专题二代谢微生物与发酵工程.docx
《专题二代谢微生物与发酵工程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专题二代谢微生物与发酵工程.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
专题二代谢微生物与发酵工程
专题二代谢、微生物与发酵工程
一专题知识平台
二高考热点聚焦
新陈代谢作为生命活动的基本形式，既涉及生物体上众多的结构，又以各项生理活动互相联系的形式而展开，为历年高考必考内容。
命题一般围绕两个方面的内容展开。
其一是绿色植物的新陈代谢，多以光合作用与呼吸作用的关系为例，考查两项生理作用的过程、产物、影响因素及彼此的制约关系，通过实验数据、图表及条件变化，考查学生分析现象抓住本质的能力。
其二是动物的新陈代谢，以及对酶的性质、条件变化为考查点的出题方式，且以综合实验题居多，并有从定性分析到定量分析计算各生理作用产物的趋向。
这部分内容从高考的总体趋势上说，加大了分析难度，并注重了实验推理特点的考查，以实验数据、图表等形式综合考察学生的辩证思维能力、分析说明能力以及图文转化等多项能力。
三重难点知识整合
（一）把握绿色植物新陈代谢的内在联系
1.水分代谢为光合作用提供反应物和反应介质，充分吸水能维持植物枝叶充分伸展，以利接受更多的光照。
水分代谢与矿质代谢相对独立，前者为后者提供良好的溶剂有助离子的运输，而后者可能通过改变浓度差而影响水分的代谢等。
2.水分代谢为呼吸作用提供反应物和反应介质；呼吸作用通过维持细胞的活性而影响水分代谢的总体强度，还可以影响矿质代谢而间接作用于水分代谢。
3.矿质代谢为光合作用提供必需的N、P、Mg等矿质元素，光合作用又为矿质代谢提供需要的有机物等条件。
光合作用为呼吸作用提供O2、有机物和能量，而呼吸作用又为光合作用提供C02等原料及C3、C5，等可能的中间产物。
（二）要掌握能量代谢中各能源物质之间的关系和人体内的三大供能系统
1.生物体的根本（最终）能源是太阳能；三大能源物质是糖类、脂肪、蛋白质；主要供能物质是糖类；主要的储能物质是脂肪；主要的高能物质有ATP、磷酸肌酸；直接能源物质是ATP。
这些能源物质的关系可概括为右图：
2．ATP是直接的供能物质，人体内ATP的再生途径如下图所示：
①在100米赛跑时，由ATP—
Pi肌酸供能系统供能，维持时间约为20—25秒；
②在400米—800米跑时，Pi肌酸供能不够，但有氧呼吸尚未达到峰值，主要靠无氧呼吸供能；
③在马拉松长跑过程中，由无氧呼吸产生了大量乳酸，内环境pH下降，无氧呼吸减弱，但前两个供能系统供能时产生了大量的ADP和消耗掉[H]后形成的NADP+，对有氧呼吸具有强烈的促进作用，使得有氧呼吸速率提高，产生大量的ATP。
（三）从光合作用和呼吸作用角度分析物质循环和能量流动
在光照时，通过气体代谢特点或有机物积累，计算绿色植物光合作用相对强度，“
”比“→”含量多。
（1）物质循环
（四）注重对影响光合作用速率因素的分析和应用
因素
对光合作用的影响
应用
单因子影响
光
光照强度
（1）一般情况下，光合作用与光照强度呈正相关，光照强度在光补偿点以上，植物才能正常生长。
（2）光照强度达到一定程度（光合作用的饱和点），光合作用速率不再增加。
（1）阴生植物的光补偿点和光饱和点较低，注重间作套种，合理采伐；
（2）适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免徒长，封行过早；
（3）合理密植，增加光合作用面积；
（4）注重轮作，延长光合作用时间；
（5）注重处理营养生长。
波长
通常情况下，在红光下光合作用最快，蓝紫光次之，绿光最差，但白光最理想。
