高中生物必修一降低化学反应活化能的酶

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一、酶的作用和本质1.酶在细胞代谢中的作用(1)细胞内化学反应(2)比较过氧化氢在不同条件下的分解:①实验原理:FeCl3溶液过氧化氢酶②实验过程和现象:试管编号加入物质处理现象12mLH2O2溶液不处理基本无气泡产生290℃水浴加热有_________产生3加2滴_________有较多气泡产生,并使卫生香燃烧4加2滴___________有更多气泡产生,并使卫生香猛烈燃烧FeCl3溶液肝脏研磨液少量气泡产生场所：__________生理作用：___________化学本质：_______________2.酶的作用原理和本质(1)酶的作用原理:①活化能:分子从_____转变为容易发生化学反应的_____状态所需要的能量。②作用机制:同无机催化剂相比,酶降低_______的作用更显著,

因而催化效率更高结果:正是由于酶的催化作用,细胞代谢才能在_____条件下快速进行(2)酶的本质常态活跃活化能温和活细胞催化作用蛋白质或RNA二、酶的特性1.酶的特性(连线)2.温度和pH对酶活性的影响条件酶活性温度pH最高最适最适失活________________对应曲线过高过高或过低【思考辨析】1.判断正误(1)酶是活细胞产生的,只能在细胞内起作用。()【分析】酶是活细胞产生的,只要条件适宜,酶在细胞内、细胞外和体外都能发挥作用。(2)所有的酶都是在核糖体上合成的。()【分析】酶的本质是蛋白质或RNA,蛋白质是在核糖体上合成的,而RNA不是在核糖体上合成的。××(3)在温度过高或过低时,酶均能失去活性。()【分析】酶在温度过高时会失活,而在低温条件下酶的活性降低。(4)酶是通过降低活化能来起到催化作用的。()×√2.问题思考(1)在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,自变量有哪些?如何衡量自变量对因变量的作用?提示：自变量有90℃水浴加热、3.5%的FeCl3溶液2滴、20%的肝脏研磨液2滴;可以通过产生气泡的多少或使卫生香燃烧的程度来衡量自变量对因变量的作用。(2)从蛋白质的结构和特点等方面来分析,在强酸、强碱或温度过高的条件下,酶为什么会失活?该如何保存酶?提示：在强酸、强碱或温度过高的条件下,蛋白质的空间结构遭到破坏,其生物活性就会丧失。应该在适宜的温度和pH等条件下保存酶。一、酶的作用、本质及高效性的相关实验分析1.酶的概念和作用机理(1)酶的概念:化学本质绝大多数是蛋白质少数是RNA合成原料氨基酸核糖核苷酸合成场所核糖体细胞核(主要)来源一般活细胞中均能产生生理功能具有生物催化功能特性专一性、高效性、需要适宜的pH和温度等(2)酶的作用机理:酶和其他催化剂均能降低化学反应的活化能,分析如下:①图中ac和bc段分别表示无催化剂和酶催化时反应进行所需要的活化能。②若将酶变为无机催化剂,则b在纵轴上向上移动。③用加热的方法不能降低活化能,但会提供活化能。2.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验分析试管号3%的H2O2溶液自变量因变量点燃卫生香检测结果分析处理方法气泡多少12mL几乎没有无复燃H2O2自然分解缓慢22mL90℃左右水浴加热有一些有复燃加热能促进H2O2分解32mL滴加质量分数为3.5%FeCl3溶液2滴较多复燃性较强Fe3+能催化H2O2的分解42mL滴加质量分数为20%的肝脏研磨液2滴很多复燃性更强过氧化氢酶有催化H2O2分解的作用,且效率高结论:过氧化氢酶的催化效率高于FeCl3溶液等无机催化剂的催化效率,所以酶的催化作用具有高效性。【警示钟】对酶作用本质的错误理解(1)酶的作用并不是为反应提供能量,而是降低了反应发生所需要的能量。(2)蛋白酶并不会使所有酶失去活性,有少部分酶的化学本质是RNA。【学而后思】“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,为什么要用新鲜的肝脏研磨液?提示：若肝脏研磨液不新鲜,肝细胞内过氧化氢酶的活性会降低。命题角度1

