专题07 酶和ATP（串讲）-备战2024年高考生物一轮复习串讲精练（新高考专用）（解析版）

专题07 酶和ATP

考点一　酶的本质、作用及特性

1．酶的作用和本质

（1）酶的本质是绝大多数是蛋白质，少数是RNA；合成酶的原料是氨基酸或核糖核苷酸；合成酶的场所是核糖体或细胞核。

（2）酶的作用：具有催化作用。

（3）作用场所及条件：在细胞内、外及离开生物体都可以发挥作用，但需要相对温和的条件。

（4）来源：一般活细胞都能产生。

（5）催化机理：降低反应活化能，提高反应速率，但不改变反应的方向和平衡点。

2．酶的特性

(1)高效性：酶的催化效率大约是无机催化剂的107～1013倍。

(2)专一性：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。

酶专一性的理论模型

图中A表示酶，B表示被A催化的底物，E、F表示B被分解后产生的物质，C、D表示不能被A催化的物质。酶和被催化的反应物分子都有特定的、相契合的结构。

(3)作用条件较温和：在最适温度和pH条件下，酶的活性最高；高温、过酸、过碱等条件会使酶的空间结构遭到破坏而永久失活；低温条件下酶的活性很低，但空间结构稳定。

3.酶的作用原理

①表示无酶催化时反应进行所需要的活化能是AC段。

②表示有酶催化时反应进行所需要的活化能是BC段。

③表示酶降低的活化能是AB段。

1、比较过氧化氢在不同条件下的分解

（1）实验过程

（2）变量分析

2、底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响曲线分析

(1)甲图：在其他条件适宜、酶量一定的情况下，酶促反应速率先随底物浓度增加而加快，当底物达到一定浓度后，受酶数量的限制，酶促反应速率不再增加。

(2)乙图：在底物足量、其他条件适宜的情况下，酶促反应速率与酶浓度成正比。

(3)丙图：其他条件适宜的情况下，酶量增加，酶促反应的底物饱和时对应的曲线上的a点应向右上移(对应b点位置)。

1、酶本质的探索历程

2、归纳概括具有“专一性（特异性）”的五类物质

（1）酶：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。如限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。

（2）转运蛋白：某些物质通过细胞膜时需要转运蛋白协助，不同物质所需转运蛋白不同，转运蛋白的专一性是细胞膜选择透过性的基础。

（3）激素：激素特异性地作用于靶细胞、靶器官，其原因在于它的靶细胞膜或胞内存在与该激素特异性结合的受体。

（4）tRNA：tRNA有61种，每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。

（5）抗体：抗体只能与相应的抗原发生特异性结合。

3.高中教材常见的酶

（1）DNA聚合酶：催化单个脱氧核苷酸聚合到DNA片段上形成脱氧核苷酸链，作用部位是磷酸二酯键。

（2）RNA聚合酶：催化单个核糖核苷酸聚合到RNA片段上形成核糖核苷酸链，作用部位是磷酸二酯键。

（3）解旋酶：用于DNA复制时双链间氢键打开。

（5）各种消化酶：可对应催化相关大分子的水解，如淀粉酶催化淀粉水解，蛋白酶催化蛋白质水解等。

4.酶在生活中的实例

(1)人发烧时不想吃东西，原因是体温升高导致消化酶活性降低，食物在消化道中消化缓慢。

(2)唾液淀粉酶随食物进入胃内就会失活，原因是唾液淀粉酶的最适pH为6.8左右，而胃液的pH为0.9～1.5。

(3)胰岛素等蛋白质类或多肽类激素只能注射，不能口服，原因是口服会导致该类激素被蛋白酶和肽酶分解成氨基酸而失效。固醇类激素(如性激素)和氨基酸衍生物类激素(如甲状腺激素)不会被消化酶分解，既可以注射，也可以口服。