光照面积
（1）一般情况下，光合作用实际量与叶面积呈正相关；
（2）当达到面积饱和点后，因很多叶被挡在光补偿点以下，光合作用不再增加，但呼吸加强，因此干物质的积累量不断降低。
温度
温度低，酶促反应慢，光合速率低。
随温度升高、光合速率加快，温度过高时会影响酶的活性，光合速率降低。
温室栽培时，冬天适当升温，夏天适当降温；白天升至光合最适温度，晚上降低室温，减慢呼吸，积累有机物。
叶龄
（1）幼叶不断生长，叶面积不断增大，叶绿体（素）不断增加，光合速率不断加快；
（2）壮叶光合速率不断加快；
（3）枣叶内叶绿体被破坏，光合速率减慢。
农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶，降低呼吸消耗有机物
CO2、水和矿质元素
C02和水是光合作用的原料，矿质元素直接或间接影响光合作用，在一定范围内CO2、H2O和矿质元素越多，光合作用速率越快，但当达到各自的饱和值时，就不再增加
多因子影响
综合调整各因子，设法使光合速率达到最大值
温室栽培时，把光、温、CO2、H2O、矿质元素调整到最适量的范围，让光合作用达到最佳效果。
（五）学会从反应的实质上确定微生物的代谢类型
1．确定代谢类型的标准
标准
确定
自养型与异养型
是否依赖外界有机碳源
是——自养型否——异养型
光能型与化能型
转变成自身物质的能源
利用光能——光能型
利用化学能——化能型
需氧型、厌氧型与兼性厌氧型
有机物分解时是否有氧的参与
是——需氧型否——厌氧型
有氧／无氧均可——兼性厌氧型
2．分类说明
I类：
红螺菌的同化反应式
2（CH3）2CHOH+CO22CH3COCH3+[CH2O]+H2O
从上述反应式分析红螺菌光合作用绿色植物的异同点：
相同点：
（1）所需能源均为光能；
（2）所需碳源是C02中的碳，可确定为自养型。
不同点：
（1）它能利用有机物中的碳源，可确定为异养型；
（2）供H体不是H20，而是（CH3）CHOH，所以产物中无O2，因此异化作用为厌养。
Ⅱ类；硝化细菌的同化作用过程从反应式可以看出硝化细菌所需能源为氧化无机物的化学能，不是光能，其余的与绿色植物相似，故代谢类型为化能自养型。
Ⅲ类：
绿硫细菌同化作用过程
2H2S+C02（CH20）+2S+O2↑
从反应式可推知绿硫细菌所需能源为光能（近红外光）主要的供氢气体不是H20，而是H2S，所以产物中无O2，故其代谢类型为光能自养型。
可见红螺菌是一种从光能异养型向光能自养型进化的过渡类型，除此以外氢细菌为兼性自养型；酵母菌为兼性厌氧型，均为过渡类型。
值得一提的是：
地球上确实存在自养厌氧型生物，如红硫细菌科的细菌，它们的细胞不存在叶绿体，但具有载色体，类似叶绿体中的类囊体，含有细菌叶绿素和类胡萝卜素，在光下这类细菌利用硫化氢等作还原剂，把C02还原为有机物，属自养型生物；但这类细菌只进行无氧呼吸，因此属于厌氧型生物。
（六）三大营养物质的代谢及其与人体健康之间的关系
1．细胞中各种物质代谢的相互关系
（1）分解代谢的全过程：
①首先大分子降解为组成它们的单体分子，如多糖降解为葡萄糖或五碳糖；脂肪降解为甘油和脂肪酸；蛋白质降解为氨基酸；②第二阶段的多种分子转化成较少种类的更小分子；③第三阶段通过共同的代谢途径最后氧化成CO2和H2O。
（2）合成代谢的全过程，与分解代谢正好相反，以蛋白质为例：
①最简单的前身小分子；②由前身小分子转化成氨基酸；③氨基酸合成肽链。
（3）合成代谢和分解代谢的关系：
两种代谢的“生返”过程看似基本一样，但两个过程所需的酶常有差别；同一物质合成和分解的途径，各有通道，避免干扰。
2．肝门脉系统与血糖的调节
（1）进入肝脏的两条血管
肝动脉：
给肝脏供应O2
肝门静脉：
