《第5章 细胞的能量供应和利用思维导图》

一、能量概述

• 定义： 细胞生命活动所需的能力，维持生命体征。
• 形式：
  • 化学能：储存在化学键中的能量（如葡萄糖、ATP）。
  • 光能：太阳辐射的能量。
  • 机械能：肌肉运动等。
  • 热能：维持体温（通常是能量转换的副产品）。
• 特点：
  • 能量守恒：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式。
  • 能量传递和转化过程中通常伴随着热量的散失，效率并非100%。
• 作用：
  • 维持细胞的生长、发育、繁殖。
  • 维持细胞的物质运输。
  • 维持细胞的信号传递。
  • 维持生物体的各项生命活动。

二、ATP：细胞的能量货币

• 结构：
  • 腺嘌呤：含氮碱基。
  • 核糖：五碳糖。
  • 磷酸基团：三个磷酸基团，高能磷酸键连接。
• 合成：
  • ADP + Pi + 能量 → ATP
  • 能量来源：光合作用，呼吸作用。
• 水解：
  • ATP → ADP + Pi + 能量
  • 能量释放：高能磷酸键断裂释放能量。
• 特点：
  • 高能磷酸键：储存大量的化学能。
  • 小分子：易于运输，快速释放能量。
  • 循环利用：ATP与ADP之间的相互转换。
• 作用：
  • 直接供能：为细胞的各项生命活动提供能量，如肌肉收缩、神经冲动传导、物质的跨膜运输、生物合成等。

三、光合作用

• 总反应式： 6CO₂ + 6H₂O + 光能 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• 场所： 叶绿体
  • 类囊体薄膜：光反应场所。
  • 叶绿体基质：暗反应场所。
• 过程：
  • 光反应阶段：
    • 场所：类囊体薄膜
    • 步骤：
      • 光能吸收：叶绿素等色素吸收光能。
      • 水的分解：2H₂O → 4[H] + O₂ （光解水）
      • ATP生成：ADP + Pi + 光能 → ATP （光合磷酸化）
    • 产物：[H]、ATP、O₂
  • 暗反应阶段（卡尔文循环）：
    • 场所：叶绿体基质
    • 步骤：
      • CO₂固定：CO₂ + C₅ → 2C₃ （不稳定）
      • C₃还原：2C₃ + [H] + ATP → (CH₂O) + C₅
    • 产物：(CH₂O) 糖类等有机物
• 影响因素：
  • 光照强度：光反应速率。
  • CO₂浓度：暗反应速率。
  • 温度：酶活性。
  • 水分：光合作用的原料。
  • 矿质元素：合成叶绿素等物质。
• 意义：
  • 将光能转化为化学能，为生物界提供能量来源。
  • 维持大气中氧气和二氧化碳的平衡。

四、细胞呼吸

• 定义： 有机物在细胞内氧化分解，释放能量的过程。
• 类型：
  • 有氧呼吸：
    • 总反应式：C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O + 能量（大量）
    • 场所：细胞质基质和线粒体
    • 过程：
      • 第一阶段：葡萄糖分解为丙酮酸和少量[H]，产生少量ATP。（细胞质基质）
      • 第二阶段：丙酮酸转化为乙酰辅酶A，产生CO₂和少量[H]。（线粒体基质）
      • 第三阶段：[H]与O₂结合生成水，释放大量能量。（线粒体内膜）
    • 能量：释放大量能量，大部分储存在ATP中。
  • 无氧呼吸：
    • 总反应式：C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃(乳酸) 或 2C₂H₅OH(酒精) + 2CO₂ + 能量（少量）
    • 场所：细胞质基质
    • 过程：
      • 第一阶段：葡萄糖分解为丙酮酸和少量[H]，产生少量ATP。（与有氧呼吸第一阶段相同）
      • 第二阶段：丙酮酸在不同酶的作用下，转化为乳酸或酒精和二氧化碳。
    • 能量：释放少量能量，产生少量ATP。
    • 产物：乳酸（如动物肌肉），酒精和二氧化碳（如酵母菌）。
• 影响因素：
  • 温度：酶活性。
  • 氧气浓度：有氧呼吸速率。
  • 水分：细胞代谢的需要。
• 意义：
  • 为细胞的生命活动提供能量。
  • 为生物体的各项生理活动提供能量。
  • 提供细胞代谢的中间产物。

五、能量的利用

• 细胞层面：
  • 主动运输：通过细胞膜运输物质，需要消耗ATP。
  • 生物合成：合成蛋白质、核酸等大分子物质，需要消耗ATP。
  • 细胞运动：肌肉收缩、纤毛摆动等，需要消耗ATP。
  • 信号传递：细胞内的信号传递，需要消耗ATP。
• 生物体层面：
  • 维持体温：动物通过呼吸作用产生热量，维持体温。
  • 肌肉运动：肌肉收缩，需要消耗ATP。
  • 神经冲动传导：维持神经细胞的膜电位，需要消耗ATP。
  • 生长发育：细胞分裂、分化，需要消耗ATP。
• 能量转化效率：
  • 光合作用的能量转化效率不高，大部分能量以热能形式散失。
  • 细胞呼吸的能量转化效率也非100%，部分能量以热能形式散失。
  • 生态系统的能量流动效率较低，一般为10%-20%。

六、总结

细胞的能量供应和利用是生命活动的基础。光合作用和细胞呼吸是细胞能量的主要来源。ATP是细胞的能量货币，为各项生命活动提供能量。能量的利用效率并非100%，大部分能量以热能形式散失。了解细胞的能量供应和利用，有助于我们理解生物体的各项生理活动和生态系统的能量流动。