典例1.科学家使用巯基乙醇和尿素处理牛胰核糖核酸酶(牛细胞中的一种蛋白质)，可以将该酶去折叠转变成无任何活性的无规则卷曲结构。若通过透析的方法除去尿素和巯基乙醇，再将没有活性的酶转移到生理缓冲溶液中，经过一段时间以后，发现胰核糖核酸酶活性得以恢复。下列叙述不正确的是(　　)

A．胰核糖核酸酶空间结构的形成与肽链的盘曲、折叠方式等有关

B．这个实验说明环境因素能通过影响蛋白质的空间结构而影响其功能

C．用强酸、强碱等处理胰核糖核酸酶也能导致其蛋白质结构的改变

D．巯基乙醇和尿素处理破坏了胰核糖核酸酶中的肽键导致其变性

【答案】D

【解析】根据题意可知，巯基乙醇和尿素处理破坏了胰核糖核酸酶的空间结构导致其变性，D错误。

典例2.在最适条件下，某一不可逆化学反应进行到t1时，加入催化该反应的酶(成分为蛋白质)。该反应在加酶前后反应物浓度随时间的变化如图所示。下列有关分析错误的是(　　)

A．当反应时间达到t2时，酶完全失去活性

B．适当升高反应体系的温度，t2将会右移

C．t1后反应物浓度降低的速率可表示酶促化学反应的速率

D．受反应物浓度的限制，tl～t2酶促反应速率逐渐减慢

【答案】A

【解析】由于是最适条件，当反应时间达到t2时，酶没有失去活性，而是反应物已消耗完，A错误。

考点二　ATP的结构与功能

1．ATP的结构

（1）ATP的元素组成：C、H、O、N、P。

（2）ATP的化学组成：一分子腺嘌呤，一分子核糖和三分子磷酸基团。上图①代表腺苷，②代表AMP，即腺嘌呤核糖核苷酸，③代表ADP，④代表ATP，⑤代表高能磷酸键。

（3）ATP的结构特点：ATP是一种高能磷酸化合物，含有两个高能磷酸键，ATP的化学性质不稳定，末端磷酸基团有一种离开ATP而与其他分子结合的趋势，也就是有较高的转移势能。

（4）ATP的含量特点：在细胞中含量少，ATP和ADP的相互转化快。

1、ATP与ADP的相互转化不可逆，从物质方面看虽然是可逆的，从酶、进行的场所、能量方面看是不可逆的。

2、ATP转化为ADP消耗水，该反应属于水解反应。

典例1.下列有关细胞内ATP的叙述中，正确的是(　　)

A．在寒冷的环境中，人体细胞产生ATP的速率会下降

B．ATP中的“A”在DNA分子中通过氢键与“T”相连

C．细胞中ATP中的能量可来自光能和化学能，也可转化为光能和化学能

D．每个ATP分子中只含有一个高能磷酸键

【答案】C

【解析】在寒冷环境中，由于激素的调节作用，人体有机物氧化分解速率加快，以维持体温的相对稳定，细胞产生ATP的速率不会下降，A错误；ATP中的“A”是指腺嘌呤与核糖结合而成的腺苷，DNA分子中通过氢键与“T”相连的是腺嘌呤，二者不同，B错误；每个ATP分子中含有两个高能磷酸键，D错误。

典例2.ATP合酶是合成ATP所需的催化剂，分子结构由凸出于膜外的亲水性头部和嵌入膜内的疏水性尾部组成。当H＋顺浓度梯度穿过ATP合酶，使ADP与Pi形成ATP。下列关于ATP合酶的分析，错误的是(　　)

A．可推测原核生物的细胞内没有ATP合酶

B．线粒体内膜、叶绿体类囊体薄膜上有ATP合酶

C．ATP合酶既具有催化作用，也具有运输作用

D．ATP合酶催化ADP和Pi形成ATP需要温和的条件

【答案】A

【解析】原核生物的细胞需要ATP，含有ATP合酶，A错误；线粒体内膜上进行有氧呼吸的第三阶段合成ATP、叶绿体类囊体薄膜上进行光合作用的光反应阶段合成ATP，都有ATP合酶，B正确；根据题干“当H＋顺浓度梯度穿过ATP合酶，使ADP与Pi形成ATP”分析，ATP合酶既具有催化作用，也具有运输作用，C正确；酶的催化需要温和的条件，D正确。

