【高考冲刺】2014年高考生物三轮复习专题三 细胞代谢中的物质跨膜、酶和ATP

第二单元　生命系统的代谢基础
考情分析预测
分析近三年的高考真题，可以看出，本专题内容也是高考中的重点部分，侧重考查物质跨膜运输的方式，酶与代谢，捕获光能的色素，影响光合作用速率的因素，光合作用与呼吸作用的关系等。本专题呈现命题的形式主要是选择题和非选择题，并结合图表来命制试题，难度较大。预测今年本专题高考考查仍然会以光合作用与呼吸作用的关系，影响光合作用速率的因素为主的试题出现。具体分析是：
(1)有关物质出入细胞的方式的考查以选择题形式出现的是：细胞的吸水与失水、物质跨膜运输的方式，尤其后者试题在逐年增加。
(2)有关酶和ATP的考查多半都是选择题，偶尔也会出现非选择题，酶和代谢内容今年多省份关注。
(3)有关光合作用的考查以选择题和非选择题形式出现的是，捕获光能的色素，影响光合作用速率的因素，以这些方面来出题省份也在增加，而对于后者一直是高考命题者特别关注的地方，要引起特别关注。
(4)有关细胞呼吸的考查主要出非选择题较多，侧重点是光合作用与呼吸作用关系的考查。
二轮复习时，着重关注以下几方面问题：
(1)物质出入细胞的方式部分：细胞的吸水与失水要注重实验，要注意吸水和失水的区别；物质跨膜运输的方式要注重实际的应用，要注意区别五种出入细胞的方式，即自由扩散、协助扩散、主动运输以及胞吐、胞吞。
(2)酶和ATP部分：酶的有关实验，特别是要读懂与酶实验有关的图表，并能分析判断。
(3)光合作用部分：捕获光能的色素这个知识点是新课标命题者关注的地方，因此对表格、坐标图等所含信息，要能够分析。而影响光合作用速率的因素，这部分的知识是重中之重，要善于读懂各种表格、模式图、示意图、坐标图等所含信息，提炼其中所含生物学知识。
(4)细胞呼吸部分：它的重头戏在于光合作用与呼吸作用的关系，要理解图文转换，特别是要能够分析影响二者的因素及在生产实践上的应用等。
知识网络构建
专题三 细胞代谢中的物质跨膜、酶和ATP
考点一　有关物质出入细胞的方式
1．物质浓度与被动运输之间的关系：
2．影响主动运输的因素：首先是载体蛋白的种类数量，它决定所运输的物质种类和数量。其次，由于主动运输需要消耗能量，所以凡是能够影响能量供应的因素也都影响主动运输速率，如温度、氧气浓度等。第三，主动运输速率与物质浓度有关。它们的关系可用图2－3－2表示。
分析：曲线①说明运输速率与物质浓度呈正相关，不受其他因素的限制，应为自由扩散。因为氧气浓度的高低影响细胞呼吸，影响细胞能量的供应，而主动运输需要消耗能量。曲线③说明运输速率与氧气浓度无关，说明这种方式不是主动运输，而是一种被动运输方式(可能是自由扩散，也可能是协助扩散)。相反，曲线②在一定浓度范围内随物质浓度升高而速率加快，当达到一定程度后，由于受到载体数量的限制，不再增加而维持稳定，说明这种运输需要载体，不是自由扩散，可能是协助扩散，也可能是主动运输。曲线④说明运输速率与氧气浓度有关，根据上面的分析，这个过程是需要能量的，只能是主动运输，所以综合来看，应当是主动运输。
例1下列关于物质跨膜运输的叙述不正确的是(　　)
A．人体内红细胞、肾小管上皮细胞吸收葡萄糖的方式不同
B．叶肉细胞中的CO2进入叶绿体和排出细胞外的方式完全相同
C．海带细胞通过主动运输积累I－等溶质，通常不会在海水中发生质壁分离
D．酶解法制备的原生质体置于等渗溶液中，几乎无水分子进出细胞
例2 盐碱地中生活的某种植物，其细胞的液泡膜上有一种载体蛋白，能将细胞质中的Na＋逆浓度梯度运入液泡，减轻Na＋对细胞质中酶的伤害。下列叙述错误的是(　　)
