人教版高中生物必修一 降低化学反应活化能的酶 细胞的能量供应和利用

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第一课时酶的作用和本质

一、酶在代谢中的作用1.细胞代谢:(1)场所:_____中。(2)实质:许多_________的总称。细胞化学反应【激疑】动物消化道内营养物质的消化属于细胞代谢吗?提示:消化道与外界环境直接相通,其中营养物质的消化不是发生在细胞内的化学反应,故不属于细胞代谢。

2.对照实验的设计:(1)变量:实验过程中的变化因素。①自变量:_________的对实验对象进行处理的因素。②因变量:因_______改变而变化的变量。③无关变量:除自变量外,实验过程中对实验结果__________的可变因素。人为控制自变量造成影响(2)对照实验:除作为自变量的因素外,其余因素都__________,并将结果进行比较的实验。一般要设置对照组和实验组。①对照组:一般不进行人为处理,处于_________下。②实验组:需要对实验对象进行人为处理,控制_______不同。保持一致自然状态自变量③空白对照:未作任何处理的对照组,设置意义是______________________________。排除偶然因素对实验结果的影响3.酶的作用原理:(1)活化能:分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。(2)酶的作用机理:通过降低化学反应所需要的_______而加快反应速率。活化能①表示无酶催化条件下反应的活化能的曲线是___段。②表示有酶催化条件下反应的活化能的曲线是___段。③表示有酶催化条件下降低反应活化能的曲线是___段。adcdac二、酶的化学本质1.酶本质的探索历程(连线):2.酶的概念理解:(1)来源:_______产生的。(2)作用:具有_____作用。(3)化学本质:有机物,绝大部分是_______,少部分是____。活细胞催化蛋白质RNA知识点一比较过氧化氢在不同条件下的分解1.实验原理:水浴加热、FeCl3溶液中的Fe3+和肝脏研磨液中过氧化氢酶都可影响H2O2分解为H2O和O2的速率。2.实验设计:编号步骤1234相同处理(无关变量)向4支试管中分别加入2mL过氧化氢溶液并放在试管架上不同处理(自变量)不处理放在90℃左右的水浴中加热滴入2滴FeCl3溶液滴入2滴肝脏研磨液观察指标(因变量)无气泡气泡很少气泡较多气泡很多3.实验结果分析:(1)1号、2号试管相比,说明加热可以加快H2O2的分解。(2)1号、3号试管相比,说明FeCl3可以催化H2O2的分解。(3)1号、4号试管相比,说明过氧化氢酶具有催化作用,可以催化H2O2的分解。(4)3号、4号试管相比,说明过氧化氢酶的催化效率更高。4.实验结论:加热、FeCl3、过氧化氢酶都能加快过氧化氢分解;过氧化氢酶的催化效率明显高于无机催化剂Fe3+。【思考·讨论】制备肝脏研磨液时,应用新鲜的刚从活体动物内取出的肝脏,并研磨充分。(科学探究)

(1)用新鲜的刚从活体动物内取出的肝脏,原因是什么?提示:新鲜肝脏中的酶能保持其原有的活性。(2)研磨充分有什么意义?提示:加大肝细胞内过氧化氢酶与试管中H2O2的接触面积,从而加速H2O2的分解。【素养案例】(2016·江苏高考)过氧化物酶能分解H2O2,氧化焦性没食子酸呈橙红色。为探究白菜梗中是否存在过氧化物酶,设计实验如下表。下列相关叙述正确的是 (

)

管号1%焦性没食子酸(mL)2%H2O2(mL)缓冲液(mL)过氧化物酶溶液(mL)白菜梗提取液(mL)煮沸冷却后的白菜梗提取液(mL)1222---222-2--322--2-422---2A.1号管为对照组,其余不都是实验组B.2号管为对照组,其余都为实验组C.若3号管显橙红色,无需对照就能证明白菜梗中存在过氧化物酶D.若4号管不显橙红色,可证明白菜梗中无过氧化物酶【解题导引】解题思维流程如下:【解析】选A。本题主要考查酶的实验设计与分析。该实验的目的是探究白菜梗中是否存在过氧化物酶,自变量是白菜梗的有无,则1号、2号和4号都是对照组,3号是实验组,A项正确、B项错误。若3号与1、2、4号对照,3号管显橙红色,则证明白菜梗中存在过氧化物酶,C项错误;若4号管不显橙红色,与3号对照,则说明高温使过氧化物酶变性失活,D项错误。【素养·探究】——母题追问(1)科学探究——设置对照上题中设置1号管的目的是什么?提示:作为对照,排除H2O2自然分解对实验结果的影响。

