第1讲 降低化学反应活化能的酶.docx

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第1讲降低化学反应活化能的酶

　　　　　　　　第三单元　细胞的能量供应和利用

最新考纲

1．酶在代谢中的作用Ⅱ

2．ATP在能量代谢中的作用Ⅱ

3．光合作用的基本过程Ⅱ

4．影响光合作用速率的环境因素Ⅱ

5．细胞呼吸Ⅱ

实验：

1．探究影响酶活性的因素

2．叶绿体色素的提取和分离

3．探究酵母菌的呼吸方式

考纲解读

1．酶的化学本质及酶的特性

2．影响酶活性的曲线、图表分析及相关实验设计与分析

3．细胞呼吸的方式及过程

4．光合作用的过程及动态分析

5．结合光合作用与细胞呼吸考查ATP与能量代谢的关系

6．光合作用与细胞呼吸过程中的物质转变及相互关系

7．影响光合作用和细胞呼吸的因素分析及相关实验设计

8．光合色素的种类、颜色、生理作用及实验

9．细胞呼吸方式的检验以及粮食、果蔬贮存的原理与应用

第1讲　降低化学反应活化能的酶

细胞的能量“通货”——ATP

知识点一　酶的作用和本质

知识点二　酶的特性

　议一议：

加酶洗衣粉为何用温水浸泡？

这种洗衣粉能否用于毛料、丝织品的洗涤？

知识点三　ATP的结构、功能、利用和转化

　看一看：

ATP中的高能磷酸键有何特点？

诱导契合模型

酶与反应物的契合关系在某种程度上像锁与钥匙的关系，酶改变形状，使反应物与酶的活性部位相契合（称为诱导契合），这种结合使反应更快地进行。

实验变量分析与对照组设置

1．自变量：

是指人为改变的变量，如氯化铁和肝脏研磨液。

2．因变量：

是指随着自变量的变化而变化的变量，如H2O2的分解速率或酶活性。

3．无关变量：

是指除自变量外，其他对实验结果能造成影响的可能因素，如H2O2浓度、肝脏研磨液新鲜程度等。

4．对照实验：

除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。

它一般要设置对照组和实验组。

自我校对：

①细胞代谢　②生命活动　③常态　④活跃状态　⑤降低化学反应的活化能　⑥催化　⑦高效性　⑧温和　⑨酵母活细胞　⑩酵母细胞死亡　⑪酿酶　⑫脲酶　⑬蛋白质　⑭尿素　⑮RNA　⑯活细胞　⑰蛋白质　⑱高效性　⑲专一性　⑳较温和　

