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1、第第1010讲讲 降低化学反应活化能的降低化学反应活化能的酶和细胞能量酶和细胞能量“通货通货”ATPATP（实验设计中的变量分析） 一、酶的产生、作用、本质和分类 3本质 绝大多数为蛋白质，少数为RNA。故而酶为高分子化合物，组成它们的单体是氨基酸或核糖核苷酸。因为绝大多数酶是蛋白质，因此酶的合成受基因控制，在核糖体上合成；少数的酶是RNA，其合成场所主要在细胞核。 4分类 (1)根据酶在细胞中的分布可分为：胞外酶(如各种消化酶)、胞内酶(如呼吸酶、与光合作用有关的酶)。 (2)根据酶作用的反应物和产生器官可分为：胃蛋白酶、胰蛋白酶、唾液淀粉酶、胰和肠麦芽糖酶、胰脂肪酶、肠脂肪酶等。 (3)根
2、据酶所催化的化学反应性质可分为：水解酶、氧化酶、转录酶、逆转录酶、合成酶等。【友情提醒】(1)活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活化态所需要的能量。(2)酶可加快反应速率，缩短到达反应平衡的时间，但并不改变反应的方向和平衡点。 【例1】下列有关酶的说法中，不正确的是() A不是所有的酶都在核糖体上合成 B酶在化学反应前后自身化学性质不发生改变 C酶都是活细胞产生的 D细胞环境是酶正常发挥催化作用的必要条件 D【解析】本题考查酶的产生、化学本质与作用特点。酶都是活细胞产生的；在化学反应前后自身化学性质不发生改变；大多数酶是蛋白质，少数是RNA，所以不是所有的酶都在核糖体上合成；酶在适宜
3、的条件下，就能发挥作用，不一定在细胞内。 二、“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验 1实验原理 (1) (2)比较H2O2在常温、高温、过氧化氢酶、Fe3等不同条件下气泡产生的数量多少或卫生香燃烧的剧烈程度，了解过氧化氢酶的作用和意义。 2实验流程及现象分析续表 3.实验过程的理论分析 4.实验证明的结论 (1)酶具有催化作用，同无机催化剂一样都可加快化学反应速率。 (2)酶具有高效性，与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。 【例2】下列对“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验结果的分析，正确的是() A在过氧化氢酶的作用下，过氧化氢分解最快，是因为20%的肝脏研磨液的浓度高于3.5%的FeC
4、l3溶液 B3.5%的FeCl3溶液对过氧化氢分解速率慢是因为其分子摩尔浓度过高，影响了酶活性的正常发挥 C肝脏研磨液中过氧化氢分解速率快，是因为酶的催化效率比一般无机催化剂的效率高 D如果将四支试管都放在90 水浴中，第4支试管(加肝脏研磨液的试管)反应速率仍为最快C 【解析】本题主要考查过氧化氢在不同条件下的分解实验。在过氧化氢酶的作用下，过氧化氢分解最快，是因为酶降低化学反应活化能的作用更显著，催化效率更高，与摩尔浓度无关。酶受温度的影响，90 条件下酶已经变性失活，不能起到催化作用。 三、酶的特性 1高效性 酶的催化效率是无机催化剂的1071013倍，这说明酶具有高效性的特点。酶的高效
5、性是和无机催化剂相比较来说的，下图曲线中只有曲线a、b相比较才可说明酶催化的高效性，a、c曲线的对比可以说明酶具有催化性。 2专一性 每一种酶只能催化一种或一类化学反应，这说明酶的催化作用具有专一性的特点。 (1)在A反应物中加入酶A，反应速率较未加酶时明显加快，说明酶A催化底物A参加反应。 (2)在A反应物中加入酶B，反应速率和未加酶时相同，说明酶B不催化底物A参加反应。 3温和性 绝大多数的酶是蛋白质，过酸、过碱和高温都能使蛋白质分子空间结构被破坏(除肽键以外的其他化学键的断裂)，从而引起蛋白质分子变性，使酶永久失活。低温只使酶活性下降，在适宜的温度下，酶活性可以恢复。 【例3】 (201