A．Na＋进入液泡的过程属于主动运输
B．Na＋进入液泡的过程体现液泡膜的选择透过性
C．该载体蛋白作用的结果不利于增强细胞吸水能力
D．该载体蛋白作用的结果有助于提高植物的耐盐性
考点二　验证影响酶活性的有关实验
1．酶的本质和生理作用的实验验证
(1)酶是蛋白质
设计思路：对照组：标准蛋白质溶液＋双缩脲溶液出现紫色反应；
实验组：待测酶溶液＋双缩脲溶液是否出现紫色。
通过对照，实验组若出现紫色，则证明待测酶溶液是蛋白质，否则不是蛋白质。可以看出实验中自变量是待测酶溶液和标准蛋白质溶液，因变量是否出现紫色反应。同理，也可用吡罗红来鉴定某些酶是RNA的实验。
(2)酶的催化作用
设计思路：对照组：反应物＋清水反应物不被分解；
实验组：反应物＋等量的相应酶溶液反应物被分解。
实验中的自变量是相应的酶溶液的有无，因变量是底物是否被分解。
2．有关酶特性的实验探究
(1)酶的专一性
此实验中的自变量可以是不同反应物，也可以是不同酶溶液，因变量是反应物是否被分解。
设计思路一：换反应物不换酶。
实验组：反应物＋相应酶溶液反应物被分解；
对照组：另一反应物＋等量相同酶溶液反应物不被分解。
设计思路二：换酶不换反应物。
实验组：反应物＋相应酶溶液反应物被分解；
对照组：相同反应物＋等量另一种酶溶液反应物不被分解。
此实验过程中要注意：①选择好检测反应物的试剂。如反应物选择淀粉和蔗糖，酶溶液为淀粉酶，验证酶的专一性，检测反应物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂，不能选用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否被水解。②要保证蔗糖的纯度和新鲜程度是做好实验的关键。
(2)酶的高效性
设计思路：对照组：反应物＋无机催化剂底物分解速度；
实验组：反应物＋等量酶溶液底物分解速度。
实验中自变量是无机催化剂和酶，因变量是底物分解速度。
(3)酶的适宜条件的探究
实验的自变量(即单一变量)为温度或pH，因变量是反应物分解的速度或存在量。
①适宜的温度：
设计思路：反应物＋ t1＋酶溶液，
反应物＋ t2＋酶溶液，
反应物＋ t3 ＋酶溶液，
…… ，
反应物＋ tn ＋酶溶液反应物分解的速度或存在的量
在实验步骤中要注意：a.在酶溶液和反应物混合之前，需要把两者先分别放在各自所需温度下保温一段时间。b.若选择淀粉和淀粉酶探究酶的最适温度，检测反应物被分解的试剂宜选用碘液，不应该选用斐林试剂，因斐林试剂需水浴加热，而该实验中需严格控制温度。
②适宜的pH：
设计思路：反应物＋ pH1＋酶溶液，
反应物＋ pH 2＋酶溶液，
反应物＋ pH 3 ＋酶溶液，
……，
反应物＋ pH n ＋酶溶液反应物分解的速度或存在的量
设计与酶有关的实验时，实验设计的一般步骤为：取材→分组编号→不同处理→平衡无关变量→现象观察→结果分析→得出结论。
特别提示：影响酶作用的因素分析
酶的催化活性的强弱以单位时间(每分)内底物的减少量或产物的生成量来表示。研究某一因素对酶促反应速率的影响时，应在保持其他因素不变的情况下，单独改变研究的因素。
3.影响酶促反应的因素常有：酶的浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。
其变化规律有以下特点：
(1)酶浓度对酶促反应的影响：在底物充足，其他条件固定的情况下，反应系统中不含有影响酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速率与酶的浓度成正比。
