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能量与呼吸作用

A-Level 生物 · 第 12 主题

训练
讲义 词汇表
12.1

能量
大纲
  1. outline the need for energy in living organisms, as illustrated by active transport, movement and anabolic reactions, such as those occurring in DNA replication and protein synthesis
  2. describe the features of ATP that make it suitable as the universal energy currency
  3. state that ATP is synthesised by: • transfer of phosphate in substrate-linked reactions • chemiosmosis in membranes of mitochondria and chloroplasts
  4. explain the relative energy values of carbohydrates, lipids and proteins as respiratory substrates
  5. state that the respiratory quotient (RQ) is the ratio of the number of molecules of carbon dioxide produced to the number of molecules of oxygen taken in, as a result of respiration
  6. calculate RQ values of different respiratory substrates from equations for respiration
  7. describe and carry out investigations, using simple respirometers, to determine the RQ of germinating seeds or small invertebrates (e.g. blowfly larvae)

来源:剑桥国际大纲

细胞需要稳定的能量(energy)供应,它们从呼吸作用(respiration)获得。能量被用于:

  • 主动运输(active transport,逆一个梯度移动物质),
  • 运动(例如肌肉收缩),
  • 合成代谢(anabolic)反应——大分子的建造,如在 DNA 复制和蛋白质合成中。
运动员在跑道上跑步
运动期间,肌肉需要呼吸作用释放的能量的持续供应
词汇表 训练
英文 中文 拼音
energy 能量 néng liàng
respiration 呼吸作用 hū xī zuò yòng
active transport 主动运输 zhǔ dòng yùn shū
anabolic 合成代谢 hé chéng dài xiè
练习卷
12.1

ATP —— 能量货币

ATP 是把能量携带到需要它的地方的分子。它由 ADP 和一个磷酸基团制成;当它再次失去那个磷酸时,它释放一小份、可用的能量爆发。ATP 很好地适合这个工作,所以我们把它叫通用能量货币:

  • 它快速释放能量,以匹配一个细胞需要的小量。
  • 它容易被制造和重新制造,一遍又一遍。
  • 它小而可溶,所以它容易在细胞周围移动。
一个循环,显示 ADP 加磷酸用来自呼吸作用的能量变成 ATP,而 ATP 在能量为细胞释放时变回 ADP 加磷酸
呼吸作用加一个磷酸以制造 ATP;细胞再次把它断开以释放能量

ATP 以两种方式制造:通过在磷酸化(phosphorylation)反应中直接转移一个磷酸基团,以及通过跨线粒体(mitochondria)和叶绿体膜的化学渗透(chemiosmosis)。

探索

The ATP cycle

Step around the loop. ATP is split to release a small burst of energy, then rebuilt by respiration — over and over.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
phosphorylation 磷酸化 lín suān huà
chemiosmosis 化学渗透 huà xué shèn tòu
12.1

呼吸底物与呼吸商

一个呼吸底物(respiratory substrate)是一个被分解以释放能量的分子。每克,脂质释放最多的能量(它们有最多的氢),蛋白质其次,而碳水化合物最少。

一个条形图:脂质每克释放最多的能量,然后蛋白质,然后碳水化合物
脂质每克释放最多的能量,然后蛋白质,然后碳水化合物

呼吸商(respiratory quotient,RQ)比较交换的气体:

$$\text{RQ} = \frac{\text{molecules of carbon dioxide produced}}{\text{molecules of oxygen taken in}}$$

你可以从一个呼吸方程算出 RQ。碳水化合物给出约 1.0 的 RQ,脂质约 0.7,蛋白质约 0.9。

例题。 求葡萄糖有氧呼吸的 RQ:$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$。

$$\text{RQ} = \frac{\text{CO}_2 \text{ produced}}{\text{O}_2 \text{ taken in}} = \frac{6}{6} = 1.0.$$

这就是为什么一个接近 $1.0$ 的 RQ 暗示生物体在呼吸碳水化合物;一个较低的 RQ(约 $0.7$)暗示它在用脂质,它每分子 $\text{CO}_2$ 需要更多的氧气。

