酸肌酸（可用C〜P代表）。磷酸肌酸的结构式是：当动物和人体细胞由于能量大量消耗而使细胞内的ATP含量过分减少时，在有关酶的催化作用下，磷酸肌酸中的磷酸基团连同能量一起转移给ADP,从而生成ATP和肌酸（可用C代表）；当ATP含量比较多时，在有关酶的催化作用下，ATP可以将磷酸基团连同能量一起转移给肌酸，使肌酸转变成磷酸肌酸。ADP+磷醱肌酸(C-P)^B±ATP+肌酸对于动物和人体细胞来说，磷酸肌酸只是能量的一种储存形式，而不能直接被利用。由此可见，对于动物和人体细胞来说，磷酸肌酸在能量释放、转移和利用之间起着缓冲的作用，从而使细胞内ATP的含量能够保持相对的稳定，ATP系统的动态平衡得以维持。二、酶及其功能新陈代谢是生命活动的基础。而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶催化下进行的。可以说，没有酶的参加，生命活动一刻也不能进行。（一） 酶的化学本质绝大多数酶是蛋白质，某些RNA也具有催化活性。20世纪80年代发现某些RNA有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。（二） 酶是生物催化剂酶与一般催化剂的共同点（1）用量少而催化效率高。（2） 能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反应前后本身不发生变化。（3） 酶降低反应所需的活化能。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称为活化能。2HO—2H0+02HO—2H0+0222 2 反应活化能非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应48.9kJ/molH202酶催化8.36kJ/mol酶作为生物催化剂的特点（1） 高效性：指催化效率很高，使得反应速率很快（酶降低活化能更显著）。（2） 高度的专一性：任何一种酶只作用于一种或几种相关的化合物，这就是酶对底物的专一性。（3） °温和的反应条件：酶促反应在常温、常压、生理pH条件下进行。（4） 酶在体内受到严格的调节、控制。（5） 酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关。（三）酶的分类按照酶的化学组成可以将酶分为以下两类：（1） 单纯蛋白质酶：有些酶只是多肽链，除了氨基酸不含任何其他化学物质，也就是说有些酶是单纯蛋白质，如胰脏的核糖核酸酶、淀粉酶等。（2） 结合蛋白质酶：有些酶除了蛋白质外，还含有一些对热稳定的非蛋白质类小分子物质或金属离子，即由蛋白质部分和非蛋白质部分组成。结合蛋白质酶的蛋白质部分称为脱辅酶，非蛋白质部分称为辅因子。脱辅酶与辅因子结合后所形成的复合物称为“全酶”，即全酶=脱辅酶+辅因子。在酶催化时，一定要有脱辅酶和辅因子同时存在才起作用，二者各自单独存在时，均无催化作用。脱辅酶部分决定酶催化的专一性，辅酶（辅基）在酶催化中通常是起着电子、原子或某些化学基团的传递作用，大部分辅酶是维生素或维生素的衍生物。（四）影响酶作用的因素酶的催化活性的强弱以单位时间（每分）内底物减少量或产物生成量来表示。研究某一因素对酶促反应速率的影响时，应在保持其他因素不变的情况下，单独改变研究的因素。影响酶促反应的因素常有：酶的浓度、底物浓度、pH值、温度、抑制剂、激活剂等。其变化规律有以下特点。（1） 酶浓度对酶促反应的影响在底物足够，其他条件固定的条件下，反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速率与酶浓度成正比。