（江蘇專版）2019版高考生物二輪增分策略 專題二 細胞代謝 考點4 聚焦細胞代謝的基礎條件——酶和ATP學案.doc

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考點4　聚焦細胞代謝的基礎條件——酶和ATP 1．辨析酶的概念關系圖 (1)本質(zhì)——絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)酶是RNA，合成的原料有氨基酸或核糖核苷酸，合成的場所主要是核糖體或細胞核。 (2)來源——凡是活細胞(哺乳動物成熟的紅細胞除外)都能產(chǎn)生酶，不能來自食物。 (3)作用——催化是其唯一功能，不具有調(diào)節(jié)作用，也不作為能源和組成物質(zhì)。 (4)場所——酶既可在細胞內(nèi)，也可在細胞外發(fā)揮作用。 (5)活性——低溫只抑制酶的活性，不破壞酶的結構，但高溫、強酸和強堿都能使酶變性失活。 (6)過氧化氫分解機理的區(qū)別——過氧化氫酶是降低了過氧化氫分解反應的活化能，而加熱是使過氧化氫分子獲得能量，從常態(tài)轉變?yōu)槿菀追纸獾幕钴S態(tài)。 (7)化學反應的平衡點——實際上酶只是降低了化學反應的活化能，所能催化的是本來就能發(fā)生的反應，提高了反應速率，縮短了到達平衡點的時間，而平衡點的大小只能由底物的量來決定。 (8)化學反應前后的性質(zhì)和數(shù)量——實際上反應前后酶的性質(zhì)、數(shù)量都沒有發(fā)生改變。 (9)酶促反應速率和酶活性——實際上二者不完全等同，因為溫度和pH是通過影響酶的空間結構改變酶的活性，進而影響酶促反應速率；而底物濃度和酶濃度是通過影響底物與酶的接觸面積而影響反應速率。 (10)催化作用和高效性的機理——實際上前者是與沒有催化劑對照，酶能夠降低活化能；而后者是與無機催化劑對照，能夠顯著降低活化能。 2．辨析酶、激素、神經(jīng)遞質(zhì)、抗體 (1)四者均具特異性(專一性)、高效性等特性。 (2)激素、神經(jīng)遞質(zhì)、抗體都是由細胞分泌到內(nèi)環(huán)境中發(fā)揮作用，發(fā)揮作用后即被滅活、分解或回收，而酶既可在細胞內(nèi)，也可在細胞外發(fā)揮作用，且可以多次發(fā)揮作用。 (3)活細胞都能產(chǎn)生酶(哺乳動物成熟的紅細胞除外)，但只有少數(shù)特異性細胞能合成并分泌激素、神經(jīng)遞質(zhì)、抗體。 3．讀懂酶的3類曲線 (1)酶的作用原理 酶能降低化學反應的活化能(如下圖所示)。 (2)酶的作用特性 ①圖1中加酶的曲線和加無機催化劑的曲線比較，說明酶具有高效性，而與不加催化劑的曲線比較只能說明酶具有催化作用。 ②圖2中兩曲線比較表明酶具有專一性。 (3)酶的影響因素 ①溫度和pH 圖甲和圖乙顯示：過酸、過堿、高溫都會使酶失活，而低溫只是抑制酶的活性，酶分子結構未被破壞，溫度升高可恢復活性。從圖丙和圖丁可以看出：反應溶液pH(溫度)的變化不影響酶作用的最適溫度(pH)。 ②底物濃度和酶濃度 圖甲中OP段的限制因素是底物濃度，而P點之后的限制因素有酶濃度和酶活性；圖乙對反應底物的要求是底物足量。 4．辨清與酶相關實驗設計的5個易錯點 (1)若底物選擇淀粉和蔗糖，酶溶液為淀粉酶，驗證酶的專一性，檢測底物是否被分解的試劑宜選用斐林試劑，不能選用碘液，因為碘液無法檢測蔗糖是否被水解。 (2)若選擇淀粉和淀粉酶探究酶的最適溫度，檢測試劑宜選用碘液，不應該選用斐林試劑，因斐林試劑需水浴加熱，而該實驗中需嚴格控制溫度。另外在酶溶液和反應物混合前，需要把兩者先分別放在各自所需溫度下保溫一段時間。 (3)探究酶的適宜溫度的實驗中不宜選擇過氧化氫酶催化H2O2分解，因為底物H2O2在加熱的條件下分解會加快，從而影響實驗結果。 (4)在酶的最適pH探究實驗中，操作時必須先將酶和底物分別置于不同pH條件下，然后再將同一pH條件下處理的底物和酶液混合，而不能把酶加入反應物中后，再加入鹽酸或氫氧化鈉。 (5)探究酶的高效性時，對照組應為無機催化劑；探究酶的催化作用時，對照組應為不加催化劑；探究酶的專一性時，既可用同一種酶作用于不同底物，也可用不同酶作用于同一底物。 5．明辨ATP的結構 (1)ATP與ADP的相互轉化，從物質(zhì)方面來看是可逆的；從酶、進行的場所、能量方面來看是不可逆的。從整體上來看，二者的轉化并不可逆。 (2)ATP不等同于能量：ATP是一種高能磷酸化合物，其分子式可以簡寫為A—P～P～P，高能磷酸鍵水解時能夠釋放出多達30.54 kJ/mol的能量，所以ATP是與能量有關的一種物質(zhì)，不可將兩者等同起來。 (3)細胞內(nèi)ATP含量很少，只是轉化非常迅速及時，ATP與ADP的轉化總處于動態(tài)平衡中。 6．能量轉換過程和ATP的產(chǎn)生與消耗 轉化場所 產(chǎn)生或消耗ATP的生理過程 細胞膜 消耗ATP：主動運輸、胞吞、胞吐 細胞質(zhì)基質(zhì) 產(chǎn)生ATP：細胞呼吸第一階段 葉綠體 產(chǎn)生ATP：光反應 消耗ATP：暗反應和自身DNA復制 線粒體 產(chǎn)生ATP：有氧呼吸第二、三階段 消耗ATP：自身DNA復制 核糖體 消耗ATP：蛋白質(zhì)的合成 細胞核 消耗ATP：DNA復制、轉錄等 7．ATP產(chǎn)生速率與O2供給量的關系分析 (1)甲圖表示ATP產(chǎn)生速率與O2供給量的關系 ①A點表示在無氧條件下，細胞可通過無氧呼吸分解有機物，產(chǎn)生少量ATP。 ②AB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(chǎn)生速率隨之增加。 ③BC段表示O2供給量超過一定范圍后，ATP的產(chǎn)生速率不再增加，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紅細胞、蛔蟲細胞ATP產(chǎn)生速率與O2供給量關系，其ATP來自無氧呼吸，與O2無關。 題組一　酶的本質(zhì)及作用 1.如圖表示酶降低化學反應活化能的圖解。①表示沒有酶催化，②表示有酶催化。相關敘述正確的是(　　) A．如果用無機催化劑在其他條件相同的情況下進行該實驗，則其曲線在①上方 B．E2代表有酶催化時所降低的活化能 C．其他條件不變，E1越大，則酶的催化效率越高 D．條件不變的情況下，E2是不變的，所以增加反應體系中的酶量，反應速率也是不變的 答案　C 解析　如果用無機催化劑在其他條件相同的情況下進行該實驗，則其曲線在①的下方，曲線②的上方，A錯誤；E1表示有酶參與的情況下降低的活化能，B錯誤；其他條件不變，E1越大，說明降低的化學反應的活化能越高，則酶的催化效率越高，C正確；溫度、pH等不變的情況下，化學反應的活化能(E2)是不變的，增加反應體系中的酶量，反應速率加快，D錯誤。 2．圖①表示甲、乙兩種酶用同一種蛋白酶處理，酶活性與處理時間的關系，圖②表示外界環(huán)境溫度與某一哺乳動物體內(nèi)酶活性的關系。下列敘述正確的是(多選)(　　) A．圖①中乙酶活性的改變可能是因為其分子結構的改變 B．圖①中甲酶可能是具有催化功能的RNA C．圖②表示的酶可以是人體細胞內(nèi)的呼吸酶 D．圖②表示酶的活性不隨環(huán)境溫度的變化而變化，說明酶已經(jīng)失活 答案　ABC 解析　大部分酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，少數(shù)酶是RNA，圖①中的乙酶用蛋白酶處理后，酶活性降低，說明乙酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，被蛋白酶處理后分解(分子結構改變)，圖①中的甲酶用蛋白酶處理后，活性不變，則說明甲酶的化學本質(zhì)是具有催化作用的RNA，如核酶等，A、B正確；人體能維持體溫的相對穩(wěn)定，所以在一定范圍內(nèi)，人體內(nèi)酶的活性不會隨外界環(huán)境溫度的升高而升高，所以圖②表示的酶可以是人體細胞內(nèi)的呼吸酶，C正確；圖②表示酶的活性不隨環(huán)境溫度的變化而變化，說明該酶是恒溫動物體內(nèi)的酶，D錯誤。 