典例3.研究证实ATP既是能量“通货”，也可作为神经细胞间信息传递中的一种信号分子，其作为信号分子的作用机理如图所示。请分析回答下列问题：

(1)ATP的结构简式是______________，神经细胞中的ATP主要来自________(细胞结构)。研究发现，正常成年人安静状态下24 h有40 kg ATP发生转化，而细胞内ADP、ATP的浓度仅为2～10 mmol/L，为满足能量需要，人体解决这一矛盾的合理途径是_____________________

_______________________________________________________________________________。

(2)由图可知，ATP在传递信号过程中，在细胞间隙中的有关酶的作用下，磷酸基团逐个脱离下来，最后剩下的是____________。

(3)一些神经细胞不仅能释放典型神经递质，还能释放ATP，二者均能引起受体细胞的膜电位变化。据图分析，如果要研究ATP是否能在神经元之间起传递信号的作用，则图中的________________属于无关变量，应予以排除。

【答案】(1)A—P～P～P　线粒体　ATP与ADP迅速相互转化　(2)腺苷　(3)典型神经递质

【解析】解析　(1)ATP的结构简式是A—P～P～P。动物细胞中，线粒体是有氧呼吸的主要场所，所以神经细胞中的ATP主要来自线粒体。ATP是直接能源物质，在体内含量很少，可通过ATP与ADP迅速相互转化而形成。(2)ATP脱去1个磷酸基团为ADP，脱去两个磷酸基团为AMP，如果磷酸基团完全脱落，剩下的则是腺苷，由腺嘌呤和核糖组成。(3)若要研究ATP是否能在神经元之间起传递信号的作用，可以设法把ATP与典型神经递质分开，单独去研究其作用，即用化学物质阻断典型神经递质，所以典型神经递质是实验的无关变量。

1．酶的相关实验材料选择时的注意事项

(1)在探究温度对酶活性的影响实验中，不能选择过氧化氢(H2O2)和过氧化氢酶作为实验材料，因为过氧化氢(H2O2)在常温下就能分解，加热的条件下分解会加快，从而影响实验结果。

(2)在探究pH对酶活性的影响实验中，不宜选用淀粉和淀粉酶作为实验材料，因为在酸性条件下淀粉分解也会加快，从而影响实验结果。

2．酶的特性相关实验步骤和结果检测的注意事项

(1)在探究温度对酶活性的影响实验中，底物和酶溶液应先分别在预设的温度中保温一段时间后再混合，保证反应从一开始就是预设的温度。

(2)在探究pH对酶活性的影响实验中，宜先保证酶的最适温度(排除温度干扰)，且将酶溶液的pH调至实验要求的pH后再让反应物与酶接触，不宜在未达到预设pH前，让反应物与酶接触。

(3)若选择淀粉和淀粉酶来探究温度对酶活性的影响，检测底物被分解的试剂宜选用碘液，不能选用斐林试剂，因为用斐林试剂鉴定时需要水浴加热，而该实验中需严格控制温度。

1.(2020·海南，8)下列关于胰蛋白酶和胰岛素的叙述，正确的是(　　)

A．都可通过体液运输到全身

B．都在细胞内发挥作用

C．发挥作用后都立即被灭活

D．都能在常温下与双缩脲试剂发生作用，产生紫色反应

【答案】D

【解析】　胰腺分泌的胰液中含有胰蛋白酶，通过导管运输至消化道内发挥作用，而胰岛素由胰岛B细胞分泌，可通过血液运输至全身，A错误；胰蛋白酶在消化道内发挥作用，而胰岛素通过与靶细胞膜上的受体结合，进而调节靶细胞的代谢活动，二者均不在细胞内发挥作用，B错误；胰蛋白酶在催化反应前后性质不改变，胰岛素发挥作用后会被灭活，C错误；胰蛋白酶和胰岛素的化学本质都是蛋白质，都能在常温下与双缩脲试剂发生紫色反应，D正确。