6、0淄博摸底)现提供如下实验材料与用具：适宜浓度的蔗糖酶、唾液淀粉酶、蔗糖、淀粉4种溶液，斐林试剂、恒温水浴锅。探究哺乳动物蔗糖酶和淀粉酶的催化作用是否具有专一性，请分析回答： (1)实验设计：下表中“”代表加入适量的溶液，“”代表不加溶液。请分析： 验证蔗糖酶具有专一性，可选用的试管组合是_； 验证淀粉酶具有专一性，可选用的试管组合是_； 根据单一变量原则，无法形成对照的是_。 (2)实验步骤： 取四只洁净的试管，分别编号甲、乙、丙、丁； _； _； 观察实验现象并记录实验结果。 (3)结果预测：_。 (4)结论：_。 【解析】要验证酶的专一性，可不改变酶的种类，改变不同的底物。所以验证蔗糖酶
7、具有专一性，选择甲、丁，都有蔗糖酶，而底物不同；同理验证淀粉酶具有专一性，选择乙和丙，两支试管中都有淀粉酶，而底物不同，从而鉴定反应产物来检测酶的专一性。 【答案】 (1)甲和丁乙和丙甲和乙、丙和丁 (2)按照上表中的设计，向四支试管加入溶液并混匀，将试管放入37 恒温水浴锅一段时间取出试管，分别加入适量的斐林试剂，混匀，沸水浴一段 时间 (3)甲、乙试管中出现砖红色沉淀，其他试管中不出现砖红色沉淀 (4)酶的催化作用有专一性 四、“影响酶活性的条件”的探究分析 1温度对酶活性的影响 (1)原理 温度影响酶的活性和结构，从而影响淀粉的水解，滴加碘液，根据是否出现蓝色及蓝色的深浅来判断酶的活性。
8、 (2)实验设计思路 淀粉t1温度下淀粉酶t1温度下 淀粉t2温度下淀粉酶t2温度下 淀粉tn温度下淀粉酶tn温度下 检测是否出现蓝色及蓝色深浅 (3)实验设计程序 (4)实验的变量分析【友情提醒】本实验不宜选用斐林试剂，因为斐林试剂与还原糖只有在加热的条件下才有砖红色沉淀生成，而该实验需严格控制不同的温度。本实验不宜选用过氧化氢酶催化H2O2分解，因为过氧化氢酶催化的底物过氧化氢在加热的条件下分解也会加快。 2pH对酶活性的影响 (1)原理 pH影响酶的活性和结构，从而影响氧气的生成量，可用点燃但无火焰的卫生香燃烧的情况来检验氧气生成量的多少。 (2)实验设计程序 取n支试管分别加入等量的同
9、种新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液用盐酸或NaOH溶液调整出不同的pH(如5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)分别滴加等量的质量分数为3%的过氧化氢溶液用点燃但无火焰的卫生香来检验氧气的生成情况。【友情提醒】本实验中也可将过氧化氢酶和H2O2分别调至同一pH，再混合，以保证反应一开始便达到预设pH。本实验不宜选用淀粉酶催化淀粉分解，因为淀粉酶催化的底物淀粉在酸性条件下也会发生水解反应。 【例4】甲图表示温度对淀粉酶活性的影响；乙图是将一定量的唾液淀粉酶和足量的淀粉混合后麦芽糖积累量随温度变化的情况。下列说法不正确的是()C AT0表示淀粉酶催化该反应的最适温度 B
10、图甲中，Ta、Tb时淀粉酶催化效率都很低，但对酶活性的影响却有本质的区别 C图乙中Tb至Tc的曲线表明随温度升高，麦芽糖的积累量不再上升，酶的活性已达到最高 D图乙中A点对应的温度为T0 【解析】图甲中，Ta、Tb时淀粉酶催化效率都很低，Tb时酶已失活。图乙中A点麦芽糖的积累量增加最快，酶活性最高，对应图甲的T0点。 五、影响酶促反应的因素 酶促反应受到多种因素的影响，这些因素主要包括温度、pH、酶的浓度、底物浓度等。1温度对酶促反应的影响：酶促反应在一定温度范围内反应速率随温度的升高而加快；在一定条件下，每一种酶在某一适宜温度时活性最大，这个温度称为这种酶的最适温度。如下图所示。2pH对酶促
11、反应的影响：每一种酶只能在一定限度的pH范围内才表现活性，超过这个范围，酶就会失去活性。(过酸或碱会使酶的分子结构遭到破坏而失去活性)，在一定条件下，每种酶在某一pH时的活力最大，这个pH称为这种酶的最适pH。如图所示。3酶浓度对酶促反应的影响：在底物充足、其他条件适宜、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，酶促反应速率与酶浓度成正比。如图所示。4底物浓度对酶促反应的影响： 在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度增加而加快，反应速率与底物浓度成正相关，在底物浓度较高时，增加底物浓度，反应速率也随之加快，但不显著；当底物浓度很大且达到一定限度时，反应速率达到一个最大值此时