（2） 底物浓度对酶促反应的影响在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度增加而加快，反应速率与底物浓度近乎成正比；在底物浓度较高时，底物浓度增加，反应速率也随之加快，但不显著；当底物浓度很大，且达到一定限度时，反应速率就达到一个最大值，此时即使再增加底物浓度，反应速率几乎不再改变。（3） pH对酶促反应的影响每一种酶只能在一定限度的pH范围内才表现活性，超过这个范围酶就会失去活性。在一定条件下，每一种酶在某一个pH时活力最大，这个pH称为这种酶的最适pH。（4） 温度对酶促反应的影响酶促反应在一定温度范围内反应速率随温度的升高而加快；但当温度升高到一定限度时，酶促反应速率不仅不再加快反而随着温度的升高而下降。在一定条件下，每一种酶在某一温度时活力最大，这个温度称为这种酶的最适温度。（5） 激活剂对酶促反应的影响激活剂可以提高酶活性，但不是酶活性所必需的。激活剂大致分两类：无机离子和小分子化合物。（6） 抑制剂对酶促反应的影响抑制剂使酶活性下降，但不使酶变性。抑制剂作用机制分两种：可逆的抑制作用和不可逆的抑制作用。二、生物膜及功能（一）生物膜的化学构成生物膜是指构成细胞的所有膜的总称。按其所处位置可分为两种：一种处于细胞质外面的一层膜叫细胞膜，也可叫质膜；另一种是处于细胞由膜围绕而成的细胞器或细胞结构，叫内膜。细胞的内膜系统是指真核细胞内，在结构、功能或发生上相关的，如核膜、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、溶酶体，等等。细胞内膜是相对于包围在细胞外面的细胞膜而言的。细胞膜可由内膜转化而来（如子细胞的质膜由高尔基体小泡融合而成）。生物膜是细胞结构的基本形式，它对酶催化反应的有序进行和整个细胞的区域化都提供了一个必要的结构基础。当然，生物膜的功能是多种多样的，如细胞的物质代谢、能量转换和信息传递等都与生物膜有关。在真核细胞中，膜结构占整个细胞干重的70%〜80%。生物膜由蛋白质、脂类、糖、水和无机离子等组成。蛋白质约占60%〜65%，脂类占25%〜40%，糖占5%。这些组分，尤其是脂类与蛋白质的比例，因不同细胞、细胞器或膜层而相差很大。生物膜结构上，就是脂类以双分子层构成生物膜的基本结构，而蛋白质分子则“镶嵌”于其中。膜蛋白生物膜中的蛋白质约占细胞蛋白总量的20%〜30%，它们或是单纯的蛋白质,或是与糖、脂结合形成的结合蛋白。根据它们与膜脂相互作用的方式及其在膜中的排列部位，可以大体地将膜蛋白分为两类：外在蛋白与内在蛋白（图1-7）。外在蛋白为水溶性球状蛋白质，通过静电作用及离子键等非共价键与膜脂相连，分布在膜的内外表面。内在蛋白占膜蛋白总量的70%〜80%，又叫嵌入蛋白或整合蛋白，其主要特征是水不溶性，分布在脂质双分子层中，有的横跨全膜也称跨膜蛋白,有的全部埋入疏水区，有的与外在蛋白结合以多酶复合体形式与膜脂结合。膜蛋白执行着生物膜的主要功能。不同生物膜所具有的不同生物学功能主要是由于所含膜蛋白的种类和数量的不同。细胞膜的构造膜脂在植物细胞中，构成生物膜的脂类主要是复合脂类，包括磷脂、糖脂、硫脂等。磷脂是含磷酸基的复合脂。在植物细胞膜中重要的磷脂属甘油磷脂，它们是磷脂酰胆碱（卵磷脂）和磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）。另外，还有磷脂酰丝氨酸，磷脂酰甘油，磷脂酰肌醇等。磷脂分子结构既有疏水基团，又有亲水基团。