第5章 细胞的能量供应和利用
第一讲 降低化学反应活化能的酶
第二讲 细胞的能量“通货”-ATP ATP的主要来源-细胞呼吸
第三讲　能量之源——光与光合作用
目 录
复习课
1．细胞代谢是细胞内每时每刻都进行着的各种
化学反应，是细胞生命活动的基础。
2．加热使反应物获得了能量，加快反应速率。
3．同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更
显著，因而催化效率更高。
4．酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，
其中绝大多数酶是蛋白质。
5．酶具有专一性和高效性，作用条件较温和。
6．低温抑制酶活性，但不破坏酶的分子结构。
7．高温、过酸、过碱都会导致酶分子结构破坏而永久失去活性。
一、酶在细胞代谢中的作用
1．细胞代谢
细胞中各种 的统称，是细胞生命活动的基础。
2．酶的作用机理
(1)活化能：分子从 转变为容易发生化学反应的 状态所需要的能量。
(2)作用机理：降低化学反应的 。
化学反应
常态
活跃
活化能
3．酶的作用机理分析[据图填空]

(1)没有酶催化的反应曲线是 。
(2)有酶催化的反应曲线是 。
(3)AC段的含义是 。
(4)BC段的含义是 。
(5)若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则B点在纵轴上将如何移动？ 。
②
①
在无催化剂催化条件下，反应所
需的活化能
酶降低的活化能
B点将向上移动
[想一想]
酶只能在生物体内起催化作用吗？
提示：不是。在适宜条件下，酶在生物体内和生物体外都能起催化作用。
二、酶的本质和特性
1．酶的基本单位、合成场所
氨基酸
核糖体
RNA
2．酶的特性[连线]
[想一想]
酶与无机催化剂相比有哪些相同之处？
提示：①化学反应前后数量和性质不变；②加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但不改变平衡点；③都能降低化学反应的活化能。
[知识体系构建]
①蛋白质　②RNA　③高效性　④专一性　⑤作用条件较温和　⑥降低活化能
酶的概念与酶催化作用验证
(1)(2011·天津卷T1A)酶的基本组成单位是氨基酸和脱氧核糖核苷酸。 ( )
(2)(2011·天津卷T1B)酶通过为反应物供能和降低活化能来提高化学反应速率。 ( )
×
×
(3)(2010·山东卷T5A)溶酶体内的水解酶是由核糖体合成的。 ( )
(4)(2009·重庆卷T1B)酶是活细胞产生并具有催化作用的蛋白质。 ( )
(5)(2008·天津卷T1A)具有生物催化作用的酶都是由氨基酸组成的。 ( )
√
×
×
1．酶概念的理解
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
作用场所
细胞内、外或生物体外均可
生理功能
生物催化作用
作用原理
降低化学反应的活化能
2．酶是蛋白质的验证实验
(1)实验设计思路：
实验组：待测酶液＋双缩脲试剂→是否出现紫色反应
对照组：已知蛋白液＋双缩脲试剂→紫色反应
(2)实验结果分析：通过对照，实验组若出现紫色，证明待测酶液的化学本质是蛋白质；不出现紫色，则该酶液的化学本质不是蛋白质。
(3)实验变量：自变量为待测酶液和已知蛋白液，因变量为是否有紫色反应。
3．酶的催化作用验证实验
(2)实验结果分析：根据底物性质利用相应试剂检测底物是否被分解，对照组底物不被分解则证明酶具有催化作用。
(3)实验变量：自变量是相应酶液的有无，因变量是底物是否被分解。
[关键一点]　不要误认为酶只在细胞内发挥作用，酶由活细胞产生，其发生催化作用的场所有：细胞内(如细胞内的呼吸氧化酶)、细胞外(如各种消化酶)、生物体外适宜条件下(如唾液淀粉酶水解淀粉)。
高考地位
本考点知识难度不大，关键在于理解，在历年高考中常结合蛋白质结构功能进行综合命题
命题角度
(1)以选择题形式综合考查酶的本质及作用等知