最适宜　

明显降低　

A—P～P～P　

高能磷酸键　

磷酸基团　

提供能量　

细胞的主动运输　

肌肉收缩　

远离腺苷　

一个游离的磷酸（Pi）　

细胞呼吸

细胞呼吸和光合作用　

共性

议一议：

温水为酶发挥洗涤作用提供最适温度（冷水抑制酶活性，热水则使酶丧失活性）。

不能。

看一看：

ATP中末端的高能磷酸键易断裂和再生成，断裂时释放出大量的自由能，是一般化学键放出能量的2倍以上。

例如：

每摩尔的高能磷酸键放出的能量约是30.54kJ，而一般的P～O键只放出能量8.37～20.92kJ。

酶的本质、生理功能及其实验验证

1．酶的本质及生理功能

来源及

化学本质

活细胞产生的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

合成场所

核糖体

细胞核（真核生物）

生理功能

催化作用（生物催化剂）

作用原理

降低化学反应的活化能

2.酶是蛋白质的验证实验（利用双缩脲试剂）

实验结果分析：

通过对照，实验组若出现紫色，证明待测酶的化学本质是蛋白质；不出现紫色，则该酶液的化学本质不是蛋白质。

3．酶具有催化作用的实验设计思路及结果分析

实验结果分析：

根据底物性质利用相应试剂检测，若底物被分解，则证明酶具有催化作用，否则不具有催化作用。

4．酶的高效性——比较过氧化氢在不同条件下的分解

（1）实验过程中的理论分析：

（2）酶具有高效性的机理是其能够显著降低反应活化能，缩短反应达到平衡点的时间，并使细胞代谢在温和条件下快速进行。

★★　本考点高考命题多以选择题形式出现，命题时往往联系不同章节涉及的具体酶促反应，或者给以文字、图表信息考查学生分析问题和解决问题能力。

【典例1】►（2011·天津理综卷）下列有关酶的叙述正确的是（　　）。

A．酶的基本组成单位是氨基酸和脱氧核糖核苷酸

B．酶通过为反应物供能和降低活化能来提高化学反应速率

C．在动物细胞培养中，胰蛋白酶可将组织分散成单个细胞

D．DNA连接酶可连接DNA双链的氢键，使双链延伸

解析　大多数酶的化学本质是蛋白质，少数酶的化学本质是RNA，故酶的基本组成单位是氨基酸或核糖核苷酸；酶不能为反应物供能，通过降低活化能来提高化学反应速率；DNA连接酶可催化脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键，从而使双链延伸；在动物细胞培养中，胰蛋白酶可将组织分散成单个细胞，故C正确。

答案　C

【训练1】►（原创题）下图为酶作用的模式图。

据图所示，下列叙述错误的是（　　）。

A．甲多为蛋白质

B．此反应为分解反应

C．此反应中甲、乙为反应物，丙、丁为产物

D．甲与乙之间有专一性

解析　图中甲为酶，其化学本质多为蛋白质，少数的酶是RNA；该反应是在酶的作用下将乙分解成丙和丁，且酶与底物之间具有专一性。

答案　C

【训练2】►（改编题）下列有关酶的正确叙述是（　　）。

①是有分泌功能的细胞产生的，在核糖体上合成的　②有的酶从食物中获得，有的酶是体内转化而来　③凡是活细胞都能产生酶　④绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA　⑤酶在代谢中有多种功能　⑥酶只是起催化作用　⑦酶只在细胞内发挥作用　⑧反应前后酶的性质和数量均没有改变

A．①②⑤B．③④⑦⑧

C．③④⑥⑧D．④⑤⑧

答案　C

与酶相关的曲线解读

1．表示酶高效性的曲线

（1）催化剂可加快化学反应速率，与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。

（2）酶只能缩短达到化学平衡所需时间，不改变化学反应的平衡点。

（3）酶只能催化自然条件下能发生的化学反应。

2．表示酶专一性的曲线

加入酶B的反应速率与无酶A或空白对照条件下的反应速率相同，而加入酶A的反应速率随反应物浓度增大明显加快，说明酶B对此反应无催化作用。

进而说明酶具有专一性。

3．影响酶活性的曲线

（1）甲、乙曲线表明：

①在一定温度（pH）范围内，随温度（pH）的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围，酶的催化作用逐渐减弱。

②过酸、过碱、高温都会使酶失活，而低温只是抑制酶的活性，酶分子结构未被破坏，温度升高可恢复活性。

（2）从丙图可以看出：

反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。

4．底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响

（1）在其他条件适宜，酶量一定条件下，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，但当底物达到一定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。

（2）在底物充足，其他条件适宜的条件下，酶促反应速率与酶浓度成正比。

★　以曲线图表形式综合考查考生对酶的特性的理解能力及探究影响酶活性的因素（温度、pH等）是命题专家最常用的命题手段，应重视！

【典例2】►（2011·海南单科，5）某一不可逆化学反应（S―→P＋W）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。

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（　　）。

A．甲B．乙C．丙D．丁

解析　酶能降低化学反应活化能，增大反应速率，故加入酶后，反应物浓度迅速下降，直至反应结束。

答案　D

——分析酶促反应曲线的要点

（1）首先要弄清横坐标和纵坐标表示的意义，相同的曲线在不同的坐标系中表示的含义不同。

其次明确曲线中的几个关键点，如：

起点、与纵横轴的交点、拐点、最低点、最高点等。

（2）在分析影响酶促反应的因素时，一般情况下，生成物的量未达到饱和时，影响因素是横坐标所表示的因素，在达到饱和后，限制因素是除横坐标所表示的因素之外的其他因素。

【训练3】►请你解读与酶有关的图示、曲线：

（1）图1和图2是与酶的特性相关的图示，请回答下列问题。

图1和图2分别表示了酶具有________________。

洗衣粉中加入的A之所以能够耐酸碱、忍受表面活性剂和较高温度，是因为它是通过________精心设计改造生产出来的；控制其合成的直接模板主要分布在细胞的________中。