(2)底物浓度对酶促反应的影响：在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度的增加而加快，反应速率与底物浓度近乎成正比；在底物浓度较高时，底物浓度增加，反应速率也随之加快，但不显著；当底物浓度很大，且达到一定限度时，反应速率就达到一个最大值，此时即使再增加底物浓度，反应速率几乎也不再改变。
(3)pH对酶促反应的影响：一种酶只能在一定限度的pH范围内才表现活性，超过这个范围酶就失去活性。在一定条件下，一种酶在某一个pH时活力最大，这个pH称为这种酶的最适pH。
(4)温度对酶促反应的影响：酶促反应在一定温度范围内反应速率随温度的升高而加快；但当温度升高到一定限度时，酶促反应速率不仅不再加快，反而随着温度的升高而下降。在一定条件下，每一种酶在某一温度时活力最大，这个温度称为这种酶的最适温度。
(5)激活剂对酶促反应速度的影响：能激活酶的物质称为酶的激活剂。激活剂种类很多，有①无机阳离子，如钠离子、钾离子、铜离子、钙离子等；②无机阴离子，如氯离子、溴离子、碘离子、硫酸盐离子、磷酸盐离子等；③有机化合物，如维生素C、半胱氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只有当某一种适当的激活剂存在时，才表现出催化活性或强化其催化活性，这称为对酶的激活作用。而有些酶被合成后呈现无活性状态，它必须经过适当的激活剂激活后才具活性。这种酶称为酶原。
(6)抑制剂对酶促反应速度的影响：能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。它可降低酶促反应速度。酶的抑制剂有重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物碱、染料、对氯汞苯甲酸、二异丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性剂等。
例3图2－3－3表示某种酶在不同处理条件(a、b、c)下催化某反应物的量和反应时间的关系，以下关于此图的解读，正确的是(　　)
a、b、c表示温度，则一定是a>b>c
B．a、b、c表示pH值，则c>b>a
C．a、b、c表示酶的浓度，则a>b>c
D．a、b、c表示温度，则不可能是c>b>a
例4下列有关酶及其实验设计的叙述中，正确的是(　　)
A．酶在代谢中起调控作用；探究酶催化作用的最适pH时，应设置过酸、过碱、中性三组
B．RNA聚合酶能催化遗传信息的翻译；验证酶的高效性时，自变量是催化剂的种类
C．一种限制性酶可切割出RNA片段；人体内的酶可从食物获得或体内转化而来
D．细胞质基质中有催化葡萄糖分解的酶；胰蛋白酶能使离体动物组织分散成单个细胞
考点三　不同种类的酶具体应用
1．酶的分布
酶既可以在细胞内发挥作用，比如线粒体内的呼吸氧化酶和叶绿体中的光合作用酶等；也可以分泌到细胞外起作用，如唾液淀粉酶、胃蛋白酶等各种消化酶。不仅如此，在体外适宜的条件下酶也具有催化作用，如可以把唾液淀粉酶加入到试管里，在适宜的条件下催化淀粉的水解反应。
2．酶的分类
3.酶的合成过程：(1)遵循中心法则，(2)蛋白质类酶的合成包括转录和翻译，原料是氨基酸；而RNA酶的合成过程只有转录，原料是核糖核苷酸。
4．酶的分泌过程：胞外酶合成之后要分泌到细胞外发挥催化作用，因此胞外酶的分泌过程也就是分泌蛋白的形成过程。它的合成、加工和分泌过程，有核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等的参与。
5．酶与激素的区别与联系