识，如典例1；
(2)以曲线图为信息载体，考查酶的催化作用实质
及识图能力，如典例2。
[典例1]　下列关于酶的叙述错误的是 (　　)
A．一旦离开活细胞，酶就失去催化能力
B．酶的催化效率很高，但受温度和酸碱度的影响
C．化学反应前后，酶的化学性质和数量保持不变
D．酶与双缩脲试剂不一定发生紫色反应
[解析]　酶在离开活细胞后仍可发挥作用，如消化道中的消化酶等均离开了细胞，但仍有催化能力，故A错误。
[答案] A
[典例2]　下图曲线Ⅰ、Ⅱ分别表示物质A在无催化条件和有酶催化条件下生成物质P所需的能量变化过程。下列相关叙述正确的是 (　　)
A．ad段表示在无催化剂条件下，物质A生成物质P需要的活化能
B．若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b在纵轴上将向下移动
C．若仅增加反应物A的量，则图中曲线的原有形状均发生改变
D．若曲线Ⅱ为最适酶促条件下的曲线，改变酶促条件后，则b在纵轴上将向上移动
[解析]　物质A生成物质P需要的活化能用ac表示。酶降低活化能比无机催化剂更明显，若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b在纵轴上将向上移动。若仅增加反应物A的量，图中曲线的原有形状不会发生改变。若曲线Ⅱ为最适酶促条件下的曲线，改变酶促条件后，所需活化能增加，b在纵轴上将向上移动。
[答案] D
(1)(2012·海南卷T4A、B、D)淀粉酶经高温烘干制成粉剂、或在淀粉酶溶液中加入强酸或蛋白酶，均不可能导致淀粉酶活性发生变化。 ( )
(2)(2011·海南卷T4B)酶活性的变化与酶所处环境的改变无关。 ( )
(3)(2010·江苏卷卷T3D)用含蛋白酶的洗衣粉去除油渍，效果比其他类型加酶洗衣粉好。 ( )
(4)(2009·重庆卷T1A)高温和低温均能破坏酶的结构使其失去活性。 ( )
与酶有关的曲线模型分析
×
×
×
×
1．表示酶高效性的曲线

(1)催化剂可加快化学反应速率，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时间，不改变化学反应的平衡点。
(3)酶只能催化已存在的化学反应。
2．表示酶专一性的曲线
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，而加入酶A的反应速率随反应物浓度的增大明显加快，该实验说明酶具有专一性。
3．影响酶促反应的因素
(1)温度和pH：
①从甲、乙图可以看出：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。
②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。
③从丙图可以看出：反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。
(2)底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响：
①甲图：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，酶促反应速率将不再增加。
②乙图：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。
[关键一点]　影响酶促反应速率的作用机理
(1)温度和pH是通过影响酶活性来影响酶促反应速率的。
(2)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，并不影响酶的活性。
高考地位
本考点知识难度较大，主要是图文转化能力的培养与训练，是高考命题的热点之一
命题角度
(1)以曲线图为信息载体，考查影响酶促反应速率
的因素，如典例3；
(2)以具体生物事实为背景，考查影响酶活性因素
的实验设计，如典例4。