歸納總結　強記7類常見酶 (1)DNA聚合酶——催化脫氧核苷酸間縮聚形成磷酸二酯鍵，用于DNA復制。 (2)RNA聚合酶——用于轉錄時解旋及核糖核苷酸間的連接。 (3)解旋酶——用于DNA復制時雙鏈間氫鍵打開。 (4)各種消化酶——可對應催化相關大分子的水解，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。 (5)細胞工程工具酶：纖維素酶、果膠酶(除去細胞壁)、胰蛋白酶(動物細胞培養(yǎng))。 (6) (7) 題組二　酶的影響因素辨析 3．下圖1中甲曲線表示在最適溫度下，某種淀粉酶酶促反應速率與反應物濃度之間的關系。其余兩條曲線分別表示該酶促反應速率隨pH或溫度的變化趨勢。圖2表示該淀粉酶在不同實驗條件下催化淀粉水解時，淀粉的剩余量和反應時間之間的關系。下列相關敘述正確的是(　　) 　 A．圖1中E點代表該酶的最適pH，H點代表該酶的最適溫度 B．圖2所示實驗條件可能是不同的底物濃度，并且濃度大小關系為a＞b＞c C．若圖2所示實驗條件為不同溫度，則b曲線對應的溫度和圖1曲線乙中E點所對應的溫度相同 D．若圖2所示實驗條件為不同pH，則a曲線對應的pH和圖1中曲線丙中H點所對應的pH不一定相同 答案　D 4．為了研究溫度對某種酶活性的影響，設置三個實驗組：甲組(20 ℃)、乙組(40 ℃)和丙組 (60 ℃)，測定各組在不同反應時間內(nèi)的反應物濃度(其他條件相同)，結果如圖。回答下列問題： (1)三個溫度條件下，該酶活性最高的是________組。 (2)在時間t1之前，如果甲組溫度升高10 ℃，那么甲組酶催化反應的速度會____________。 (3)如果在時間t2時，丙組溫度降低20 ℃，其他條件保持不變，那么在t3時，該組反應物總量____________，原因是______________________________________。 答案　(1)乙　(2)升高(“變大”“增加”等同義表述亦可) (3)不變　t2時丙組酶已經(jīng)變性失活，降低溫度酶活性無法恢復 解析　(1)分析曲線圖可知：乙組(40 ℃)反應達到化學平衡所需要的時間最短，故三個溫度條件下，該酶活性最高的是乙組。 (2)從曲線圖來看，三個溫度條件較適合的是40 ℃，而甲組是20 ℃條件下溫度對某種酶活性的影響曲線，故在時間t1之前，反應尚未達到化學平衡之前，如果甲組溫度提高10 ℃，那么甲組酶催化反應的速度會加快。 (3)丙組為60 ℃條件下溫度對某種酶活性的影響曲線，由圖可知，在時間t2時，產(chǎn)物濃度不再改變，高溫時酶已經(jīng)失活。此時丙組溫度降低20 ℃，酶活性也不會恢復，其他條件保持不變，那么在t3時，丙組產(chǎn)物總量不變。 題組三　酶的相關實驗辨析與設計 5．取3支試管分別加入等量唾液淀粉酶溶液，標注為A、B、C三組，并分別調(diào)整到0 ℃、37 ℃、100 ℃，然后在每支試管中加入溫度分別為0 ℃、37 ℃、100 ℃的等量淀粉，保持各組溫度10分鐘后，繼續(xù)進行檢測實驗。下列關于該實驗的說法，合理的是(　　) A．若向三支試管中各加入等量的斐林試劑，水浴加熱一段時間，試管都不出現(xiàn)磚紅色沉淀 B．該實驗的對照組是A組，實驗組是B、C組 C．只要在0 ℃和100 ℃之間每隔10 ℃設置一個實驗組，就可確定該反應的最適溫度 D．若向三支試管中各加入等量的碘液，試管內(nèi)液體顏色都可能出現(xiàn)藍色 答案　D 解析　37 ℃屬于適宜溫度條件，淀粉會有一定程度的水解，因此B試管會產(chǎn)生磚紅色沉淀，而在高溫條件下酶的活性喪失，0 ℃時酶活性受到抑制，因此A、C試管不出現(xiàn)磚紅色沉淀，A錯誤；實驗的對照組應該是在適宜溫度條件下的實驗裝置，B組是對照組，A、C組是實驗組，B錯誤；在0 ℃和100 ℃之間每隔10 ℃設置一個實驗組，就可確定該反應的最適溫度范圍，但不能確定最適溫度，C錯誤；三種溫度條件下，10分鐘后，A、C組淀粉不水解，B組淀粉可能不完全水解，因此試管內(nèi)液體顏色都可能出現(xiàn)藍色，D正確。 