将小肠送出的含营养和CO2高的血液送人肝脏
（2）肝脏：
葡萄糖肝糖元
（3）肝静脉：
将肝脏流出的静脉血送人大静脉，流回心脏
低血糖：
脑细胞对低血糖特别敏感，血糖浓度过低是致命的
血脂：
血浆中所含的脂类统称为血脂
肝脏中脂肪堆积→脂肪肝→肝硬化
人体每天都必须摄人足量的蛋白质
（七）微生物与发酵工程
1．微生物的能源
微生物分为自养型微生物和异养型微生物。
对于自养型微生物，它的能源是光或无机化合物，比如硝化细菌是以NH3的氧化来获得自身所需要的能量。
对于异养型微生物，有的能源可以来自碳源（含碳有机物）、有的能源可以来自氮源（含有氮和碳的有机物），总之是来自含碳有机物。
含有C、H、O、N的化合物，可以提供碳源、氮源，但却不一定能提供能源。
比如NH4HCO3，它能给自养型微生物提供氮源和碳源，能给异养型微生物提供氮源和无机盐。
2．生物的营养
营养是指生物摄取、利用营养物质的过程。
营养物质是指维持机体生命活动，保证发育、生殖所需的外源物质。
在人及动物，营养物质包括水、无机盐、糖类、脂类、蛋白质、维生素六类；在植物，营养物质包括矿质元素、水、CO2等三类；在微生物，则有水、无机盐、碳源、氮源、生长因子五类。
微生物所需的无机盐与植物所需的矿质元素有差别。
比如NH3，在微生物是氮源，在植物是矿质元素。
Ca2+对植物是矿质元素，对异养型微生物是无机盐，对自养型微生物可以是碳源。
人及动物所需的无机盐中，没有氮，他们所需要的氮来自蛋白质等。
维生素是人需要的微量有机物，生长因子是微生物需要的微量有机物。
维生素在人体内是维持新陈代谢和某些生理功能的必不可少的物质，大多是酶的组成部分。
生长因子在微生物也是酶的组成成分，如氨基酸和维生素；有些还是核酸的组成部分，如碱基。
3．选择培养基
选择培养基的含义是：
在培养基中加入某种化学物质，以抑制不需要的微生物的生长，促进需要的微生物的生长。
目的是从众多微生物中分离所需微生物。
在培养基中加入某种化学物质可以做到这一点，如加入青霉素可以分离出酵母菌和霉菌。
加入高浓度的食盐可得到金黄色葡萄球菌。
这里的加入是在培养基的营养成分的基础上加入的。
培养基中营养成分的改变也可达到分离微生物的目的。
如培养基中缺乏氮源时，可以分离氮微生物，因为非固氮微生物不能在此培养基上生存。
当培养基的某种营养成分为特定化学成分时，也具有分离效果。
如石油是惟一碳源时，可以抑制不能利用石油的微生物的生长，使能够利用石油的微生物生存，达到分离能消除石油污染的微生物的目的。
四专题高考考向预测和策略
（一）本专题知识在高考中的命题趋势
本专题知识描述的是生命的最基本特征——新陈代谢，而新陈代谢是生物体进行各种生命活动的基础，高中生物整本书主要介绍的是生物的七个基本特征，所以这一专题的学习将为高中生物其他部分的学习奠定基础。
由于它的基础地位，决定了本专题的重要性，它历来是各类考试的重点和难点。
1．从考点内容看：
本专题知识涉及植物代谢（水分代谢、矿质代谢、光合作用、呼吸作用），动物代谢（物质代谢、能量代谢），每个知识点都极其重要。
本专题采分点也特别多，其中光合作用和呼吸作用，糖类、脂肪、蛋白质三大营养物质的消化、吸收、代谢的全过程是常考的内容。
本章知识涉及相当多的初中知识，诸如呼吸、消化、循环、排泄四大系统，激素调节、酵母菌、乳酸菌等，与高中生物中许多章节的知识，如前面的叶绿体、线粒体、细胞质基质、细胞的分裂，后面的环境保护、生态系统的物质循环和能量流动等知识相联系，也与物理、化学知识诸如能源、做功、同位素标记、化学中的摩尔计算等知识联系。
2．从考查能力要求看：
重视能力和素质的考查是新一轮高考改革的一个特点：
（1）它要求学生能解释和说明所学自然科学基本知识的含义，并能运用适当的形式（如文字、图或表）进行表达。