酶化学本质的分析【典例训练1】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右图所示。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分子结构的改变

【解题关键】解答本题的关键是通过图中蛋白酶对两种酶的作用结果来判断两种酶的化学本质,然后逐项分析。【解析】选B。酶的作用具有专一性,用蛋白酶处理后,蛋白质类酶的活性会因其分子结构改变而逐渐降低,非蛋白质类酶的活性不受影响。酶的化学本质是蛋白质或RNA,因此乙酶的化学本质是蛋白质,甲酶的化学本质是RNA。酶的生理作用都是催化作用。命题角度2

酶高效性的实验分析【典例训练2】(2013·邢台高一检测)某同学为了探究“植物体内有关过氧化氢酶催化过氧化氢分解的问题”设计了如下实验,将四种植物器官各称取3g,切成小薄片放入试管中,编号后进行实验。(备注:“+”表示有,“/”表示无)

序号植物材料名称3mL3%H2O2反应现象反应速率产生气泡多少1/+缓慢少2马铃薯块茎+迅速大量3苹果果实+慢不多4胡萝卜直根+快多5白菜叶柄+较快较多以下分析不正确的是(

)A.试管1在本实验中起空白对照的作用B.不同植物组织器官中过氧化氢酶的活性或含量可能不同C.表中材料胡萝卜直根中过氧化氢酶的催化活性最高D.若用以上各器官的研磨液3g,实验组的反应速率都加快【解题关键】解答本题的关键是:(1)找出本实验中的自变量及自变量的作用本质;(2)通过反应现象分析植物材料与因变量的关系。【解析】选C。实验中的自变量是不同植物的器官,其中试管1中没有加入催化剂,属于对照组;由于加入的各种植物组织都是3g,但不同植物组织中酶的含量是不同的,所以通过实验结果不能判断出酶的活性高低,只能反映出酶促反应速率的快慢。将以上各器官研磨后,过氧化氢与过氧化氢酶接触的机会增多,实验组的反应速率都会加快。【互动探究】(1)若上述实验各器官过氧化氢酶的含量是相同的,哪一组酶的活性最高?提示：马铃薯块茎中酶的活性最高。(2)上述实验中若酶的活性不同,会是由温度不同引起的吗?提示：不会。因为实验中的无关变量是相同的。二、酶特性的相关实验1.高效性(1)表示曲线:(2)实验验证:①实验组:底物+生物催化剂(酶)→底物分解速率(或产物形成的速率)②对照组:底物+无机催化剂→底物分解速率(或产物形成的速率)2.专一性(1)原因:酶只能催化与其结构互补的底物。(2)实验验证:①实验组:淀粉+淀粉酶→麦芽糖②对照组:蔗糖+淀粉酶→不分解,仍为蔗糖③现象:两组中都加入斐林试剂,并水浴加热,只有①组中出现砖红色沉淀。3.温度和pH对酶活性的影响(1)实验课题及变量分析:课题名称用淀粉酶探究温度对酶活性的影响用过氧化氢酶探究pH对酶活性的影响实验材料淀粉溶液、唾液淀粉酶肝脏研磨液、过氧化氢溶液自变量温度pH自变量的设置方法分别用37℃的水、沸水、冰水处理分别用蒸馏水、HCl溶液、NaOH溶液处理因变量酶活性酶活性因变量的观察指标加碘液后溶液颜色变化的速率氧气产生的速率无关变量pH相同且适宜等温度相同且适宜等(2)方法步骤:【学而后思】验证酶专一性的实验中能否使用碘液代替斐林试剂作为鉴定试剂?提示：不能。因为碘液只能检测淀粉是否被水解,蔗糖分子是否被水解都不会使碘液变色。【典例训练3】(2012·福建高考)回答下列问题。大菱鲆是我国重要的海水经济鱼类。研究性学习小组尝试对大菱鲆消化道中蛋白酶的活性进行研究。(1)查询资料得知,18℃时,在不同pH条件下大菱鲆消化道各部位蛋白酶活性如图1。由图可知,在各自最适pH下,三种蛋白酶催化效率最高的是

