資源簡介

第四單元 細胞的能量供應及利用（1）酶與ATP
考點一：酶
一、酶在細胞代謝中的作用
1. 細胞代謝：
（1）概念：細胞中每時每刻都進行著許多化學反應，統稱為細胞代謝。
（2）條件：需酶的催化。
（3）意義：細胞代謝是細胞生命活動的基礎。
2. 比較過氧化氫在不同條件下的分解：
（1）實驗目的：
比較過氧化氫在不同條件下的分解速率。
嘗試探究過氧化氫酶的作用。
（2）實驗原理：新鮮的肝臟中含有過氧化氫酶，它和無機催化劑Fe3＋都能催化過氧化氫分解為水和氧氣。
（3）實驗過程：
實驗的變量與對照
自變量 因變量 無關變量 對照組 實驗組
2號：90 ℃水浴加熱 用單位時間內產生氣泡的數目多少表示H2O2分解速率 加入H2O2的量；實驗室溫度；FeCl3溶液和肝臟研磨液的新鮮程度 1號試管 2、3、4號試管
3號：加入3.5%FeCl3溶液2滴
4號：加入20%肝臟研磨液2滴
由上述實驗可以說明：
①1、4號試管對照 酶具有催化作用。
②1、3、4（或3、4）號試管對照 與無機催化劑相比，酶的催化效率更高。
（4）實驗結論：與無機催化劑相比，酶的催化效率更高。
3. 酶的作用機理：
（1）活化能：分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量。
（2）酶的作用機理：通過降低化學反應所需要的活化能而加快反應速率。
（3）意義：使細胞代謝能在溫和條件下快速有序地進行。
二、酶的本質
1. 探索過程：
（1）1716年《康熙字典》收錄了酶字，并將“酶”解釋為“酒母也”?！熬颇浮本褪乾F在所說的酵母。
（2）巴斯德之前：發酵是純化學反應，與生命活動無關。
（3）爭論：
巴斯德（法國）1857年提出：只有活酵母細胞參與才能進行發酵。
李比希（德國）認為：酵母細胞死亡裂解后釋放出某種物質，引起發酵。
（4）畢希納（德國）：獲得不含酵母細胞的提取液，他將酵母細胞中引起發酵的物質稱為釀酶。但未能分離鑒定出酶。
（5）薩姆納（美國）：1926年用丙酮提取出了刀豆種子中的脲酶，并證明了其化學本質是蛋白質。
（6）切赫和奧特曼（美國）：20世紀80年代，發現少數RNA也具有催化功能。
2. 酶的概念理解：
（1）來源：活細胞產生的。
（2）作用：具有催化作用。
（3）化學本質：有機物，絕大部分是蛋白質，少部分是RNA。
3. 酶本質的實驗驗證：
（1）實驗設計思路：
組別 待測液 檢驗試劑 現象
實驗組 唾液淀粉酶 雙縮脲試劑 出現紫色
對照組 已知蛋白液 雙縮脲試劑 出現紫色
（2）實驗結論：唾液淀粉酶是蛋白質。
三、酶的特性
酶具有高效性
1. 含義：酶的催化效率是無機催化劑的107～1013倍。
2. 意義：使細胞代謝快速進行。
3. 曲線：加入酶、無機催化劑和不加催化劑時，化學反應達到平衡點時所需時間不同。
酶具有專一性
1. 含義：每一種酶只能催化一種或一類化學反應。
2. 鎖鑰模型：圖中A表示酶，B表示被酶催化的底物，E和F表示催化后的產物，而C和D則表示不能被該酶催化的物質。
意義：使細胞代謝能夠有條不紊地進行。
曲線：分別向蔗糖溶液和麥芽糖溶液中加入麥芽糖酶，底物剩余量不同。
酶的專一性實驗設計：
實驗原理
淀粉、蔗糖均為非還原糖，不能與斐林試劑共熱產生磚紅色沉淀。
淀粉酶可以催化淀粉水解為還原糖，但不能催化蔗糖水解。
實驗設計思路：
步驟 1 淀粉＋淀粉酶 蔗糖＋淀粉酶
2 等量斐林試劑，水浴加熱相同時間
現象 出現磚紅色沉淀 無顏色變化
結論 酶具有專一性
實驗分析：
自變量：反應物的不同。
無關變量：溶液的量、溫度等。
因變量：溶液是否出現磚紅色沉淀。
酶的作用條件較溫和
1. 酶活性：可用在一定條件下酶催化某一化學反應的速率表示。
2. 酶所催化的化學反應一般是在比較溫和的條件下進行的。過酸、過堿或溫度過高，都會使酶的空間結構遭到破壞，使酶永久失活。低溫只能使酶的活性降低，但酶的空間結構穩定，在適宜的溫度下酶的活性會升高。
