【备考2024】高中生物一轮复习学案 第4讲 细胞的能量代谢（1）——酶与ATP（含解析）

中小学教育资源及组卷应用平台
第4讲 细胞的能量代谢（1）
一、酶
1．核酶是具有催化功能的小分子RNA，主要功能是催化磷酸二酯键和磷酸基团转移。如L19RNA具有转移核苷酸、水解反应和转磷酸功能，M1RNA具有断裂tRNA功能。
2．一种酶的最适温度往往受到酶的纯度、底物、激活剂、抑制剂以及酶促反应时间等因素的影响。
3．酶的专一性可分为绝对专一性和相对专一性两种。
4．影响酶活性的激活剂和抑制剂
（1）激活剂一般分为三类：第一类是无机离子，如Zn2+、Mg2+等；第二类是小分子有机物，如半胱氨酸等还原剂，可以将二硫键还原为巯基，对含巯基的酶有激活作用；第三类是某些蛋白酶，通过选择性水解肽键将无活性的酶原激活为有活性的酶。
（2）抑制剂包括不可逆抑制性和可逆抑制剂两类。可逆抑制剂可以与酶进行可逆的非共价结合，包括竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂三类。竞争性抑制剂与底物结构相似，与底物竞争结合酶活性中心，从而降低酶促反应速率；非竞争性抑制剂可以与酶活性中心以外的必需基团结合，改变酶的空间结构，降低酶与底物的结合效率，使酶促反应减慢；反竞争性抑制剂只与酶—底物复合物结合，形成的酶—底物—抑制剂复合物不能进一步发生反应，无法形成产物。
二、ATP
1．ATP结构示意图
2．AMP——腺嘌呤核糖核苷酸，是构成RNA基本单位之一。
3．ATP并不是细胞内唯一的高能化合物，高能化合物在生物体内有很多种，如存在于各种生物体细胞内的UTP、GTP、CTP及动物体内的磷酸肌酸。因此，ATP并不是唯一的生命活动的直接供能物质。在PCR反应体系中dNTP（脱氧核苷三磷酸）不仅能为反应提供能量，同时也作PCR反应体系中的原料。
4．ATP与DNA、RNA结构简式中不同部位的“A”
图示圆圈部分分别代表：①腺苷、②腺嘌呤、③腺嘌呤脱氧核苷酸、④腺嘌呤核糖核苷酸。
5．磷酸化和去磷酸化
在相应的位置上，加上磷酸基团称为磷酸化，将磷酸基团去除称为去磷酸化。腺苷二磷酸加上磷酸基团发生在叶绿体内，称光合磷酸化；腺苷二磷酸加上磷酸基团发生在线粒体内，称氧化磷酸化。这两种磷酸化过程中，都伴随着能量向ATP的转移。若蛋白质分子加上磷酸基团，称蛋白质分子的磷酸化已磷酸化的蛋白质分子去除磷酸基团，称蛋白质分子的去磷酸化。磷酸化和去磷酸化，一般指的是蛋白质分子的磷酸化和蛋白质分子的去磷酸化。
蛋白质分子的磷酸化过程，往往伴随着ATP水解，提供磷酸基团，在蛋白激酶的作用下完成。蛋白质分子的去磷酸化，在磷酸酶的作用下完成。
磷酸化与去磷酸化在生物学信号通路上扮演着重要的角色，其中磷酸化与去磷酸化可导致某个具体的蛋白质活性增加或者去除，使得整个信号通路发生改变。在各种内分泌激素的激活过程中，磷酸化与去磷酸化也有着非常重要的地位，在调节激素水平上扮演着重要的作用。
1．（2023·江苏南通·统考模拟预测）某同学为探究去除淀粉的马铃薯提取液中是否含有催化磷酸葡萄糖转化成淀粉的酶，进行了如下实验设计，相关叙述错误的是（ ）
试管 磷酸葡萄糖溶液/mL 蒸馏水/mL 去除淀粉的马铃薯提取液/mL 煮沸后的去除淀粉的马铃薯提取液/mL
1 1 1 — —
2 1 — 1 —
3 1 — — 1
