必修1第三单元细胞的能量供应和利用.docx

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必修1第三单元细胞的能量供应和利用

第三单元　细胞的能量供应和利用

第一讲

酶和ATP

知识点一　酶的本质作用和特性

1．填写酶的本质和作用[动漫演示更形象　见课件光盘]

化学本质

绝大多数是蛋白质

少数是RNA

合成原料

氨基酸

核糖核苷酸

合成场所

核糖体

主要是细胞核（真核生物）

来源

一般来说，活细胞都能产生酶

生理功能

具有生物催化作用

作用原理

降低化学反应的活化能

[巧学助记]　巧记酶的“二、一、一、一”

2．连线酶的特性和原理

知识点二　ATP的结构、功能和利用

1．填写ATP的结构概念图

2．据ATP与ADP相互转化反应式回答问题

ATP

ADP＋Pi＋能量

（1）进行②过程的生理过程和场所：

①生理过程

②场所：

线粒体、细胞质基质、叶绿体

（2）进行②过程的能量来源和去向：

①来源：

光能和有机物氧化释放的能量。

②去向：

用于形成ATP中的高能磷酸键。

（3）下列过程需要①过程提供能量的是①②③④⑤。

①主动运输　②生物发光、发电　③肌肉收缩　④淀粉合成　⑤大脑思考　⑥根细胞吸收水分

一、理解运用能力

1．判断下列有关酶说法的正误。

（1）酶提供了反应过程所必需的活化能（2011·海南卷T14A）（×）

（2）酶是活细胞产生的并具有催化作用的蛋白质（2009·重庆卷T1B）（×）

（3）高温和低温均能破坏酶的结构使其失去活性（2009·重庆卷T1A）（×）

（4）酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸（2011·海南卷T14D）（×）

（5）淀粉酶溶液中加入蛋白酶不会导致淀粉酶活性发生变化（2012·海南卷TT4B）（×）

（6）不同酶的最适温度可能相同（2013·海南卷T3A）（√）

（7）随着温度降低，酶促反应的活化能下降（2013·海南卷·T3B）（×）

（8）酶活性最高时的温度不适合酶的保存（2013·海南卷·T3C）（√）

2．判断下列有关ATP叙述的正误。

（1）1个ATP分子中只含有1个腺嘌呤和3个磷酸基团（2013·广州模拟T3A）（×）

（2）线粒体内膜上不能合成ATP（2012·北京卷T1A）（×）

（3）无氧条件下，光合作用是叶肉细胞产生ATP的唯一来源（2008·广东卷T4A）（×）

（4）人在饥饿时，细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡（2008·天津卷T6④）（×）

（5）在诱导离体菊花茎段形成幼苗的过程中，不会发生ATP的合成与分解（2013·四川卷·T1C）（×）

二、读图析图能力

据ATP结构式回答下列问题：

（1）图中①、②、③的结构分别是什么？

答案：

①腺嘌呤、②核糖、③磷酸基。

（2）腺苷是由图中哪些结构组成的？

答案：

腺苷由图中①＋②构成。

（3）ATP分子去掉2个磷酸基团后的剩余部分是什么物质？

答案：

是腺嘌呤核糖核苷酸。

[理清脉络]

考点一|以实验为基础，考查酶的作用及特性

1．酶的作用原理

（1）原理：

酶降低反应的活化能。

（2）图示解读：

①没有酶催化的反应曲线是②。

②有酶催化的反应曲线是①。

③AC段的含义是在无催化剂的条件下，反应所需要的活化能。

④BC段的含义是酶降低的活化能。

⑤若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则B点在纵轴上将向上移动，即反应需要的活化能要增大。

2．酶的高效性

（1）实验验证：

[配有实验演示视频　见课件光盘]