。(2)资料表明大菱鲆人工养殖温度常年在15℃～18℃之间。学习小组假设:大菱鲆蛋白酶的最适温度在15℃～18℃间。他们设置15℃、16℃、17℃、18℃的实验温度,探究三种酶的最适温度。①探究实验中以干酪素为底物。干酪素的化学本质是

,可用

试剂鉴定。②胃蛋白酶实验组和幽门盲囊蛋白酶实验组的pH应分别控制在

。③为了控制实验温度,装有酶和底物的试管应置于___________

中以保持恒温。单位时间内

可以表示蛋白酶催化效率的高低。④实验结果如图2,据此能否确认该假设成立?

。理由是:

。【解题关键】解答本题的关键是:(1)通过分析图1明确各种酶的最适pH。(2)酶的活性代表酶的催化效率。(3)图2中各种酶的催化效率并未达到峰值。【解析】(1)由坐标图中三种酶的活性可知,在最适pH时,幽门盲囊蛋白酶的活性最高,因此幽门盲囊蛋白酶的催化效率最高。(2)①本实验探究蛋白酶的最适温度,因此实验需要的底物为蛋白质,鉴定蛋白质可用双缩脲试剂,该试剂可与蛋白质发生紫色反应。②测定酶的最适温度时,应提供最适的外界环境,即给各种酶提供最适pH,由图1可知,胃蛋白酶和幽门盲囊蛋白酶的最适pH分别是2和8。③本实验的自变量是温度,因此各组实验应保持恒定的温度,保持恒温的主要方法是通过水浴加热;通过产物的生成量或底物的消耗量可测定蛋白酶的催化效率的高低。④由图2可以看出,在15℃～18℃范围内,随着温度的升高,蛋白酶的活性一直在增强,没有出现下降的拐点,因此,不能得出大菱鲆蛋白酶的最适温度在15℃～18℃间。答案：(1)幽门盲囊蛋白酶(2)①蛋白质双缩脲②2和8③水浴底物消耗量(或产物生成量)④不能在15℃～18℃范围内,随着温度的升高,酶活性一直在增强,没有出现下降的拐点,所以不能得出大菱鲆蛋白酶的最适温度【互动探究】(1)若胃蛋白酶随食物进入大菱鲆的小肠中,其活性如何变化?提示：失活,因为小肠中的pH在8左右,而胃蛋白酶在此pH下会失活。(2)上述题目中,在探究温度对三种酶活性的影响时,各组的pH相同,还是在各自最适pH的条件下?提示：在各自最适pH的条件下。【变式备选1】为了探究口腔的分泌液中是否有蛋白酶,某学生设计了两组实验,如下图所示。在37℃水浴中保温一段时间后,向1、2试管中加入适量双缩脲试剂,3、4试管中不加任何试剂。下列实验能达到目的的是(

