2026届高三生物一轮复习（4）细胞的能量供应及利用：酶和ATP讲义

第四单元 细胞的能量供应及利用 （1）酶和ATP 【高考考情分析】 · 考查形式 · 选择题：较为常见，常考查酶的本质、特性、作用条件，ATP 的结构和功能等基础知识 · 非选择题：通常以实验分析、图表分析或综合应用的形式出现，要求考生具备较强的知识迁移、实验设计与分析能力 · 考查内容 · 酶的相关知识 · 酶的本质和作用：考查酶是蛋白质或 RNA，以及酶能降低化学反应的活化能等 · 酶的特性：高效性、专一性及作用条件温和是常考内容 · 酶的相关实验探究：包括探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素等实验 · ATP 的相关知识：主要考查 ATP 的结构、功能以及在能量代谢中的作用 · 命题趋势 · 综合性增强：将酶和 ATP 的知识与细胞代谢、光合作用、呼吸作用等其他知识板块结合起来考查，要求考生构建完整的知识体系，具备综合运用知识的能力 · 注重实验与探究能力：以酶的实验为背景，考查实验设计、实验结果分析、实验结论推导等能力，强调对科学探究过程和方法的理解与应用 · 联系实际：结合生产生活中的实例，如酶在工业生产、疾病治疗中的应用，ATP 与运动、细胞疾病等的关系，考查考生运用所学知识解决实际问题的能力 【思维导图】 【基础知识梳理】 一、酶 1.酶的本质及其生理功能 （1）概念：酶是活细胞产生的，具有催化作用的有机物 （2）产生场所：凡是活细胞都能产生（不考虑哺乳动物成熟红细胞） （3）化学本质：有机物（大多数是蛋白质，少数是RNA） （4）基本单位：氨基酸或核糖核苷酸 （5）合成场所：核糖体或细胞核 （6）作用场所：既可在细胞内，也可在细胞外或体外发挥作用 （7）作用机理：催化已存在的化学反应，降低化学反应的活化能，改变化学反应的速率 （8）温度影响：低温只会抑制酶的活性，不会使酶变性失活 （9）作用：酶只起催化作用 （10）作用前后变化：催化反应前后酶的数量和化学性质没有变化 （11）来源：生物体内合成 （12）意义：使生物体内细胞代谢在温和条件下快速进行 2.酶的作用机理分析 a：无催化剂时反应所需的活化能 b：无机催化剂催化时反应所需的活化能 c：酶催化时反应所需的活化能 a-b：无机催化剂降低的活化能 a-c：酶降低的活化能 3.酶的特性 （1）高效性 与无机催化剂相比，酶降低化学反应活化能的作用更显著 （2）专一性 一种酶只能催化一种或一类化学反应 （3）作用条件较温和 过酸、过碱或温度过高，都会使酶永久失活 4.酶的特性探究实验 （1）比较过氧化氢在不同条件下的分解 ①实验原理 ②实验方案 试管 1 2 3 4 H2O2溶液 2mL 2mL 2mL 2mL FeCl3溶液 - - + - 过氧化氢酶溶液 - - - + 90℃水浴 - + - - ③实验结果与结论 · 2号比1号产生的气泡多，说明温度升高有利于过氧化氢的分解 · 3号、4号未经加热也有大量气泡产生，说明催化剂能降低化学反应的活化能，加快化学反应的速率 · 4号比3号产生的气泡多，说明在相同的条件下，酶的催化效率远远高于无机催化剂的催化效率 （2）探究酶具有专一性 ①实验原理： · 淀粉和蔗糖都是非还原糖。它们在酶的催化作用下都能水解成还原糖（葡萄糖和果糖） · 在水浴加热的条件下，还原糖能够与斐林试剂发生反应，生成砖红色沉淀 ②方案设计：用同一种酶催化两种不同的底物 ③实验结论：酶具有专一性 （3）探究影响酶活性的条件 ① 实验思路 ( 底物的分解量（或剩余量）或产物的生成量 )底物t1温度（或pH1）下+酶t1温度（或pH1）下 ( 反应相同时间后检测 )底物t2温度（或pH2）下+酶t2温度（或pH2）下 …… 底物tn温度（或pHn）下+酶tn温度（或pHn）下 ② 实验结论：温度（或pH）能影响酶的活性，酶的活性有一定的最适温度（或pH）范围 （4）有关酶的实验探究中的“三宜”“四不宜” ①若底物选择淀粉和蔗糖，用淀粉酶来验证酶的专一性时，检测底物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂，不宜选用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否被分解 ②若选择淀粉和淀粉酶探究酶的最适温度，检测底物是否被分解的试剂宜选用碘液，不宜选用斐林试剂，因为用斐林试剂鉴定时需水浴加热，而该实验需严格控制温度 ③在探究酶的最适温度的实验中，不宜选择过氧化氢（H2O2）和过氧化氢酶作实验材料，因为过氧化氢（H2O2）在常温常压时就能分解，加热的条件下分解会加快，从而影响实验结果 ④在探究pH 对酶活性影响时，宜保证酶处于最适温度（排除温度干扰），且需将酶溶液的pH调至实验要求的pH后再让反应物与酶接触，不宜在未达到预设pH前，让反应物与酶接触。 