第五章細胞的能量供應與利用（一）

第一節(jié)降低化學反應活化能的酶

考點1:酶的作用和本質

1.細胞代謝：細胞中每時每刻都進行著許多化學反應，統(tǒng)稱為細胞代謝，包括分解代謝和合

成代謝。

2.酶在細胞代謝中的作用

（1）作用：酶在細胞代謝中具有催化作用。

（2）作用機理：降低化學反應的活化能。

（3）意義：正是由于酶的催化作用，細胞代謝才能在溫和條件下快速有序地進行。

【探究實踐】比較過氧化氫在不同條件下的分解

123434

實驗討論：

①1.2號管現(xiàn)象與1號管不同，說明了什么？

【答案】加熱能促進H2O2的分解,提高反應速率；

②2.3號和4號管并未加熱，也有大量氣泡產(chǎn)生，說明什么？

3+

【答案】FeCl3中的Fe和新鮮肝臟中的過氧化氫酶都能加快過氧化氫分解的速率。

3+

③3號試管Fe數(shù)比4號試管H2O2酶高25萬倍，但4號反應速率更快,這說明什么？

【答案】過氧化氫酶比Fe3+的催化效率高得多。

④2號、3號、4號試管相比，哪支試管最終產(chǎn)生的氧氣最多,為什么？

【答案】一樣多，幾支試管的H2O2溶液的體積和濃度都相同。

實驗結論：

（1）水浴加熱、FeCl3、過氧化氫酶都能加快過氧化氫分解的速率。

（2）與無機催化劑FeCl3相比，過氧化氫酶的催化效率要高得多。

（3）過氧化氫酶在細胞外（或體外）也能發(fā)揮作用。

3.酶的作用機理

（1）在常態(tài)下，幾乎所有H2O2分子都不易分解，為什么加熱后，一小部分則可以分解。

【答案】因為加熱使H2O2分子獲得了能量。

活化能：分子從常態(tài)轉變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需的能量。

（2）無機催化劑和酶是通過怎樣的途徑加快化學反應速率的？

【答案】降低化學反應所需要的活化能，使活躍態(tài)的分子增多。

（3）為什么酶的催化效率比無機催化劑快？

【答案】酶更顯著地降低了化學反應所需要的活化能。

（4）為什么說酶對于細胞代謝的順利進行至關重要？

【答案】細胞的正常代謝需要在溫和的條件下快速進行化學反應，而酶滿足以上要求。

4.分析酶的作用機理曲線

①表示無酶催化時反應進行所需要的活

化能是AC段。

②表示有酶催化時反應進行所需要的活

化能是BC段。

③表示酶降低的活化能是AB段。

5.酶的本質

（1）本質：絕大多數(shù)是蛋白質，少數(shù)是RNA。

（2）合成原料：氨基酸、核酸核苷酸。

（3）合成場所：核糖體、細胞核等。

（4）來源：大多數(shù)活細胞。

（5）功能：具有催化作用。

【注意】反應前后，酶的化學性質和數(shù)量保持不變。

【拓展】鑒定酶本質的實驗原理和方法

例題：某科研小組經(jīng)研究得知X酶存在于人的肝細胞中，能將糖原分解為還原糖。酶必須

保持正常的結構才能發(fā)揮催化作用，請利用這一原理設計實驗，探究X酶的化學本質究竟

是蛋白質還是RNA。簡要寫出實驗思路，并預期實驗結果及結論(要求：實驗包含可相互印

證的甲、乙兩個組)。

A.酶解法

B.試劑檢測法

從酶的化學本質上來講，絕大多數(shù)的酶是蛋白質，少數(shù)的酶是RNA。因此可利用雙縮

脲試劑與蛋白質作用產(chǎn)生紫色反應，RNA與吡羅紅染液作用顯紅色的原理。

