3—1 酶和ATP
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一、酶的发现
1.1773年，意大利科学家斯帕兰札尼设计了一个巧妙的实验，该实验可以说明胃液具有_______消化作用。
答案：化学性
2.1836年，德国科学家施旺从胃液中提取了消化_______的物质，后来知道，这就是_______。
答案：蛋白质 胃蛋白酶
3.1926年，美国科学家萨姆纳从刀豆中提取了_______结晶，并证实其成分是_______。
答案：脲酶 蛋白质
4.20世纪30年代，科学家们相继提取出了多种酶的蛋白质结晶，并指出有_______。80年代以来，美国科学家切赫和奥特曼发现少数_______也具有催化作用。
答案：生物催化作用 RNA
5.酶是_______细胞产生的一类具有_______的_______。
答案：活 生物催化作用 有机物
二、酶的特性
酶与无机催化剂相比，具有的特点是_______、_______、_______。
答案：高效性 专一性 需要适宜的条件
三、新陈代谢与ATP
1.新陈代谢所需能量的直接来源是_______。
答案：ATP
2.ATP是_______的英文缩写符号，它是活细胞内普遍存在的一种_______化合物。
答案：三磷酸腺苷 高能磷酸
3.高能磷酸化合物是指化合物水解时释放的能量在_______kJ/mol（千焦每摩）以上的磷酸化合物。而ATP水解时释放的能量高达_______kJ/mol。
答案：20.92 30.54
4.ATP的结构简式是_______。其中，A代表_______，P代表_______，～代表_______，叫做_______。
答案：A—P～P～P 腺苷 磷酸基团 一种特殊的化学键 高能磷酸键
5.对于植物而言，ADP转化成ATP时能量来自于_______和_______，对于动物而言，能量来自于_______。对于生物体而言，体内的ATP含量不是很多，时刻不停地进行着ATP和ADP的相互转化，满足生命活动的需要，所以我们把ATP称之为“_______”。
答案：光合作用 呼吸作用 呼吸作用 能量货币
探究归纳
要点1 酶的概念
【例1】 人体内能消化脂肪酶的物质的化学本质是( )
A.脂肪
B.蛋白质
C.RNA
D.RNA或蛋白质
解析：生物体内的酶绝大多数是蛋白质，其中人体内各种消化酶基本上是蛋白质。
答案：B
归纳与迁移
1.酶的概念：酶是活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物。绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。具有酶活性的蛋白分子分为简单蛋白质类和结合蛋白质类。简单蛋白质类的酶只由蛋白质组成，不含任何其他物质，如胃蛋白酶。结合蛋白质类的酶由蛋白质和辅因子组成，如乳酸脱氢酶、转氨酶等。组成这类酶的蛋白质部分称为酶蛋白，辅因子部分叫做辅酶或辅基。辅酶和辅基并没有什么本质上的差别，只是它们与蛋白质部分结合的牢固程度不同而已。通常把那些与酶蛋白结合得比较松的，用透析法可以除去的小分子有机物叫辅酶。把那些与酶蛋白结合得比较紧的，用透析法不容易除去的小分子物质叫辅基。酶蛋白与辅因子单独存在时都没有催化活力，只有两者结合在一起时，才能起到酶的催化作用。完整的酶分子称为全酶。
2.内涵：酶是活细胞产生的，也就是说，只要具有细胞结构，只要细胞是有生命的，就能产生酶，病毒本身不能产生酶。而且酶是具有生物催化作用的有机物。
3.外延：绝大多数酶是蛋白质，少数为RNA，因而酶的合成受到基因的控制。有些酶在细胞内起作用，称之为胞内酶，如与有氧呼吸有关的酶，与蛋白质合成有关的酶等；有些酶在细胞外起作用，称之为胞外酶，如消化酶等。
4.功能：生物催化——能改变化学反应的速率，但反应前后本身化学性质不发生变化。与普通化学催化剂相比，容易受外界因素的影响，酶的活性降低，催化效率下降。
要点2 酶的特性
【例2】 2004江苏高考 酶是活细胞产生的。下列关于酶的论述错误的是( )
A.有些酶是核酸