例5酶是一种生物催化剂，其化学本质已经不局限于蛋白质或RNA，科学家通过人工合成得到一种脱氧核酶，其化学本质是DNA，只不过到目前为止还没有发现生物体内含有该酶。下列相关叙述中正确的是(　　)
A．酶合成过程均需要核糖体、内质网、高尔基体和线粒体的参与
B．脱氧核酶彻底水解能产生1种酸性物质、1种糖类物质和4种含氮碱基
C．真核细胞的细胞质中没有作用于DNA的解旋酶
D．利用透析法纯化该蛋白酶时，应以蒸馏水作为透析液
考点四　ATP在能量代谢中的转化和利用
1．能量代谢过程和利用
2．ATP与ADP转化发生变化的场所及相关生理过程
转化场所 ATP→ADP ADP→ATP 　主要生理功能
细胞膜 是 否 　葡萄糖、氨基酸、无机盐离子等物质的主动运输
细胞质基质 是 是 　细胞呼吸产生ATP，许多生化反应的进行消耗ATP
叶绿体 是 是 　光反应产生ATP，暗反应消耗ATP
线粒体 是 是 　细胞有氧呼吸第二、三阶段产生ATP，自身DNA复制等消耗ATP
核糖体 是 否 　氨基酸合成蛋白质等消耗ATP
高尔基体 是 否 　植物细胞形成细胞壁，动物细胞形成分泌物等物质消耗ATP
内质网 是 否 　有机物的合成、运输等消耗ATP
细胞核 是 否 　DNA的复制、转录等消耗ATP
中心体 是 否 　形成纺缍体，牵引染色体移动等消耗ATP
特别提示：光反应产生的ATP只用于暗反应。病毒的增殖过程消耗的ATP来自宿主细胞。
例6下列关于叶肉细胞能量代谢的叙述中，正确的是(　　)
A．线粒体能为叶绿体提供CO2和ATP
B．叶绿体和线粒体都有ATP合成酶，都能合成ATP
C．无光条件下，线粒体和叶绿体都产生ATP
D．适宜光照下，叶绿体和线粒体合成的ATP都需要O2
教师备用习题
备选理由：考查的是细胞的吸水，与例1补充使用。
1．将人的红细胞放入4 ℃蒸馏水中，一段时间后红细胞破裂，主要原因是(　　)
A．红细胞膜具有水溶性 B．红细胞的液泡体积增大
C．蒸馏水大量进入红细胞 D．低温时红细胞膜流动性增大
备选理由：考查的是有关酶，与例3补充使用。
2．下列有关酶的叙述，正确的是(　　)
A．pH过高和过低均能使酶失去活性 B．酶在核糖体中合成
C．细胞质基质中没有催化丙酮酸分解的酶 D．细胞质中没有水解RNA的酶
备选理由：考查的是ATP，与例6补充使用。
3．下列有关细胞代谢的描述中，错误的是(　　)
A．在真核细胞的线粒体基质、叶绿体基质和细胞质基质中， 有ATP的分解，但不能合成ATP的部位只有叶绿体基质
B．在丙酮酸的彻底氧化分解、CO2的固定、蛋白质的合成等生化反应中，一定是在细胞器中完成的是蛋白质的合成
C．在mRNA、ATP合成酶和RNA聚合酶等物质中，不能通过核孔的是ATP合成酶
D．在细胞的吸能反应、放能反应和突触释放递质的过程中，能使的比值增大的是放能反应
参考答案
第二单元　生命系统的代谢基础
专题三 细胞代谢中的物质跨膜、酶和ATP
例1【解析】 D 本题考查物质跨膜运输的方式，属于考纲理解应用层次。人体红细胞吸收葡萄糖是协助扩散，而肾小管上皮细胞吸收葡萄糖是主动运输；叶肉细胞中的CO2进入叶绿体和排出细胞外的方式都是自由扩散；海带细胞通过主动运输吸收碘离子，所以其细胞液的浓度会比较高，而质壁分离要求细胞液的浓度低于细胞外液浓度，所以海带细胞在海水中不会发生质壁分离；原生质体置于等渗溶液中，水分子进出细胞的速率相等。