12、即使 再增加底物浓度，反应速率不变。如右图所示。【例5】(2010浙江五校联考)下图表示在不同条件下，酶催化反应的速度(或生成物)变化，有关叙述不正确的是()A图虚线表示酶量增加一倍时，底物浓度和反应速度关系B图虚线表示增加酶浓度，其他条件不变时，生成物质量与时间的关系C图不能表示在反应开始后的一段时间内，反应速度与时间的关系D若图中的实线表示Fe3的催化效率，则虚线可表示过氧化氢酶的催化效率C【解析】本题考查酶浓度、底物浓度等因素对酶活性的影响。图可以表示在反应开始后的一段时间内，反应速度与时间的关系，例如底物浓度一定时，随时间的延续，底物浓度越来越小，反应速度越来越小，或者时间较长后引起酶
13、的钝化，也可导致酶促反应速度下降。 六、ATP的结构和功能 1ATP的结构简式：APPP。 (1)A表示腺苷，T表示3个，P表示磷酸基团，表示高能磷酸键，ATP分子中大量的能量就储存在高能磷酸键中。如果ATP只去掉2个P，就是腺嘌呤核糖核苷酸，即构成RNA的一种基本单位。 (2)一个ATP分子中含有1个腺苷、3个磷酸基团、2个高能磷酸键。 (3)ATP的一个高能磷酸键水解，形成ADP(二磷酸腺苷)，两个高能磷酸键水解，形成AMP(一磷酸腺苷)。 2ATP的生理功能 生物体一切生命活动都需要能量，这些能量形式主要有机械能、电能、渗透能、化学能、光能、热能等，各种形式的能量的转化都是靠ATP中能量
14、的直接转换。 【友情提醒】ATP分子去掉两个磷酸基后的剩余部分是腺嘌呤核糖核苷酸，是组成RNA的基本单位之一。 【例6】下列有关ATP的叙述，不正确的是() AATP是细胞内惟一的直接供能物质 B神经纤维兴奋后恢复为静息电位时需要消耗ATP C细胞内的放能反应一般与ATP的合成相联系 DATP水解释放的能量可用于生物发电、发光A 【解析】本题考查ATP的作用和在生物细胞内的利用。ATP不是细胞内惟一的直接供能物质，实际上三磷酸鸟苷(GTP)也可以直接供能，它可以和ATP相互转换；静息电位时细胞外Na浓度高于细胞内Na浓度，而形成动作电位时主要是Na内流所造成的，动作电位形成后，细胞内的Na浓度
15、高于细胞外的，随后，通过消耗能量的主动运输将Na运到细胞外并恢复为静息电位；细胞内的吸能反应需要消耗能量，其能量一般来自于ATP的水解供能，细胞内的放能反应能产生能量，产生的能量一般可供ATP合成所需。 七、ATP与ADP的相互转化 1图解 2ATP合成与ATP水解的比较ATP的合成ATP的水解反应式类型合成反应水解反应反应场所细胞质基质、线粒体、叶绿体活细胞内多种场所续表ATP的合成ATP的水解所需酶ATP合成酶ATP水解酶能量来源光能(光合作用)，化学能(细胞呼吸)储存在高能磷酸键中的能量能量去路储存于形成的高能磷酸键中用于各项生命活动 综上所述，虽然从物质方面看，ATP和ADP的相互转化
16、过程，是可逆反应；但从酶、反应场所、能量来源方面看，不是可逆反应，所以ATP和ADP相互转化是不可逆的。 3特点 (1)在正常生活的细胞中，ATP在细胞内的含量是很少的。但是，ATP与ADP在细胞内的相互转化迅速，时刻不停地发生并且处于动态平衡中。 (2)细胞内ATP与ADP相互转化的能量供应机制，是生物界的共性。 4意义 (1)保证细胞内有一个相对稳定的能量供应库。ATP中远离腺苷的那个高能磷酸键极容易水解，以保证能量及时供应；ATP中远离腺苷的那个高能磷酸键极容易形成，以保证能量相对稳定和能量持续供应。 (2)ATP在能源物质供能过程中处于核心地位，其他能源物质只有转化为ATP才能为生命活
