查缺补漏 | 2.1 聚焦细胞代谢的基础条件——酶和ATP
提纲
核心点拨1．辨析酶的概念关系图
(1)本质——绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA，合成的原料有氨基酸或核糖核苷酸，合成的场所主要是核糖体或细胞核。(2)来源——凡是活细胞(哺乳动物成熟的红细胞除外)都能产生酶，不能来自食物。(3)作用——催化是其唯一功能，不具有调节作用，也不作为能源和组成物质。(4)场所——酶既可在细胞内，也可在细胞外发挥作用。(5)活性——低温只抑制酶的活性，不破坏酶的结构，但高温、强酸和强碱都能使酶变性失活。(6)过氧化氢分解机理的区别——过氧化氢酶是降低了过氧化氢分解反应的活化能，而加热是使过氧化氢分子获得能量，从常态转变为容易分解的活跃态。(7)化学反应的平衡点——实际上酶只是降低了化学反应的活化能，所能催化的是本来就能发生的反应，提高了反应速率，缩短了到达平衡点的时间，而平衡点的大小只能由底物的量来决定。(8)化学反应前后的性质和数量——实际上反应前后酶的性质、数量都没有发生改变。(9)酶促反应速率和酶活性——实际上二者不完全等同，因为温度和pH是通过影响酶的空间结构改变酶的活性，进而影响酶促反应速率；而底物浓度和酶浓度是通过影响底物与酶的接触面积而影响反应速率。(10)催化作用和高效性的机理——实际上前者是与没有催化剂对照，酶能够降低活化能；而后者是与无机催化剂对照，能够显著降低活化能。2．辨析酶、激素、神经递质、抗体(1)四者均具特异性(专一性)、高效性等特性。(2)激素、神经递质、抗体都是由细胞分泌到内环境中发挥作用，发挥作用后即被灭活、分解或回收，而酶既可在细胞内，也可在细胞外发挥作用，且可以多次发挥作用。(3)活细胞都能产生酶(哺乳动物成熟的红细胞除外)，但只有少数特异性细胞能合成并分泌激素、神经递质、抗体。3．读懂酶的3类曲线(1)酶的作用原理酶能降低化学反应的活化能(如下图所示)。
(2)酶的作用特性
①图1中加酶的曲线和加无机催化剂的曲线比较，说明酶具有高效性，而与不加催化剂的曲线比较只能说明酶具有催化作用。②图2中两曲线比较表明酶具有专一性。(3)酶的影响因素①温度和pH
图甲和图乙显示：过酸、过碱、高温都会使酶失活，而低温只是抑制酶的活性，酶分子结构未被破坏，温度升高可恢复活性。从图丙和图丁可以看出：反应溶液pH(温度)的变化不影响酶作用的最适温度(pH)。②底物浓度和酶浓度
图甲中OP段的限制因素是底物浓度，而P点之后的限制因素有酶浓度和酶活性；图乙对反应底物的要求是底物足量。4．辨清与酶相关实验设计的5个易错点(1)若底物选择淀粉和蔗糖，酶溶液为淀粉酶，验证酶的专一性，检测底物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂，不能选用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否被水解。(2)若选择淀粉和淀粉酶探究酶的最适温度，检测试剂宜选用碘液，不应该选用斐林试剂，因斐林试剂需水浴加热，而该实验中需严格控制温度。另外在酶溶液和反应物混合前，需要把两者先分别放在各自所需温度下保温一段时间。(3)探究酶的适宜温度的实验中不宜选择过氧化氢酶催化H2O2分解，因为底物H2O2在加热的条件下分解会加快，从而影响实验结果。(4)在酶的最适pH探究实验中，操作时必须先将酶和底物分别置于不同pH条件下，然后再将同一pH条件下处理的底物和酶液混合，而不能把酶加入反应物中后，再加入盐酸或氢氧化钠。(5)探究酶的高效性时，对照组应为无机催化剂；探究酶的催化作用时，对照组应为不加催化剂；探究酶的专一性时，既可用同一种酶作用于不同底物，也可用不同酶作用于同一底物。5．明辨ATP的结构