（2）图3是与酶活性影响因素相关的曲线，请分析回答：

当pH从5上升到7，酶活性的变化过程是________________；从图示曲线我们还可以得出的结论是________________________________________________________________________。

（3）图4和图5是底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响曲线，请分析回答：

图4中A点后酶促反应的速率不再增加，其限制性因素主要是________________。

从图5可以得出的结论是：

在底物足量条件下，_________________________________________。

解析　洗衣粉中的A指酶，是蛋白质工程的产物。

除了pH以外，温度等其他因素也能影响酶的活性。

答案　

（1）高效性和专一性（特异性）　蛋白质工程　细胞质

（2）先上升后下降　随着pH的变化酶的最适温度不变（温度影响酶活性）　（3）酶的浓度（数量）和活性　酶促反应速率与酶浓度呈正相关

图析ATP的结构与作用

1．ATP的结构简析

（1）组成元素：

C、H、O、N、P。

（2）简称：

三磷酸腺苷。

（3）各字母代表的含义：

A——腺苷（腺嘌呤＋核糖）；P——磷酸基团；～——高能磷酸键。

（4）结构简式：

A—P～P～P（远离腺苷A的那个高能磷酸键容易断裂，也容易形成）。

2．ATP的形成途径

3．ATP与ADP的相互转化

注意　酶1、酶2不同：

酶1——合成酶，酶2——水解酶。

转化式：

ADP＋Pi＋能量

ATP

（1）ATP在生物体内含量少，但转化十分迅速，从而使细胞中的ATP总是处于一种动态平衡中。

（2）ATP与ADP的相互转化不是可逆反应。

因为转化过程中的所需酶、能量的来源和去路和反应场所都不完全相同。

但是物质是可循环利用的。

（3）ATP的形成需要满足4个条件：

2种原料（ADP和Pi）、能量和酶。

另外合成ATP的过程中有水生成。

有关ATP的知识考查，近年来出现的频率较低，并且多数都是融合到其他相关知识点考查。

复习时注意ATP与其他知识的综合。

【典例3】►（2008·天津理综，6）下列有关ATP的叙述，正确的是（　　）。

①人长时间剧烈运动时，骨骼肌细胞中每摩尔葡萄糖生成ATP的量与安静时相等　②若细胞内Na＋浓度偏高，为维持Na＋浓度的稳定，细胞消耗ATP的量增加　③人在寒冷时，肾上腺素和甲状腺激素分泌增多，细胞产生ATP的量增加　④人在饥饿时，细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡

A．①②B．②③C．③④D．①④

解析　人长时间剧烈运动时，骨骼肌细胞发生无氧呼吸，每摩尔葡萄糖生成ATP的量必然比安静时（有氧呼吸）少得多；Na＋在人体内环境中主要维持细胞外的渗透压，K＋主要维持细胞内的渗透压，若细胞内Na＋浓度偏高，就必然通过主动运输方式把Na＋排出细胞外，维持内环境的稳定，主动运输消耗能量；人在寒冷时，下丘脑的体温调节中枢会支配肾上腺和甲状腺分泌肾上腺素和甲状腺激素增多，产生较多热量来维持体温；活细胞内ATP和ADP的含量始终处于动态平衡中，饥饿时细胞亦不可例外。

答案　B

【训练4】►请分析下列关于ATP的有关数据和实验，并回答下面的问题。

（1）经测定一个成年人静止状态下24h将有40kg的ATP发生转化，而细胞内ADP、ATP等仅有2～10mg。

为满足能量的需要，生物体内解决这一矛盾的合理途径是________________________。

（2）用32P标记的磷酸加入细胞培养液，短时间内快速分离出细胞内的ATP，结果ATP浓度变化不大，但部分ATP的末端磷酸基团却已带上了放射性标记。

这一事实证明________________________________________________________________________

________________________________________________________________________，

你得出结论的依据是_________________________________________________________。

解析　ATP在活细胞内的含量较少，但与ADP之间的转化速度却很快，维持在一定水平，处于动态平衡状态。

答案　

（1）ADP与ATP之间可以快速相互转变　

（2）ATP在细胞内的含量处于动态平衡状态，细胞内ATP浓度变化不大　部分ATP末端磷酸基团带上了放射性标记，说明这是重新合成的，同时也说明原有ATP部分被分解了