（2）曲线模型：

①与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。

②酶只能缩短达到化学平衡所需的时间，不能改变化学反应的平衡点。

3．酶的专一性

（1）实验验证：

＋

⇓加热

用淀粉酶分别催化淀粉和蔗糖后，再用斐林试剂鉴定，根据是否有砖红色沉淀来判定淀粉酶是否对二者都有催化作用，从而探索酶的专一性。

（2）曲线模型：

①加入酶B的反应速率和无酶条件下的反应速率相同，说明酶B对此反应无催化作用。

②而加入酶A的反应速率随反应物浓度的增大明显加快，说明酶具有专一性。

[典例1]　（2013·大连模拟）下表是探究淀粉酶对淀粉和蔗糖作用的实验设计及结果。

根据实验结果，以下结论正确的是（　　）

试管编号

①

②

③

④

⑤

⑥

2mL3%淀粉溶液

＋

＋

＋

－

－

－

2mL3%蔗糖溶液

－

－

－

＋

＋

＋

1mL2%的新鲜淀粉酶溶液

＋

＋

＋

＋

＋

＋

反应温度（℃）

40

60

80

40

60

80

2mL斐林试剂

＋

＋

＋

＋

＋

＋

＋

砖红色深浅

**

***

*

#

#

#

注：

“＋”表示添加，“－”表示不加，“*”的多少代表颜色的深浅，#表示无颜色变化。

A．蔗糖被水解成非还原糖

B．淀粉在淀粉酶的作用下水解成还原糖

C．淀粉酶活性在40℃时比在60℃时高

D．淀粉酶对蔗糖的水解具有专一性

[思维流程]

[解析]　①～③号试管中均有淀粉和淀粉酶，且均有砖红色，说明淀粉在淀粉酶的作用下水解成还原糖，砖红色越深，说明淀粉酶活性越高，B正确、C错误；④～⑥号试管均未出现砖红色，说明淀粉酶不能催化蔗糖的水解，A、D错误。

[答案]　B

1．有关酶的正确理解与错误说法

项目

错误说法

正确理解

产生场所

具有分泌功能的细胞才能产生

活细胞（不考虑哺乳动物成熟红细胞等）

化学本质

蛋白质

有机物（大多为蛋白质，少数为RNA）

作用场所

只在细胞内起催化作用

可在细胞内、细胞外、体外发挥作用

温度影响

低温和高温均使酶变性失活

低温只抑制酶的活性，不会使酶变性失活；高温使酶变性失活

作用

酶具有调节、催化等多种功能

酶只起催化作用

来源

有的可来源于食物等

酶只在生物体内合成

2．易混淆实验试剂的选择

（1）在验证酶专一性实验中，若反应物选择淀粉和蔗糖，酶溶液为淀粉酶，则适宜选用斐林试剂检测反应物是否被分解，不能选用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。

（2）在探究温度对酶活性影响的实验中，若选取淀粉和淀粉酶，则不宜选用斐林试剂，因为斐林试剂需加热，而温度是自变量。

[针对练习]

高考命题常从以下角度设置陷阱

（1）化学本质和分布方面：

以选择题形式考查酶的本质、基本组成单位，以及某种结构中是否有某种酶的存在。

（2）功能方面：

与激素相比较，考查酶在细胞代谢中的作用。

1．下列有关酶的叙述正确的是（　　）

①是有分泌功能的细胞产生的　②有的从食物中获得，有的在体内转化而来　③凡是活细胞，一般都能产生酶　④酶都是蛋白质　⑤有的酶不是蛋白质　⑥酶在代谢中有多种功能　⑦在新陈代谢和生长发育中起调控作用　⑧酶只是起催化作用

A．①②⑤　　　　　　　B．①⑤⑧

C．③⑤⑧D．①③⑤

解析：

选C　酶是由活细胞产生的，具有生物催化作用的有机物。

就酶的化学本质而言，主要是蛋白质，还有RNA，④错、⑤对；就酶作用的场所而言，有胞内酶和胞外酶，活细胞一般都能产生胞内酶，①错、③对；代谢是细胞内全部有序化学变化的总称，在这一过程中，需要酶的催化，⑥、⑦错，⑧对。