17、动供能。在生命活动中，ATP中的能量可转化为不同形式的能量，如光能、动能、电能等。 【例7】分析ATP与ADP相互转化示意图，下列有关说法正确的是() A若图中Pi代表磷酸，则B为ADP，C为ATP B在BC的反应中，产生的E2来源于高能磷酸键的断裂而释放出的能量 CE1不是物质，对于人、动物、真菌、植物和细菌来说，E1来自细胞呼吸 DCB与BC都可以伴随着放能反应和吸能反 应B 【解析】若图中Pi代表磷酸，则B为ATP，C为ADP。E1不是物质，则为能量，其来源对于人、动物、真菌和大多数细菌来说，来自细胞呼吸，对于绿色植物来说，则来自光合作用和呼吸作用。CB为合成ATP的过程，伴随着放能反应
18、；而BC表示ATP的水解过程，其伴随着吸能反应。 一、理论归纳1变量的种类变量是实验设计中可以变化的因素或条件，依据变量间的相互关系，可分为以下两类：(1)自变量与因变量：自变量是实验中由实验者所操纵的因素，该因素的改变将引起实验结果的相应改变，是实验要研究的因素。因变量是因自变量不同而导致的不同的实验结果。它们之间是因果关系，自变量是原因，因变量是结果。(2)无关变量：无关变量是指实验中除自变量外也能影响实验现象或结果的其他因素。2自变量的确定和控制根据实验目的，确定实验变量，进而确定控制的措施。例如：“探索淀粉酶的最适温度”的实验。(1)变量的确定：自变量是相同的酶处在不同温度下即温度梯度
19、，即要“探究什么”，则“什么”就是自变量。(2)自变量的控制：在确定了自变量是温度梯度后，应将淀粉酶置于温度梯度下，如：25 、26 、27 控制变量的方法，常用的有“施加”“改变”“去除”等。3无关变量的确定与控制例如：请指出探究pH对唾液淀粉酶活性的影响实验中的无关变量是什么？应如何控制？分析：在该实验中，自变量是“pH的大小”。无关变量有温度、唾液淀粉酶的量、淀粉溶液的量、反应时间、加入碘液的量及时间等，在做实验时，对照组和实验组的以上因素都要相同且适宜。二、演二、演练某学生为了证明唾液能够使淀粉水解，进行了下面的实验：先用碘液检验一块干面包，变蓝色；他嚼碎了另一块干面包，一段时间后用斐
20、林试剂检验，嚼碎的面包出现砖红色；得出结论。此实验设计最大的失误在于( ) A未对面包做还原糖检验 B未对唾液做淀粉检验 C未对嚼碎的面包做淀粉检验 D应该用双缩脲试剂检验A【解析】用斐林试剂检验嚼碎的面包出现砖红色说明嚼碎的面包中含有还原糖，要证明该还原糖是由唾液的催化作用产生的，还需要对面包做还原糖的检验，即需要设置对照实验。 1.(2010江苏)某种蛋白酶是由129个氨基酸脱水缩合形成的蛋白质。下列叙述正确的是( ) A该蛋白酶分子结构中至少含有129个氨基和129个羧基 B该蛋白酶溶液与双缩脲试剂发生作用，产生紫色反应 C利用透析法纯化该蛋白酶时，应以蒸馏水作为透析液 D用含该蛋白酶的
21、洗衣粉去除油渍，效果比其他类型加酶洗衣粉好B 【解析】本题考查蛋白酶的化学本质、组成、结构及鉴定等。该蛋白酶只有一条链时，所含有的氨基和羧基数目都至少含有一个，A项错误。因其本质为蛋白质，故可与双缩脲试剂反应产生紫色反应，B项正确。用透析法纯化蛋白酶时，应用缓冲液作为透析液以保持蛋白酶的活性，C项错误。因酶具有专一性，油渍为脂肪，故利用蛋白酶去污比用含脂肪酶的效果差，D项错误。 2.(2011新课标)甲、乙两种酶用同一种蛋白酶处理，酶活性与处理时间的关系如下图所示。下列分析错误的是( )A甲酶能够抗该种蛋白酶降解B甲酶不可能是具有催化功能的RNAC乙酶的化学本质为蛋白质D乙酶活性的改变是因为其
22、分子结构的改变B 【解析】本题考查酶的化学本质。首先需要了解大部分酶的化学本质是蛋白质，少量的酶是RNA，用蛋白酶处理后，乙酶活性降低，说明乙酶的成分是蛋白质，在用蛋白酶处理后被分解；而甲酶活性不变，则说明甲酶的成分可能是RNA或者甲酶能够抗这种蛋白酶降解。 3.(2011全国)某同学从温度为5565的泉水中筛选出能合成脂肪酶的细菌，并从该细菌中提取了脂肪酶。回答问题：(1)测定脂肪酶活性时，应选择脂肪作为该酶作用的物质，反应液中应加入缓冲溶液以维持其酸碱度稳定。(2)要鉴定该酶的化学本质，可将该酶液与双缩脲试剂混合，若反应液呈紫色，则该酶的化学本质为蛋白质。 (3)根据该细菌的生活环境，简要