考點2:酶的特性

1.酶具有高效性

（1）含義：與無機催化劑相比，酶的催化效率是無機催化劑的107～103倍。

（2）圖解：

（3）分析：

①酶比無機催化劑的催化效率更高；

②酶只能縮短達到化學平衡所需的時間，不改變化學反應的平衡點。

③酶不能改變最終生成物的量。

2.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）圖解：

加入酶B的反應速率和無酶條件下的反應速率相同，說明酶B對此反應無催化作用。

而加入酶A的反應速率明顯較快，說明酶A可催化該反應，即酶具有專一性。

（3）圖解酶的專一性

如圖表示酶促反應的過程,圖中A表示酶,B表示被催化的反應物,C、D表示生成物,酶在

反應前后的性質和數(shù)量均不發(fā)生變化。

3.酶的作用條件較溫和

（1）含義：酶所催化的化學反應一般是在比較溫和的條件下進行的。

（2）圖解：

①在最適溫度和pH條件下，酶的活性最高，溫度和pH偏高或偏低，酶的活性都會降低。

②過酸、過堿或溫度過高，會使酶的空間結構遭到破壞，使酶永久失活。

考點3:影響酶促反應速率的因素

1.酶促反應速率:在酶的催化作用下化學反應進行的速率稱為酶促反應速率,一般用單位時間

內底物的減少量或產(chǎn)物的增加量來表示。

2.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。

3.影響酶促反應速率的因素可分為影響酶活性的因素和不影響酶活性的因素,前者通過影響

酶的空間結構影響酶活性,包括溫度、pH、抑制劑、激活劑、重金屬等;后者包括底物濃度、

酶濃度。

4.影響酶促反應的因素曲線分析

(1)溫度和pH對酶促反應的影響

①在一定溫度(pH)范圍內,隨溫度(pH)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。

②過酸、過堿、高溫會使酶的空間結構遭到破壞而永久失活;低溫只是會影響酶促反應速率,

但不會破壞酶的空間結構,在適宜升高溫度的情況下,酶促反應速率會逐步提高。

③在0℃左右時,酶促反應速率很低,但酶的空間結構穩(wěn)定,因此酶制劑適宜在低溫保存。

④從下圖可以看出:反應溶液pH的變化不影響酶作用的最適溫度。

(2)底物濃度和酶濃度對酶促反應的影響

甲乙

a.甲圖:在其他條件適宜、酶量一定的情況下,酶促反應速率隨底物濃度的增加而加快,但當?shù)?/p>

物達到一定濃度后,受酶量的限制,酶促反應速率不再增加。

b.乙圖:在其他條件適宜、底物充足的情況下,酶促反應速率與酶濃度成正比。

第二節(jié)細胞的能量“貨幣”ATP

考點1:ATP的分子結構與功能

1.組成元素：C、H、O、N、P。

2.名稱：腺苷三磷酸。

3.化學組成：1分子腺苷和3分子磷酸基團。

4.結構簡式：A-P~P~P。

ATP中，A代表腺苷，由腺嘌呤和核糖構成；T代表三，P代表磷酸基團；一代表普通

化學鍵，～代表一種特殊的化學鍵。

5.特點

（1）ATP是一種高能磷酸化合物，含有2個“~”。

（2）由于兩個相鄰的磷酸基團都帶負電荷而相互排斥，使得“～”不穩(wěn)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。當ATP在酶的作用