(2)科学探究——设计实验上题中白菜梗提取液可能含有某种氧化性物质,会使焦性没食子酸变为橙红色,如何排除这一可能?提示:可另设一支试管,试管中不加入H2O2溶液,而是加入2mL蒸馏水,其他设计同3号试管。【素养·迁移】在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中加入肝脏研磨液与加入氯化铁的试管反应程度类似,都不剧烈,可能的原因是 (

)①过氧化氢溶液配制时间过长②肝脏不新鲜③试管不干净A.①③

B.②③

C.①②

D.①②③【解析】选C。由于实验中加入肝脏研磨液和加入氯化铁的试管反应都不剧烈,其原因有两个方面:一是使用的过氧化氢溶液配制时间过长,自身已发生分解;二是使用的肝脏不新鲜,其中的过氧化氢酶已被微生物破坏。【补偿训练】在如图所示的实验中,属于自变量的是 (

)A.催化剂B.过氧化氢分解的速率C.产生气泡量D.试管中的过氧化氢溶液的量【解析】选A。由图示可知,图中的实验处理是分别向过氧化氢溶液中加入氯化铁和过氧化氢酶溶液,Fe3+和过氧化氢酶都能催化过氧化氢分解,因此该实验的自变量是催化剂不同。知识点二酶的化学本质1.酶的作用场所:酶是活细胞产生的,但不一定在活细胞内发挥作用,可以在细胞外发挥作用,如消化酶,也可以在体外发挥作用。2.酶的合成原料:氨基酸或核糖核苷酸。3.酶的合成场所:不一定在核糖体上,只有化学本质是蛋白质的酶才在核糖体上合成。【思考·讨论】哺乳动物成熟的红细胞和其他体细胞在结构和功能上有明显不同。(生命观念)(1)该细胞不能产生酶,原因是什么?提示:该细胞没有细胞核和核糖体等细胞器。

(2)该细胞是否含有酶?说出你的判断依据。提示:含有。哺乳动物成熟红细胞可以进行细胞代谢,细胞中的生化反应需要酶的催化。【素养案例】生物体内许多化学反应需要酶的催化,下列关于酶的叙述,正确的是 (

)A.酶只有在生物体内才能起催化作用,起催化作用的本质是提高反应的活化能B.所有酶都含有C、H、O、N四种化学元素C.人体内的酶进行催化过程中,酶本身不变,所以酶不会发生自我更新D.酶都在核糖体上合成【解题导引】抓住三个关键点:(1)酶的化学本质是蛋白质或RNA。(2)酶的催化机理。(3)酶作为活性分子,在细胞内也存在酶的代谢过程。【解析】选B。酶是由活细胞产生的,在细胞内和细胞外都可发挥催化作用,酶的作用机理是降低化学反应的活化能,A项错误;酶的本质是蛋白质或RNA,故都含有4种元素:C、H、O、N,B项正确;化学反应前后,酶本身不变,但在人体内的酶仍会不断更新,C项错误;只有化学本质是蛋白质的酶才在核糖体上合成,D项错误。【素养·探究】——情境迁移“塑料垃圾污染”是令世界各国头疼的问题,这是因为塑料制品的主要原料——“PET塑料”,需要数百年时间才能自然降解。最近,美国和英国的科学家在一次实验中意外生成了一种酶,可以有效将“PET塑料”降解,有望成为未来治理白色污染的“利器”。思考问题:(1)PET塑料在自然界中需要数百年时间才能降解,从酶的角度分析,可能的原因是什么?(科学思维)提示:自然界中的微生物中缺少分解该塑料的酶。(2)这种分解塑料的酶的作用机理是什么?(生命观念)提示:降低化学反应的活化能。【补偿训练】1.当某种RNA存在时,生物体内的某种化学反应能正常进行;当这种RNA被有关的酶水解后,此种化学反应立即减慢。由此可以说明 (

