【本讲教育信息】

一. 教学内容：

第5章　细胞的能量供应和利用

第1节　降低化学反应活化能的酶

第2节　细胞的能量“通货”

二. 重点和难点

1. 教学重点

酶的作用、本质和特性。

ATP化学组成的特点及其在能量代谢中的作用

2. 教学难点

（1）酶降低化学反应活化能的原理。

（2）控制变量的科学方法

（3）ATP化学组成的特点及其在能量代谢中的作用。

（4）ATP与ADP的相互转化。

三. 具体内容

（一）酶的作用和本质

（1）酶的概念：

（2）酶的化学本质：绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。

实验 比较过氧化氢在不同条件下的分解

注意事项及几点说明：

注意：① 本实验成功的关键是实验材料（肝脏）的新鲜程度（新鲜肝脏中含有较多的H₂O₂酶）。如果肝脏不新鲜，在一些微生物的作用下，H₂O₂酶被分解，影响实验效果。因此，取材时一定取新鲜的肝脏研磨液。

② 向试管中插入快要熄灭的卫生香时，动作要快，但不要插到气泡中，以免使卫生香因潮湿而熄灭。

③ 试管最好使用20mm×200mm的，这是因为如果试管过小，整个试管就会因充满了稠密的气泡而影响卫生香复燃。

④ H₂O₂溶液有一定的腐蚀性，实验时应小心，切勿溅到皮肤上。否则：用清水及时洗掉。

几点说明：

（1）实验使用的是肝脏的研磨液，这样可以加大肝细胞内过氧化氢酶与试管中过氧化氢的接触面积，从而加速过氧化氢的分解。

（2）滴加氯化铁溶液和肝脏研磨液不能合用一支滴管。否则，由于酶的催化效率的高效性，少量酶带入FeCl₃溶液中也会影响实验结果的准确性，甚至使人产生错觉，做出错误的判断。

（3）实验时要特别注意比较

产生气泡多少、卫生香燃烧情况，冒气泡时间长短的比较（时间短的是因为酶很快将过氧化氢分解完了）等。

（4）加入催化剂后，要用棉花塞紧试管口，以免O₂逸出。轻轻振荡，使试管中物质混合均匀，为下一步使用卫生香验证做准备。

理解：什么是活化能？

在一个化学反应体系中，反应开始时，反应物分子的平均能量水平较低，为“初态”。在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具有了比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为“活化能”。活化能的定义是，在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位是焦／摩尔，单位符号是J/mol。

（二）酶的特性：

1. 酶的基本功能：——催化各种化学反应。

酶是一种生物催化剂，它作为催化剂与一般的无机催化剂有相同的地方，如只改变反应速度，但不改变反应方向，也不能改变反应的最终分子浓度。实际上酶只能催化那些在没有酶时也能发生的反应，如葡萄糖的氧化分解，在自然状态下也能发生，只速度极慢，我们很难觉察到，但在一系列酶的作用下葡萄糖被分解的速度就大大加快了。但酶是一种高分子有机物，具有一般的无机催化剂所不具备的特性，如专一性、高效性、易受pH值和温度的影响等。

2. 酶的特性：

（1）酶的高效性：酶的高效性是指与无机催化剂相比较，酶的催化效率要高出很多，一般要高出10⁷～10¹³倍。

（2）酶的专一性：酶的专一性是指每一种酶只能催化一种化合物或一类化合物的化学反应。

（3）酶需要适宜的外界条件：

① 温度对酶的影响：酶促反应的正常进行需要适宜的温度。在最适温度条件下，酶的催化能力最高。温度对酶催化能力的影响可用如图1所示的曲线表示。

图1 图2

② pH对酶的影响：酶促反应的正常进行需要适宜的pH值。（如图2曲线所示）

③ 酶的催化能力与时间关系：酶的催化能力与时间的关系（如图3曲线所示）

图3 图4

（3）酶促反应速度与底物浓度的关系：（如图4曲线所示）

酶促反应的速度与底物浓度的关系是：在酶量一定的条件下，在一定范围内会随着底物浓度的增加，反应速度也增加，但达到一定浓度后酶促反应的速度也就不再增加了。原因是酶饱和了。