B.酶的数量因参与化学反应而减少
C.酶的活性与pH有关
D.酶的催化效率很高
解析：本题考查了酶的性质。酶是细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物，绝大多数的酶是蛋白质，少数酶是RNA。酶既具有无机催化剂的特点，又具有本身的特性：高效性和专一性，并且需要适宜的条件（温度、pH）。
答案：B
归纳与迁移
酶的特性
（1）具有催化剂的一般特性
①在催化某一反应时，与其他一般无机催化剂一样，能显著降低反应的活化能，提高反应速率，缩短达到平衡的时间，但并不改变反应的方向和平衡常数。
②反应前后酶的性质和数量均没有变化。
(2)具有一般催化剂所不具备的以下特性
①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。失去了比较的对象也就无所谓高效性，如细胞中的过氧化氢酶催化过氧化氢分解为水和氧，这个过程也能被Fe3＋所催化，但过氧化氢酶催化的效率比Fe3＋催化的效率高得多。
②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。酶对底物的专一性要求很高，有时甚至只催化一种底物的反应。如淀粉酶只能催化淀粉分解成麦芽糖而不能催化麦芽糖分解成葡萄糖。酶的专一性与酶是蛋白质有关，每种蛋白质都有特定的空间结构，酶催化反应时，酶蛋白分子首先与底物分子结合，但酶分子与底物分子能否结合，取决于酶分子的活性部位与底物分子在空间构象上是否对应，或经底物诱导后能否与底物分子结合，如图3-1-1。酶与底物分子结合时，底物能诱导酶分子的构象发生变化，使酶分子能与底物很好地结合形成酶—底物的复合物，从而发生催化作用。
图3-1-1
③酶需要适宜的环境条件：酶是蛋白质，蛋白质的分子结构和功能状态要受温度和pH值的影响。适宜的温度和pH是维持酶正常功能所必需的。
(3)酶催化活性的研究
①酶催化活性的表示方法：酶催化活性的强弱以单位时间内底物的减少量或产物的生成量来表示。
②研究影响酶作用的因素与方法：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，即单一变量原则，如研究温度对酶活性的影响时，除温度为实验变量外，其他实验因素都应控制相同。
另外，在设计实验研究影响酶活性的因素时，还应设计对照实验。
要点3 影响酶活性的因素
图3-1-2
【例3】 2005上海高考 图3-1-2为某酶在不同温度下反应曲线和时间的关系，从图中不能获得的信息是( )
A.酶反应的最适温度
B.酶因热而失活
C.酶反应生成物量与时间的关系
D.酶反应速度和酶量的关系
解析：此曲线图表示酶促反应中，生成物量与时间和温度关系曲线图，因此酶反应最适温度（40 ℃），酶因热而失活（70 ℃），酶反应生成物量与时间的关系等，都可以从图中获得。
答案：D
归纳与迁移
影响酶活性的因素
(1)酶的催化活性的表示方法
酶的催化活性的强弱以单位时间内(每分钟)底物减少量或产物生成量来表示。
(2)研究影响酶作用的因素的方法
研究某一因素对酶反应速率的影响时，应在保持其他因素不变的情况下，单独改变研究的因素。
(3)影响酶作用的因素
影响酶促反应的因素常有酶的浓度、温度、pH、底物浓度、时间、抑制剂、激活剂等。其变化规律有以下特点：
图3-1-3 酶的浓度对酶促反应的影响
①酶浓度对酶促反应的影响：在底物足够，其他条件固定的条件下，反应系统中不含有抑制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浓度成正比，如图3-1-3所示。
②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3-1-4所示的曲线表示。温度对酶催化能力的影响在最适温度两侧的曲线是不对称的。其原因是低温不破坏蛋白质的分子结构，只是酶的催化能力下降；高温会导致蛋白质分子发生热变性，而蛋白质的变性是不可逆的，酶蛋白变性后酶的功能就会完全丧失。不同的酶需要的最适温度是不同的，有比较大的差异。一般来讲，在人体内酶的最适温度为37 ℃，对变温动物来说，体内酶的最适温度相对低一些。对植物来说，分布在高纬度地区的植物，其体内酶的最适温度较低，分布在低纬度地区的植物，体内酶的最适温度高一些。