3. 探究不同溫度對酶活性的影響：
（1）實驗原理：淀粉遇碘變藍，根據不同溫度下相同時間內反應后的溶液是否出現藍色以及藍色的深淺可以判斷淀粉被水解的量，從而判斷不同溫度下酶的活性。
（2）實驗過程：
試管 步驟 1 1′ 2 2′ 3 3′
淀粉溶液 2 mL / 2 mL / 2 mL /
淀粉酶溶液 / 1 mL / 1 mL / 1 mL
不同溫度下處理5 min 0 ℃ 60 ℃ 100 ℃
將同一溫度下的兩種物質混合后保溫5 min
滴加碘液 1滴 1滴 1滴
結果（現象） 變藍 不變藍 變藍
（3）實驗結論：酶的催化作用需要在適宜的溫度下進行，溫度過高或過低都會影響酶的活性。
4. 探究pH對酶活性的影響：
實驗原理：過氧化氫可在過氧化氫酶的作用下分解產生氧氣和水，根據不同pH下氣泡產生的快慢可判斷過氧化氫酶的活性。
實驗過程：
取8支潔凈的試管并編號，分別加入等量新鮮的肝臟研磨液。
用鹽酸或NaOH溶液調整出不同的pH（如5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0）。
分別滴加等量的過氧化氫溶液并搖勻。
用點燃但無火焰的衛生香來檢測氧氣的生成情況。
實驗結論：酶發揮催化作用需要適宜的pH，pH偏高或偏低都會影響酶的活性。
5. 溫度和PH共同作用對酶活性的影響：
底物濃度和酶濃度影響酶促反應的速率
酶濃度影響酶促反應速率：
曲線：
要素解讀：在有足夠底物而又不受其他因素影響的情況下，酶促反應速率與酶濃度成正比。
底物濃度影響酶促反應速率：
曲線：
要素解讀：
底物濃度較低時，酶促反應速率與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。
當底物濃度達到一定值后，再增加底物濃度，酶促反應速率不再增加。
與溫度和pH有關的曲線
（1）圖甲曲線分析
在一定溫度范圍內，隨溫度的升高，酶的催化作用增強，超過這一范圍，酶的催化作用逐漸減弱甚至失活。酶的催化作用有最適pH，超過或低于此pH，酶的催化作用逐漸減弱。
過酸、過堿、高溫都會使酶變性失活，而低溫只是抑制酶的活性，酶分子的結構未被破壞，溫度升高可恢復活性。
（2）圖乙曲線分析
縱坐標為反應物剩余量，剩余量越多，生成物越少，反應速率越慢。
圖示pH=7，反應物剩余量最少，應為最適pH。
反應溶液pH的變化不影響酶作用的最適溫度。
正確認識實驗中的變量并加以控制
確認實驗中的自變量、因變量、無關變量。實驗中可以變化的因素稱為變量，其中人為改變的變量稱為自變量。隨自變量而變化的變量稱為因變量。實驗中可能還會存在一些可變因素，對實驗結果造成影響，這些變量稱為無關變量。
設計對照實驗，控制自變量，觀察因變量，平衡無關變量。
空白對照：如“唾液淀粉酶對淀粉的消化作用”，實驗組中加唾液，對照組中加等量的清水。
自身對照：如“植物細胞的質壁分離與復原實驗”前后對照。
相互對照：如“溫度對唾液淀粉酶活性的影響實驗”，實驗設置80℃、60℃、37℃、0℃，四組之間相互對照，得出淀粉糊消化程度最高組的溫度。
例題1：洗滌劑中的堿性蛋白酶受到其他成分的影響而改變構象，部分解折疊后可被正常堿性蛋白酶特異性識別并降解（自溶）失活。此外，加熱也能使堿性蛋白酶失活，如圖所示。下列敘述錯誤的是（ ）
A.堿性蛋白酶在一定條件下可發生自溶失活
B.加熱導致堿性蛋白酶構象改變是不可逆的
C.添加酶穩定劑可提高加堿性蛋白酶洗滌劑的去污效果
D.添加堿性蛋白酶可降低洗滌劑使用量，減少環境污染
【答案】B
【解析】本題考查酶、蛋白質的變性等。由題意可知，堿性蛋白酶部分解折疊后可被正常堿性蛋白酶特異性識別并自溶失活，A正確；由題圖可知，加熱可使堿性蛋白酶部分解折疊，空間構象發生改變，降溫后部分解折疊的堿性蛋白酶又可以恢復天然狀態的空間構象，B錯誤；添加酶穩定劑對維持堿性蛋白酶活性有一定作用，因此可以提高加堿性蛋白酶洗滌劑的去污效果，C正確；堿性蛋白酶能夠催化血漬、奶漬等蛋白類污染物降解，且酶具有高效性，因此添加堿性蛋白酶可降低洗滌劑用量，減少環境污染，D正確。