（4）酶浓度与酶促反应的关系

第2节 细胞中的能量“通货”——ATP

一. ATP的生理功能

为生物体的新陈代谢过程直接提供能量。ATP是生物体进行新陈代谢所需能量的直接来源。

生物体中与能量有关的物质有哪几种？

① 葡萄糖——细胞内的重要能源物质。

② 淀粉——植物细胞中储存能量的物质。

③ 糖元——动物细胞中储存能量的物质。

④ 糖类——是生物体进行生命活动的主要能源物质。

⑤ 脂肪——是生物体内储存能量的物质。

⑥ 糖类、脂肪、蛋白质——生物体内的能源物质。

⑦ 三磷酸腺苷（ATP）——是生物体内的直接能源物质。

有人将人和高等动物中的几种能源物质按使用的“轻重缓急”作了如下比喻：

1. ATP——零花钱，直接用，相当于平常口袋中的，随用随取；

2. 磷酸肌酸——家中的钱，转移用，可先支取；

3. 糖类——活期存折，主要用，随时支取；

4. 脂肪——定期存折，储备用，轻易不取。

二. ATP分子的结构：

1. ATP分子的结构简式：A—P～P～P

ATP的结构简式可写成：A—P～P～P。其中A代表腺苷（即腺嘌呤核苷），T表示3个，P表示磷酸，所以ATP也称为三磷酸腺苷。“~”表示高能磷酸键，即“P~O”键，“—”表示一般的共价键。

2. ATP的分子式：C₁₀H₁₆O₁₃N₅P₃

3. ATP分子结构式：

ATP是一种高能磷酸化合物，一分子ATP中含有两个高能磷酸键，每个高能磷酸键中贮存了大量的自由能，所谓自由能是指能直接用于作功的能量。ATP中高能磷酸键贮存的自由能在键断裂时释放出来，能直接推动各项生命活动而作功，普通共价键断裂时释放的能量不能直接用于各项生命活动。经测定每摩尔高能磷酸键贮存的能量约为30.54kJ。所以ATP被称为生命活动的直接能源物质。

三. ATP和ADP之间的相互转化（ATP在细胞中含量很少，但转化很快）

ATP ADP+Pi+能量（能量不循环，但物质可以循环；且ATP生成时，有水生成）

（1）从反应条件上看：ATP的分解是一种水解反应，催化该反应的酶属于水解酶；而ATP的合成是一种合成反应，催化该反应的酶属于物质的合成酶。由酶的专一性可知，正逆反应条件是不同的。

（2）从ATP合成与分解的场所上看：ATP合成的场所有细胞质的基质、线粒体和叶绿体；而ATP分解的场所有细胞质膜（供主动运输消耗的能量）、叶绿体的基质（将ATP中的能量释放出来，贮存在合成的有机物中）、细胞质的基质（由ATP供能，活化氨基酸，将活化的氨基酸转移到相应的tRNA上）、细胞核（DNA复制和RNA合成所消耗的能量）等等。因此，其合成与分解的场所不尽相同。显然上述正逆反应并不是同时进行的。

（3）从能量上看：ATP水解释放的能量原是储存在高能磷酸键内的化学能，释放出来后供各种生命活动之用，不能再由Pi与ADP形成ATP而储存，而合成ATP的能量主要是有机物中的化学能和太阳能。因此，反应物和反应产物中的能量来源是不同的；正反应中释放出的能量的流向也是不可逆的。

综上所述，对反应式ATPADP+Pi+能量，在生物体内的过程应判断为“物质是可逆的，能量不是可逆的”，或解释为“物质是循环的，能量是不循环的”更为确切。

四. ATP的形成场所与途径

1. 场所：叶绿体、线粒体、细胞质基质。

2. 形成途径

注意：① 在ATP和ADP的相互转化过程中，有一个能量的来源和能量的去向的问题，即形成ATP时，能量来源于细胞呼吸和光合作用（绿色植物），当ATP形成时，释放出的能量用于各项生命活动。