2．（2011·福建高考）正常人体内的激素、酶和神经递质均有特定的生物活性，这三类物质都是（　　）

A．在细胞内发挥作用

B．由活细胞产生的蛋白质

C．与特定分子结合后起作用

D．在发挥作用后还能保持活性

解析：

选C　酶可以在细胞外发挥作用，激素和神经递质都可以与细胞膜表面的受体相结合，从而起作用。

激素中的性激素是固醇类物质；大部分酶的化学本质是蛋白质，少数是RNA；部分神经递质是单胺类物质。

激素和神经递质与细胞膜上的受体识别并结合起作用，而酶的作用也具有专一性。

激素和神经递质起作用后会在相应酶的作用下被处理而失去活性，即激素和神经递质起作用后会发生代谢性失活。

具有专一性的物质归纳

（1）酶：

每一种酶只能催化一种或一类化学反应。

如限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。

（2）载体：

某些物质通过细胞膜时需要载体协助，不同物质所需载体不同，载体的专一性是细胞膜选择透过性的基础。

（3）激素：

激素特异性地作用于靶细胞、靶器官，其原因在于它的靶细胞膜或胞内存在与该激素特异性结合的受体。

（4）tRNA：

tRNA有61种，每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。

（5）抗体：

一种抗体只能与相应的抗原发生特异性结合。

考点二|以能量代谢为依托，考查ATP的结构与功能

1．ATP的结构及组成部分的含义

2．ATP的再生和利用

3．细胞内产生与消耗ATP的生理过程

转化场所

常见的生理过程

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

消耗ATP：

一些需能反应

叶绿体

产生ATP：

光反应

消耗ATP：

暗反应和自身DNA复制、转录，蛋白质合成等

线粒体

产生ATP：

有氧呼吸第二、三阶段

消耗ATP：

自身DNA复制、转录，蛋白质合成等

核糖体

消耗ATP：

蛋白质的合成

细胞核

消耗ATP：

DNA复制、转录等

4.ATP产生速率与O2供给量之间的关系

（1）A点表示在无氧条件下，细胞可进行无氧呼吸分解有机物，产生少量ATP。

（2）AB段表示随O2供应量增多，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。

（3）BC段表示O2供应量超过一定范围后，ATP的产生速率不再加快，此时的限制因素可能是酶、ADP、磷酸等。

[典例2]　（2014·云南师大附中模拟）下图为ATP的结构和ATP与ADP相互转化的关系式。

有关说法不正确的是（　　）

A．图甲中的A代表腺苷，b、c为高能磷酸键

B．图乙中进行①过程时，图甲中的c键断裂并释放能量

C．ATP与ADP快速转化依赖于酶催化作用具有高效性

D．夜间有O2存在时，图乙中过程②主要发生在线粒体

[思维流程]

[解析]　A项中A代表的是腺嘌呤，ATP水解一般是远离A的高能磷酸键断裂，也就是c键；ATP水解产生的能量来自ATP的高能磷酸键的水解，合成ATP的能量来自细胞呼吸和光合作用；酶的催化作用具有高效性。

夜间有O2存在时，ATP合成的主要场所是线粒体。

[答案]　A

1．误认为ATP与ADP的相互转化是可逆反应

ATP的合成

ATP的水解

反应式

ADP＋Pi＋能量

ATP

ATP

ADP＋Pi＋能量

所需酶

ATP合成酶

ATP水解酶

能量来源

光能（光合作用）、化学能（细胞呼吸）

储存在高能磷酸键中的能量

能量去路

储存于形成的高能磷酸键中

用于各项生命活动

反应场所

细胞质基质、线粒体、叶绿体

生物体的需能部位

　　由表可以看出，ATP的合成和ATP的水解在所需的酶、能量来源、能量去路和反应场所方面都不尽相同，因此ATP和ADP的相互转化并不是可逆反应，但物质可重复利用。

2．ATP转化为ADP也需要消耗水

ATP转化为ADP又称“ATP的水解反应”，这一过程需酶的催化，同时也需要消耗水。

凡是大分子有机物（如蛋白质、脂肪、淀粉等）的水解都需要消耗水。

3．ATP≠能量

ATP是一种高能磷酸化合物，是与能量有关的一种物质，不能将两者等同起来。

4．误认为细胞中含有大量ATP

生命活动需要消耗大量能量，但细胞中ATP含量很少。

由于ADP、Pi等可重复利用，只要提供能量（光能或化学能），生物体就可不断合成ATP，满足生物体的需要。

[针对练习]

