高考生物一轮复习知识点：新陈代谢与酶

新陈代谢是生物体与外界环境之间进行物质和能量交换，以及生物体内物质和能量自我更新的过程。这一过程是生命活动的基础，而其中起关键作用的是酶。本文将详细探讨高考生物中关于“新陈代谢与酶”的相关知识点，帮助考生更好地理解和掌握这些重要的生物学概念。

一、酶的基本概念

1. 酶的定义：

酶是由活细胞产生的具有催化作用的一类有机物。大多数酶的化学本质是蛋白质，其合成主要发生在核糖体上，水解酶的酶是蛋白酶。此外，少数RNA也具有催化作用，这类RNA被称为核酶（ribozyme）。

酶作为催化剂，能够显著降低化学反应的活化能，从而使反应在温和条件下迅速进行，但自身在反应前后不会发生性质和质量上的变化。

2. 酶促反应：

酶所催化的反应称为酶促反应。在酶促反应中，底物（substrate）是指酶催化作用中的反应物。例如，在胃蛋白酶的作用下，蛋白质被分解为多肽链，这里的蛋白质就是底物。

3. 酶的发现历程：

- 17世纪：意大利科学家斯巴兰让尼（Spallanzani）通过实验证明了胃具有化学性消化的作用，揭开了酶研究的序幕。

- 1836年：德国科学家施旺（Schwann）从胃液中提取了胃蛋白酶，首次分离出一种具有催化功能的物质。

- 1926年：美国科学家萨姆纳（Sumner）通过化学实验证明脲酶是一种蛋白质，进一步确立了酶的蛋白质性质。

- 20世纪80年代：美国科学家切赫（Cech）和奥特曼（Altman）发现了少数RNA也具有生物催化作用，这一发现扩展了对酶的认知范围，揭示了RNA在某些情况下也能充当催化剂。

二、酶的特点与特性

1. 高效性：

酶的催化效率远高于无机催化剂。例如，过氧化氢在常温下几乎不分解，但在过氧化氢酶的作用下，几秒钟内就能完全分解为水和氧气。这种高效的催化能力使得生物体内的化学反应能够在短时间内完成，维持生命活动的正常运转。

2. 专一性：

每种酶只能催化一种或一类特定的化学反应。例如，淀粉酶只能催化淀粉的水解，而不能催化蛋白质或脂肪的水解。这种专一性是由于酶的活性中心结构与底物分子结构的高度匹配决定的。酶的活性中心通常是一个三维结构的口袋或沟槽，只有当底物分子与之完美契合时，才能发生有效的催化反应。

3. 需要适宜的条件：

酶的活性受温度、pH值等多种因素的影响。最适温度和pH值下，酶的活性最高；偏离最适条件，酶的活性会显著下降。原因在于过酸、过碱和高温都会破坏酶分子的空间结构，导致其失去催化功能。例如，胃蛋白酶的最适pH值约为2，而在接近中性或碱性环境中，其活性会大幅降低甚至失活。

4. 作用范围广泛：

酶不仅在细胞内发挥作用，也在细胞外环境中参与催化反应。例如，消化道中的消化酶（如唾液淀粉酶、胰蛋白酶等）就在细胞外环境中催化食物的分解。此外，酶的作用不同于调节人体新陈代谢的激素，酶只催化化学反应而不直接参与代谢调控。

5. 不可逆失活：

尽管酶的催化效率很高，但它本身并不会被消耗。然而，一旦酶因极端条件（如高温、强酸、强碱）而失活，这种失活通常是不可逆的。例如，胃蛋白酶在pH值超过6时会失去活性，且无法恢复。

三、酶的合成与调控

酶的合成受到遗传物质的控制，因此其决定因素是核酸。基因通过转录和翻译过程指导酶的合成。例如，编码胃蛋白酶的基因在胃黏膜细胞中表达，合成后的胃蛋白酶进入胃腔发挥催化作用。此外，酶的合成还受到多种因素的调控，如激素、神经信号等。

例如，进食后，胃泌素分泌增加，刺激胃黏膜细胞合成更多的胃蛋白酶，以应对食物的消化需求。

四、实验设计与应用

在实际操作中，去除植物细胞壁而不损伤细胞内部结构是一项常见任务。细胞壁的主要成分是纤维素，而酶具有专一性，因此可以使用纤维素酶来分解细胞壁。这种方法不仅高效且不会对细胞内部结构造成损害，广泛应用于植物组织培养等领域。

血液凝固也是一个经典的酶促反应过程。在这个过程中，一系列酶依次催化，最终使纤维蛋白原转化为纤维蛋白，形成血栓。温度和酸碱度对这一过程有显著影响。对于动物体内的酶，最适温度通常是动物的体温，大约在35℃左右。因此，在实验室中模拟体内环境时，应尽量保持温度和pH值在适宜范围内，以确保酶的活性。

五、总结

通过对酶的研究，我们可以更深入地理解新陈代谢的本质。酶作为生物催化剂，在生物体内起着至关重要的作用。它不仅提高了化学反应的效率，还确保了反应的专一性和精确性。酶的活性受多种因素调控，这使得生物体能够灵活应对内外环境的变化。

掌握酶的相关知识，有助于我们更好地理解生命科学的基本原理，并为未来的生物技术应用打下坚实基础。

在备考过程中，考生应注重理解酶的概念、特点及其在生物体内的作用机制，同时结合具体的实验案例加深记忆。通过系统复习，相信每位考生都能在高考中取得优异成绩。