A．实验前可用碘液检测马铃薯提取液中的淀粉是否完全去除，以保证实验结果的准确
B．若用碘液检测，只有试管2出现蓝色，则说明提取液中含有催化磷酸葡萄糖转化成淀粉的酶
C．若用斐林试剂检测，３支试管均出现砖红色沉淀，则说明提取液中无催化磷酸葡萄糖转化成淀粉的酶
D．试管3为对照组，高温使酶失活，可进一步说明马铃薯提取液中是否含有催化磷酸葡萄糖转化成淀粉的酶
【答案】C
【详解】A、本实验的材料是去除淀粉的马铃薯提取液，则可用碘液检测马铃薯提取液中的淀粉是否完全去除，以保证实验结果的准确，A正确；B、由于马铃薯提取液中的淀粉已经被去掉，若用碘液检测，只有试管2出现蓝色说明产生了淀粉，则说明提取液中含有催化磷酸葡萄糖转化成淀粉的酶，B正确；C、若用斐林试剂检测，3支试管均出现砖红色沉淀，则说明提取液中含有还原糖，不能证明没有催化磷酸葡萄糖转化成淀粉的酶，C错误；D、煮沸后的去除淀粉的马铃薯提取液，则高温使酶失活，作为对照组，可进一步说明马铃薯提取液中是否含有催化磷酸葡萄糖转化成淀粉的酶，D正确。
2．（2023·江苏·校联考模拟预测）在洗涤剂中碱性纤维素酶可大大提高对衣物的洗涤效果。研究人员从某芽孢杆菌菌株中分离纯化出一种碱性纤维素酶，探究其催化作用的最适pH和温度，结果如图。相关叙述错误的是（ ）
A．该纤维素酶的催化机理是降低反应所需的活化能
B．该纤维素酶催化反应的最适温度可能在50℃左右
C．在不同温度条件下，该纤维素酶的最适pH有差异
D．相同pH时，不同温度下的纤维素酶的活性不同
【答案】D
【详解】A、酶的作用机理是能够降低化学反应的活化能，故碱性纤维素酶的催化机理是降低反应所需的活化能，A正确；B、当温度为50℃左右时，碱性纤维素酶的活性最高，因此，该纤维素酶催化反应的最适温度可能在50℃左右，B正确；C、由图可知，在不同温度下，该酶的最适pH有差异，如温度在30℃时，最适pH为8左右，温度在50℃时，最适pH为7左右，C正确；D、相同pH时，不同温度下的纤维素酶的活性可能相同，如当pH为8时，40℃和70℃纤维素酶的活性相同，D错误。
3．（2023·江苏·一模）酶分子具有相应底物的活性中心，用于结合并催化底物反应。在37℃、适宜pH等条件下，用NaCl和CuSO4溶液，研究Cu2+、Cl-对唾液淀粉酶催化淀粉水解速率的影响，得到实验结果如图所示，已知Na+和SO42-几乎不影响该反应。下列相关分析正确的是（ ）
A．实验中自变量是无机盐溶液的种类
B．Q点条件下淀粉完全水解所需的时间较P点的长
C．实验说明Cu2+能与淀粉竞争酶分子上的活性中心
D．若将温度提高至60℃，则三条曲线的最高点均上移
【答案】B
【详解】A、根据图示分析可知，无机盐溶液的种类和淀粉溶液浓度是自变量，A错误；B、根据图示分析可知，Q点和P点的淀粉水解速率相同，但Q点对应的淀粉溶液浓度更大，所以Q点条件下淀粉完全水解所需的时间比P点长，B正确；C、根据图示分析可知，淀粉水解速率保持相对稳定时，也就是唾液淀粉酶全部充分参与催化反应时，甲组＞乙组＞丙组，说明Cu2+没有使唾液淀粉酶失活，但降低了酶的活性，说明其是酶的抑制剂，但不能说明Cu2+能与淀粉竞争酶分子上的活性中心，也有可能是改变了酶的空间结构导致其活性降低，C错误；D、由题意可知，该实验是在37℃条件下完成的，唾液淀粉酶的最适温度也是37℃左右，因此若将温度提高至60°C，酶活性降低，则三条曲线的最高点均下移，D错误。