② 生物体的各项生命活动需要能量作动力，ATP为高能化合物，既可储能，又可作为生命活动的直接能源，源源不断地为生命活动提供能量（见下图）

【典型例题】

[例1] 在比较过氧化氢酶和Fe³⁺的催化效率的实验中，把肝脏制成研磨液的目的是（ ）

A. 有利于过氧化氢酶的释放 B. 保护过氧化氢酶

C. 提高过氧化氢酶的活性 D. 以上说法都不对

解析：酶是活细胞产生的，因为过氧化氢酶位于肝细胞内，所以把肝脏制成研磨液的目的是将肝细胞内的过氧化氢酶释放出来。

答案：A

[例2] 关于酶促反应中酶的作用的叙述，正确的是（ ）

A. 提高化学反应的活化能

B. 降低化学反应的活化能

C. 促进正反应的速度，降低负反应的速度

D. 促进负反应的速度，降低正反应的速度

解析：酶的作用是降低化学反应的活化能，从而加快化学反应的速度，包括正反应和负反应。

答案：B

[例3] 关于酶的性质，下列叙述不正确的一项是（ ）

A. 酶是活细胞产生的具有催化能力的蛋白质

B. 化学反应前后，酶的化学性质和质量不变

C. 酶的活性易受酸碱度和温度的影响

D. 酶一旦离开活细胞，不一定就失去催化能力

解析：酶是活细胞产生的具有催化能力的有机物，绝大多数的酶是蛋白质，少数是RNA。

答案：A

[例4] 在测定胃蛋白酶活性时，将溶液pH由10降到2的过程中，胃蛋白酶的活性将（ ）

A. 不断上升 B. 没有变化 C. 先升后降 D. 先降后升

解析：胃蛋白酶的最适pH为1.5，当pH为10时，远大于1.5，此时胃蛋白酶在过碱条件下，其分子结构已发生不可逆转的改变，由pH为10降至2时已，胃蛋白酶无法恢复其活性了。

答案：B

[例5] 下列叙述错误的是（ ）

A. ATP、葡萄糖、太阳能依次是生命活动的直接能源、主要能源和最终能源

B. ADP可接受细胞内呼吸作用、光合作用的能量生成ATP

C. ATP在酶作用下水解释放的能量用于各项生命活动

D. ATP是一类特殊的蛋白质

解：D 规律总结：A、B、C都是符合ATP的生理特性的，而ATP是一种高能磷酸化合物，并非是蛋白质。可见，解此类题，应从ADP在转化成ATP时的能量来源途径以及ATP的本质的角度下手。

[例6] ATP在细胞中能够释放能量和储存能量，从其化学结构看，原因是（ ）

① 腺苷很容易吸收能量和释放能量 ② 第三个高能磷酸键很容易断裂和再结合 ③ 第三个磷酸基团很容易从ATP上脱离（即第二个高能磷酸键断裂），使ATP转变成ADP，同时释放能量 ④ ADP可以在酶的作用下迅速与一分子磷酸结合，吸收能量形成第二个高能磷酸键，使ADP转变成ATP

A. ①③ B. ②④ C. ③④ D. ①④

解：C 课标剖析：从ATP结构简式A—P~P~P看，其中含有两个高能磷酸键，在酶的作用下，远离腺苷的高能磷酸键断裂，形成ADP和Pi，该键又可接受能量，加一分子磷酸重新形成ATP。在这里，高能磷酸键的断裂和再形成，保证了能量的释放和储存。

[例7] 如在过氧化氢酶溶液中加入双缩脲试剂，其结果应该是（ ）

A. 产生气泡 B. 溶液呈蓝色 C. 溶液呈紫色 D. 产生砖红色沉淀

解析：过氧化氢酶的化学本质是蛋白质，过氧化氢酶溶液中加入双缩脲试剂即检验蛋白质。结果蛋白质和双缩脲试剂反应，溶液呈紫色。

答案：C

[例8] 能说明酶不同于一般催化剂的催化特征之一是（ ）

A. 酶是活细胞产生的，必须在活细胞中起作用

B. 酶有专一性，每一种酶只能催化一种或一类物质的化学反应

C. 酶具有高效性，所以酶的数量与反应速率没有关系

D. 能产生酶的细胞一定能产生激素，能产生激素的细胞不一定能产生酶

解析：酶一般是在活细胞中产生的，但只要条件适宜，在细胞内外都能起作用，如淀粉酶在消化道中、试管中都能催化淀粉水解。在一定范围内酶浓度越高，反应速率越快。能产生激素的细胞一定能产生酶，能产生酶的细胞不一定能产生激素。

答案：B

【模拟试题】（答题时间：40分钟）

1. 每个碳酸酐酶分子每秒能催化6×10⁵个CO₂与相同数量的H₂O结合成H₂CO₃，这比非酶催化的反应速度快l0⁷倍。由此说明酶具有（ ）

A. 高效性 B. 专一性 C. 多样性 D. 作用需适宜条件

2. 取两支洁净试管，分别按下表处理：

编号	溶液	处理	酶	试剂	处理
1	3%可溶性淀粉2mL	60℃水浴5min	淀粉酶各2mL	斐林试剂各2mL	加热煮沸1min
2	3%蔗糖溶液2 mL

有砖红色沉淀生成的试管及所说明的问题是（ ）

A. 1号，酶具有高效性 B. 2号，酶具有专一性

C. 1号，酶具有专一性 D. 2号，酶需要适宜的条件

3. 某学生为了验证唾液的功能，做了如下一组实验：取甲、乙两支试管，分别加入等量的淀粉糊2 mL，甲试管又加入2 mL唾液，两试管同时在37℃温水中放置10 min后取出，再各加入0.5 mL碘液。实验设计方案上的错误是（ ）