不宜选择淀粉作为底物，因为酸性环境会干扰斐林试剂对淀粉分解的检测，碱性环境会干扰碘液与淀粉的蓝色反应，斐林试剂的碱性会影响淀粉酶活性 二、ATP （1）ATP的结构 ( P P P A ) · 中文名称：腺苷三磷酸 A: 腺苷 · 组成部分：腺嘌呤、核糖、磷酸基团 P：磷酸基团 · 元素组成：C、H、O、N、P —：普通化学键 · 结构简式：A—P～P～P ～：特殊化学键 ①ATP 水解时，离腺苷最远的特殊化学键首先断裂，释放出能量，生成ADP和Pi ②ATP 断裂两个特殊化学键后得到的物质为RNA 的基本组成单位之一：腺嘌呤核糖核苷酸 （2）ATP的功能以及与相关物质的比较 ①ATP是细胞代谢的直接能源物质，但不是唯一的直接能源物质，如蛋白质合成过程中还可以利用GTP（鸟苷三磷酸） ②“A”代表的含义归纳 【重难点解析】 一、酶 1.关于酶的本质、功能及特性的分析 （1）酶与动物激素的“一同三不同” 酶 动物激素 不同 产生部位 几乎所有活细胞都能产生酶 只有内分泌细胞能产生激素 化学本质 大多数是蛋白质,少数是RNA 蛋白质、脂质、氨基酸衍生物等 作用机制 酶是催化剂，反应前后质量和性质不变 激素作为信号分子发挥作用后被灭活 相同 都具有微量和高效的特点，也具有一定的特异性 （2）酶的结构与功能的联系 酶的各种作用特性主要依赖其特殊的结构，外界环境变化对酶的结构造成影响的同时也会影响其功能。 酶的结构并不是始终不变的，酶在催化过程中会发生可逆性的结构变化。当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，有关的各个基团达到正确的排列和定向，从而使酶和底物契合而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。 反应结束当产物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象，如图所示 2.与酶有关的曲线及实验分析 （1）酶的高效性曲线 ①酶的高效性是与无机催化剂比较后得出的，在该曲线中只有曲线a与b对比才可得出酶催化的高效性，曲线a与c的对比只能说明酶具有催化作用 ②当底物的量一定时，酶与无机催化剂一样，只能缩短达到化学平衡所需时间，不能改变反应的方向和平衡点 （2）酶的专一性曲线 如图所示，底物为反应物B时，加入酶A的反应速率与未加酶A的反应速率相同，而底物为反应物A时，加入酶A的反应速率随酶A浓度增大而明显加快，说明酶A对反应物B无催化作用，酶具有专一性 2.影响酶催化效率的因素 （1）温度和pH变化对酶促反应的影响 ①从图甲、乙可以看出：在一定温度（或pH）范围内，随温度（或pH）的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围，酶的催化作用减弱。过酸、过碱或温度过高都会使酶变性失活，而低温只是抑制酶的活性，酶分子的结构未被破坏，温度升高即可恢复活性 ②从图丙、丁可以看出：纵坐标为反应物剩余量，相同反应时间下，剩余量越多，反应速率越慢；图丙中不同pH条件下，酶最适温度不变；图丁中不同温度条件下，酶最适pH也不变，即反应溶液的pH（或温度）的变化不影响酶作用的最适温度（或pH） （2）底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响 ①图甲：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，受酶数量限制，酶促反应速率不再增加 ②图乙：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成正比 · 点悟：底物浓度和酶浓度通过影响底物与酶的接触而影响酶促反应速率，并不影响酶的活性 （3）酶的抑制剂对酶促反应的影响 · 有些化合物可以选择性地抑制酶的活性，称为酶的抑制剂 · 抑制剂的作用机制分两种 · 如果抑制剂以共价键与酶结合，则为不可逆的抑制作用 · 如果抑制剂以非共价键与酶结合，则为可逆的抑制作用，其中可逆性抑制剂又包括竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂 二、ATP的合成、利用与能量代谢 （1）由图可知，ATP和ADP的相互转化过程中，反应类型、反应所需酶以及能量的来源、去路和反应场所都不相同，因此ATP和ADP的相互转化是不可逆反应，但物质是可循环利用的 （2）ATP在生物体内的含量很少，但含量很稳定，主要原因是ATP和ADP之间时刻进行着相互转化 （3）植物光合作用光反应阶段产生的ATP 用于暗反应，也用于其他生命活动；植物或动物细胞呼吸产生的ATP能用于多种生命活动。 （4）ATP为主动运输供能的原理如图所示： · 激活酶活性：被转运物质与载体蛋＞白相应位点结合，激活载体蛋白的酶活性 · 载体蛋白磷酸化：在载体蛋白作用下，ATP水解产生的末端磷酸基团与载体蛋白结合，发生载体蛋白的磷酸化，这一过程伴随着能量转移 · 载体蛋白空间结构改变：载体蛋白磷酸化导致其空间结构改变，物质实现逆浓度梯度跨膜运输 【技巧归纳】 · 酶曲线分析题 ——“三看” 法快速破题 · 一看坐标轴：横轴（自变量）；纵轴（因变量） · 二看关键点： · 最适温度 /pH：曲线峰值对应点，注意高温、强酸、强碱会使酶变性失活，低温仅抑制活性（恢复温度后活性可恢复） · 底物 / 酶浓度限制：底物浓度不足时，酶促反应速率随底物浓度增加而上升，达到饱和后受酶量限制不再变化。酶浓度不足时，反应速率随酶浓度增加而上升，达到饱和后受底物量限制不再变化 · 三看干扰因素： · 若曲线中有 “抑制剂 / 激活剂”，需注意：竞争性抑制剂：与底物竞争酶的活性位点，可通过增加底物浓度解除抑制（曲线最终达正常峰值）。非竞争性抑制剂：直接改变酶结构，无法通过增加底物浓度解除抑制（曲线峰值降低） · ATP · 易错点： 不是可逆反应：酶不同（水解酶 vs 合成酶）、场所不同（细胞各处 vs 特定场所如线粒体、叶绿体）、能量来源不同（储存在高能磷酸键中的能量 vs 光能 / 化学能） · 快速判断： · 消耗能量的生理过程（如肌肉收缩、神经传导、胞吞胞吐）→消耗 ATP · 不需要消耗能量的过程（如自由扩散、协助扩散、渗透作用）→不消耗 ATP · 常见易错陷阱总结 · 酶的 “无关变量” 干扰：探究温度 /pH 对酶活性影响时，底物和酶需先分别调至预设条件再混合，避免混合后温度 /pH 变化影响实验结果 · ATP 的能量来源混淆：光合作用暗反应消耗的 ATP 只来自光反应，不能由细胞呼吸提供 · “能源物质” 概念层级：细胞内主要能源物质：糖类；储能物质：脂肪；直接能源物质：ATP；最终能源：太阳能 【重点题型突破】 1．（2024·江西·高考真题）溶酶体膜稳定性下降，可导致溶酶体中酶类物质外溢，引起机体异常，如类风湿性关节炎等。下列有关溶酶体的说法，错误的是（    ） A．溶酶体的稳定性依赖其双层膜结构 B．溶酶体中的蛋白酶在核糖体中合成 C．从溶酶体外溢出的酶主要是水解酶 D．从溶酶体外溢后，大多数酶的活性会降低 【答案】A 【分析】溶酶体分布在动物细胞，是单层膜形成的泡状结构，是细胞内的“消化车间”，含多种水解酶，能分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并且杀死侵入细胞的病毒和细菌。 【详解】A、溶酶体不具有双层膜结构，是单层膜结构的细胞器，其中含有多种水解酶，是细胞中消化车间，A错误；B、溶酶体内的蛋白酶的本质是蛋白质，合成场所在核糖体，B正确；C、溶酶体中含有多种水解酶，因此，从溶酶体外溢出的酶主要是水解酶，C正确；D、溶酶体内的pH比胞质溶胶低，从溶酶体外溢后，由于pH不适宜，因此，大多数酶的活性会降低，D正确。 2． （2025·吉林·模拟预测）细胞代谢途径中，关键酶的活性受该途径最终产物抑制的现象，称为终产物抑制，这是细胞调节作用的一种，其调节过程如图所示（E1~E6表示酶）。下列叙述错误的是（　　） A．产物可能与底物竞争酶的结合位点来发挥抑制作用 B．当产物含量下降时，反馈抑制作用会减弱 C．当F过量而Y合成不足时，E1和E3活性降低，E5活性升高 D．机体可以通过该机制调节产物的合成从而避免物质和能量的浪费 【答案】C 【分析】酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物，大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA；酶的特性：专一性、高效性、作用条件温和；酶促反应的原理：酶能降低化学反应所需的活化能。 