2.(2020·北京，4)用新鲜制备的含过氧化氢酶的马铃薯悬液进行分解H2O2的实验，两组实验结果如图。第1组曲线是在pH＝7.0、20 ℃条件下，向5 mL 1%的H2O2溶液中加入0.5 mL酶悬液的结果。与第1组相比，第2组实验只做了一个改变。第2组实验提高了(　　)

A．悬液中酶的浓度   B．H2O2溶液的浓度

C．反应体系的温度   D．反应体系的pH

【答案】B

【解析】提高酶的浓度能够提高反应速率，不能提高氧气的量，A错误；提高H2O2溶液的浓度，就是提高底物浓度，产物的量增加，B正确；适度的提高温度可以加快反应速率，不能提高产物的量，C错误；改变反应体系的pH，可以改变反应速率，不能提高产物的量，D错误。

3.(2022·山东潍坊高三月考)ATP是细胞的能量“货币”，是生命活动的直接能源物质，如图为ATP的结构和ATP与ADP相互转化的关系式。下列说法错误的是(　　)

A．酶催化作用的高效性保证了ATP和ADP快速转化

B．图2中反应向右进行时，释放能量，图1中的c键断裂

C．图1中的“A”代表腺苷，方框中的部分是构成DNA的基本单位之一

D．细胞中图2反应处于“动态平衡”，剧烈运动时ATP分解量增加，此时其合成量也增加

【答案】C

【解析】图1中的“A”代表腺嘌呤，如果b、c特殊的化学键都断裂则形成腺嘌呤核糖核苷酸，是构成RNA的基本单位之一，C错误。

4.(2022·江苏省阜宁中学高三月考)ATP可将蛋白质磷酸化，磷酸化的蛋白质会改变形状做功，从而推动细胞内系列反应的进行(机理如下图所示)。下列叙述错误的是(　　)

A．磷酸化的蛋白质做功，失去的能量主要用于再生ATP

B．ATP推动蛋白质做功的过程，存在放能反应与吸能反应过程

C．ATP水解过程中，末端磷酸基团具有较高的转移势能

D．主动运输过程中，载体蛋白中的能量先增加后减少

【答案】A

【解析】ATP可将蛋白质磷酸化，磷酸化的蛋白质会改变形状，失去的能量并不能用于再生成ATP，失去的能量主要用于恢复蛋白质形状，A错误。

5.(2022·重庆高三月考)GTP(三磷酸鸟苷)与ATP结构相似，结构简式为G—P～P～P，可与Ras蛋白结合为Ras蛋白—GTP。在一定条件下，Ras蛋白具有弱的GTP酶活性，可将与之结合的GTP水解成GDP，成为失活型的Ras蛋白—GDP。下图表示当细胞外存在信号分子时，细胞膜上的Ras蛋白释放出自身的GDP并结合GTP，实现由失活态向活化态的转变，将胞外信号向胞内传递的过程。下列相关说法不正确的是(　　)

A．G—P～P～P中的G表示鸟苷

B．Ras蛋白结合GDP时为失活态，结合GTP时为活化态

C．细胞膜上的Ras蛋白与细胞内外的信号传递有关

D．Ras蛋白可将与之结合的GTP水解成GDP，说明酶在反应前后化学结构可以发生变化

【答案】D

【解析】在信号分子的作用下，细胞内无活性的Ras蛋白与GDP结合体释放出GDP，然后无活性的Ras蛋白与GTP结合，使得其变成有活性的Ras蛋白，进而向前传递信号，故细胞膜上的Ras蛋白与细胞内外的信号传递有关，C正确。

6.(2020·山东，1)经内质网加工的蛋白质进入高尔基体后，S酶会在其中的某些蛋白质上形成M6P标志。具有该标志的蛋白质能被高尔基体膜上的M6P受体识别，经高尔基体膜包裹形成囊泡，在囊泡逐渐转化为溶酶体的过程中，带有M6P标志的蛋白质转化为溶酶体酶；不能发生此识别过程的蛋白质经囊泡运往细胞膜。下列说法错误的是(　　)