本专题内容重要概念多，如光合作用、呼吸作用、消化、吸收、代谢、同化作用、异化作用、外呼吸、内呼吸、交换吸附、自养型、异养型、需氧型、厌氧型、兼性厌氧型生物、脱氨基作用、转氨基作用等重要概念，光合作用和呼吸作用、三大营养物质代谢等图解，内环境中的成分、三大营养物质之间的关系图解，都要求学生重点掌握。
（2）要求学生能掌握《考试说明》中规定的实验，并能够根据要求设计简单的实验方案。
高中生物教材中的实验中，本专题有四个实验，当然有关实验方面的考查也将以本专题为主。
（3）要求学生读懂自然科学有关这方面的资料，看懂图表所包含的信息，并能从中找出规律。
本章知识涉及酶、ATP、光合作用、呼吸作用、水分代谢、矿质代谢等诸多重要内容，资料、图表相当多，要能认清所涉及的相关知识的本质，读懂资料信息中与本章相关的内容。
（4）要求学生在理解知识的基础上，应用这些知识去指导自然科学的研究、社会的生产和人类的生活，必须懂得自然科学知识的实用性和社会价值。
本章内容可与实际应用相联系的知识较多，如水分代谢与灌溉、矿质代谢与施肥、光合作用和呼吸作用与大棚作物及农作物产量的提高等。
3．从近几年的高考试题看：
本专题知识内容在各类试卷中的权重均在20％以上，且图表题和应用型题将光合作用呼吸作用等知识与其他学科、环保、能源等热点问题结合的题，实验的完成与设计题等呈上升趋势。
4.本专题的考向预测
（1）酶与代谢的关系
（2）设计或分析实验；验证酶的特性及温度、pH对酶活性的影响
（3）ATP与代谢的关系
（4）ATP再生的能量来源
（5）光反应、暗反应中物质变化、能量变化以及二者之间的关系和发生部位
（6）某些因素对光合作用中细胞内物质（如G、Q、G），变化以及光合效率的影响
（7）用同位素示踪法研究光合作用过程中不同元素的去向及来源的实验设计原理
（8）植物细胞渗透吸水原理的分析以及渗透现象的判别
（9）矿质元素的吸收和呼吸作用的关系以及温度、02、载体种类及数量对矿质元素吸收的影响。
（10）矿质元素选择吸收性对土壤溶液pH的影响以及多合理施肥的指导
（11）矿质元素在植物体内的存在以及缺乏症，首发部位的判断分析
（12）三大营养物质的相互转化
（13）体内三大营养物质的来源及去路
（14）高等动物内环境的组成及其稳态的形成和意义
（15）有氧呼吸、无氧呼吸的过程以及能量利用率
（16）呼吸作用原理在生产实践中的应用
（17）光合作用、呼吸作用以及两者综合的有关计算
（18）生物新陈代谢类型的特点及判断
（19）微生物的营养、代谢、生长
（20）发酵工程的原理及应用
（二）本专题知识的应试对策
由于本专题考点内容多、分数比例大、能力要求高、联系实际广，做好本章试题，在各类考试中至关重要。
1．应全面复习本专题知识，并将知识系统化、网络化，使本专题的各知识点牢牢地刻在大脑的沟回里。
2．找出与相关章节、相关学科、初中生理交叉的知识点，经过大脑的过滤、梳理，使相关的知识心中有数，不打无准备之仗。
3．关注本专题内容与现实生活和科学发展相联系的知识点，要透过现象看本质，弄清相关的生物学原理。
4．要搞清书中的四个实验，包括实验原理、方法步骤、材料器具、实验过程中可能遇到的情况、实验结果，还要注意与初中生理、理化等自然学科共用的实验器具、科学探究方法的联系，并学会独立设计相关实验。
5．进行必要的有针对性的训练，把各种题型，特别是对图表分析题、材料题、实验设计题要多练习，并找出其要点。
通过训练活跃自己的思维、提高审题的水平、增强对综合考试的适应。
五典例精析
[例1]实验证明矿质元素会直接或间接地影响光合作用。
下图所示水稻叶片氮、磷含量与光合作用速率的关系。
请据下图回答：
（1）分析上图，水稻叶片的氮、磷含量与光合作用速率之间有何关系?