下水解時，脫離下來的末端磷酸基團挾能量與其他分子結合，從而使后者發(fā)生變化。

（6）功能：ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質。

【注意】生物體內的能源物質總結

(1)能源物質：糖類、脂肪、蛋白質、ATP。

(2)主要能源物質：糖類。

(3)儲能物質：脂肪、淀粉(植物細胞)、糖原(動物細胞)。

(4)主要儲能物質：脂肪。

(5)直接能源物質：ATP。

(6)最終能量來源：太陽能。

考點2:ATP與ADP可以相互轉化

1.轉化原因

ATP中遠離腺苷的“～”既容易水解，也容易形成，伴隨著“～”的水解實現(xiàn)ATP到ADP

的轉化，而“～”的形成與ADP到ATP的轉化相伴隨。

2.ATP與ADP可以相互轉化

3.ATP與ADP的相互轉化分析

項目ATP的合成ATP的水解

反應式ADP+Pi+能量→ATPATP→ADP+Pi+能量

能量來源光能（光合作用）、化學能（細胞呼吸）儲存在特殊化學鍵中的能量

能量去路形成特殊的化學鍵用于各項生命活動

反應場所細胞質基質、線粒體、葉綠體生物體的需能部位

聯(lián)系（1）ATP在生物體內含量少，但轉化十分迅速，從而使細胞中的ATP和ADP

總是處于一種動態(tài)平衡

（2）ATP與ADP的相互轉化不是可逆反應。因為轉化過程中所需的酶、能量

的來源和去路及反應場所不完全相同

（3）合成ATP的過程中有水生成，水解ATP的過程中有水消耗

4.意義

（1）保證細胞內有一個相對穩(wěn)定的能量供應庫。

（2）ATP在能源物質供能過程中處于核心地位，絕大多數(shù)能源物質中的能量只有先轉移到

ATP中才能為生命活動供能。在生命活動中，ATP中的能量可以轉化為不同形式的能量。

（3）能量通過ATP分子在吸能反應和放能反應之間流通。因此，可以形象地把ATP比喻

成細胞內流通的能量“貨幣”。

考點3:ATP的利用

1.ATP的利用形式

ATP中的能量可以直接轉化成其他各種形式的能量，用于各項生命活動，這些能量主要

有以下6種形式。滲透能、機械能、電能、化學能、光能、熱能。

2.ATP為主動運輸供能

（1）參與Ca2+主動運輸?shù)妮d體蛋白是一種能催化ATP水解的酶。當膜內側的與其相應位點

結合時，其酶活性就被激活了。

（2）在載體蛋白這種酶的作用下，ATP分子的末端磷酸基團脫離下來與載體蛋白結合，這

一過程伴隨著能量的轉移，這就是載體蛋白的磷酸化。

（3）載體蛋白磷酸化導致其空間結構發(fā)生變化，使Ca2+的結合位點轉向膜外側，將Ca2+釋

放到膜外。

考點4:細胞中的吸能和放能反應

1．概念：吸能反應中產(chǎn)物分子中的勢能比反應物分子中的勢能高；放能反應中產(chǎn)物分子中

的勢能比反應物分子中的勢能低。

2．吸能、放能反應與ATP的關系

ATP是吸能反應與放能反應之間的紐帶，ATP水解產(chǎn)生的能量用于吸能反應，ATP合

成的能量來自細胞中的放能反應。

綠色植物細胞中最重要的吸能反應是光合作用，所有細胞中最重要的放能反應是細胞呼

吸。

3.如果一個反應發(fā)生時釋放ATP，則這個反應為放能反應；相反，則為吸能反應。

疑難1：酶與無機催化劑的共同點

1．降低化學反應的活化能，使化學反應速率加快，但不改變生成物的量。

2．只改變化學反應速率，不為化學反應提供物質和能量，本身不被消耗，反應前后性質不

變。

3．縮短達到平衡的時間，但不改變化學反應的方向和平衡點。

疑難2:驗證酶的作用及特性的實驗設計與分析

實驗目的實驗組對照組實驗組衡量標準自變量

驗證酶具有催底物+相應底物+等量蒸餾水底物是否被分解或酶溶液的有無

化作用酶液等底物分解速率

底物+相應另一底物+等量同底物是否被分解不同底物

酶液種酶液

驗證酶的專一底物+相應相同底物+等量另不同酶溶液

性酶液一種酶液

驗證酶具有高底物+相應底物+等量無機催底物分解速率或產(chǎn)無機催化劑和

效性酶液化劑物生成速率酶溶液

【拓展】（1）探究溫度對酶活性的影響時，一定要讓底物和酶在所需的溫度下保溫一段時

間，再進行混合。

（2）若選擇淀粉和淀粉酶來探究酶的最適溫度，檢測的試劑不可用斐林試劑代替碘液。因

為斐林試劑需在水浴加熱條件下才會與還原糖發(fā)生特定的顏色反應，而該實驗中需嚴格控制

溫度。

（3）探究溫度對酶活性的影響時，不適宜用H2O2為底物，因為高溫條件下H2O2會分解。

疑難3:影響酶活性的抑制劑和激活劑

1.抑制劑

（1）競爭性抑制劑：抑制劑與底物競爭酶。

①第一類競爭性抑制劑：抑制劑的結構與酶的活性中心相似，當抑制抑制與酶結合時，就阻

止了底物與酶結合，如果底物與酶結合也會阻止抑制與酶結構。

②第二類競爭性抑制劑：抑制劑與酶的活性中心以外的部位結合，從而使酶的活性中心結構

改變，阻止了酶與底物結合。如果酶與活性中心結合，使抑制劑結合部位的空間結構發(fā)生改

變，從而阻止抑制與酶結合。

（2）非競爭性抑制劑：抑制劑與底物不存在競爭關系。

如圖，抑制劑與酶的活性中心以外的部位結合，但是不會使酶活性中心的結構改變，因

此，不影響酶與底物的結合，這樣就形成了底物-酶-抑制劑的三元復合物，但是底物不會被

酶催化為產(chǎn)物，從而達到抑制的作用。

疑難4:辨析下列物質中A的含義

1.ATP與核苷酸的關系

組成ATP和核苷酸的元素是相同的，都是C、H、O、N、P。ATP分子去掉2個磷酸基

團后剩余部分是腺嘌呤核糖核苷酸（AMP），是RNA的基本組成單位之一。

2.不同物質結構中“A”的含義不同

（1）ATP中的A為腺苷，由腺嘌呤和核糖組成。

（2）DNA分子中的A為腺嘌呤脫氧核苷酸，由一分子腺嘌呤、一分子脫氧核糖和一分子

磷酸組成。

（3）RNA分子中的A為腺嘌呤核糖核苷酸，由一分子腺嘌呤、一分子核糖和一分子磷酸

組成。

（4）核苷酸中的A為腺嘌呤。

（5）聯(lián)系：它們的共同點是都含有腺嘌呤。其中，AMP（腺苷一磷酸，又名腺嘌呤核糖核

苷酸）是RNA的基本組成單位之一。

疑難5:ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質的實驗驗證(拓展)