A．M6P标志的形成过程体现了S酶的专一性

B．附着在内质网上的核糖体参与溶酶体酶的合成

C．S酶功能丧失的细胞中，衰老和损伤的细胞器会在细胞内积累

D．M6P受体基因缺陷的细胞中，带有M6P标志的蛋白质会聚集在高尔基体内

【答案】D

【解析】S酶仅在某些蛋白质上形成M6P标志，体现了S酶的专一性，A项正确；据题干可知，溶酶体酶是经内质网加工后再进入高尔基体转化而来的，由此推测附着在内质网上的核糖体参与溶酶体酶的合成，B项正确；S酶功能丧失，影响溶酶体酶的合成，从而影响衰老和损伤的细胞器的分解，衰老和损伤的细胞器会在细胞内积累，C项正确；若M6P受体基因缺陷，则不能发生识别过程，带有M6P标志的蛋白质会经囊泡运往细胞膜，D项错误。

7.（2019·绍兴模拟）如图是在适宜温度下pH对某种过氧化氢酶活性影响的曲线，下列叙述错误的是（　　）

A．该酶的最适pH范围比较宽

B．过酸或过碱条件下该酶都可能失去活性

C．该酶的活性可达到100%，可以说明酶具有高效性

D．若升高温度，该酶的最高活性会降低

【答案】C

【解析】分析曲线图可以看出，该酶最适pH为6～11，范围比较宽；过酸或过碱会改变酶的空间结构，导致酶活性丧失；酶的高效性表现在酶与无机催化剂相比，酶降低活化能的效果更显著；图示是在适宜温度下相对酶活性的曲线，因此升高温度会导致酶活性降低。

8.（2018·杭州一模）ATP的结构示意图如下，①③表示组成ATP的物质或基团，②④表示化学键。下列有关叙述正确的是（　　）

A．物质①表示鸟嘌呤

B．化学键②断裂的化学反应属于吸能反应

C．在ATP­ADP循环中③可重复利用

D．若化学键④断裂，则左边的化合物是ADP

【答案】C

【解析】图中①表示腺嘌呤；②表示高能磷酸键，化学键②断裂的化学反应属于放能反应；③表示磷酸基团，在ATP­ADP循环中③可重复利用；若化学键④断裂，则左边的化合物是AMP，即腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本组成单位之一。

9.（2019·齐齐哈尔三模）如图是某种淀粉酶催化淀粉水解的反应速率与温度的关系曲线，回答下列问题：

（1）图中b、c两点中通过改变温度条件可明显提高反应速率的是________，原因是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

（2）某同学为验证温度对该酶活性的影响，设计了如下实验：

①该实验的自变量是________。若反应时间相对充分，请写出表格中X表示的内容：________。操作步骤4______（填“可以”或“不可以”）用斐林试剂代替碘液，原因是______________________________________________________________________________。

②能不能利用过氧化氢酶催化H2O2分解来验证温度对酶活性的影响原因？________。原因是______________________________________________。

③若需判断某生物大分子物质在不同温度条件下，相同酶催化是否水解，从实验的科学角度分析，最好检测：________。

【答案】（1）c　低温抑制酶活性，低温对酶活性的影响是可逆的，而高温使酶失活，高温对酶活性的影响是不可逆的

（2）①温度　不变蓝　不可以　用斐林试剂检测生成物时，需水浴加热到50～65 ℃，改变了实验的自变量，对实验结果有干扰　②不能　温度对H2O2分解的速度有影响，会对实验结果造成干扰　③生成物