（2）请根据光合作用过程和原理分析氮、磷两种元素是如何影响光合作用速率的?
[解析]本题是一道研究性实践应用型题目，突出知识的灵活运用，强调理论联系实际和学以致用。
[答案]
（1）在一定的范围内，氮、磷含量越多，光合作用的速度越快；
（2）①缺磷会影响ATP的合成（影响光合作用的能量传递），从而影响光合作用的速率；②缺氮影响酶的合成，酶的缺乏会影响光合作用的速率；③适量的氮可使植物枝叶繁茂，光合作用进行得旺盛。
[总结]
（1）明确实验是依据假设在人为控制条件下，对实验变量（或实验因子）的变化和结果，进行捕获解释的科学方法。
（2）注意对光合作用密切相关的矿质元素的种类、生理作用和相关图表的识别与分析。
（3）主动应对高考的策略是：
夯实基础知识，了解研究问题的基本思路和方法，明确矿质代谢在植物代谢、生物界乃至控个自然界的作用，明确理论联系实际的应用方向并适当加强能力倾向性练习训练。
[例2]运动员在进行不同项目运动时，机体供能方式不同。
对这三种运动项目的机体总需氧量，实际摄人氧量和血液中乳酸增加量进行测定，结果如下：
运动项目
总需氧量（L）
实际摄入氧量（L）
血液乳酸增加量
马拉松跑
600
589
略有增加
400m
16
2
显著增加
100m
8
0
未见增加
据上述资料分析，马拉松跑、400m、100m跑运动过程中机体的主要供能方式分别是（）
A.有氧呼吸，无氧呼吸，磷酸肌酸分解 B.无氧呼吸，有氧呼吸，磷酸肌酸分解
C.有氧呼吸，无氧呼吸，无氧呼吸 D.有氧呼吸，磷酸肌酸分解，无氧呼吸
[解析]据图表资料；逐个分析三种运动项目的总需氧量，实际摄入氧量和血液中乳酸增加量三者之间的关系，通过对信息的提取、分析和推理，在原有的基础上作出判断。
[答案]A
[总结]
（1）本题考查有氧呼吸、无氧呼吸以及磷酸肌酸水解三种方式形成ATP。
要理解ATP是能量代谢的“通货”。
（2）马拉松跑总需氧量与实际摄人氧量差值相对较小，血液中乳酸略有增加，其主要供能方式为有氧呼吸；400米跑两者的差值较大且血液中乳酸量显著增加，可推知主要供能方式为无氧呼吸；100m跑机体未摄人氧，且乳酸又未增加，说明机体未进行有氧呼吸和无氧呼吸，其供能只靠磷酸肌酸水解。
[例3]如下图所示是某种类型的生物代谢过程中的某种生理活动。
请据图回答：
（1）该生理活动被称为。
（2）进行该生理活动的生物其同化作用代谢类型是
型，其在生态系统的成分应被划为。
（3）该生理活动主要在该生物的细胞的（细胞器）中进行。
（4）图中字母A、B、C各代表的物质是A、B、C。
（5）图中的I称，包括①和；Ⅱ称，包括②和③。
（6）在I中，能量的变化是；在Ⅱ中能量的变化是。
（7）在正常的生理状态（如温度、pH）下，进行该生理活动的细胞器中，如果A和B的含量甚微，说明该生理活动的阶段受阻，很可能是因为；如果ADP和NADP+的含量甚微，说明该生理活动的阶段受阻，很可能是因为。
[解析]不难看出这是在叶肉细胞中叶绿体内进行光合作用的图解，绿色植物是自养型生物，在生态系统中是主要的生产者；图中A、B、C分别代表ATP、NADPH和（H2O），①、②、③分别代表水的光解，C02的固定和光合作用在叶绿体内复杂的物质变化和能量转化过程，从物质方面看，包括水在光下的分解并释放出氧气，CO2的固定和还原及糖类等有机物的形成；从能量方面看，光能在类囊体膜上先转换成电能并由电能转换成活跃的化学能，活跃的化学能再在叶绿体的基质中转换成稳定的化学能，前两次转换属于光反应阶段，第三次转换属于暗反应阶段；光合作用受温度、光照强度和C02浓度的影响，如果ATP和NADPH含量甚微，说明光反应受阻，很可能是光照不足或无光照，如果ADP和NADP+含量甚微，显然是C02供应不足或C02供应停止。