例題2：下列關于研究淀粉酶的催化作用及特性實驗的敘述，正確的是（ ）
A.低溫主要通過改變淀粉酶的氨基酸組成，導致酶變性失活
B.稀釋100萬倍的淀粉酶仍有催化能力，是因為酶的作用具高效性
C.淀粉酶在一定pH范圍內起作用，酶活性隨pH升高而不斷升高
D.若在淀粉和淀粉酶混合液中加入蛋白酶，會加快淀粉的水解速率
【答案】B
【解析】本題考查酶的催化作用和特性。低溫只能降低酶的催化活性，并不能使酶變性失活，A錯誤；酶具有高效性，即使將淀粉酶稀釋100萬倍，其仍有催化能力，B正確；淀粉酶在一定pH范圍內起作用，當超過最適pH，酶活性隨pH升高而不斷降低，直至失活，C錯誤；淀粉酶屬于蛋白質，若在淀粉和淀粉酶混合液中加入蛋白酶，則蛋白酶會催化淀粉酶水解，從而使淀粉的水解速率降低，D錯誤。
考點二：ATP
一、ATP是一種高能磷酸化合物
1. 中文名稱：腺苷三磷酸。
2. 結構簡式：A－P～P～P。
注：A代表腺苷（由腺嘌呤和核糖組成），T代表“三”，P代表磷酸基團，其結構簡式是A—P～P～P，其中“—”代表普通化學鍵，“～”代表一種特殊的化學鍵。
分子組成：
元素組成：ATP是由C、H、O、N、P五種元素組成的，這與核酸的元素組成是相同的。
AMP是RNA的基本組成單位。
ATP的結構組成可以用“1、2、3”來總結，“1”表示1個腺苷，“2”表示兩個特殊的化學鍵，“3”表示3個磷酸基團。
結構特點：
（1）不穩定：由于兩個相鄰的磷酸基團都帶負電荷而相互排斥等原因，使得“～”這種化學鍵不穩定，末端磷酸基團有一種離開ATP而與其他分子結合的趨勢，也就是具有較高的轉移勢能。
（2）高能量：1 mol ATP水解釋放的能量高達30.54kJ，所以說ATP是細胞內的一種高能磷酸化合物。
功能：ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。
※生物體內的能源物質總結
能源物質：糖類、脂肪、蛋白質、ATP。
主要能源物質：糖類。
儲能物質：脂肪、淀粉（植物細胞）、糖原（動物細胞）。
主要儲能物質：脂肪。
直接能源物質：ATP。
最終能量來源：太陽能。
二、ATP與ADP可以相互轉化
1. 轉化過程：
（1）ATP轉化為ADP：ATPADP＋Pi＋能量。
（2）ADP轉化為ATP過程：ADP＋Pi＋能量ATP。
（3）圖示：
2. 轉化過程中能量來源和去向：
ADP合成ATP的能量來源
綠色植物，既可來自光能，也可以來自呼吸作用所釋放的能量。
動物、人、真菌和大多數細菌，均來自細胞進行呼吸作用時有機物分解所釋放的能量。
ATP水解成ADP釋放的能量去向：各項生命活動。
3. 相互轉化特點：
（1）ATP和ADP相互轉化是時刻不停地發生且處于動態平衡之中的。
（2）ATP和ADP相互轉化的能量供應機制體現了生物界的共性。
三、ATP的利用
1. ATP水解釋放的能量用于各項生命活動
（1）實例：細胞的主動運輸、肌細胞收縮、生物發電發光、大腦思考、細胞內的物質合成。
（2）ATP為主動運輸供能的過程分析
Ca2＋主動運輸的載體蛋白也是催化ATP水解的酶，膜內側的Ca2＋與其載體結合時激活該酶，將ATP水解。
ATP水解時，脫離下來的磷酸基團與載體蛋白結合即載體蛋白的磷酸化。
載體蛋白磷酸化導致其空間結構發生變化。
2.ATP是細胞內流通的能量“貨幣”
（1）吸能反應一般與ATP水解相聯系；放能反應一般與ATP合成相聯系。
（2）能量通過ATP在吸能反應和放能反應之間流通。
※易混淆的2個與ATP產生量有關的曲線辨析
（1）甲圖表示ATP產生量與O2供給量的關系
A點表示無氧條件下，細胞可通過無氧呼吸分解有機物，產生少量ATP。