如图所示，分子中有一个极性的“头部”和一个疏水的“尾部”。磷脂的这种特性使之在生物膜形成中起着独特的作用。糖脂是指甘油脂中甘油分子上有一个羟基以糖苷键与一分子六碳糖相结合的产物。硫脂则是糖脂分子中的六碳糖上又带一个硫酸根基团。糖脂和硫脂也具有极性的“头部”和疏水的“尾部”这两种脂类在叶绿体膜中特别多，其含量甚至超过了磷脂。由上可知，膜上的脂类几乎都是两性分子，在水相中可自发地形成脂双层，即脂类分子呈两层排列，亲水的头部处于水相，疏水的尾部朝向中央。这种自发的排列过程称作脂类的自我装配。脂双层一旦有破损也能自我闭合。脂双层是流动的，脂类分子能在各自的单分子层内迅速地移动，即横向扩散，而一般不容易“翻转”，即不易从一个单分子层颠转到另一单分子层。脂双层的自我装配、自我闭合以及具有流动性的三大特点决定了它能成为生物膜理想的基本结构。膜脂上的脂肪酸有饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸之分，不饱和脂肪酸分子有双键，其顺式和反式的互变使不饱和脂肪酸易于弯曲或转动，从而使得膜结构比较松散而不僵硬。膜脂上的不饱和脂肪酸与植物的抗逆性有很大关系，通常耐寒性强的植物，其膜脂中不饱和脂肪酸含量较高，而且不饱和程度（双键数目）也较高，有利于保持膜在低温时的流动性；而抗热性强的植物，其饱和脂肪酸的含量较高，有利于保持膜在高温时的稳定性。3．膜糖生物膜中的糖类主要分布于质膜的外单分子层。这些糖是不超过15个单糖残基所连接成的具分支的低聚糖链（寡糖链），它们大多数与膜蛋白共价结合，少部分与膜脂结合，分别形成糖蛋白和糖脂（图1-7）。由于单糖彼此间结合方式、排列顺序、种类、数量以及有无分支等差别，其组合是千变万化的，所形成的寡糖链种类非常多，形成了多种细胞表面特异的图像，细胞之间借此进行互相识别和交换信息。（二）、生物膜的结构关于生物膜的结构有许多假说与模型，下面介绍两种模型。1．流动镶嵌模型流动镶嵌模型由辛格尔（S.J.Singer）和尼柯尔森（G.Nicolson）在1972年提出，认为液态的脂质双分子层中镶嵌着可移动的蛋白质，上图展示了此模型的结构特点。内在蛋白嵌合在磷脂分子层中，内在蛋白或其聚合体可横穿膜层，两端极性部分伸向水相，中间疏水部分与脂肪酸部分呈疏水结合，外在蛋白与膜两侧的极性部分结合。这个模型的特点是强调膜的不对称性和流动性。脂双层的流动性保证了膜能经受一定程度的形变而不致破裂，这可使膜中各种成分按需要调整或组合，使之合理分布，有利于表现膜的多种功能。更重要的是它允许膜互相融合而不失去膜对通透性的控制，确保膜分子在细胞分裂时均等地分配给子代细胞。流动镶嵌模型虽得到比较广泛的支持，但仍有很多局限性，如忽视了蛋白质对脂类分子流动性的控制作用和膜各部分流动的不均匀性等问题。板块镶嵌模型板块镶嵌模型由贾因（M.K.Gain）和怀特（White）在1977年提出。他们认为，由于生物膜脂质可以在环境温度或其它化学成分变化的影响下，或是由于膜中同时存在着不同脂质（脂肪链的长短或不同的饱和度），或者由于蛋白质和蛋白质、蛋白质和脂质间的相互作用，使膜脂的局部经常处于一种“相变”状态，即一部分脂区表现为从液晶态转变为晶态，而另一部分脂区表现为从晶态转变为液晶态。因此，整个生物膜可以看成是由不同组织结构、不同大小、不同性质、不同流动性的可移动的“板块”所组成，高度流动性的区域和流动性比较小的区域可以同时存在，随着生理状态和环境条件的改变，这些“板块”之间可以彼此转化。（三）、生物膜的功能正是有了脂性的膜，才使生命物质——蛋白质与核酸获得与周围介质隔离的屏障而保持聚集和相对稳定的状态，因此，细胞膜是任何活细胞必不可少的。