探究影响酶活性的条件及酶的专一性

一、温度对酶活性的影响

1．原理解读

②温度影响酶的活性，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。

2．实验设计思路

3．实验设计程序

淀粉　　　　　淀粉酶

↓　　　　　　　↓

各自在所控制的温度下处理一段时间

↓

淀粉与相应温度的淀粉酶混合

↓

在各自所控制的温度下保温一段时间

↓

滴加碘液，观察颜色变化

本实验不宜选用过氧化氢酶催化过氧化氢分解，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。

归纳　不同温度对酶的活性和结构的影响

低温（0℃）―→升温―→最适温―→再升温―→高温

|　　　　　|　　　　|　　　　|　　　　|

活性受抑制―→活性增高―→活性最高―→活性降低―→无活性

|　　　　　|　　　　|　　　　|　　　|

　未变性―→未变性―→未变性―→渐变性―→已变性

二、pH对酶活性的影响

1．原理解读

（1）H2O2

H2O＋O2

（2）pH影响酶的活性，从而影响O2的生成量，可用点燃但无火焰的卫生香燃烧的情况来检验O2生成量的多少。

2．实验设计思路

O2的产生速率

归纳　不同酸碱度对酶的活性和结构的影响

过酸酸性增强最适酸碱度―→碱性增强―→过碱

　|　　　　|　　　　　　|　　　　　|　　　　|

无活性活性降低活性最高―→活性降低―→无活性

　|　　　　|　　　　　　|　　　　　|　　　　|

变性渐变性未变性―→渐变性―→变性

三、酶的专一性

　该实验探究中的自变量可以是不同反应物，也可以是不同酶溶液，因变量是反应物是否被分解。

（1）方案一：

用同一种酶催化两种不同物质

解读　用淀粉酶分别作用于淀粉和蔗糖后，再用斐林试剂鉴定，根据是否有砖红色沉淀生成来判断淀粉酶是否对二者都有催化作用，从而探究酶的专一性。

（2）方案二：

用两种不同酶催化同一种物质

①

②再用斐林试剂鉴定，从而探究酶的专一性。

★★　近几年高考对酶相关实验的考查力度有加大的趋势，尤其全国卷。

命题多通过实验描述及给出的图表信息考查学生对实验的分析评价能力或探究能力，综合性强，考生易丢分，应高度重视！

【典例1】►（2011·全国卷，31）某同学从温度为55～65℃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。

回答下列问题。

（1）测定脂肪酶活性时，应选择________作为该酶作用的物质，反应液中应加入________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________。

（3）根据该细菌的生活环境，简要写出测定该酶催化作用最适温度的实验思路。

解析　考查酶的相关知识及实验设计思路。

（1）测定脂肪酶活性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）能与双缩脲试剂反应液呈紫色，则说明该酶的化学本质为蛋白质。

（3）明确要求写出的是“实验思路”而不是实验步骤。

答案　

（1）脂肪　缓冲　

（2）蛋白质　（3）在一定温度范围内（包括55～65℃）设置温度，分别测量酶活性，若所测数据出现峰值，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