一个呼吸计(respirometer)测量生物吸入的氧气(oxygen),如萌发(germinating)的种子或小的无脊椎动物(invertebrates),并被用来求它们的 RQ。

一个呼吸计:一个萌发种子的烧瓶在碱石灰之上,连到一个带一个刻度上有色珠子的毛细管;随着氧气被用掉,珠子朝烧瓶移动
碱石灰吸收放出的 CO₂,所以气体体积只因被用掉的氧气而下降——珠子按那个量移入
探索

Respiratory quotient lab

RQ = CO2 produced / O2 used

Change oxygen use and see how RQ compares fuels.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
respiratory substrate 呼吸底物 hū xī dǐ wù
respiratory quotient 呼吸商 hū xī shāng
respirometer 呼吸计 hū xī jì
oxygen 氧气 yǎng qì
germinate 萌发 méng fā
invertebrate 无脊椎动物 wú jǐ zhuī dòng wù
carbon dioxide 二氧化碳 èr yǎng huà tàn
12.2

呼吸作用
大纲
  1. State where each of the four stages in aerobic respiration occurs in eukaryotic cells: • glycolysis in the cytoplasm • link reaction in the mitochondrial matrix • Krebs cycle in the mitochondrial matrix • oxidative phosphorylation on the inner membrane of mitochondria
  2. outline glycolysis as phosphorylation of glucose and the subsequent splitting of fructose 1,6-bisphosphate (6C) into two triose phosphate molecules (3C), which are then further oxidised to pyruvate (3C), with the production of ATP and reduced NAD
  3. explain that, when oxygen is available, pyruvate enters mitochondria to take part in the link reaction
  4. describe the link reaction, including the role of coenzyme A in the transfer of acetyl (2C) groups
  5. outline the Krebs cycle, explaining that oxaloacetate (4C) acts as an acceptor of the 2C fragment from acetyl coenzyme A to form citrate (6C), which is converted back to oxaloacetate in a series of small steps
  6. explain that reactions in the Krebs cycle involve decarboxylation and dehydrogenation and the reduction of the coenzymes NAD and FAD
  7. describe the role of NAD and FAD in transferring hydrogen to carriers in the inner mitochondrial membrane
  8. explain that during oxidative phosphorylation: • hydrogen atoms split into protons and energetic electrons • energetic electrons release energy as they pass through the electron transport chain (details of carriers are not expected) • the released energy is used to transfer protons across the inner mitochondrial membrane • protons return to the mitochondrial matrix by facilitated diffusion through ATP synthase, providing energy for ATP synthesis (details of ATP synthase are not expected) • oxygen acts as the final electron acceptor to form water
  9. describe the relationship between the structure and function of mitochondria using diagrams and electron micrographs
  10. outline respiration in anaerobic conditions in mammals (lactate fermentation) and in yeast cells (ethanol fermentation)
  11. explain why the energy yield from respiration in aerobic conditions is much greater than the energy yield from respiration in anaerobic conditions (a detailed account of the total yield of ATP from the aerobic respiration of glucose is not expected)
  12. explain how rice is adapted to grow with its roots submerged in water, limited to the development of aerenchyma in roots, ethanol fermentation in roots and faster growth of stems
  13. describe and carry out investigations using redox indicators, including DCPIP and methylene blue, to determine the effects of temperature and substrate concentration on the rate of respiration of yeast
  14. describe and carry out investigations using simple respirometers to determine the effect of temperature on the rate of respiration

来源:剑桥国际大纲

有氧(aerobic)呼吸(带氧气)有四个阶段,每个在细胞里一个固定的位置:

阶段 它在哪里发生
糖酵解(glycolysis) 细胞质(cytoplasm)
连接反应(link reaction) 线粒体的基质(matrix)
克雷布斯循环(Krebs cycle) 线粒体的基质
氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 线粒体的内膜
有氧呼吸的一个流程图:葡萄糖在细胞质中经糖酵解到丙酮酸,然后在基质中连接反应和克雷布斯循环,然后在内膜上氧化磷酸化制造大部分 ATP
四个阶段以及每个在哪里发生;还原的 NAD 和 FAD 把氢带到内膜,大部分 ATP 在那里制造