)A.RNA是核酸的一种B.RNA有时也可称为遗传物质C.RNA主要存在于细胞质中D.RNA也可作为生物催化剂【解析】选D。RNA被有关酶水解后,化学反应立即减慢,说明该RNA催化此反应的进行,即RNA也具有催化作用,故D项符合题意。A、B、C三项从内容上讲均是正确的说法,但无法从题干信息中得出这些结论,故三项均不符合题意。2.下列关于酶的叙述正确的是 (

)A.酶是由腺细胞合成的具有催化作用的有机物B.所有酶用双缩脲试剂进行检测都可以呈现紫色反应C.酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸D.消化酶在消化腺细胞内合成并分泌到细胞外的过程中共穿过0层磷脂双分子层【解析】选D。酶是由活细胞合成的具有催化作用的有机物,A项错误;酶的化学本质大多数是蛋白质,少数是具有催化活性的RNA,蛋白质用双缩脲试剂进行检测可以呈现紫色反应,RNA不能用双缩脲试剂检测,B项错误;酶分子在催化反应完成后可以被再次利用,C项错误;消化酶经合成并分泌到细胞外的过程是胞吐作用,共穿过0层磷脂双分子层,D项正确。降低化学反应活化能的酶第二课时酶的特性

1.酶的高效性:(1)含义:与___________相比,酶的催化效率更高。(2)意义:使_________快速进行。

无机催化剂细胞代谢2.酶的专一性:(1)含义:每一种酶只能催化___________反应。(2)锁钥模型:一种或一类图中A表示___,B表示_______________,E和F表示催化后的产物,而C和D则表示不能被该酶催化的物质。(3)意义:使细胞代谢有条不紊地进行。被酶催化的底物酶3.酶的作用条件较温和:(1)温度对酶活性的影响(如图1):①ab段表示随温度升高,酶活性_________;b点时,酶活性_____,此点所对应的温度为_________;bc段表示随温度升高,酶活性_________。②a点时酶活性_____,但酶的空间结构_____。③c点时酶活性丧失,其原因是_________________________________________。逐渐增强最高最适温度逐渐减弱较低高温使酶的空间结构遭到破坏,使酶永久失活稳定(2)pH对酶活性的影响(如图2):①de段表示随pH升高,酶活性_________;e点时,酶活性_____,此点所对应的pH为_______;ef段表示随pH升高,酶活性_________。②d点和f点时酶活性丧失,其原因是_______________________________________________。逐渐增强最高最适pH逐渐减弱过酸、过碱使酶的空间结构遭到破坏,使酶永久失活【激疑】小泽同学发烧时,食欲减退,你能说出原因吗?提示:发烧时人的体温超过了体内酶发挥作用的最适温度,酶的活性下降,消化过程减慢。

4.酶与无机催化剂的比较:酶无机催化剂不同点酶具有高效性、专一性、作用条件较温和等不具有专一性,催化的化学反应范围比较广,温度越高,催化效率越高相同点改变化学反应速率,本身不被消耗只催化已存在的化学反应降低活化能,使化学反应速率加快知识点一酶的特性及相关实验的分析1.酶的专一性实验设计:(1)实验原理:①淀粉、蔗糖均为非还原糖,不能与斐林试剂共热产生砖红色沉淀。②淀粉酶可以催化淀粉水解为还原糖,但不能催化蔗糖水解。(2)实验设计思路:步骤1淀粉+淀粉酶蔗糖+淀粉酶2等量斐林试剂,水浴加热相同时间现象出现砖红色沉淀无颜色变化结论酶具有专一性(3)实验分析:①自变量:反应物的不同。②无关变量:溶液的量、温度等。③因变量:溶液是否出现砖红色沉淀。2.探究不同温度对酶活性的影响:(1)实验原理:淀粉遇碘变蓝,根据不同温度下相同时间内反应后的溶液是否出现蓝色以及蓝色的深浅可以判断淀粉被水解的量,从而判断不同温度下酶的活性。