6．(2018江蘇蘇、錫、常、鎮(zhèn)調(diào)研)天然漆酶在造紙業(yè)中常作為漂白助劑使用，但天然漆酶的穩(wěn)定性較差，在應用環(huán)境條件下易失活，某研究小組采用PA、SA、MA三種化學試劑對天然漆酶進行修飾，研究酶熱穩(wěn)定性的變化情況。請分析回答下列問題： (1)漆酶可以催化木質(zhì)素的降解，不能催化纖維素的降解，這表明酶具有________。 (2)圖1表示不同溫度下漆酶對紙漿中兩種染料的漂白效果的差異，漂白效果最適的溫度是________，60 ℃時兩條曲線重合的原因是____________________________。 (3)采用PA、SA、MA三種化學試劑對天然漆酶進行修飾，實驗如下： 分組 步驟　　 A B C D 天然漆酶 PA修飾酶 SA修飾酶 MA修飾酶 1 加酶液 0.5 mL 0.5 mL 0.5 mL 0.5 mL 2 加緩沖液 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 3 加底物 1 mL 1 mL 1 mL 1 mL 4 條件控制 分別置于50 ℃的水浴中，每隔1 h取樣，冰浴冷卻至0 ℃后，測定酶活力(天然漆酶活力記為100%)。 步驟2中加緩沖液的目的是__________，步驟4中冰浴的目的是____________________。 實驗結果如圖2所示，可以看出：50 ℃條件下，三種化學修飾____________(填“都能提高”“都不能提高”或“部分提高”)酶的穩(wěn)定性。 (4)根據(jù)上述實驗分析，酶制劑________(填“能”或“不能”)在最適溫度下長期保存，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)專一性　(2)50 ℃(左右)　過高的溫度影響酶分子結構，酶活性下降　(3)控制pH　使反應停止，以準確測定酶的活力　都能提高　(4)不能　在最適溫度下反應一段時間后，酶的活力會下降(在最適溫度下酶的空間結構不一定是最穩(wěn)定的) 解析　(1)根據(jù)題中表述的信息“漆酶可以催化木質(zhì)素的降解，不能催化纖維素的降解”可直接判斷這體現(xiàn)了酶催化作用的專一性特點。(2)分析圖1，可以看出50 ℃左右時漆酶對兩種染料的脫色率最高，由此判斷該溫度為漆酶的最適溫度。60 ℃時兩條曲線重合的原因是溫度過高，部分酶的空間結構被破壞，使酶活性下降。(3)由于pH在本實驗中屬于無關變量，因此步驟2中加緩沖液的目的是調(diào)節(jié)反應液的pH至最適。步驟4中冰浴的目的是終止反應，以準確測定酶的活力。分析圖2可知，與天然漆酶組對照，其他三組酶活力均較高，說明三種化學修飾都能提高酶的熱穩(wěn)定性。(4)由圖2可知，隨著保存時間的延長，酶的活力下降，由此判斷在最適溫度下，酶制劑不能長期保存。 7．(經(jīng)典高考題)已知2H2O2===2H2O＋O2↑，可以通過觀察反應過程中O2的生成速度(即氣泡從溶液中釋放的速度)來判斷H2O2分解反應的速度。請用所給的實驗材料和用具設計實驗，使其能同時驗證過氧化氫酶具有催化作用和高效性。要求寫出實驗步驟，預測實驗結果，得出結論，并回答問題： 實驗材料與用具：適宜濃度的H2O2溶液，蒸餾水，3.5%FeCl3溶液，0.01%的過氧化氫酶溶液，恒溫水浴鍋，試管。 (1)實驗步驟：______________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)實驗結果預測及結論： 整個實驗中不同處理的試管中O2的釋放速度從快到慢依次是_______________。由此可得出的結論是________________________。 (3)如果僅將實驗中的恒溫水浴改為80 ℃，重做上述實驗，O2釋放的速度最快的是________________________________________________________________________， 原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)①取3支試管，各加入等量且適量的H2O2溶液，放入37 ℃恒溫水浴鍋中保溫適當時間； ②分別向上述3支試管中加入等量且適量的蒸餾水、FeCl3溶液和過氧化氫酶溶液； ③觀察各試管中釋放氣泡的快慢 (2)加入過氧化氫酶的試管＞加入3.5%FeCl3溶液的試管＞加入蒸餾水的試管　過氧化氫酶具有催化作用和高效性 (3)加入3.5%FeCl3溶液的試管　酶的活性受溫度的影響，高溫使過氧化氫酶失去活性，而無機催化劑對溫度不敏感，對其催化作用的影響小 解析　(1)由題意可知，實驗分三組：空白對照組、無機催化劑的對照組、有機催化劑的實驗組，實驗設計中應遵循對照原則和單一變量原則，注意無關變量應保持一致且適宜，利用題干中的實驗材料與試劑設計實驗步驟如下： ①取3支試管，各加入等量且適量的H2O2溶液，放入37 ℃恒溫水浴鍋中保溫適當時間； ②分別向上述3支試管中加入等量且適量的蒸餾水、FeCl3溶液和過氧化氫酶溶液； ③觀察各試管中釋放氣泡的快慢。 (2)實驗結果預測及結論：由于過氧化氫酶具有高效性，因此加入過氧化氫酶的反應速率最快，3.5%FeCl3溶液能催化過氧化氫分解，但不具有高效性，反應速率比加入過氧化氫酶的反應速率慢，比不加任何催化劑的反應速率快，因此整個實驗中不同處理的試管中O2的釋放速度從快到慢依次是加入過氧化氫酶的試管＞加入3.5%FeCl3溶液的試管＞加入蒸餾水的試管。 結論是：過氧化氫酶具有催化作用和高效性。 (3)酶的活性受溫度的影響，高溫使過氧化氫酶失去活性，而無機催化劑對溫度不敏感，因此將實驗中的恒溫水浴改為80 ℃，重做上述實驗，O2釋放的速度最快的是加入3.5%FeCl3溶液的試管。 題組四　ATP的結構與功能辨析 8．(2018揚州一模)ATP合成酶是亞基F1和F0的復合體，其中F1位于某些細胞器的膜外基質(zhì)中，具有酶活性；F0嵌在膜的磷脂雙分子層中，為H＋通道，當膜外的高濃度的H＋沖入膜內(nèi)時能為ATP的合成提供能量。下列敘述錯誤的是(　　) A．F0為ATP合成酶的疏水部位，能催化ATP的合成 B．ATP合成酶可存在于線粒體內(nèi)膜和葉綠體類囊體的薄膜上 C．ATP合成酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，在生物體能量代謝中起重要作用 D．高溫使F1和F0分離后，F(xiàn)1不能催化ATP的合成 答案　A 解析　F1能催化ATP的合成，F(xiàn)0不能催化ATP合成，A錯誤；線粒體內(nèi)膜是有氧呼吸第三階段的場所，光合作用的光反應產(chǎn)生ATP的場所是類囊體薄膜，ATP合成酶存在于線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體薄膜上，B正確；ATP合成酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，具有催化合成ATP的作用，在生物體能量代謝中起重要作用，C正確；高溫使F1和F0分離后，破壞了ATP合成酶的結構，ATP合成酶失活，D正確。 9．科學家發(fā)現(xiàn)蚜蟲體內(nèi)的類胡蘿卜素能吸收光能，并把它傳送給負責能量生產(chǎn)的組織細胞。陽光下，蚜蟲的ATP生成將會增加，黑暗時，其ATP含量便會下降。下列關于蚜蟲產(chǎn)生ATP的說法正確的是(　　) A．ADP合成ATP時，需要的能量只能來自光能 B．黑暗中大量產(chǎn)生ATP時一定伴隨著O2的消耗 C．類胡蘿卜素吸收光能發(fā)生在類囊體薄膜上 D．相同情況下黃光照射比藍紫光照射時ATP含量上升快 答案　B 解析　ADP合成ATP所需要的能量既可以來自光能，也可以來自細胞呼吸釋放的化學能，故A錯誤；黑暗條件下，ATP的產(chǎn)生主要來自有氧呼吸，伴隨著O2的消耗，故B正確；蚜蟲體內(nèi)沒有葉綠體，故C錯誤；由于類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，故黃光照射時產(chǎn)生的ATP較少，故D錯誤。