1.實驗證據(jù)

2.應用：ATP熒光檢測儀

ATP熒光檢測儀基于螢火蟲發(fā)光原理，利用“熒光素酶—熒光素體系”快速檢測三磷酸

腺苷（ATP）。由于所有生物活細胞中含有恒量的ATP，所以ATP含量可以清晰地表明樣

品中(食品、藥品、水體等)微生物與其他生物殘余的多少，用于判斷衛(wèi)生狀況。

熒光素+O2+ATP→氧化熒光素(發(fā)出熒光)

熒光強度越強→ATP含量越多→微生物數(shù)量越多

疑難6:ATP拓展

ATP不是唯一的直接能源物質，除ATP外，還有UTP、GTP和CTP。UTP是由一個尿

嘧啶、一個核糖、三個磷酸連接而成的；GTP是由一個鳥嘌呤、一個核糖、三個磷酸連接

而成的；CTP是由一個胞嘧啶、一個核糖、三個磷酸連接而成的。每個分子去掉兩個磷酸

基團后都是構成RNA的基本單位，它們的關系如下圖所示：

這四種物質中，ATP是生物體的直接能源物質，當人體在運動、吸收氨基酸、葡萄糖等

營養(yǎng)物質時都會消耗ATP，ATP是能量“貨幣”。GTP可用于合成蛋白質，CTP可用于合成

脂質，UTP可用于合成多糖。另外，ATP中的核糖若改變?yōu)槊撗鹾颂?，就轉變?yōu)閐ATP(脫氧

腺苷三磷酸)。

疑難7:ATP與ADP的相互轉化不是可逆反應

1.從反應條件上看，ATP的水解屬于水解反應，催化該反應的酶屬于水解酶。而ATP的合

成是一種合成反應，催化該反應的酶屬于合成酶。由于酶具有專一性，因此，兩者反應條件

有所不同。

2.從反應場所上看，ATP合成的場所為細胞質基質、線粒體和葉綠體；而ATP水解的場所

較多。因此，ATP的合成場所與水解場所不完全相同。

3.從能量來源上看，ATP水解釋放的能量來源于儲存在特殊化學鍵中的化學能；而合成ATP

的能量主要來源于化學能和光能，即兩者的能量來源不同。

1.酶

該考點基礎層級訓練內容為酶的作用、本質和作用機理,重難、綜合層級多結合代謝知

識考查酶的特性、影響酶活性的因素及相關實驗。

2.ATP

該考點基礎層級訓練內容為ATP的結構和功能、ATP與ADP的相互轉化,重難、綜合

層級多結合光合作用和呼吸作用來考查ATP的形成和利用。

【真題再現(xiàn)】

1．（2023·浙江·統(tǒng)考高考真題）某同學研究某因素對酶活性的影響，實驗處理及結果如下：

己糖激酶溶液置于45℃水浴12min，酶活性喪失50%；己糖激酶溶液中加入過量底物后置

于45℃水浴12min，酶活性僅喪失3%。該同學研究的因素是（）

A．溫度B．底物C．反應時間D．酶量

【答案】B

【分析】影響酶活性的因素有溫度、PH、抑制劑和激活劑。由題干分析，己糖激酶溶液置

于45℃水浴12min，酶活性喪失50%；己糖激酶溶液中加入過量底物后置于45℃水浴12min，

酶活性僅喪失3%。這兩組實驗的不同條件在于是否加入底物。

【詳解】A、由題干可知，兩組實驗的溫度都為45℃，所以研究的因素不是溫度，A錯誤；

B、由題干分析，己糖激酶溶液置于45℃水浴12min，酶活性喪失50%；己糖激酶溶液中加

入過量底物后置于45℃水浴12min，酶活性僅喪失3%。這兩組實驗的不同條件在于是否加

入底物。所以研究的因素是底物，B正確；

C、由題干可知，兩組實驗的反應時間均為12min，所以研究的因素不是反應時間，C錯誤；

D、由題干可知，兩組實驗的酶量一致，所以研究的因素不是酶量，D錯誤。

故選B。

2．（2022秋·福建泉州·高一福建省南安市僑光中學校聯(lián)考階段練習）頭孢拉定是一種常見

的醫(yī)用口服抗生素，某人因長期服用頭孢拉定，醫(yī)生在其腸道中發(fā)現(xiàn)某種大腸桿菌的數(shù)量顯