植物细胞可以脱离细胞壁而生活，却不能脱离细胞膜膜而生存。膜的主要功能如下：分室作用细胞的膜系统不仅把细胞与外界环境隔开，而且把细胞内的空间分隔，使细胞内部的区域化，即形成各种细胞器，从而使细胞的代谢活动“按室进行”。各区域内均具特定的pH、电位、离子强度和酶系等。同时，由于内膜系统的存在，又将各个细胞器联系起来共同完成各种连续的生理生化反应，比如光呼吸过程就是由叶绿体、过氧化物体和线粒体三者协同完成的。代谢反应的场所细胞内的许多生理生化过程在膜上有序进行。如光合作用的光能吸收、电子传递和光合磷酸化、呼吸作用的电子传递及氧化磷酸化过程分别是在叶绿体的光合膜和线粒体内膜上进行的。物质交换质膜的另一个重要特性是对物质的透过具有选择性，控制膜内外进行物质交换。如质膜可通过扩散、离子通道、主动运输及内吞外排等方式来控制物质进出细胞。各种细胞器上的膜也通过类似方式控制其小区域与胞质进行物质交换。识别功能质膜上的多糖链分布于其外表面，似“触角”一样能够识别外界物质，并可接受外界的某种刺激或信号，使细胞作出相应的反应。例如，花粉粒外壁的糖蛋白与柱头细胞质膜的蛋白质之间就可进行识别反应。膜上还存在着各种各样的受体，能感应刺激，传导信息，调控代谢。［典型例题］例1：“高能磷酸键”中的“高能”是指该键：（）健能高 B.活化能高 C.水解释放的自由能高 D.A、B、C都是解析：化学中使用的“键能”和生物化学中使用的“高能键”，含义是完全不同的。化学中“键能”的含义是指断裂一个化学键所需要提供的能量；生物化学中所说的“高能键”是指该键水解时能释放出大量能量。（一般在20.92kj/mol以上）。答案:C。例2：酶具有极强的催化功能，其原因是：（）A.增加了反应物之间的接触面 B.降低了底物分子的活化能C.提高了反应物分子中的活化能 D.降低了底物分子的自由能解析：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称为活化能。因为酶降低活化能更显著，所以催化效率高。答案：B。例3：下列各组消化液中，每组均由每种消化液2ml混合而成，哪组能将蛋糕完全消化，且对蛋糕的消化力最强：（）A.胃液、胰液、肠液B.胰液、肠液、胆汁C.唾液、胃液、肠液D.胃液、肠液、胆汁解析：酶的催化效率有最适PH值，胃蛋白酶是2.0左右，肠液和胰液最适PH值8左右，唾液最适PH是6.8左右，胆汁的PH值7左右。所以，如有胃液和其他消化液混合，两方面的酶都会由于PH值偏离最适而降低活性甚至失活，从而降低了对蛋糕的消化能力。答案：B。例4：下列生理活动中，不产生ATP的是：（）A.暗反应 B.有氧呼吸 C.光反应 D.无氧呼吸解析：暗反应消耗ATP，其他过程有ATP生成。答案：A

例5：在人体和高等动物体内，在pH值由5上升到10的过程中，蛋白酶的催化速度将：（）A.先升后降 B.不断上升C.不断下降 D.先降后升解析：本题考查问题并不难，但审题要仔细。题干所问是生物体内的蛋白酶活性随PH值变化！而不是胃蛋白酶。人体大多数酶的最适PH值为7,所以本题答案：A。例6：人和动物体内发生“ADP十磷酸肌酸一叫ATP+肌酸”反应的条件是：（）A.肌肉组织缺氧B.机体消耗ATP过多C.机体进行有氧呼吸D.机体进行厌氧呼吸解析：ATP消耗过多，意味着生物体大量消耗能量，能量供不应求。磷酸肌酸是动物肌肉中的储能物质，在ATP消耗过多时，会分解，将磷酸基团及高能键转移致ADP,生成ATP,实现能量的迅速转移及供应。答案：B。