(1)ATP与ADP的相互转化，从物质方面来看是可逆的；从酶、进行的场所、能量方面来看是不可逆的。从整体上来看，二者的转化并不可逆。(2)ATP不等同于能量：ATP是一种高能磷酸化合物，其分子式可以简写为A—P～P～P，高能磷酸键水解时能够释放出多达30.54 kJ/mol的能量，所以ATP是与能量有关的一种物质，不可将两者等同起来。(3)细胞内ATP含量很少，只是转化非常迅速及时，ATP与ADP的转化总处于动态平衡中。6．能量转换过程和ATP的产生与消耗
转化场所产生或消耗ATP的生理过程细胞膜消耗ATP：主动运输、胞吞、胞吐细胞质基质产生ATP：细胞呼吸第一阶段叶绿体产生ATP：光反应消耗ATP：暗反应和自身DNA复制线粒体产生ATP：有氧呼吸第二、三阶段消耗ATP：自身DNA复制核糖体消耗ATP：蛋白质的合成细胞核消耗ATP：DNA复制、转录等7．ATP产生速率与O2供给量的关系分析
(1)甲图表示ATP产生速率与O2供给量的关系①A点表示在无氧条件下，细胞可通过无氧呼吸分解有机物，产生少量ATP。②AB段表示随O2供给量增多，有氧呼吸明显加强，通过有氧呼吸分解有机物释放的能量增多，ATP的产生速率随之增加。③BC段表示O2供给量超过一定范围后，ATP的产生速率不再增加，此时的限制因素可能是酶、ADP、磷酸等。(2)乙图可表示哺乳动物成熟红细胞、蛔虫细胞ATP产生速率与O2供给量关系，其ATP来自无氧呼吸，与O2无关。题组特训题组一 酶的本质及作用1.如图表示酶降低化学反应活化能的图解。①表示没有酶催化，②表示有酶催化。相关叙述正确的是()
A．如果用无机催化剂在其他条件相同的情况下进行该实验，则其曲线在①上方B．E2代表有酶催化时所降低的活化能C．其他条件不变，E1越大，则酶的催化效率越高D．条件不变的情况下，E2是不变的，所以增加反应体系中的酶量，反应速率也是不变的答案 C解析 如果用无机催化剂在其他条件相同的情况下进行该实验，则其曲线在①的下方，曲线②的上方，A错误；E1表示有酶参与的情况下降低的活化能，B错误；其他条件不变，E1越大，说明降低的化学反应的活化能越高，则酶的催化效率越高，C正确；温度、pH等不变的情况下，化学反应的活化能(E2)是不变的，增加反应体系中的酶量，反应速率加快，D错误。2．图①表示甲、乙两种酶用同一种蛋白酶处理，酶活性与处理时间的关系，图②表示外界环境温度与某一哺乳动物体内酶活性的关系。下列叙述正确的是(多选)()
A．图①中乙酶活性的改变可能是因为其分子结构的改变B．图①中甲酶可能是具有催化功能的RNAC．图②表示的酶可以是人体细胞内的呼吸酶D．图②表示酶的活性不随环境温度的变化而变化，说明酶已经失活答案 ABC解析 大部分酶的化学本质是蛋白质，少数酶是RNA，图①中的乙酶用蛋白酶处理后，酶活性降低，说明乙酶的化学本质是蛋白质，被蛋白酶处理后分解(分子结构改变)，图①中的甲酶用蛋白酶处理后，活性不变，则说明甲酶的化学本质是具有催化作用的RNA，如核酶等，A、B正确；人体能维持体温的相对稳定，所以在一定范围内，人体内酶的活性不会随外界环境温度的升高而升高，所以图②表示的酶可以是人体细胞内的呼吸酶，C正确；图②表示酶的活性不随环境温度的变化而变化，说明该酶是恒温动物体内的酶，D错误。归纳总结 强记7类常见酶(1)DNA聚合酶——催化脱氧核苷酸间缩聚形成磷酸二酯键，用于DNA复制。(2)RNA聚合酶——用于转录时解旋及核糖核苷酸间的连接。(3)解旋酶——用于DNA复制时双链间氢键打开。(4)各种消化酶——可对应催化相关大分子的水解，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。(5)细胞工程工具酶：纤维素酶、果胶酶(除去细胞壁)、胰蛋白酶(动物细胞培养)。(6)