【解析】（1）分析曲线，c点属于低温，b点是高温，所以通过改变温度条件可明显提高反应速率的为c点，原因是低温虽然抑制酶活性，但低温对酶活性的影响是可逆的，而高温使酶失活，对酶活性的影响是不可逆的。（2）①分析表格可看出，温度是自变量，变色情况是因变量；X是37 ℃时的变色情况，在此温度淀粉酶活性强，将淀粉水解，加碘液不变蓝；不能用斐林试剂代替碘液，因为用斐林试剂检测生成物时，需水浴加热到50～65 ℃，对实验有影响。②也不能用过氧化氢酶催化H2O2分解来验证温度对酶活性的影响，原因是温度对H2O2分解的速度有影响，同样会对实验结果造成干扰。③判断某生物大分子物质在不同温度条件下，相同酶催化是否水解，最好检测生成物情况，若检验反应物有可能反应物在较长时间都存在，不易判断。

10.（2019·青岛检测）小麦种子中含有α、β两种淀粉酶，某学习小组对这两种淀粉酶活性进行探究实验，步骤如下：

①将等量的α­淀粉酶（70 ℃活性不受影响，100 ℃高温下失活）与β­淀粉酶（70 ℃处理15 min即失活）加适量蒸馏水混合，分为甲、乙、丙三组；

②甲组25 ℃下处理，乙组70 ℃水浴处理15 min后取出，丙组100 ℃下处理15 min后取出；

③甲、乙、丙三组分别在25 ℃条件下加入等量且足量的淀粉溶液；

④一段时间后，测得甲、乙、丙三组淀粉剩余量分别为a、b、c。

请回答下列相关问题：

（1）上述两种酶存在差异的直接原因是_____________________________________________。

（2）三组淀粉剩余量最多的是_______（填“甲”“乙”或“丙”）组，原因是______________________________________________________。

（3）利用上述实验结果，如何大致比较25 ℃条件下α­淀粉酶和β­淀粉酶活性的大小？

_______________________________________________________________。

【答案】（1）氨基酸的种类、数目、排列顺序及肽链的空间结构不同

（2）丙　两种淀粉酶在100 ℃条件下均失去活性，且降到25 ℃活性不能恢复

（3）比较b­a（β­淀粉酶的活性）与c­b（α­淀粉酶的活性）数值的大小

【解析】（3）甲组25 ℃下处理，α­淀粉酶和β­淀粉酶均发挥作用。乙组70 ℃水浴处理15 min后，β­淀粉酶失活，只有α­淀粉酶发挥作用，丙组100 ℃下处理15 min，两种淀粉酶均失活。因此，b­a代表β­淀粉酶分解淀粉的量，c­b代表α­淀粉酶分解淀粉的量。

11．（2019·福建模拟）某生物兴趣小组为了探究pH对某种酶活性的影响，做了如下实验。

实验步骤：

一、取3支洁净的试管，编号为A、B、C，分别加入等量的酶溶液；

二、在每支试管中加入等量的底物溶液；

三、在A、B、C试管中加入等量的缓冲液，使pH分别稳定在5.0、7.0、9.0；

四、将3支试管置于不同的温度下，定时检测产物浓度。

请回答下列问题：

（1）上述实验步骤中存在两处明显错误，请更正。

__________________________________________________________

_________________________________________________________。

（2）在实验操作正确的情况下，实验结果如图。

①该实验中酶促反应速率用________________________表示。实验开始1 min后A组产物浓度不再增加的原因是_____________________

____________________________________________________________。

②为进一步探究该酶作用的最适pH，应在pH为________范围开展实验。

【答案】（1）应将步骤二、三顺序调换；步骤四更正为：将3支试管置于最适温度（或相同且适宜温度）下，定时检测产物浓度

（2）①单位时间内产物的生成量（或单位时间内产物浓度的变化量）　底物的量有限（或底物浓度是一定的）

②0～7.0（或大于0小于7）

【解析】（1）实验步骤中，酶溶液和底物溶液混合后再用缓冲液调pH，这样在达到设定的pH之前酶就发挥了作用，实验结果不准确。实验研究的是pH对酶活性的影响，温度是无关变量，应适宜且相同。

（2）该酶促反应速率是用单位时间内产物的生成量来表示的。1 min后A组产物不再增加的原因是底物完全分解。该酶的最适宜pH在0～7之间