4．（2023·江苏南京·南京师大附中校考一模）下列关于人体内酶和糖原的叙述正确的是（ ）
A．都是由氨基酸通过肽键连接而成的
B．都是以碳链为骨架的生物大分子
C．都是由多种单体连接成的具有不同空间结构的多聚体
D．都是人体细胞内的主要能源物质
【答案】B
【详解】A、绝大多数数酶的化学本质是蛋白质，少数是 RNA，糖原属于多糖，蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成的，A错误；B、绝大多数数酶的化学本质是蛋白质，少数是 RNA，糖原属于多糖，蛋白质、RNA、多糖都是以碳链为骨架的生物大分子，B正确；C、糖原的单体只有一种，是葡萄糖，C错误；D、人体细胞内的主要能源物质是糖类，D错误。
5．（2023·江苏扬州·扬州中学校联考模拟预测）下列关于酶和ATP的叙述，错误的是（ ）
A．酶的化学本质可能是核酸
B．细胞中的许多吸能反应与ATP的合成相联系
C．ATP中末端的磷酸基团有一种离开ATP的趋势，具有较高的转移势能
D．唾液淀粉酶空间结构的变化可能与其发挥催化作用有关
【答案】B
【详解】A、酶是由活细胞产生的具有催化活性的有机物，其中大部分是蛋白质、少量是RNA，因此酶的化学本质可能是核酸，A正确；B、细胞中的许多吸能反应吸收的能量主要是ATP水解释放的能量，因此与ATP的水解相联系，放能反应与ATP合成相联系，B错误；C、ATP中含有3个磷酸基团，由于两个相邻的磷酸基团都带负电荷而相互排斥等原因，使得这种化学键不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，即具有较高的转移势能，C正确；D、根据酶与底物有“诱导契合”学说可知，当酶与底物靠近时会发生有利于与底物结合的改变，底物诱导酶空间结构发生弯曲变形，以适合底物的形状，因此唾液淀粉酶空间结构的变化可能与其发挥催化作用有关，D正确。
6．（2023·江苏·一模）M蛋白参与蛋白质的囊泡运输，它们有两种状态，结合GTP的活跃状态和结合GDP的不活跃状态。GTP和ATP的结构和性质相似，仅碱基不同。下列叙述正确的是（ ）
A．GTP需丢失1个Pi后可参与RNA的合成
B．M蛋白由活跃状态转化为不活跃状态需要消耗能量
C．运输蛋白质的囊泡可能来自核糖体、内质网或高尔基体
D．M蛋白空间结构发生变化后可能导致细胞内运输分泌蛋白的囊泡不能形成
【答案】D
【详解】A、GTP和ATP的结构和性质相似，仅碱基不同，故其结构式是：G-P～P～P，GTP需丢失2个Pi后可参与RNA的合成，A错误；B、M蛋白有两种状态，结合GTP的活跃状态和结合GDP的不活跃状态，M蛋白由不活跃状态转化为活跃状态需要消耗能量，但由活跃状态转化为不活跃状态不需要消耗能量，B错误；C、核糖体没有膜结构，运输蛋白质的囊泡不能来自核糖体，C错误；D、结构决定功能，M蛋白空间结构发生变化后，其功能也发生改变，可能导致细胞内运输分泌蛋白的囊泡不能形成，D正确。
7．（2023·江苏·姜堰中学校联考三模）蛋白质分子的磷酸化和去磷酸化与其活性的关系如下图所示。下列叙述正确的是（　　）
A．伴随蛋白质磷酸化形成的ADP可进一步水解作为构建DNA分子的单体
B．蛋白质被磷酸化激活的过程中，周围环境中会有ADP和磷酸分子的积累
C．蛋白质去磷酸化后与双缩脲试剂不再发生颜色变化