著增加，下列分析正確的是（）

A．該菌經(jīng)化學成分分析，其含量最多的化合物是以碳鏈為骨架的生物大分子

B．該菌含有的多種抗性基因都分布于細胞核中

C．該菌中核糖體上合成的、能降解抗生素的酶活性比普通細菌中的強

D．頭孢拉定是一種蛋白質，強酸性環(huán)境會改變頭孢拉定的空間結構，抑制其殺菌效果

【答案】C

【分析】原核細胞與真核細胞共有的特征是均有細胞膜、細胞質，均有核糖體這一種細胞器，

均以DNA作為遺傳物質，原核細胞與真核細胞最明顯的差異是有無核膜包被的成形的細胞

核。

【詳解】A、大腸桿菌細胞內含量最多的化合物是水，水不屬于以碳鏈為骨架的生物大分子，

A錯誤；

B、大腸桿菌屬于原核生物，沒有細胞核，B錯誤；

C、某人因長期服用頭孢拉定，醫(yī)生在其腸道中發(fā)現(xiàn)某種大腸桿菌的數(shù)量顯著增加，說明該

大腸桿菌中核糖體上合成的酶降解抗生素的能力比普通細菌的強，C正確；

D、頭孢拉定是一種常見的醫(yī)用口服抗生素，屬于小分子有機物，不是蛋白質，D錯誤。

故選C。

3．（2023春·北京大興·高一統(tǒng)考期末）下列關于ATP的敘述，正確的是（）

A．ATP由腺嘌呤、脫氧核糖和磷酸組成

B．ADP轉化成ATP所需能量均來自光能

C．酶催化的生化反應必須由ATP提供能量

D．ATP中的“A”與DNA中的堿基“A”含義不同

【答案】D

【分析】ATP的結構式可簡寫成A-P～P～P，式中A代表腺苷，T代表3個，P代表磷酸基

團，～代表特殊的化學鍵。

【詳解】A、ATP由腺嘌呤、核糖和磷酸組成，A錯誤；

B、ADP轉化成ATP所需能量不都來自光能，還來自有機物中的化學能，B錯誤；

C、酶催化的生化反應不一定需要ATP提供能量，C錯誤；

D、ATP中的“A”為腺苷，與DNA中的堿基“A”—腺嘌呤，含義不同，D正確。

故選D。

4．（2023春·云南紅河·高一校考開學考試）如圖所示為ATP的結構及ATP與ADP之間的

相互轉化過程，下列說法正確的是（）

A．圖一中的a代表腺苷，A代表的是腺嘌呤

B．ATP生成ADP時圖一中的c鍵斷裂釋放的能量伴隨著細胞內許多的吸能反應

C．ATP與ADP相互轉化過程中物質和能量是可循環(huán)利用的

D．酶1和酶2若為蛋白質，從功能上屬于調節(jié)蛋白

【答案】B

【分析】據(jù)圖一分析，a表示腺嘌呤核糖核苷酸，bc表示特殊化學鍵；圖二ATP的水解釋

放能量供給細胞內吸能反應，以及生命活動的能量消耗，ATP的合成所需能量主要來自細胞

呼吸，綠色植物還可來自光合作用。

【詳解】A、圖一中的a代表腺嘌呤核糖核苷酸，不是腺苷，A錯誤；

B、ATP生成ADP為ATP的水解過程，圖一中的c鍵不穩(wěn)定，容易斷裂水解并釋放能量，

所釋放的能量常用于吸能反應，B正確；

C、ATP與ADP相互轉化過程中，物質是可循環(huán)利用的，能量是不可逆的，ATP水解釋放

能量供給細胞內吸能反應，以及生命活動的能量消耗，ATP合成所需能量主要來自細胞呼吸，

綠色植物還可來自光合作用。C錯誤；

D、酶1和酶2若為蛋白質，從功能上屬于催化作用，D錯誤。

故選B。

5．（2023春·云南紅河·高一?？奸_學考試）生態(tài)酶制劑是一種無毒、無殘留、無污染的微

生物制劑，它能提高飼料營養(yǎng)成分的利用率，使質量差的飼料和優(yōu)質飼料具有同樣的飼喂效

果，從而提高了飼料行業(yè)和養(yǎng)殖行業(yè)的經(jīng)濟效益。下列有關敘述錯誤的是（