(7)
题组二 酶的影响因素辨析3．下图1中甲曲线表示在最适温度下，某种淀粉酶酶促反应速率与反应物浓度之间的关系。其余两条曲线分别表示该酶促反应速率随pH或温度的变化趋势。图2表示该淀粉酶在不同实验条件下催化淀粉水解时，淀粉的剩余量和反应时间之间的关系。下列相关叙述正确的是()
A．图1中E点代表该酶的最适pH，H点代表该酶的最适温度B．图2所示实验条件可能是不同的底物浓度，并且浓度大小关系为a＞b＞cC．若图2所示实验条件为不同温度，则b曲线对应的温度和图1曲线乙中E点所对应的温度相同D．若图2所示实验条件为不同pH，则a曲线对应的pH和图1中曲线丙中H点所对应的pH不一定相同答案 D4．为了研究温度对某种酶活性的影响，设置三个实验组：甲组(20 ℃)、乙组(40 ℃)和丙组 (60 ℃)，测定各组在不同反应时间内的反应物浓度(其他条件相同)，结果如图。回答下列问题：
(1)三个温度条件下，该酶活性最高的是________组。(2)在时间t1之前，如果甲组温度升高10 ℃，那么甲组酶催化反应的速度会____________。(3)如果在时间t2时，丙组温度降低20 ℃，其他条件保持不变，那么在t3时，该组反应物总量____________，原因是______________________________________。答案 (1)乙 (2)升高(“变大”“增加”等同义表述亦可)(3)不变 t2时丙组酶已经变性失活，降低温度酶活性无法恢复解析 (1)分析曲线图可知：乙组(40 ℃)反应达到化学平衡所需要的时间最短，故三个温度条件下，该酶活性最高的是乙组。(2)从曲线图来看，三个温度条件较适合的是40 ℃，而甲组是20 ℃条件下温度对某种酶活性的影响曲线，故在时间t1之前，反应尚未达到化学平衡之前，如果甲组温度提高10 ℃，那么甲组酶催化反应的速度会加快。(3)丙组为60 ℃条件下温度对某种酶活性的影响曲线，由图可知，在时间t2时，产物浓度不再改变，高温时酶已经失活。此时丙组温度降低20 ℃，酶活性也不会恢复，其他条件保持不变，那么在t3时，丙组产物总量不变。题组三 酶的相关实验辨析与设计5．取3支试管分别加入等量唾液淀粉酶溶液，标注为A、B、C三组，并分别调整到0℃、37 ℃、100 ℃，然后在每支试管中加入温度分别为0 ℃、37 ℃、100 ℃的等量淀粉，保持各组温度10分钟后，继续进行检测实验。下列关于该实验的说法，合理的是()A．若向三支试管中各加入等量的斐林试剂，水浴加热一段时间，试管都不出现砖红色沉淀B．该实验的对照组是A组，实验组是B、C组C．只要在0 ℃和100 ℃之间每隔10 ℃设置一个实验组，就可确定该反应的最适温度D．若向三支试管中各加入等量的碘液，试管内液体颜色都可能出现蓝色答案 D解析 37 ℃属于适宜温度条件，淀粉会有一定程度的水解，因此B试管会产生砖红色沉淀，而在高温条件下酶的活性丧失，0 ℃时酶活性受到抑制，因此A、C试管不出现砖红色沉淀，A错误；实验的对照组应该是在适宜温度条件下的实验装置，B组是对照组，A、C组是实验组，B错误；在0 ℃和100 ℃之间每隔10 ℃设置一个实验组，就可确定该反应的最适温度范围，但不能确定最适温度，C错误；三种温度条件下，10分钟后，A、C组淀粉不水解，B组淀粉可能不完全水解，因此试管内液体颜色都可能出现蓝色，D正确。6．天然漆酶在造纸业中常作为漂白助剂使用，但天然漆酶的稳定性较差，在应用环境条件下易失活，某研究小组采用PA、SA、MA三种化学试剂对天然漆酶进行修饰，研究酶热稳定性的变化情况。请分析回答下列问题：(1)漆酶可以催化木质素的降解，不能催化纤维素的降解，这表明酶具有________。(2)图1表示不同温度下漆酶对纸浆中两种染料的漂白效果的差异，漂白效果最适的温度是________，60 ℃时两条曲线重合的原因是____________________________。