高考命题常从以下角度设置陷阱

（1）结构方面：

结合DNA、RNA、核苷酸等结构，考查ATP的组成与结构。

（2）功能方面：

结合细胞代谢，考查ATP与ADP的相互转化。

3．（2014·黄山模拟）在下列四种化合物的化学组成中，“○”中所对应的含义最接近的是（　　）

A．①和②　　　　　　B．①和③

C．③和④D．⑤和⑥

解析：

选D　根据题意知“○”中所对应的含义分别为：

①一磷酸腺苷AMP，②腺嘌呤，③DNA分子上的腺嘌呤脱氧核苷酸，④RNA分子上的腺嘌呤核糖核苷酸，⑤腺苷，⑥腺苷。

4．（2014·武汉市武昌区联考）下列有关ATP的叙述，不正确的是（　　）

A．ATP中的能量可以来源于光能或化学能

B．ATP的合成不一定伴随有机物的氧化分解

C．人体在紧张或愤怒状态下，细胞内产生ATP的速率大大超过产生ADP的速率

D．人体剧烈运动过程中，机体通过神经调节和体液调节，使细胞产生ATP的速率迅速增加

解析：

选C　光合作用光反应阶段产生的ATP中的能量来源于光能，该过程无有机物的氧化分解；呼吸作用过程中有机物分解释放出来的一部分能量储存于ATP中；在任何状态下，机体ATP的合成和分解都处于动态平衡状态；剧烈运动时，机体通过神经调节和体液调节使有机物分解加快，ATP合成加快。

一、实验探究能力|探究温度和pH对酶活性的影响（考纲要求实验）

二、图表信息获取能力|影响酶促反应速率的曲线解读

[典型图表][课件展示更丰富　见配套光盘]

——————————————————————————————————————

图1　温度和pH对酶促反应速率的影响图2　底物浓度和酶浓度对酶促反应速率的影响

——————————————————————————————————————

[信息解读]

（1）甲、乙图：

在一定温度（pH）范围内，随温度（pH）的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围，酶的催化作用逐渐减弱。

过酸、过碱、高温都会使酶变性失活，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。

（2）丙图：

在其他条件适宜、酶量一定的情况下，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，但当底物达到一定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。

丁图：

在底物充足、其他条件适宜的情况下，酶促反应速率与酶浓度呈正相关。

（3）温度和pH是通过影响酶活性来影响酶促反应速度的；底物浓度和酶浓度是通过影响底物与酶的接触来影响酶促反应速率的，并不影响酶的活性。

[解题技法]

（1）在分析温度和pH对酶活性影响的曲线时，要借助数学中分段函数的思想，分段描述，即以最适温度（pH）为界限进行表述。

（2）在解答此类问题时，要特别关注纵坐标表示的是酶促反应速率，还是生成物的量。

[强化训练]