AB段表示隨O2供給量增多，有氧呼吸明顯加強，通過有氧呼吸分解有機物釋放的能量增多，ATP的產生量隨之增加。
BC段表示O2供給量超過一定范圍后，ATP的產生量不再增加，此時的限制因素可能是酶、ADP、磷酸等。
（2）乙圖可表示哺乳動物成熟的紅細胞中ATP來自無氧呼吸，與O2無關。
ATP的產生和利用
（1）ATP的產生：動物細胞內產生ATP的途徑是呼吸作用，涉及的細胞結構是細胞質基質和線粒體；植物細胞內產生ATP的途徑是光合作用和呼吸作用，涉及的細胞結構是葉綠體，細胞質基質和線粒體。
（2）ATP的利用
ATP中的化學能是活躍的化學能，可作為直接能源物質。ATP釋放的能量來源于ATP中遠離A的高能磷酸鍵。其中的能量可以轉化成各種形式的能量，用于各項生命活動，如：化學能→電能：用于大腦思考和神經傳導；化學能→化學能：用于細胞內的各種吸能反應（物質合成）；化學能→機械能：用于肌細胞收縮；化學能→電能、光能：用于生物放電、發光。
并不是所有的生命活動都需要能量，也不是所有的生命活動的能量都是由ATP提供的。
常見的消耗能量的生理過程：主動運輸、蛋白質合成、胞吞、胞吐、細胞分裂等。
常見的不消耗能量的生理過程：自由擴散、協助擴散、氣體交換、滲透作用、蒸騰作用等。
能量的來源和去路
（1）光能和有機物中的化學能可以分別在光合作用和細胞呼吸過程中，轉化為ATP中的能量。
（2）ATP中的能量可以被生物體的各種生命活動直接利用。
例題1：細胞內有多種高能磷酸化合物，如NTP和dNTP。ATP是NTP家族中的一員，dATP是dNTP家族中的一員。每個NTP分子失去兩個磷酸基團后的產物是核糖核苷酸，而每個dNTP分子失去兩個磷酸基團后的產物是脫氧核糖核苷酸。下列相關敘述不合理的是（ ）
A.NTP和dNTP都能作為直接能源物質
B.dNTP徹底水解的產物中可能含尿嘧啶
C.ATP失去離腺苷最遠的磷酸基團可得到ADP
D.每個NTP分子中都含有3個磷酸基團
【答案】B
【解析】NTP和dNTP都是高能磷酸化合物，都可以作為直接能源物質，A正確；小NTP徹底水解的產物是脫氧核糖、磷酸和堿基，該堿基可能是腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶或胞嘧啶，但一定不是尿嘧啶，B錯誤；ATP失去離腺苷最遠的磷酸基團可得到ADP，C正確；每個NTP分子失去兩個磷酸基團后的產物是核糖核苷酸，每個核糖核苷酸分子中含有1個磷酸基團，故每個NTP分子中都含有3個磷酸基團。
例題2：研究發現一些神經細胞不僅能釋放典型神經遞質，還能釋放ATP作為神經細胞間傳遞信息的信號分子，兩者均能引起受體細胞的膜電位變化。如圖表示其大致過程。下列分析錯誤的是（ ）
A.沒有線粒體或者葉綠體的細胞不能合成并釋放ATP
B.相關酶的作用下，ATP中的磷酸基團逐個脫離下來，最后剩下的是腺苷
C.接受ATP信號的細胞膜上的幾種受體的本質都是蛋白質
D.三個磷酸基團帶負電，彼此之間相互排斥，具有較高的轉移勢能是遠離腺苷的特殊磷酸鍵容易斷裂的原因
【答案】A
【解析】細胞有氧呼吸的場所是細胞質基質和線粒體。無氧呼吸的場所是細胞質基質，沒有線粒體或葉綠體的細胞也能通過細胞呼吸合成并釋放ATP，A錯誤；ATP的全稱是腺苷三磷酸，其結構簡式為：A-P~P~P。在相關酶的作用下，ATP中的磷酸基團逐個脫離下來，最后剩下的是A（腺苷），B正確；由圖可知，接受ATP信號的細胞膜上的幾種受體的本質是糖蛋白，C正確；ATP的全稱是腺苷三磷酸，其結構簡式為：A-P~P~P，由于兩個相鄰的磷酸基團都帶負電荷而相互排斥等原因，使得這種化學鍵不穩定，末端磷酸基團有一種離開ATP而與其他分子結合的趨勢。也就是具有較高的轉移勢能，D正確。
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