(3)采用PA、SA、MA三种化学试剂对天然漆酶进行修饰，实验如下：分组步骤ABCD天然漆酶PA修饰酶SA修饰酶MA修饰酶1加酶液0.5 mL0.5 mL0.5 mL0.5 mL2加缓冲液1 mL1 mL1 mL1 mL3加底物1 mL1 mL1 mL1 mL4条件控制分别置于50 ℃的水浴中，每隔1 h取样，冰浴冷却至0 ℃后，测定酶活力(天然漆酶活力记为100%)。步骤2中加缓冲液的目的是__________，步骤4中冰浴的目的是____________________。实验结果如图2所示，可以看出：50 ℃条件下，三种化学修饰____________(填“都能提高”“都不能提高”或“部分提高”)酶的稳定性。(4)根据上述实验分析，酶制剂________(填“能”或“不能”)在最适温度下长期保存，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案 (1)专一性 (2)50 ℃(左右) 过高的温度影响酶分子结构，酶活性下降 (3)控制pH 使反应停止，以准确测定酶的活力 都能提高 (4)不能 在最适温度下反应一段时间后，酶的活力会下降(在最适温度下酶的空间结构不一定是最稳定的)解析 (1)根据题中表述的信息“漆酶可以催化木质素的降解，不能催化纤维素的降解”可直接判断这体现了酶催化作用的专一性特点。(2)分析图1，可以看出50 ℃左右时漆酶对两种染料的脱色率最高，由此判断该温度为漆酶的最适温度。60 ℃时两条曲线重合的原因是温度过高，部分酶的空间结构被破坏，使酶活性下降。(3)由于pH在本实验中属于无关变量，因此步骤2中加缓冲液的目的是调节反应液的pH至最适。步骤4中冰浴的目的是终止反应，以准确测定酶的活力。分析图2可知，与天然漆酶组对照，其他三组酶活力均较高，说明三种化学修饰都能提高酶的热稳定性。(4)由图2可知，随着保存时间的延长，酶的活力下降，由此判断在最适温度下，酶制剂不能长期保存。7．已知2H2O2===2H2O＋O2↑，可以通过观察反应过程中O2的生成速度(即气泡从溶液中释放的速度)来判断H2O2分解反应的速度。请用所给的实验材料和用具设计实验，使其能同时验证过氧化氢酶具有催化作用和高效性。要求写出实验步骤，预测实验结果，得出结论，并回答问题：实验材料与用具：适宜浓度的H2O2溶液，蒸馏水，3.5%FeCl3溶液，0.01%的过氧化氢酶溶液，恒温水浴锅，试管。(1)实验步骤：______________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)实验结果预测及结论：整个实验中不同处理的试管中O2的释放速度从快到慢依次是_______________。由此可得出的结论是________________________。