图3-1-4
③pH对酶的影响：酶促反应的正常进行需要适宜的pH。在适宜的pH条件下，酶的催化能力最高。pH对酶催化能力的影响可用如图315所示的曲线表示。在最适pH两侧的曲线基本是对称的，pH过高或过低也会使蛋白质变性，当蛋白质变性后，酶也就完全丧失了催化的能力。不同的酶需要的最适温度是不同的，如人胃液中的胃蛋白质的最适pH为1.8左右，唾液淀粉酶的最适pH为7左右，溶酶体中酶的最适pH为5左右。
图3-1-5
酶的催化能力与时间的关系：即使在最适温度和pH值的条件下，酶的催化能力也不是一成不变的，酶在“工作”了一段时间后会发生“钝化”现象，即催化能力开始下降，最后失去催化能力，如图3-1-6曲线所示。这些严重钝化或失去催化能力的酶在细胞中水解酶的作用下会被分解成氨基酸，氨基酸可以再度合成蛋白质。
图3-1-6
酶促反应速率与底物浓度的关系：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，反应速率也增加，但达到一定浓度后酶促反应的速率也就不再增加了，其原因是酶饱和了，如图317曲线所示。
图3-1-7
要点4 ATP和ADP之间的相互转化
【例4】 ADP转变为ATP需要( )
A.Pi、酶、腺苷和能量
B.Pi、能量
C.能量、腺苷和酶
D.Pi、能量和酶
解析：ATP与ADP相互转变的反应式与能量代谢有密切关系，应该熟练掌握。ADP转变成ATP的过程中，需要能量，从物质上看需要磷酸(Pi)，由于生物体内的各种反应都需要生物催化剂——酶来参加，所以在这个转变过程中，需要能量、酶和Pi。
答案：D
归纳与迁移
在反应式中，包含着物质和能量两个方面的变化，其中物质变化是可逆的，而能量变化是不可逆的，因为合成ATP所需的能量并不是ATP水解时放出的能量。被ADP捕获用来合成ATP的能量来源在动、植物细胞中有所不同。在植物细胞中，可通过呼吸作用和光合作用(光反应阶段)合成ATP，而ATP水解后释放的能量用于各项生命活动，如细胞分裂、植株生长、矿质元素吸收、新物质的合成等。在动物细胞中，亦可通过呼吸作用合成ATP。动物细胞中ATP水解后释放的能量用于动物的各项生命活动。由此可见，在ADP～ATP的循环中，物质是可逆的，而能量是不可逆的。
汗老师讲方法
复习时要注意酶与蛋白质、新陈代谢过程、基因和性状等之间的关系，注意在反应前后酶的结构、性质不变。影响酶反应速率的主要因素有反应物浓度、pH、温度、酶浓度、激活剂及抑制剂，其中Cl-可提高唾液淀粉酶的催化效率，有些药剂是作为抑制剂来抑制酶的催化作用，进而影响细菌等病原体的代谢甚至生命的。
注意ATP是生命活动所需能量的直接供给者，而糖类是能量的主要供给者，脂肪是能量的储存者。当生命消耗能量，用掉大量脂肪时，还可消耗蛋白质等高分子或大分子有机物作为能量的供给者。另外，当生物体内ATP含量下降时，经常由磷酸肌酸等高能化合物提供能量，使ADP转化为ATP，这样生物体内ATP保持一个较小的、但稳定的含量。整个生命体供能顺序大致如下：ATP（磷酸肌酸）、单糖、二糖或多糖、脂肪、蛋白质等有机物。ATP主要在线粒体中产生，也可在细胞质基质、叶绿体内基粒片层、细菌的细胞膜上产生。细胞内线粒体多，意味着ATP亦多。
绝大多数酶是蛋白质，其基本单位是氨基酸，基本元素是C、H、O、N，还有S、P、Fe等元素，生物体内绝大多数反应需酶催化，这样保证了生命活动高效、专一、迅速、有序地进行。基因决定酶的分子结构，有相关计算。
ATP与核糖核苷酸结构相似，含有C、H、O、N、P元素，其中远离腺苷的高能磷酸键易断裂，生成磷酸等物质。磷酸、氨基酸都会涉及一些反应，包括中和反应，注意其中的化学计算。当ATP水解形成AMP时，AMP又可作为合成RNA的原料。
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