[典例3]　下图甲表示过氧化氢酶活性受pH影响的曲线，图乙表示在最适温度下，pH＝b时H2O2分解产生的O2量随时间的变化曲线。若在该酶促反应过程中改变某一初始条件，以下分析正确的是 (　　)
A．pH＝a时，e点下移，d点左移
B．pH＝c时，e点为0
C．温度降低时，e点不移动，d点右移
D．H2O2量增加时，e点不移动，d点左移
[解析]　O2的最大释放量只与H2O2的量有关，与酶的活性无关。酶为催化剂，只改变反应速率。与pH＝b时相比，pH＝a时酶的活性下降，e点不变，d点右移，故A错误；pH＝c时酶失活，但H2O2不稳定，在过氧化氢酶失活时，H2O2仍能分解，故B错误；温度降低时酶的活性降低，e点不变，但H2O2完全分解所用的时间延长，d点右移，故C正确；增加H2O2量，e点上移，d点右移，故D错误。
[答案] C
[典例4]　(2011·全国卷)某同学从温度为55～65℃的泉水中筛选出能合成脂肪酶的细菌，并从该细菌中提取了脂肪酶。回答问题：
(1)测定脂肪酶活性时，应选择________作为该酶作用的物质，反应液中应加入________溶液以维持其酸碱度稳定。
(2)要鉴定该酶的化学本质，可将该酶液与双缩脲试剂混合，若反应液呈紫色，则该酶的化学本质为________。
(3)根据该细菌的生活环境，简要写出测定该酶催化作用最适温度的实验思路。
[解析]　(1)脂肪酶的活性以其单位时间内分解脂肪量为指标，因酶需要适宜的pH，故应加入缓冲溶液。(2)该酶与双缩脲试剂呈紫色反应，说明该酶的化学本质是蛋白质。(3)要测定该酶催化作用的最适温度，一般采用预实验，需在一定温度范围内设置温度梯度，对比不同温度下测得的酶活性，若不能测出峰值，则需扩大温度范围，继续实验。
[答案]　(1)脂肪　缓冲　(2)蛋白质　(3)在一定温度范围(包括55～65℃)内设置温度梯度，分别测定酶活性。若所测得的数据出现峰值，则峰值所对应的温度即为该酶催化作用的最适温度。否则，扩大温度范围，继续实验，直到出现峰值。(其他合理答案也可)
一、实验原理
二、实验流程
碘液
(2)pH对酶活性的影响：
三、实验结论
四、易误点拨
(1)实验中所用酶的来源不同，则最适温度也不同：
若淀粉酶为市售的α­淀粉酶，其最适温度为50℃～75℃；若淀粉酶来自人体组织细胞，则最适温度为37℃左右。
(2)实验中操作步骤要规范：
在探究温度对酶活性影响的实验中，操作过程中第一步与第二步不能颠倒；在探究pH对酶活性影响的实验中，操作步骤第二步与第三步也不能颠倒顺序，否则在调节温度或pH的过程中，酶会将淀粉或过氧化氢分解，导致实验失败。
[高考实验对接]
1．探究性实验概述
探究性实验是实验者在不知晓实验结果的前提下，通过自己进行实验完成的探究活动。实验的目的是探究研究对象的未知属性、特征及与其他因素的关系。因为实验的结果及结论都是未知的，故需要对探究问题作出假设。
2．探究性实验设计的思路
(1)把握实验目的，确认自变量。实验目的是实验的核心，通过思考要明确“探究什么”，其中要把握三个要素，即①探究的因素；②探究的对象；③观察的指标。
(2)确定实验的原理。实验原理通常根据实验的目的和题目所给的材料进行分析处理，确定实验变量的检测方案，再根据我们所学过的知识联系起来确定实验的原理。
(3)设置对照实验，选择合理的实验对照方法。对照实验的设置，要确保一个实验自变量对应一个可观测的因变量，尽可能避免无关变量的干扰。
(4)选择实验材料。实验材料要根据原理来选择或根据题干所给的信息来确定。
(5)设计实验步骤。设计实验步骤时在理顺实验思路的基础上注意遵循实验设计的四个基本原则(对照原则、单一变量原则、等量原则、科学性原则)。实验步骤基本模式如下：
分组编号→变量操作→条件控制→观察记录。
3．预测实验结果并得出结论
结果的预测，要根据假说和原理，以实验可能出现的结果作出判断，并对应得出相应结论。
[典例]　根据以下探究影响酶活性因素的实验，回答问题。
Ⅰ.为验证pH对唾液淀粉酶活性的影响，实验操作步骤如下：
①在1～5号试管中分别加入0.5%的唾液1 mL。