1．（2014·宿州一模）为了比较甲、乙两种酶对温度和pH的耐受程度（即保持活性的范围）的差异，科研人员作了相关的研究，结果如下图。

下列说法正确的是（　　）

A．甲酶对温度的耐受程度比乙酶大

B．在pH为6～7的环境下，几乎测不到甲酶活性

C．甲酶活性在任何环境中都比乙酶高

D．测定pH对酶活性影响时温度应设为20℃

解析：

选B　从温度对酶活性影响的曲线分析，乙酶保持活性的温度范围大于甲酶，从曲线趋势看出乙酶比甲酶的温度耐受程度大。

从pH对酶活性影响的曲线分析，在pH为6～7的环境下，几乎测不到甲酶的活性；20℃时甲、乙两种酶活性都较低，不宜用来测定pH对酶活性的影响。

2．（2014·广州模拟）下图1表示酶促反应，图2表示图1所示反应过程中有关物质的浓度随时间的变化。

相关叙述不正确的是（　　）

A．如果图1中物质a为麦芽糖，则物质c1、c2为同种单糖

B．图1中物质b能降低该化学反应的活化能

C．图2中曲线可表示图1中物质a在不同条件下的浓度的变化

D．图2中曲线①②③的差别可能是温度不同造成的

解析：

选C　分析图1可知，a是底物，b是酶，c是酶解产物。

一分子麦芽糖由两分子葡萄糖组成；酶作用的实质就是降低化学反应的活化能；分析图2可知，曲线①②③所示的物质浓度由0开始增加，说明三条曲线表示的是产物的物质浓度的变化，不可能是底物的物质浓度的变化；造成曲线①②③走势差异的因素有很多，如温度（即曲线①在最适温度条件下形成，曲线②③形成的环境温度可能低于或高于最适温度）、酶的浓度、pH等。

[课堂对点练]

题组一　ATP与细胞代谢

1．（2013·海南高考）关于真核细胞中生命活动与能量关系的叙述，错误的是（　　）

A．DNA复制需要消耗能量

B．光合作用的暗反应阶段需要消耗能量

C．物质通过协助扩散进出细胞时需要消耗ATP

D．细胞代谢所需的ATP可在细胞质基质中产生

解析：

选C　小分子物质合成为大分子物质时需消耗能量，如DNA复制是把单个脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸长链的过程，需要消耗能量。

暗反应是把CO2合成有机物的过程，需消耗能量，且由光反应产生的ATP提供。

细胞呼吸的第一阶段发生在细胞质基质中并可产生ATP。

协助扩散为被动运输，需要载体，不需要消耗ATP。

2．（原创题）下图1表示三磷酸核苷的结构，图2表示ATP在能量代谢中的作用。

据图判断下列有关叙述错误的是（　　）

A．图1中N表示含氮碱基，若N为鸟嘌呤，则表示GTP

B．ATP中的能量可以来源于光能和化学能，也可以转化为光能和化学能

C．UTP、GTP分子中的高能磷酸键是直接由物质氧化获能产生的

D．人体成熟红细胞没有线粒体，但能产生ATP

解析：

选C　图1中N表示含氮碱基，若N为A，则表示ATP，若N为G，则表示GTP，若N为U，则表示UTP。

由图2可知，UTP和GTP分子中高能磷酸键不是由物质氧化获能产生的，而是由ATP将高能磷酸基转移给UDP或GDP，进而生成UTP或GTP。

题组二　酶的本质和作用

3．（原创题）科学研究发现，某些免疫球蛋白具有催化功能，称之为抗体酶。

下图表示某新型抗体酶的结构，据图判断下列叙述中不正确的是（　　）

A．抗体酶与双缩脲试剂发生紫色反应

B．抗体酶能与各种抗原结合

C．抗体酶与底物结合后，能降低反应的活化能

D．利用抗体酶特异性识别抗原和催化无活性药物前体的转化反应，可靶向治疗癌症

解析：

选B　由题干信息可知，抗体酶的化学成分是蛋白质，功能上既具有抗体特异性识别抗原的功能，又具有酶的催化功能。

4．（2013·安徽高考）细胞代谢受酶的调节和控制。

下列叙述正确的是（　　）

A．激素都是通过影响靶细胞内酶活性来调节细胞代谢的

B．代谢的终产物可反馈调节相关酶活性，进而调节代谢速率

C．同一个体各种体细胞酶的种类相同、数量不同，代谢不同

D．对于一个细胞来说，酶的种类和数量不会发生变化

解析：

选B　激素主要通过影响靶细胞内基因的表达来调节细胞代谢；细胞代谢的终产物可通过提高或降低酶的活性来调节代谢速率；同一个体不同功能的细胞内酶的种类不同；一个细胞在不同时期，其功能可能会发生相应变化，因而酶的种类和数量也可能会随之改变。