)A.实验①B.实验②C.实验①、实验②都能D.实验①、实验②都不能【解析】选B。双缩脲试剂检测的是蛋白质,蛋白酶也是蛋白质,故本题无法从化学特性上达到目的,只有考虑物理特性,如蛋白块的变小或消失。三、各种因素对酶促反应速率影响的曲线分析1.酶浓度对酶促反应速率的影响曲线(1)图甲说明:在底物充足,其他条件适宜的情况下,酶浓度与酶促反应速率成正比。(2)图乙说明:a.与无机催化剂相比,酶的催化效率更高。b.酶只会缩短达到化学平衡所需的时间,不改变化学反应的平衡点。2.反应底物浓度对酶促反应速率的影响曲线(1)加入酶A时,一定范围内随底物浓度的增加反应速率增加,当底物浓度超过一定范围后反应速率不再改变。(2)酶A会促进该酶促反应的进行,而酶B不会,说明酶具有专一性。3.pH和温度对酶促反应速率的影响曲线(1)甲图说明:①在最适pH时,酶的催化作用最强,高于或低于最适pH,酶的催化作用将减弱。②过酸、过碱都会使酶失活。③不同的酶最适pH不同。(2)乙图说明:①在一定温度范围内,随温度的升高,酶的催化作用增强,超过这一范围,酶的催化作用将减弱。②低温只会抑制酶的活性,而高温会使酶失活。(3)丙图说明:反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。【警示钟】对影响酶活性条件的最适值的两点警示(1)酶催化反应时,酶不同,其最适pH不同,最适温度不同,但特定的酶最适值为定值,在最适值条件下,催化效率最高。(2)并非在最适的pH或温度下反应就一定能进行,若将温度调至100℃,那么,即使在最适pH时,多数酶会丧失活性。【学而后思】(1)温度、pH等外界条件的改变可以影响酶的活性,进而影响反应速率,其中温度是如何影响酶活性的?请描述图中曲线及A、B两点的含义。提示：在一定温度范围内,随温度的升高,酶的催化作用增强,超过这一范围,酶的催化作用将减弱。低温只会抑制酶的活性,而高温会使酶失活。(2)在将胃蛋白酶所处的环境pH从10降到1.5的过程中,酶的活性是如何变化的?提示：不变,始终为零,因为胃蛋白酶的最适pH为1.5,在pH为10时,酶已经失活。【典例训练4】(2013·玉溪高一检测)如图表示在不同条件下,酶催化反应的速率(或生成物量)的变化情况。以下有关叙述不正确的是(

)A.图①能用来表示反应物浓度变化与反应时间的关系B.图②虚线表示增加酶浓度后,其他条件不变时,生成物量与反应时间关系的变化情况C.若图②中的实线表示过氧化氢酶对H2O2分解的催化效率,则虚线表示FeCl3溶液对H2O2分解的催化效率D.图②也可以用来表示温度不同的情况下,生成物和反应物的比值与时间的关系【解题关键】解答本题的关键是分析在不同条件下横纵坐标的关系,也就是自变量和因变量之间的关系;然后分析曲线走势,进行正误判断。【解析】选C。图①可以表示酶促反应中反应物浓度变化和时间的关系,随着反应的进行,反应物越来越少;图②中的实线和虚线可以表示同一反应,只是虚线表示反应速率快,到达反应平衡所需时间短,所以若虚线表示加入过氧化氢酶,则实线可以代表加入FeCl3溶液时过氧化氢的分解速率;同时图②可以表示生成物和反应物的比值与时间的关系,因为反应物越来越少,而生成物越来越多,最后达到平衡时不再变化。【变式备选2】影响酶催化反应速率的因素有温度、反应物浓度、酶的浓度等。如图表示在最适温度下,某种酶的催化反应速率与反应物浓度之间的关系。有关说法正确的是(

)A.若在B点增加酶的浓度,反应速率会减慢B.若在A点提高反应温度,反应速率会加快C.若在C点增加反应物浓度,反应速率将加快D.若在A点增加反应物浓度,反应速率将加快【解析】选D。影响反应速率的因素很多,有温度、反应物浓度、酶的浓度等。图中所给出的影响因素为反应物浓度,在B、C两点时反应物浓度不再是反应速率的限制因素,但提高酶的浓度会使反应速率提高;A点时反应物浓度是限制因素,所以提高反应物浓度会提高反应速率,而提高反应温度反而会使反应速率减慢。与酶活性有关的曲线类题目【案例】下面的三个图是某研究小组利用过氧化氢酶探究H2O2分解条件而获得的实验结果。请回答下列有关问题:(1)图1、2、3所代表的实验中,实验自变量依次为

、

、

。(2)根据图1可以得出的实验结论是酶的催化作用具有

。(3)图2曲线bc段产生的最可能原因是

。(4)若图2实验过程中增加过氧化氢酶的含量,请在图2中,用虚线绘出曲线的变化情况。(5)能否以H2O2为材料来探究温度对H2O2酶活性的影响?