②加完唾液后，向各试管中加入相应的缓冲液3 mL。使各试管中的pH依次稳定在5.00、6.20、6.80、7.40、8.00。
③分别向1～5号试管中加入0.5%的淀粉液2 mL，然后放入37℃温水中恒温水浴。
④反应过程中，每隔1 min从第3号试管中取出一滴反应液滴在比色板上，加1滴碘液显色。待呈橙黄色时，立即取出5支试管，加碘液显色并比色，记录结果如下表：
注：“＋”表示蓝色程度。
(1)实验设计中，因变量是__________________。实验过程中选择37℃恒温的理由是_____________________。
(2)3号试管加碘液后出现橙黄色，说明____________。
(3)如果反应速率过快，应当对唾液进行怎样的处理？
_____________________________________________。
(4)该实验得出的结论是_________________________。
Ⅱ.为探究高温对酶活性的影响，某同学设计了如下实验：
实验步骤与结果：
(1)①取两支洁净试管，编号为1和2。
②在1号管中加入2 mL 3%的新鲜过氧化氢溶液，2号管中加入1 mL 20%的新鲜肝脏研磨液，分别置于100℃恒温水浴5分钟。
③将2号管中的肝脏研磨液加入1号管，振荡摇匀，再置于100℃恒温水浴5分钟，结果未观察到气泡产生。
(2)结果分析：推断观察不到气泡产生的两种可能原因：________________________，____________________。
[解析]　Ⅰ.本实验的目的是验证pH对酶活性的影响，所以在实验过程中，pH是唯一的自变量，其他的条件都是无关变量，应保持一致；从实验结果分析，第三组是对照组，选择37℃的原因有两个，一是保证温度恒定，排除温度对实验过程的干扰，二是37℃是唾液淀粉酶的最适催化温度。颜色变化为因变量，通过观察颜色的变化来判断淀粉的分解情况。如果反应速率过快，应适当地稀释酶溶液，降低反应速率；根据实验目的，从反应的结果分析，该实验的结论是唾液淀粉酶催化的最适pH是6.80，高于或低于此值，酶的活性都会降低。
Ⅱ.由于过氧化氢具有热不稳定性，实验过程中高温可使底物过氧化氢全部分解，从而观察不到气泡产生；也可能是因为高温使过氧化氢酶变性失活，不能催化过氧化氢分解产生气体。
[答案]　Ⅰ.(1)颜色变化　保证温度恒定，排除温度对实验过程的干扰；37℃是唾液淀粉酶的最适催化温度　(2)淀粉已经完全分解　(3)适当稀释唾液　(4)唾液淀粉酶催化的最适pH是6.80，高于或低于此值，酶的活性都会降低
Ⅱ.(2)高温使过氧化氢酶变性，失去活性　高温使底物过氧化氢全部分解(或既有过氧化氢酶变性，又有底物被全部分解)
[高考随堂体验]
1．(2012·海南高考)下列操作中，不可能导致淀粉酶活性发
生变化的是 (　　)
A．淀粉酶溶液中加入强酸
B．淀粉酶溶液中加入蛋白酶
C．淀粉酶溶液中加入淀粉溶液
D．淀粉酶经高温烘干制成粉剂
解析：温度、pH都会影响酶活性；淀粉酶的化学本质为蛋白质，蛋白酶会将其水解，从而使其活性发生改变；淀粉酶溶液中加入淀粉溶液后，淀粉被水解，此过程中淀粉酶为催化剂，故在反应前后结构和活性不变。
答案：C
2. (2011·新课标全国卷)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如右图所
示。下列分析错误的是 (　　)
A．甲酶能够抗该种蛋白酶降解
B．甲酶不可能是具有催化功能的RNA
C．乙酶的化学本质为蛋白质
D．乙酶活性的改变是因为其分子结构的改变
解析：酶具有专一性，蛋白酶能催化蛋白质降解。由图可知，在蛋白酶的作用下，甲酶活性没有变化，而乙酶活性逐渐下降，说明甲酶的本质不是蛋白质，有可能是RNA；而乙酶的化学本质是蛋白质，在蛋白酶的作用下其空间结构被改变。
答案：B
3．(2011·海南高考)关于酶的叙述，正确的是 (　　)
A．酶提供了反应过程所必需的活化能
B．酶活性的变化与酶所处环境的改变无关
C．酶结构的改变可导致其活性部分或全部丧失