题组三　影响酶活性的因素及实验设计与分析

5．（2013·江苏高考）（多选）为了探究温度、pH对酶活性的影响，下列实验设计不合理的是（　　）

实验编号

探究课题

选用材料与试剂

①

温度对酶活性的影响

过氧化氢溶液、新鲜的肝脏研磨液

②

温度对酶活性的影响

新制的淀粉酶溶液、可溶性淀粉溶液、碘液

③

pH对酶活性的影响

新制的蔗糖酶溶液、可溶性淀粉溶液、碘液

④

pH对酶活性的影响

新制的淀粉酶溶液、可溶性淀粉溶液、斐林试剂

A.实验①　　　　　　B．实验②

C．实验③D．实验④

解析：

选ACD　过氧化氢受热易分解，不宜用过氧化氢酶探究温度对酶活性的影响，实验①不合理；蔗糖酶不能催化淀粉水解，故实验③不合理；斐林试剂呈碱性，能与酸性物质发生反应，不适合用于探究pH对酶活性的影响，故实验④不合理。

6．下表是与酶有关的实验，请回答问题：

试管编号

体积分数为3%的H2O2溶液

温度

加入试剂

实验结果

1

2mL

25℃

不加任何试剂

＋

2

2mL

25℃

2滴质量分数为3.5%的FeCl3溶液

＋＋＋

3

2mL

25℃

2滴质量分数为20%的新鲜肝脏研磨液

＋＋＋＋＋

＋＋＋＋

注：

“＋”的数量代表单位时间内产生气泡的多少。

（1）比较1号和3号试管，说明_______________________________________________

________________________________。

（2）2号和3号试管出现不同结果的原因是_____________________________________

__________________，该组实验的自变量是___________________________________。

（3）一般情况下，不能用H2O2酶为材料探究温度对酶活性的影响，原因是________________________________________________________________________。

若用，你认为我们应该怎样设置实验来证明温度会影响H2O2酶的活性：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（简单写出设计思路，也可用示意图表示）。

查阅资料发现：

H2O2受热和受日光照射时分解速率加快，在温度为30℃以下时比较稳定，在70℃以上时，分解速率更快。

你认为设计上述实验时，应特别注意的事项是________________________________________________________________________。

解析：

（1）1号试管是对照组，3号试管加入的是过氧化氢酶，3号试管单位时间内产生的气泡数量明显多于1号试管，说明过氧化氢酶能降低过氧化氢分解反应的活化能。

（2）2号试管与3号试管的自变量为催化剂的种类，酶与无机催化剂FeCl3相比具有高效性，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高。

（3）一般情况下，不用H2O2酶为材料探究温度对酶活性的影响，是由于在不同温度下，H2O2的分解速率不同，因此没法进行不同温度下的对比。

若用H2O2酶进行实验，我们可以采取每一温度下设置两支试管的方法，一支试管中加入过氧化氢酶，另一支不加，比较同一温度下这两支试管中气泡的产生速率。

但是要注意温度不宜太高，因为在较高温度下保温时，H2O2的分解速率较快，可能会出现不加酶而H2O2已全部分解的情况。

答案：

（1）过氧化氢酶能降低过氧化氢分解反应的活化能

（2）同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高　催化剂的种类　（3）H2O2不稳定易分解，温度会影响H2O2的分解速率　将盛有H2O2酶的试管保温于一系列不同温度下一段时间，然后与同温度的H2O2溶液混合，观察同温度下加H2O2酶与不加H2O2酶的两组试管中气泡的产生速率　将温度控制在70℃以下

[课下提能练]

一、选择题

1．下列关于酶和ATP的叙述不正确的是（　　）

A．ATP的合成与分解都需要酶的催化

B．ATP和有些酶的化学元素组成相同

C．酶和ATP在细胞代谢中