【点评】自由扩散是指一些脂溶性的物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。影响自由扩散的主要因素有二：①膜两侧的溶质分子浓度梯度。浓度梯度大，物质顺浓度梯度扩散就多；浓度梯度消失，扩散就停止。②膜对该物质的通透性。由于细胞膜的结构是脂质双分子层，所以膜对脂溶性高的物质如氧和二氧化碳通透性大，扩散容易；对脂溶性低和非脂溶性物通透性小，扩散就难。主动运输在不同组织的细胞膜上，各种载体的化学结构虽有差异，但其转运离子的特点基本相同，都是耗氧、耗能量的(能量由ATP提供)。这是主动运输与自由扩散的重要不同点。
例2【解析】 C 此题考查的是物质跨膜运输的相关知识，属于考纲分析判断层次。A项Na＋逆浓度梯度运入液泡，说明Na＋进入液泡的过程属于主动运输，主动运输的特点是：物质逆浓度梯度运输、需要载体蛋白协助、需要消耗能量，故A正确；B项物质跨膜运输体现了细胞膜的功能特点：细胞膜是选择透过性膜，故B正确；C项Na＋进入液泡造成液泡内渗透压升高，有利于增强细胞的吸水能力，故C错误；D项该载体蛋白能够减轻Na＋对细胞质中酶的伤害，有助于提高植物的耐盐性，故D正确。
【点评】 主动运输是指物质逆浓度梯度，在载体的协助下，在能量的作用下运进或运出细胞膜的过程。Na＋、K＋和Ca2＋等离子，都不能自由地通过磷脂双分子层，它们从低浓度一侧运输到高浓度一侧，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。主动运输的特点是： ①逆浓度梯度运输； ②需要能量(由ATP直接供能); ③都有载体蛋白，依赖于膜运输蛋白； ④具有选择性和特异性。
例3【解析】 C 此题考查的影响酶活性的因素，属于考纲理解层次。从图中可见，a的反应速度最快，b次之，c最慢，所以若a、b、c表示温度，则不一定是a>b>c，只能说明在这三个温度时，a比b和c的温度适合而已；同理若a、b、c表示pH，也不能说明三者大小的关系，只能说明，a比b和c的pH较适合；若a、b、c表示酶的浓度，则说明a>b>c。
【点评】 酶是一种活性蛋白质。因此，一般对蛋白质活性有影响的因素都影响酶的活性。酶与底物作用的活性，受温度、pH值、酶液浓度、底物浓度、酶的激活剂或抑制剂等许多因素的影响。
例4【解析】 D 此题考查的是有关酶及其实验设计，属于考纲实验设计层次。 酶在过酸、过碱环境中都会变性失活，因此探究酶催化作用的最适pH时，应设置的是酸性、碱性、中性三组，而不是过酸、过碱、中性三组，故A错误；RNA聚合酶能催化mRNA 的合成，即催化遗传信息的转录，故B错误；限制性酶切割的是DNA片段，而不是RNA片段，故C错误；无氧呼吸在细胞质基质中进行，因此细胞质基质中有催化葡萄糖分解的酶；胰蛋白酶可除去动物细胞间的胶原蛋白而使离体动物组织分散成单个细胞，故D正确。
【点评】 实验设计的原则有：科学性原则、单一变量原则、平行重复原则和对照原则。高考中的实验题一般都是以经典实验、教材知识或新技术为命题背景，具有较强的科学性，具备进行重复实验的条件，因此从做题的角度出发，在设计实验时，只要注意单一变量原则和对照原则就可以了。
例5【解析】 B 此题通过对题干信息的分析综合考查酶的相关知识，属于考纲理解层次。酶的本质有蛋白质、RNA、DNA等，只有分泌蛋白酶的合成和分泌过程需要核糖体、内质网、高尔基体和线粒体的参与，且原核细胞内的蛋白质类酶是没有内质网、高尔基体和线粒体参与的，因为原核细胞只有唯一的细胞器核糖体，故A错误；细胞质的线粒体和叶绿体中有DNA，也存在解旋酶，故C错误；用透析法纯化蛋白酶时，应用缓冲液做透析液以保持蛋白酶的活性，故D错误。