D．Ca2+逆浓度梯度进入细胞需要蛋白激酶作用，使载体蛋白的空间结构发生变化
【答案】D
【详解】A、伴随蛋白质磷酸化形成的ADP可进一步水解形成腺嘌呤核糖核苷酸，是构建RNA分子的单体，A错误；B、蛋白质被磷酸化激活的过程中，ATP水解产生的磷酸分子转移到蛋白质上，变成有活性的蛋白质，不会有积累，B错误；C、蛋白质去磷酸化后空间结构发生改变，但肽键并没有断裂，与双缩脲试剂仍然能发生颜色变化，C错误；D、Ca2+逆浓度梯度进入细胞需要能量和载体蛋白，因此需要蛋白激酶作用使ATP水解供能，同时无活性载体蛋白质变成有活性载体蛋白质，空间结构发生变化，D正确。
8．（2023·江苏·模拟预测）酶A、酶B与酶C是科学家分别从菠菜叶、酵母菌与大肠杆菌中纯化出的ATP水解酶。研究人员分别测量其对不同浓度的ATP的水解反应速率，实验结果如下图。下列说法正确的是（ ）
A．在同一ATP浓度下，酶A催化产生的最终ADP和Pi量最多
B．ATP浓度相同时，酶促反应速率大小为：酶A>酶B>酶C
C．各曲线达到最大反应速率一半时，酶C所需要的ATP浓度最低
D．当反应速率相对值达到400时，酶A所需要的ATP浓度最低
【答案】BD
【详解】A、据图可知，在相同ATP浓度下，酶A催化产生的反应速率相对值最高，但ADP和Pi的生成量与底物ATP的量有关，在相同ATP浓度下，三种酶产生的最终ADP和Pi量相同，A错误；B、据图可知，ATP浓度相同时，酶促反应速率大小为：酶A＞酶B＞酶C，B正确；C、据图可知，酶A、酶B和酶C的最大反应速率分别是1200、 800和400，各曲线达到最大反应速率一半时，三种酶需要的ATP浓度分别是10、 10和10，三者相同，C错误；D、当反应速率相对值达到400时，酶A、酶B和酶C的所需要的ATP浓度依次增加，即酶A所需要的ATP浓度最低，D正确。
1．(2022·浙江6月卷)下列关于研究淀粉酶的催化作用及特性实验的叙述，正确的是 (　　)
A．低温主要通过改变淀粉酶的氨基酸组成，导致酶变性失活
B．稀释100万倍的淀粉酶仍有催化能力，是因为酶的作用具高效性
C．淀粉酶在一定pH范围内起作用，酶活性随pH升高而不断升高
D．若在淀粉和淀粉酶混合液中加入蛋白酶，会加快淀粉的水解速率
【答案】B
【解析】低温可以抑制酶的活性，不会改变淀粉酶的氨基酸组成，也不会导致酶变性失活，A错误；酶活性的发挥需要适宜条件，在一定pH范围内，随着pH升高，酶活性升高，超过最适pH后，随pH增加，酶活性降低甚至失活，C错误；淀粉酶的本质是蛋白质，若在淀粉和淀粉酶混合液中加入蛋白酶，会将淀粉酶水解，则淀粉的水解速率会变慢，D错误。
2．(2022·全国乙卷)某种酶P由RNA和蛋白质组成，可催化底物转化为相应的产物。为探究该酶不同组分催化反应所需的条件。某同学进行了下列5组实验(表中“＋”表示有，“－”表示无)。
实验组 ① ② ③ ④ ⑤
底物 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
RNA组分 ＋ ＋ － ＋ －
蛋白质组分 ＋ － ＋ － ＋
低浓度Mg2+ ＋ ＋ ＋ － －
高浓度Mg2+ － － － ＋ ＋
产物 ＋ － － ＋ －
根据实验结果可以得出的结论是 (　　)
A．酶P必须在高浓度Mg2+条件下才具有催化活性
B．蛋白质组分的催化活性随Mg2+浓度升高而升高