Glycolysis

葡萄糖(glucose,6 碳)首先用 2 ATP 被磷酸化,以构成果糖二磷酸(6C)。这个 6C 分子被分裂成两个丙糖磷酸分子(各 3C)。这些随即被氧化(oxidised)成丙酮酸(pyruvate,3C)。糖酵解净得 2 ATP 和一些还原的(reduced)NAD(NAD 是一个辅酶(coenzyme),一个帮助分子)。

葡萄糖用 2 ATP 被磷酸化成果糖二磷酸,分裂成两个丙糖磷酸,然后被氧化成两个丙酮酸,净得 2 ATP 和还原的 NAD
糖酵解花 2 ATP 来启动,但制造 4,所以净得 2 ATP(加还原的 NAD)——而且它不需要氧气

The link reaction

当氧气可用时,丙酮酸进入线粒体。在那里每个丙酮酸失去一个二氧化碳(carbon dioxide)并被变成一个 2 碳的乙酰基(acetyl)基团。这个基团由辅酶A(coenzyme A)携带以构成乙酰辅酶A。一些二氧化碳被释放,而 NAD 被还原。

The Krebs cycle

2C 的乙酰基基团加入一个 4 碳分子,草酰乙酸(oxaloacetate),以制造一个 6 碳分子,柠檬酸(citrate)。柠檬酸随即在一系列小步骤中被变回草酰乙酸,准备好接受下一个乙酰基基团。在这些步骤期间:

  • 脱羧(decarboxylation)以二氧化碳的形式移除碳。
  • 脱氢(dehydrogenation)移除氢,它还原辅酶 NAD 和 FAD。

还原的 NAD 和 FAD 随即把氢带到线粒体内膜中的载体。

克雷布斯循环画成一个环:乙酰 CoA 加入草酰乙酸以制造柠檬酸,它被变回草酰乙酸,释放二氧化碳和还原的辅酶
每一圈释放二氧化碳(脱羧)和还原的 NAD 和 FAD(脱氢)

Oxidative phosphorylation

这个阶段制造大部分的 ATP:

  1. 氢原子分裂成质子(protons)和有能量的电子(electrons)。
  2. 电子沿电子传递链(electron transport chain)传递,一路释放能量。
  3. 这个能量被用来把质子泵过内膜。
  4. 质子通过一个叫 ATP合酶(ATP synthase)的通道流回基质。这种流动提供制造 ATP 的能量(这是化学渗透)。
  5. 氧气是最终的电子受体:它与电子和质子结合以构成水。
一个线粒体,它的内膜折叠成嵴,旁边一个内膜的特写,电子载体在那里把质子泵出去,而 ATP 合酶在它们流回时制造 ATP
电子把质子(H⁺)泵入膜间隙;它们通过 ATP 合酶流回以制造 ATP(化学渗透)

The structure of mitochondria

内膜折叠成嵴(cristae),给电子传递链和 ATP 合酶一个大表面。里面的基质容纳连接反应和克雷布斯循环的物质和帮助者。

两个线粒体的电子显微照片,每个都有一层光滑的外膜和一层折叠成深色条纹的内膜,带一个 50 纳米的比例尺
两个真实的线粒体,用电子显微镜拍摄。穿过内部的深色条纹就是嵴——正是这些折叠使电子传递链的表面如此之大
探索

Glycolysis

Step through it. Glucose is split in the cytoplasm into two pyruvate, for a small net gain of ATP and reduced NAD.