例7：下列物质中属于高能化合物的是：（）A.ATP B.ADP C.AMPD.A解析：高能化合物是含有高能键的化合物，ATP有两个高能磷酸键，ADP有一个高能磷酸键，AMP虽然有磷酸基团但是不含高能磷酸键。所以答案：A、B。例8：下面哪种有关酶的描述是错的：（）A.所有酶都是蛋白质 B.酶有专一性酶在细胞外也可以发挥功能 D.酶可以不需要辅基解析：酶的化学本质：绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。条件适宜，酶在体外也一样具有催化作用。从酶的化学构成角度：单纯蛋白质酶，除了氨基酸不含任何其他化学物质。结合蛋白质酶含有辅酶（辅基）。本题答案：A。［智能训练］细胞膜脂质双分子层中，镶嵌蛋白质分子分布在：（）A.仅在内表面 B.仅在两层之间C.仅在内表面与外表面 D.两层之间、内表面与外表面都有以药物抑制草履虫ATP的合成，虫体死亡后其细胞常：（）A.萎缩 B.膨大 C.破裂 D.不变下列关于矿质元素的叙述不正确的是：（）B.根对矿质元素的吸收具有选择性DB.根对矿质元素的吸收具有选择性D.矿质元素进入根毛细胞中都需要消4.C.根对矿质元素的吸收都要通过交换吸附耗ATP4.同呼吸作用有关，但与ATP无关的过程是：（5.离子交换吸附D.渗透吸水正确的是：（）B.光照、温度、pH值温度、压力、pH值6.A.主动运输 B.协助扩散以下四组是影响酶活力的主要因素A5.离子交换吸附D.渗透吸水正确的是：（）B.光照、温度、pH值温度、压力、pH值6.A.主动运输 B.协助扩散以下四组是影响酶活力的主要因素A.底物的浓度、pH值、温度C.底物的浓度、压力、PH值动物体内能量代谢过程中，能量转移是指：（）A.肝糖元与血糖的相互转变需ATP B.有机物氧化分解产生ATPC.合成有机物消耗ATP D.ATP释放能量用于各种生理活动人体进行下列哪项生理活动时，会产生ATP？（ ）A.呼吸运动 B.外呼吸 C.肺的通气当人在剧烈运动时，合成ATP的能量主要来源于：（A.无氧呼吸 B.有氧呼吸 C.磷酸肌酸人体的酶与激素的共同点是：（）A.都是活细胞产生 B.都来源于腺体C.都是细胞代谢产物胞中欲观察寄生在人体血细胞内的微丝蚴，可把红细胞置于（）A.蒸馏水中 B.5%蔗糖溶液中C.瑞氏溶液中 D.生理盐水中以下哪种物质具有高能键：（）A.磷酸烯醇式丙酮酸B.3一磷酸甘油酸肌肉收缩时直接能源是：（）A.ATP B.磷酸肌酸蔗糖在常温下很稳定，这是因为：A.蔗糖需要较高的活化能C.蔗糖处于一种低能级状态在酶促反应中，如果加入竞争性抑制剂A.米氏常数不变C.米氏常数和最大反应速度都不变7.D.内呼吸8.9.量主要D.以上三项都有D.只存在于活细C.2一磷酸甘油醛 D.果糖-6-磷酸C.B.

D.B.

D.葡萄糖D.GTP蔗糖是天然防腐剂葡萄糖不易同其他化合物反应）最大反应速度不变米氏常数和最大反应速度都变参与体内供能反应最多的高能磷酸化合物是：（）A.磷酸肌酸 B.三磷酸腺苷 C.PEP D.UTP E.GTP细胞中许多具膜结构的细胞器在化学组成上很相似，其中与高尔基体的化学组成相似的细胞器是（）参与体内供能反应最多的高能磷酸化合物是：（）A.磷酸肌酸 B.三磷酸腺苷 C.PEP D.UTP E.GTP细胞中许多具膜结构的细胞器在化学组成上很相似，其中与高尔基体的化学组成相似的细胞器是（）A.线粒体 B.叶绿体 C.体17.n,p曰器是滑面内质网D.核糖18．19．20．21．一分子葡萄糖完全氧化可以生成多少分子ATP：（ ）A.35 B.38下列物质中属于高能化合物的是：（A.ATP