[答案]
（1）光合作用
（2）自养生产者（3）叶肉叶绿体（4）ATPNADPH（CH2O）（5）光反应水的光解光能的利用（或光合磷酸化）暗反应CO2的固定
CO2（或C3）的还原（6）光能→电能→活跃的化学能活跃的化学能→稳定的化学能（7）光反应光照不足或无光照暗反应C02供应不足或供应停止
[总结]
（1）光合作用产生的ATP和NADPH（[H]）都含有活跃的化学能。
（2）光合作用过程中能量的吸收、转换是复杂的过程；叶绿素a和叶绿素b、胡萝卜素及叶黄素都吸收光能和传递光能，只有少数的叶绿素a能利用光能。
（3）在光照条件下大部分色素将吸收的光能传递给少数处于特殊状态下的叶绿素，使这些叶绿素被激发而产生高能电子，高能电子在传递过程中将能量（电能）释放出来，被ATP和NADPH所吸收或暂时贮存，既光能→电能→活跃的化学能，失去电子的叶绿素a又从水中夺得电子而恢复正常状态，水分却被分解为单质氧原子和氢离子。
（4）叶绿素a在阳光下不断丢失电子和获得电子而形成高能电子流，使光能转换电能，高能电子在类囊体膜上传递过程中逐步释放能量，一部分用于合成ATP，最后NADP+夺得电子获得一部分能量并与H+结合形成NADPH（[H]）。
[例4]根据光合作用原理，在下面的坐标系中绘出华北平原的玉米在7月下旬某天某段时间内，在天气晴朗条件下的光合作用效率曲线（能体现大意即可）。
[解析]本题综合考查学生对影响光合速率因子的掌握情况。
（1）在我国北方7月下旬的一天之内，上午10点左右，光照充足，气温适宜，此时叶片气孔几乎全部开放，吸收C02，因此光合作用效率高，强度大，达到最高点，并保持相对稳定状态。
（2）到了中午12时左右，光照过强，气温过高，蒸腾作用过盛，则部分气孔关闭，C02的吸收量逐步减少，故有机物的合成效率逐渐降低，光合速率达到低谷。
（3）下午15点左右，光照逐渐减弱，气温开始缓慢下降，气孔张开，吸收CO2，合成有机物逐渐增多，光合作用再次达到峰值。
（4）此后光照强度减弱，光反应效率低，有机物合成速率减慢。
[答案]略
[总结]解此题的关键点是：
（1）光照强度为0时，只进行呼吸作用，此时吸收C02量表明此时的呼吸强度；随着光照的增强，进而达到光补偿点（光合作用强度=呼吸强度）随光照强度不断增强，光合强度不断加强，最终达到光饱和点。
（2）H20是光合作用的原料，在一定范围内HzO越多，光合速率快，最终达到饱和。
（3）温度影响酶的活性，植物一般在10—35℃范围内正常地进行光合作用，超过35℃后光合酶的活性下降，直至失活。
（4）温度影响蒸腾，失水过多，导致气孔关闭，影响CO2供应。
[例5]1977年，科学家在深海中的火山口周围发现热泉喷出的海水温度超过300℃，并且富含硫化氢和硫酸盐。
令人惊奇的是，在这样的海水里，竟发现大量的硫细菌。
这些细菌通过氧化硫化物和还原二氧化碳来制造有机物，在热泉口周围还发现多种脊椎动物，如大海合蟹和管水母，没有口也没有消化道的管居环节动物等。
近20年来人们不断在深海发现这样的热泉生态系统。
有些科学家认为热泉与地球上早期生命所处的环境类似。
请根据以上材料回答：
（1）上述硫细菌的新陈代谢类型是。
（2）与一般生态系统相比，深海热泉生态系统有何特殊之处?
（3）研究深海热泉生态系统有何意义?
[解析]本题重点考查学生的知识迁移能力；灵活运用知识联系实际的能力；分析新情景，解决实际问题的能力以及学科内跨章节知识综合能力。
（1）
升级会员 