探索

The four stages of respiration

Step through where ATP comes from. Glucose is broken down in stages; most ATP is made at the last stage.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
mitochondria 线粒体 xiàn lì tǐ
aerobic 有氧 yǒu yǎng
glycolysis 糖酵解 táng jiào jiě
cytoplasm 细胞质 xì bāo zhì
link reaction 连接反应 lián jiē fǎn yìng
matrix 基质 jī zhì
Krebs cycle 克雷布斯循环 kè léi bù sī xún huán
oxidative phosphorylation 氧化磷酸化 yǎng huà lín suān huà
glucose 葡萄糖 pú táo táng
oxidise 氧化 yǎng huà
pyruvate 丙酮酸 bǐng tóng suān
reduce 还原 huán yuán
coenzyme 辅酶 fǔ méi
acetyl 乙酰基 yǐ xiān jī
coenzyme A 辅酶A fǔ méi A
oxaloacetate 草酰乙酸 cǎo xiān yǐ suān
citrate 柠檬酸 níng méng suān
decarboxylation 脱羧 tuō suō
dehydrogenation 脱氢 tuō qīng
electron 电子 diàn zi
electron transport chain 电子传递链 diàn zi chuán dì liàn
proton 质子 zhì zi
ATP synthase ATP合酶 hé méi
cristae 嵴 jǐ
练习卷
12.2

无氧呼吸

当没有氧气时,只有糖酵解能运行。为了让糖酵解继续,细胞必须用掉还原的 NAD。这通过发酵(fermentation)发生:

  • 在哺乳动物中,丙酮酸被变成乳酸(lactate,乳酸发酵)。乳酸后来在氧气返回时被分解。
  • 在酵母(yeast)中,丙酮酸被变成乙醇(ethanol)和二氧化碳(乙醇发酵)。
没有氧气,糖酵解制造丙酮酸,它在哺乳动物中变成乳酸或在酵母中变成乙醇和二氧化碳
没有氧气,丙酮酸变成乳酸(哺乳动物)或乙醇(酵母);这为糖酵解再生 NAD

无氧(anaerobic)呼吸给出的能量远少于有氧呼吸。有氧呼吸也运行克雷布斯循环和氧化磷酸化,它们释放多得多的 ATP,而无氧呼吸只获得糖酵解的那一小份。

探索

Why fermentation matters

Step through it. Without oxygen, fermentation regenerates NAD so glycolysis can keep making a little ATP.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
fermentation 发酵 fā jiào
lactate 乳酸 rǔ suān
yeast 酵母 jiào mǔ
ethanol 乙醇 yǐ chún
anaerobic 无氧 wú yǎng
12.2

水稻与被水淹的根

水稻能在它的根在水下、那里氧气很少的情况下生长。它以三种方式适应:它在根中发育出通气组织(aerenchyma,充气的空间)以把空气带下去;根用乙醇发酵以保持制造一些 ATP;而茎生长得更快以到达水上的空气。

一个湿地植物根的显微横切面:一个深色的中央核心被圆形细胞围绕,细胞之间有大的白色气隙
一个生长在水中的植物根的横切面。大的白色气隙就是通气组织——相连的气道,让氧气一路扩散到坐在缺氧泥中的根
词汇表 训练
英文 中文 拼音
aerenchyma 通气组织 tōng qì zǔ zhī
12.2

研究呼吸速率

一个氧化还原指示剂(indicator)如 DCPIP 或亚甲基蓝,当它从进行呼吸作用的细胞获得氢时失去它的颜色。颜色失去得越快,酵母呼吸得越快,所以你可以测试温度或底物浓度的影响。一个呼吸计也可以被用来测量温度如何改变氧气吸收的速率。

词汇表 训练
英文 中文 拼音
indicator 指示剂 zhǐ shì jì
12.2

考试技巧
  • 陈述每个阶段在哪里发生及它的 ATP 产量:糖酵解(细胞质)、连接反应 + 克雷布斯(基质)、氧化磷酸化(内膜,大部分 ATP)。
  • 解释 NAD/FAD 的作用(把氢带到电子传递链)和氧气的作用(最终的电子受体)。
  • RQ $=$ 产生的 CO2 $\div$ 用掉的 O2($\approx 1.0$ 碳水化合物,$0.7$ 脂质);知道一个呼吸计如何测量它。
  • 无氧呼吸给出乳酸(动物)或乙醇 + CO2(酵母/植物)以及远少的 ATP(只有糖酵解)。

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