,原因是

。【审题——抓准信息·快速推断】关键信息推断结论信息1由图中坐标曲线找出各自的实验自变量(1)图1两条曲线分别表示加催化剂不同造成O2产生量相同时所用时间不同,故自变量为催化剂种类(2)图2、图3自变量为坐标图中横坐标表示的内容,分别是H2O2浓度、pH信息2图1中显示加入过氧化氢酶的曲线,O2产生量达到最大值所需时间比加入Fe3+的时间要短说明酶的催化效率比无机催化剂要高关键信息推断结论信息3图2曲线中ab段升高,bc段不变bc段随H2O2浓度增加,O2产生速率不变,说明过氧化氢酶数量(浓度)有限,全部参与反应,反应速率达到最大并保持不变信息4增加(过氧化氢)酶的含量底物(H2O2)浓度不变,增加酶的含量,反应速率应该加快,因此,O2产生速率应该增大信息5以H2O2为材料探究温度对H2O2酶活性的影响H2O2在加热条件下会分解,如果用来探究温度对H2O2酶活性的影响,将会影响到实验结果的观测【答题——规范答案·警示失误】(1)催化剂种类H2O2浓度pH(2)高效性(3)过氧化氢酶数量(浓度)有限(4)如图错答：画图不准确。错因：没有理解酶浓度与酶促反应速率的关系。(5)不能H2O2在加热条件下会分解,影响实验结果的观测错答：能。错因：主观上认为温度可以影响H2O2酶的活性,忽视温度影响H2O2分解。1.(基础理论辨析题)下列说法中属于酶特性的有(

);属于酶化学本质的有(

);属于酶的功能和作用场所的有(

)A.绝大多数酶是蛋白质B.每一种酶只能催化一种或一类化学反应C.具有较强的催化作用D.能在细胞内起作用E.酶的催化效率大约是无机催化剂的107～1013倍F.酶所催化的化学反应一般是在温和的条件下进行的G.少数是RNAH.能在细胞外起作用【解析】选B、E、F;A、G;C、D、H。酶是具有催化功能的化合物,其本质绝大多数是蛋白质,少数为RNA;它既可以在细胞内起作用,如呼吸酶,也可以在细胞外起作用,如消化酶;它具有专一性、高效性和作用条件较温和等特性。2.下列关于酶的实验不正确的是(

)A.上述反应中的自变量是催化剂的种类B.该实验能证明酶具有高效性C.该实验如果将肝脏进行研磨,效果会更好D.该实验的因变量是肝脏质量的变化【解析】选D。本实验中用的是过氧化氢酶和氯化铁溶液两种不同的催化剂,所以催化剂的种类是本实验的自变量,而加入肝脏(含过氧化氢酶)的试管反应更快,说明了酶具有高效性;因变量是产生氧气的快慢。3.活细胞内合成酶的原料是(

)A.脂肪酸B.核糖核苷酸C.氨基酸D.氨基酸或核糖核苷酸【解析】选D。因为酶的化学本质是蛋白质或RNA,组成它们的基本单位分别是氨基酸和核糖核苷酸。4.能够促使唾液淀粉酶水解的酶是(

)A.淀粉酶B.蛋白酶C.脂肪酶D.麦芽糖酶【解析】选B。唾液淀粉酶的化学本质是蛋白质,由于酶具有专一性,所以与之对应的水解酶为蛋白酶。5.β-半乳糖苷酶能催化乳糖生成半乳糖和葡萄糖,但不能催化麦芽糖分解为葡萄糖。这表明β-半乳糖苷酶的催化作用具有

(

)A.高效性B.专一性C.稳定性D.多样性【解析】选B。题干中描述了β-半乳糖苷酶只能催化乳糖的分解,但不能催化麦芽糖的分解,充分说明了酶具有专一性。6.下列各图中,①表示有酶催化的反应曲线,②表示没有酶催化的反应曲线,E表示酶降低的活化能。正确的图解是(

)【解析】选C。活化能是指物质由常态转变为活跃状态所需要的能量;图中②表示的是没有催化剂的情况,而图中①表示的是有催化剂的情况,由于两种情况下的初态是相同的,所以最高点的差值就代表酶降低的活化能。7.(2013·洛阳高一检测)如图所示,在试管中均加入3mL浆糊。A、C中各注入2mL清水,B、