C．在高浓度Mg2+条件下RNA组分具有催化活性
D．在高浓度Mg2+条件下蛋白质组分具有催化活性
【答案】C
【分析】由表格数据可知，该实验的自变量是酶的组分、Mg2+的浓度，因变量是有没有产物生成，底物为无关变量。第①组为正常组，作为空白对照，其余组均为实验组。第①组中，酶P在低浓度Mg2+条件，有产物生成，说明酶P在该条件下具有催化活性，A错误；第③组和第⑤组对照，无关变量是底物和蛋白质组分，自变量是Mg2+浓度，无论是高浓度Mg2+条件下还是低浓度Mg2+条件下，两组均没有产物生成，说明蛋白质组分无催化活性，B、D错误；第②组和第④组对照，无关变量是底物和RNA组分，自变量是Mg2+浓度，第④组在高浓度Mg2+条件下有产物生成，第②组在低浓度Mg2+条件下，没有产物生成，说明在高浓度Mg2+条件下RNA组分具有催化活性，C正确。
3．(2022·广东卷)某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展初步研究，结果见下表。
组别 pH CaCl2 温度/℃ 降解率/%
① 9 ＋ 90 38
② 9 ＋ 70 88
③ 9 － 70 0
④ 7 ＋ 70 58
⑤ 5 ＋ 40 30
注：＋/－分别表示有/无添加，反应物为Ⅰ型胶原蛋白。卷)某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展初步研究，结果见下表。
下列分析错误的是 (　　)
A．该酶的催化活性依赖于CaCl2
B．结合①②组的相关变量分析，自变量为温度
C．该酶催化反应的最适温度为70 ℃，最适pH为9
D．尚需补充实验才能确定该酶是否能水解其他反应物
【答案】C
【解析】分析表格信息可知，降解率越高说明酶活性越高，故②组酶的活性最高，此时pH为9，需要添 加CaCl2，温度为70 ℃。分析②③组可知，没有添加CaCl2，降解率为0，说明该酶的催化活性依赖于CaCl2，A正确；分析①②组可知，pH均为9，都添加了 CaCl2，温度分别为90 ℃、70 ℃，故自变量为温度，B正确；②组酶的活性最高，此时pH为9，温度为70 ℃，但由于分组较少，不能说明最适温度为70 ℃，最适pH 为9，C错误；该实验的反应物为I型胶原蛋白，要确定该酶能否水解其他反应物还需补充实验，D正确。
4．(2022·浙江1月卷)下列关于腺苷三磷酸分子的叙述，正确的是 (　　)
A．由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成
B．分子中与磷酸基团相连接的化学键称为高能磷酸键(一种特殊的化学键)
C．在水解酶的作用下不断地合成和水解
D．是细胞中吸能反应和放能反应的纽带
【答案】
【解析】1分子ATP由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸基团组成，A错误；ATP分子的结构式可以简写成A—P～P～P，腺苷与磷酸基团通过普通磷酸键相连，磷酸基团与磷酸基团相连接的化学键是一种特殊的化学键(磷酐键)，B错误；ATP在水解酶的作用下水解，在合成酶的作用下ADP和磷酸吸收能量合成ATP，C错误；吸能反应一般与ATP的分解相联系，放能反应一般与ATP的合成相联系，故吸能反应和放能反应之间的纽带就是ATP，D正确。
2