A. 乙试管内未加入胃液 B. 甲、乙两试管均呈蓝色反应

C. 乙试管未加入等量清水 D. 以上选项都不正确

4. 下列A、B、C三图依次表示酶浓度一定时，反应速度和反应物浓度、温度、pH的关系。请据图完成下列问题：

（1）图A中，反应物达到某一浓度时，反应速度不再上升，其原因是_______。

（2）图B中，a点所对应的温度称_______________________。

（3）图B中，a点到b点曲线急剧下降，其原因是___________________。

（4）将装有酶与反应物的甲、乙两试管分别放入12℃和75℃水浴锅中，20分钟后取出转入37℃的水浴锅中保温，附试管内反应分别应为甲_______，乙_____。

5. 用α^-淀粉酶作实验材料，探索温度对酶催化作用的影响，需进行如下步骤：

① 取三支试管，编号并注入2 mL淀粉溶液

② 另取三支试管，编号并注入1 mL淀粉酶溶液

③ 向各试管滴一滴碘液

④ 将三支试管分别放在60℃的热水、沸水和冰块中维持5 min

⑤ 观察实验现象

⑥ 将1 mL淀粉酶溶液倒入对应的已注入2 mL淀粉溶液的试管中

（1）最合理的实验顺序应为：（ ）

A. ①→②→⑥→③→④→⑤

B. ①→②→⑥→④→③→⑤

C. ①→③→⑥→④→②→⑤

D. ①→④→②→④→⑥→④→③→⑤

（2）将上述经冰水和沸水处理的甲、乙两试管取出转入60℃的水浴锅中保温5 min，两试管内溶液颜色的变化分别为甲________；乙_______。

6. 下列关于ATP的叙述中，正确的是（ ）

A. ATP分子中所有化学键都储存着大量的能量，所以被称为高能化合物

B. 三磷酸腺苷可以简写为A~P~P—P

C. ATP中大量的能量都储存在腺苷和磷酸基团中

D. ATP中大量的能量储存在高能磷酸键中

7. 生物体内既能储存能量，又能为生命活动直接提供能量的物质是（ ）

A. 葡萄糖 B. 糖原 C. 三磷酸腺苷 D. 脂肪

8. 某作家脑溢血导致右侧肢体瘫痪，为尽快改善患者新陈代谢状况，尽快恢复其右手书写能力，在治疗时可用下列哪种方法辅助治疗（ ）

A. 静脉滴注葡萄糖溶液 B. 口服含钙片剂

C. 服用多种维生素液 D. 肌肉注射ATP制剂

9. 在植物细胞里可以形成ATP的细胞结构是（ ）

① 高尔基体 ② 核糖体 ③ 线粒体 ④ 叶绿体 ⑤ 细胞质基质

A. ①②③ B. ②③ C. ③④ D. ③④⑤

10. 人体在剧烈运动时，骨骼肌中ATP的含量仅能维持3s的供能需要，3s以后肌肉消耗的能量来自再生的ATP，其再生过程中的能量来自（ ）

A. 光合作用 B. 有氧呼吸 C. 无氧呼吸 D. 以上B和C

11. 如果一个ATP脱去两个磷酸基，该物质就是构成核酸的基本单位之一，称为（ ）

A. 腺嘌呤核苷酸 B. 鸟嘌呤核苷酸

C.胞嘧啶核苷酸 D. 尿嘧啶核苷酸

12. 如图所示生命活动有关能源物质之间的联系，请分析回答：

（1）生物细胞内主要的储能物质是图中的________________。

（2）当动物体内ATP不足时，会发生C的变化补充ATP（丙），请写出生成ATP需要的条件____________________。

（3）生物体内最终的能源物质是图中的___________，它表示_____________。

（4）图中三项生理活动的名称分别是：A_________，B___________，D__________。

【试题答案】

1. A 2. C 3. C

4.（1）受反应液中酶浓度的限制 （2）酶反应的最适温度

（3）温度升高使酶活性下降 （4）速度加快 无催化反应

5. 正确答案：（1）D （2）甲：蓝色褪去，乙：仍为蓝色。

6. D 7. C 8. D 9. D 10. D 11. A

12.（1）多糖、脂肪 （2）ADP、Pi、酶、能量 （3）甲；太阳能 （4）光合作用光反应；光合作用暗反应；呼吸作用 本题的解答需要明确生物体内能量物质的转变过程与条件。核心是葡萄糖的形成与分解。由图分析，形成葡萄糖的途径为甲→丙→葡萄糖或乙→丙→葡萄糖，而题干已经提示C过程是补充形成ATP的途径，则乙应当是ADP和Pi，甲应为太阳能，通过光合作用将光能转变为化学能，它是能量的最终来源。

规律总结：解此类题，应从图像分析的角度下手，正确应用已知条件（如本题中丙为ATP）