D．酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸
解析：酶降低了反应的活化能；酶活性与所处的环境改变有关；酶分子在催化反应的前后结构不变；酶结构改变可影响其活性。
答案：C
4. (2011·海南高考)某一不可逆化学
反应(S→P＋W)在无酶和有酶催
化时均可以进行。当该反应在无
酶条件下进行到时间t时，向反
应液中加入催化该反应的酶。右图中能正确表示加酶后反应物浓度随反应时间变化趋势的曲线是 (　　)
A．甲　　　　　　　　 B．乙
C．丙 D．丁
解析：酶能加快反应的进行，该反应不可逆，加入酶后使反应物浓度快速下降。
答案：D
5. (2010·上海高考)右图表示细胞中某条
生化反应链，图中E1～E5代表不同
的酶，A～E代表不同的化合物。据
图判断下列叙述中正确的是 (　　)
A．若E1催化的反应被抑制，则A的消耗速度加快
B．若E5催化的反应被抑制，则B积累到较高水平
C．若E3的催化速度比E4快，则D的产量比E多
D．若E1的催化速度比E5快，则B的产量比A多
解析：若E1催化的反应被抑制，则A的消耗速度变慢；若E5催化反应被抑制，因E2催化的反应并没有被抑制，所以B不一定会积累到较高水平；因B还会被E2催化反应，故E1的催化速度比E5快时，B的产量也不一定比A多。
答案：C
6．(2012·福建高考)大菱鲆是我国重要的海水经济鱼类。
研究性学习小组尝试对大菱鲆消化道中蛋白酶的活性进行研究。
(1)查询资料得知，18°C时，在不同pH条件下大菱鲆消化道各部位蛋白酶活性如图1。由图可知，在各自最适pH下，三种蛋白酶催化效率最高的是___________。
(2)资料表明大菱鲆人工养殖温度常年在15～18°C之间。学习小组假设：大菱鲆蛋白酶的最适温度在15～18°C间。他们设置15°C、16°C、17°C、18°C的实验温度，探究三种酶的最适温度。
①探究实验中以干酪素为底物。干酪素的化学本质是________，可用________试剂鉴定。
②胃蛋白酶实验组和幽门盲囊蛋白酶实验组的pH应分别控制在____________。
③为了控制实验温度，装有酶和底物的试管应置于________中以保持恒温。单位时间内________可以表示蛋白酶催化效率的高低。
④实验结果如图2，据此能否确认该假设成立？______。理由是。
(3)研究还发现大菱鲆消化道淀粉酶和脂肪酶含量少、活性低，所以人工养殖投放的饲料成分中要注意降低________的比例，以减少对海洋的污染。
解析：(1)分析图1可知，在各自最适pH下，三种蛋白酶催化效率最高的是幽门盲囊蛋白酶。(2)可通过比较不同温度下酶对底物的催化效率来探究胃蛋白酶、肠蛋白酶及幽门盲囊蛋白酶三种酶的最适温度。本实验的自变量为温度，因此应保证三种酶所处的pH均为最适pH。该实验以干酪素作为反应
的底物，说明干酪素的化学本质为蛋白质，可用双缩脲试剂进行鉴定。由图2可知，随着温度提高三种酶的活性逐渐升高，但三种酶活性均未出现峰值，即不能确定三种酶的最适温度。(3)由于大菱鲆消化道淀粉酶和脂肪酶的含量少、活性低，因此人工养殖投放的饲料成分中要注意降低淀粉和脂肪的比例，以减少对海洋的污染。
答案：(1)幽门盲囊蛋白酶　(2)①蛋白质　双缩脲　②2和8　③水浴　底物消耗量(或产物生成量)　④不能　据图可知随着温度提高酶活性逐步升高，酶活性峰值未出现　(3)淀粉、脂肪
7．(2011·江苏高考)为探究植酸酶对鲈鱼生长和消化酶活性
的影响，研究者设计并进行了相关实验，实验步骤及结果如下：
①鲈鱼的驯养：将从海洋中捕获的鲈鱼鱼苗在浮式海水网箱中饲养14 d，用普通饲料投喂，备用。
②饲料的配制：在每千克普通饲料中添加200 mg植酸酶，配制成加酶饲料；并将普通饲料和加酶饲料分别制成大小相同的颗粒，烘干后储存。
③鲈鱼的饲养：挑选体格健壮、大小一致的鲈鱼随机分组，放养于规格相同的浮式海水网箱中，放养密度为60尾/箱。给对照组的鲈鱼定时投喂适量的普通饲料，给实验组的鲈鱼同时投喂等量加酶饲