(3)如果仅将实验中的恒温水浴改为80 ℃，重做上述实验，O2释放的速度最快的是________________________________________________________________________，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案 (1)①取3支试管，各加入等量且适量的H2O2溶液，放入37 ℃恒温水浴锅中保温适当时间；②分别向上述3支试管中加入等量且适量的蒸馏水、FeCl3溶液和过氧化氢酶溶液；③观察各试管中释放气泡的快慢(2)加入过氧化氢酶的试管＞加入3.5%FeCl3溶液的试管＞加入蒸馏水的试管 过氧化氢酶具有催化作用和高效性(3)加入3.5%FeCl3溶液的试管 酶的活性受温度的影响，高温使过氧化氢酶失去活性，而无机催化剂对温度不敏感，对其催化作用的影响小解析 (1)由题意可知，实验分三组：空白对照组、无机催化剂的对照组、有机催化剂的实验组，实验设计中应遵循对照原则和单一变量原则，注意无关变量应保持一致且适宜，利用题干中的实验材料与试剂设计实验步骤如下：①取3支试管，各加入等量且适量的H2O2溶液，放入37 ℃恒温水浴锅中保温适当时间；②分别向上述3支试管中加入等量且适量的蒸馏水、FeCl3溶液和过氧化氢酶溶液；③观察各试管中释放气泡的快慢。(2)实验结果预测及结论：由于过氧化氢酶具有高效性，因此加入过氧化氢酶的反应速率最快，3.5%FeCl3溶液能催化过氧化氢分解，但不具有高效性，反应速率比加入过氧化氢酶的反应速率慢，比不加任何催化剂的反应速率快，因此整个实验中不同处理的试管中O2的释放速度从快到慢依次是加入过氧化氢酶的试管＞加入3.5%FeCl3溶液的试管＞加入蒸馏水的试管。结论是：过氧化氢酶具有催化作用和高效性。(3)酶的活性受温度的影响，高温使过氧化氢酶失去活性，而无机催化剂对温度不敏感，因此将实验中的恒温水浴改为80 ℃，重做上述实验，O2释放的速度最快的是加入3.5%FeCl3溶液的试管。题组四 ATP的结构与功能辨析8．ATP合成酶是亚基F1和F0的复合体，其中F1位于某些细胞器的膜外基质中，具有酶活性；F0嵌在膜的磷脂双分子层中，为H＋通道，当膜外的高浓度的H＋冲入膜内时能为ATP的合成提供能量。下列叙述错误的是()A．F0为ATP合成酶的疏水部位，能催化ATP的合成B．ATP合成酶可存在于线粒体内膜和叶绿体类囊体的薄膜上C．ATP合成酶的化学本质是蛋白质，在生物体能量代谢中起重要作用D．高温使F1和F0分离后，F1不能催化ATP的合成答案 A解析 F1能催化ATP的合成，F0不能催化ATP合成，A错误；线粒体内膜是有氧呼吸第三阶段的场所，光合作用的光反应产生ATP的场所是类囊体薄膜，ATP合成酶存在于线粒体内膜和叶绿体的类囊体薄膜上，B正确；ATP合成酶的化学本质是蛋白质，具有催化合成ATP的作用，在生物体能量代谢中起重要作用，C正确；高温使F1和F0分离后，破坏了ATP合成酶的结构，ATP合成酶失活，D正确。9．科学家发现蚜虫体内的类胡萝卜素能吸收光能，并把它传送给负责能量生产的组织细胞。阳光下，蚜虫的ATP生成将会增加，黑暗时，其ATP含量便会下降。下列关于蚜虫产生ATP的说法正确的是()A．ADP合成ATP时，需要的能量只能来自光能B．黑暗中大量产生ATP时一定伴随着O2的消耗C．类胡萝卜素吸收光能发生在类囊体薄膜上D．相同情况下黄光照射比蓝紫光照射时ATP含量上升快答案 B解析 ADP合成ATP所需要的能量既可以来自光能，也可以来自细胞呼吸释放的化学能，故A错误；黑暗条件下，ATP的产生主要来自有氧呼吸，伴随着O2的消耗，故B正确；蚜虫体内没有叶绿体，故C错误；由于类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，故黄光照射时产生的ATP较少，故D错误。如果您感觉我提供的资源还不错，请点击一下文末的“点赞”、“在看”，或者将“囡波湾生物”公众号加★，如果转发请注明来源，感谢您的支持！觉得不错就给我个“赞”和"在看"!