【详解】A、酶结构与功能的相适应，通过特异性结合，改变酶的空间结构引起酶活性降低或丧失，A正确；B、终产物抑制是一种负反馈调节机制：当终产物含量下降时，抑制作用减弱，酶的活性恢复，促进产物的合成，B正确；C、终产物抑制机制中，当终产物（如F）过量时，会抑制上游关键酶（如E1和E3）的活性，因此E1和E3的活性降低，而对下游酶（如E5）的活性没有直接影响，C错误；D、终产物抑制，通过控制关键酶的活性实现，避免产物过度合成积累，从而避免物质和能量的浪费，D正确。 3．（2025·广西·模拟预测）某实验小组对比了过氧化氢酶和Fe3+对过氧化氢分解速率的影响，图1为三组过氧化氢被分解的相关曲线，下列相关叙述错误的是（    ） A．两种催化剂均通过降低反应的活化能来提高反应速率 B．未加催化剂时，过氧化氢的分解速率随反应进行逐渐下降 C．两种催化剂加入的时间不同，不能比较两者的催化效率 D．若三组反应在水浴加热条件下进行，t1不一定会缩短 【答案】C 【分析】分析题图可知，该实验的自变量是催化剂的种类，一种是过氧化氢酶，另一种是Fe3+，因变量是氧化氢分解速率，实验的原理是过氧化氢酶催化过氧化氢分解，由于酶降低化学反应活化能的效果更显著，因此与无机催化剂相比，加入酶的实验先达到平衡点，说明酶具有高效性。 【详解】A、Fe3+和过氧化氢酶都通过降低化学反应活化能来提高反应速率，只是过氧化氢酶降低化学反应活化能的效果更显著，A正确；B、未加催化剂时，反应时间较长，随着过氧化氢的分解，底物浓度越来越低，反应速率逐渐下降，B正确；C、实验设置中，可以先加Fe3+，后加入过氧化氢酶，后者先反应结束，所以即使两种催化剂加入的时间不同，也能比较两者的催化效率，C错误；D、若三组反应在水浴加热条件下进行，若水浴设置温度过高，过氧化氢酶有可能失活，反应速率减慢，所以t1不一定会缩短，D正确。 4．（2025·贵州铜仁·一模）ATP是一种高能磷酸化合物，结构简式可表示为 ，其中α、β和γ是ATP分子三个磷酸基团所处的位置。下列叙述正确的是（　　） A．ATP分子水解可为光合作用的光反应阶段提供能量 B．有氧呼吸释放的能量主要储存在ATP的β和γ位之间 C．ATP的β和γ位磷酸基团之间的特殊化学键较为稳定 D． 32Pα 标记的ATP等材料可用于合成含32P 的RNA 【答案】D 【分析】ATP是细胞进行生命活动的直接能源物质，结构可简写成A-P～P～P，其中A代表腺苷，T代表3个，P代表磷酸基团，～代表高能磷酸键。 【详解】A、光合作用的光反应阶段是将光能转化为ATP和NADPH中活跃的化学能，该过程产生ATP而不是消耗ATP，所以ATP分子水解不能为光合作用的光反应阶段提供能量，A错误；B、有氧呼吸释放的能量大部分以热能形式散失，少部分储存在ATP的β和γ位之间，B错误；C、ATP的β和γ位磷酸基团之间的化学键为特殊化学键，该化学键不稳定，容易断裂和形成，C错误；D、RNA的基本组成单位是核糖核苷酸，一分子核糖核苷酸由一分子磷酸、一分子核糖和一分子含氮碱基组成。ATP去掉两个磷酸基团后即A-P（腺嘌呤核糖核苷酸），是RNA的基本组成单位之一。用 32Pα标记的ATP等材料，其中的32P可参与腺嘌呤核糖核苷酸的形成，进而可用于合成32P标记的RNA，D正确。 5．（2025·浙江温州·二模）ATP的结构决定了其作为直接能源物质的功能。下列叙述正确的是（    ） A．1个腺苷和2个磷酸基团组成ATP B．细胞中所有生命活动都由ATP直接提供能量 C．磷酸基团带有负电荷导致它们之间的高能磷酸键不稳定 D．通过ADP的合成和水解，使放能反应所释放的能量用于吸能反应 【答案】C 【分析】ATP的结构简式是A-P～P～P，其中A代表腺苷，T是三的意思，P代表磷酸基团。ATP是细胞内生命活动的直接能源物质。 【详解】A、ATP由1个腺苷和3个磷酸基团组成，其中腺苷由腺嘌呤和核糖组成，A错误；B、细胞中绝大多数生命活动由ATP直接提供能量，但不是所有，如光合作用光反应阶段中，水的光解所需能量来自光能，不是由ATP提供，B错误；C、ATP中磷酸基团带有负电荷，同性相斥，导致它们之间的化学键不稳定，容易断裂释放能量，C正确；D、通过ATP的合成和水解，使放能反应所释放的能量用于吸能反应，而不是ADP的合成和水解，ATP水解生成ADP和磷酸并释放能量，吸能反应一般与ATP水解的反应相联系，由ATP水解提供能量；放能反应一般与ATP的合成相联系，释放的能量储存在ATP中，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$