23、写出测定该酶催化作用最适温度的实验思路。在一定温度范围(包括5565 )内设置温度梯度，分别测定酶活性。若所测得的数据出现峰值，则峰值所对应的温度即为该酶催化作用的最适温度。否则，扩大温度范围，继续实验，直到出现峰值。 【解析】本题考查了酶的化学本质、专一性和影响酶活性的因素及考生的实验设计能力。根据酶的专一性特征，应用脂肪作为该酶作用的物质。(2)能与双缩脲试剂反应呈紫色，说明该酶的化学本质为蛋白质。(3)测定该酶催化作用最适温度的实验的自变量为温度，因此，设置好温度梯度是做好本实验的关键。4.下列有关酶的叙述，正确的是( )A高温和低温均能破坏酶的结构使其失去活性B酶是活细胞产生并具有催化
24、作用的蛋白质C细胞质基质中有催化葡萄糖分解的酶D细胞质中没有作用于DNA的解旋酶C【解析】高温能破坏酶的结构使其失去活性。低温抑制酶的活性，但没有破坏酶的结构，当温度升高时，酶活性可以恢复；酶是活细胞产生并具有催化作用的有机物，大多数是蛋白质，少数是RNA；细胞质基质中有催化葡萄糖分解形成丙酮酸的酶(即细胞呼吸第一阶段的酶)；细胞质中线粒体和叶绿体中的DNA可复制转录，故其内有解旋酶。5.某一不可逆化学反应(SPW)在无酶和有酶催化时均可以进行，当该反应在无酶条件下进行到时间t时，向反应液中加入催化该反应的酶。下图中能正确表示加酶后反应物浓度随反应时间变化趋势的曲线是( )DA甲 B乙C丙 D
25、丁【解析】查酶的作用(催化作用)和特点(高效性)。加入酶后，反应物迅速消耗，浓度迅速降低。6.下面左图表示的是pH对植物和人的淀粉酶活性的影响；右图表示的是3种脱氢酶(A、B、C)的活性受温度影响的情况。下列叙述正确的是( )BA从左图中可以知道pH5时植物淀粉酶的活性最高B从右图中无法知道酶C的最适温度C从左图中可以知道若细胞内环境由碱性变成酸性时，淀粉酶的活性逐渐升高D从右图中可以知道活性温度范围最广的酶是B【解析】温度过高、过酸、过碱都能使酶彻底失活，且这种失活是不可逆转的，从左图可以看出，植物淀粉酶的最适pH在5和6之间，人的淀粉酶的最适pH在7左右。在右图中活性温度范围最窄的酶是B。
26、酶C的活性受温度影响的曲线不完整，因此从右图中无法知道酶C的最适温度。7.请用所给的实验材料和用具，设计实验来验证哺乳动物的蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有专一性。要求完成实验设计、补充实验步骤、预测试验结果、得出结论，并回答问题。实验材料与用具：适宜浓度的蔗糖酶、唾液淀粉酶、蔗糖、淀粉4种溶液，斐林试剂、37 恒温水浴锅、沸水浴锅。(1)若“”代表加入适量的溶液，“”代表不加溶液，甲、乙等代表试管标号，请用这些符号完成下表实验设计。(2)实验步骤：按照上表中的设计，取试管、加溶液。混匀，37 恒温水浴一段时间。取出试管，分别加入适量的斐林试剂，混匀，沸水水浴一段时间。观察实验现象并记录实验结果。
27、(3)结果预测：含有蔗糖和蔗糖酶溶液的试管，以及含淀粉和唾液淀粉酶溶液的试管中出现砖红色沉淀，其他试管中不出现砖红色沉淀。(4)结论：酶的催化作用有专一性。(5)在上述实验中，如果仅将37 恒温水浴锅的温度调到20 ，而在其他条件不变的情况下重做上述实验，出现砖红色试管中的颜色会比37 时浅，其原因是20 低于酶的最适温度，酶活性低，水解产生的还原糖少。【解析】该题是要验证蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有专一性，因此应遵循对照性原则、科学性原则和单一变量原则。(3)应该只有在含蔗糖和蔗糖酶溶液的甲试管以及含淀粉和唾液淀粉酶溶液的乙试管出现砖红色沉淀，其他试管不应该出现砖红色沉淀。(4)结论：说明酶的催化作用具有专一性。(5)如果将37 恒温水浴锅的温度调到20 ，由于20 低于酶的最适温度，酶的活性会下降，水解产生的还原糖少，所以出现砖红色试管中的颜色会比37 时的浅。