【点评】 酶是具有生物催化功能的生物大分子，即生物催化剂。绝大多数的酶都是蛋白质。人们已经发现两类生物催化剂：普通酶是有活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应的最主要的催化剂； 核酶是具有高效、特异催化作用的核酸，是近年来发现的一类新的生物催化剂，其作用主要是参与RNA的剪接。最初发现的核酶都是RNA分子，后来证实人工合成的具有类似结构的DNA分子也具有特异性降解RNA的作用。相对应于催化性RNA，具有切割RNA作用的DNA分子称为脱氧核酶或催化性DNA。由于DNA分子较RNA稳定，而且合成成本低，因此在未来的治疗药物发展中可能具有更广泛的前景。目前尚未发现天然存在的催化性DNA。酶的催化能力称为酶的活力。
例6【解析】 B 线粒体是细胞呼吸的场所，能产生CO2和ATP，能为叶绿体提供CO2 ，不提供ATP，A错；叶绿体能进行光合作用产生ATP，线粒体是细胞呼吸的场所能产生ATP，所以叶绿体和线粒体都有ATP合成酶，都能合成ATP，B对；无光条件下，叶绿体不能进行光反应，不产生ATP，能进行呼吸通过线粒体产生ATP，C错；适宜光照下，叶绿体能进行光反应产生ATP，不需要O2，线粒体在有氧呼吸第三阶段产生ATP时有O2参与，D错。
【点评】 在细胞的生命活动中，ATP中远离A的一个高能磷酸键易断裂，释放出一个磷酸和能量后成为腺苷二磷酸(ADP)。在有机物氧化分解或光合作用过程中，ADP可获取能量，与磷酸结合形成ATP。ATP和ADP这种相互转化，是时刻不停地发生且处于动态平衡之中的。ATP是生命活动能量的直接来源，但本身在体内含量并不高。ATP合成的主要能源为葡萄糖和脂肪酸。每分子葡萄糖先在细胞质基质中由酶催化产生2分子丙酮酸(C3H4O3)同时产生2分子ATP和4个还原性氢，产生的能量可以使2分子ADP与Pi结合生成ATP。最终在线粒体中通过三羧酸循环(或称柠檬酸循环)产生最多38分子ATP。其大致过程是：在线粒体基质中第一步产生的2分子丙酮酸与6分子水结合在酶的催化下产生6分子二氧化碳，20个还原性氢，产生能量可以使2分子ADP与Pi结合生成ATP。最终前两步产生的24个还原性氢与6分子氧气在线粒体内膜结合在酶的催化下产生12个水分子，放出大量能量，产生能量可以使34分子ADP与Pi结合生成ATP。有氧呼吸三个步骤可以使1分子葡萄糖分解产生38个ATP，三步中的酶是不同的酶。
教师备用习题
【解析】 C 由题意知，人的红细胞是活细胞，其外层的细胞膜具有亲水性，说它有水溶性不准确，故A错；人和哺乳动物成熟的红细胞只有细胞膜，没有液泡(液泡存在于植物细胞)细胞结构，不存在液泡体积增大，故B错；一般升高温度时红细胞膜流动性会增大，故D错；红细胞破裂是由于渗透作用，导致蒸馏水大量进入红细胞所致。
2．【解析】 A 酶为蛋白质或RNA，pH过高和过低均能使蛋白质或RNA失去活性；蛋白质类的酶在核糖体上合成，RNA类的酶不在核糖体上合成，如核糖体中部分RNA就有催化功能，是DNA控制合成的；细胞无氧呼吸的场所是细胞质基质，其中具有催化丙酮酸分解的酶；基因表达时转录出的RNA不断被水解，所以细胞质中有水解RNA的酶。
3．【解析】 D 真核细胞内合成ATP的场所有线粒体基质、叶绿体基粒、细胞质基质，而线粒体基质、叶绿体基质和细胞质基质中， 有ATP的分解；在丙酮酸的彻底氧化分解、CO2的固定、蛋白质的合成等生化反应中，都有酶的参与，因此在细胞器中完成的是蛋白质的合成；mRNA在细胞核中产生，通过核孔进入细胞质而RNA聚合酶则通过核孔进入细胞核内，ATP合成酶不需要通过细胞核的核孔；在细胞的吸能反应、放能反应和突触释放递质的过程中，能使的比值增大的是吸能反应、突触释放递质的过程。