【训练1】►（2011·江苏卷，31）为探究植酸酶对鲈鱼生长和消化酶活性的影响，研究者设计并进行了相关实验，实验步骤及结果如下：

①鲈鱼的驯养：

将从海洋中捕获的鲈鱼鱼苗在浮式海水网箱中饲养14d，用普通饲料投喂，备用。

②饲料的配制：

在每千克普通饲料中添加200mg植酸酶，配制成加酶饲料；并将普通饲料和加酶饲料分别制成大小相同的颗粒，烘干后储存。

③鲈鱼的饲养：

挑选体格健壮、大小一致的鲈鱼随机分组，放养于规格相同的浮式海水网箱中，放养密度为60尾/箱。

给对照组的鲈鱼定时投喂适量的普通饲料，给实验组的鲈鱼同时投喂等量加酶饲料。

④称重并记录：

投喂8周后，从每个网箱中随机取20尾鲈鱼称重。

结果显示，对照组、实验组鱼体平均增重率分别为859.3%、947.2%。

1制备鲈鱼肠道中消化酶样品，并分别测定消化酶的活性，结果如下表。

蛋白酶活性（U/mg）

脂肪酶活性（U/mg）

淀粉酶活性（U/mg）

对照组

1.09

0.08

0.12

实验组

1.71

0.10

0.13

根据上述实验，回答下列问题。

（1）步骤①中选用鲈鱼鱼苗而不是成体的主要原因是__________________________________

________；实验前的驯养是为了___________________________________________________。

（2）步骤②中将配制好的饲料进行烘干要特别注意__________________________________，

其原因是______________________________________________________________________。

（3）步骤③中还应控制好的无关变量主要有________________________________________。

（4）本实验得出的初步结论是_____________________________________________________。

（5）推测鲈鱼的食性并说明理由：

_______________________________________________。

解析　

（1）因该实验的观察指标是鱼体的增重量，而成体鱼增重较慢，实验结果不明显。

实验前，将鲈鱼放在网箱中驯养是为了让鲈鱼适应实验养殖环境，从而减小环境对鲈鱼的影响。

（2）植酸酶为蛋白质，高温会使其失去活性，因此烘干处理时需要注意温度不要过高。

（3）除植酸酶外，影响鲈鱼增重的外界环境因子还有水体温度、盐度和溶解氧等，根据实验设计的单一变量原则，实验过程中需要控制这些无关变量。

（4）因实验组的平均增重高于对照组的平均增重，可初步得出添加植酸酶的饲料可促进鱼体生长的结论。

（5）因动物蛋白质含量多，肉食性动物的消化酶中的蛋白酶活性应比脂肪酶或淀粉酶活性高。

根据表格数据可知，鲈鱼的蛋白酶的活性高于其他两种消化酶的活性，因此鲈鱼应为肉食性动物。

答案　

（1）成体生长缓慢，实验效果不明显　让鲈鱼适应实验养殖环境　

（2）温度不能过高　高温会使植酸酶变性而失去活性　（3）水温、盐度和溶解氧等　（4）添加植酸酶的饲料促进鲈鱼幼体的生长；植酸酶能提高肠道中蛋白酶的活性，而对肠道中脂肪酶和淀粉酶的活性影响较小　（5）肉食性，其肠道中蛋白酶活性显著高于脂肪酶和淀粉酶

——实验变量及其控制

　实验中的变量，指的是可被操纵的特定因素或条件。

对照实验中的变量有4种，分别为自变量、因变量、无关变量和额外变量。

1．自变量和因变量

自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件；因变量，指实验中由于自变量而引起的变化和结果。

通常，自变量是原因，因变量是结果，二者具有因果关系。

实验的目的在于获得和解释这种前因后果。

例如，在“温度对酶活性的影响”的实验中，所给定的低温（冰块）、适温（37℃）、高温（沸水浴）就是自变量，而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是因变量，该实验即在于获得和解释温度变化（自变量）与酶的活性（因变量）的因果关系。

2．无关变量与额外变量

无关变量，指实验中除自变量以外，可能还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响，这些变量称为无关变量。

额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。

显然，额外变量会对因变量有干扰作用。

例如上述实验中除自变量（低温、适温、高温）以外，试管洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度、实验操作程序、温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生额外变量，出现干扰，造成误差。

实验的关键之一在于控制无关变量或减少额外变量，以减少误差。

3．单一变量原则

在实验设计中仅仅改变实验中的某一项变量，其它因子不变，在此条件下，观察、研究该变量对实验材料和实验结果的影响。

除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要做到前后一致。

【训练2】►（2009·全国Ⅱ改编）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、预测实验结果、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、试管、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。

　溶液

试管　

蔗糖溶液

淀粉溶液

蔗糖酶溶液

唾液淀粉酶溶液

甲

＋

－

＋

－

乙

丙

丁

（2）实验步骤

①按照上表中的设计，取试管、加溶液。

②________________________________________________________________________。

③________________________________________________________________________。

④________________________________________________________________________。

（3）结果预测：

___________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）结论：

______________________________________________________________________。

（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，