(2)实验过程:试管步骤11′22′33′淀粉溶液2mL/2mL/2mL/淀粉酶溶液/1mL/1mL/1mL试管步骤11′22′33′不同温度下处理5min0℃60℃100℃将同一温度下的两种物质混合后保温5min滴加碘液1滴1滴1滴结果(现象)变蓝不变蓝变蓝(3)实验结论:酶的催化作用需要在适宜的温度下进行,温度过高或过低都会影响酶的活性。3.探究pH对酶活性的影响:(1)实验原理:过氧化氢可在过氧化氢酶的作用下分解产生氧气和水,根据不同pH下气泡产生的快慢可判断过氧化氢酶的活性。(2)实验过程。①取8支洁净的试管并编号,分别加入等量新鲜的肝脏研磨液。②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)。③分别滴加等量的过氧化氢溶液并摇匀。④用点燃但无火焰的卫生香来检测氧气的生成情况。(3)实验结论:酶发挥催化作用需要适宜的pH,pH偏高或偏低都会影响酶的活性。4.实验注意事项:(1)在探究温度影响酶活性的实验中,不宜选用H2O2溶液,原因是H2O2的分解本身受温度影响,温度越高,H2O2分解越快。(2)在探究pH影响酶活性的实验中,不宜选用淀粉溶液,原因是酸性或碱性溶液均会使淀粉水解。(3)在探究温度影响酶活性的实验中,选取淀粉和淀粉酶,一般用碘液检测实验结果,不宜选用斐林试剂检验,原因是使用斐林试剂需要加热,实验步骤较为烦琐,且可能影响实验的自变量。【思考·讨论】1.某加酶洗衣粉的成分中标明含有淀粉酶和蛋白酶,若衣服不小心被染上油滴,用上述洗衣粉效果如何,为什么?(科学思维)提示:无效果。根据酶的专一性分析,蛋白酶和淀粉酶分解蛋白质和淀粉,而油滴的主要成分是脂肪,上述酶无法将其分解,故无效果。

2.在使用相关酶的时候,往往需要先测定该酶的最适温度和pH,测定时加入试剂的先后顺序是怎样的?(科学探究)提示:在测定酶的最适温度或pH的实验中,应先分别控制酶和底物的温度或pH,再将酶与底物混合,而不能颠倒,否则酶会在调节温度或pH的过程中,先将底物分解,导致实验失败。【素养案例】下面为某同学进行的有关酶的实验,基本过程如表所示。据此分析,叙述错误的是 (

)试管12341%淀粉溶液3mL-3mL-2%蔗糖溶液-3mL-3mL新鲜唾液1mL1mL--试管1234蔗糖酶溶液--1mL1mL斐林试剂2mL2mL2mL2mL实验结果A.4支试管都需要在37℃恒温水浴中保温B.1号试管与2号试管对照时自变量是底物,与3号试管对照时自变量是酶的种类C.出现砖红色沉淀的试管是1号和3号D.若要缩短实验时间,可将唾液或蔗糖酶的量增加到2mL【解题导引】(1)唾液淀粉酶可将淀粉分解为麦芽糖,而蔗糖酶可将蔗糖分解为葡萄糖和果糖。(2)自变量为底物和酶的种类。【解析】选C。该实验中温度属于无关变量,因此温度要保持相同且适宜,即均需要在37℃恒温水浴中保温,A正确;分析表格可知,1号试管与2号试管对照时自变量是底物,与3号试管对照时自变量是酶的种类,B正确;根据酶的专一性可知,淀粉酶只能水解淀粉,蔗糖酶只能水解蔗糖,即出现砖红色沉淀的试管是1号和4号,C错误;增加酶的用量,可加快酶促反应速率,D正确。【素养·探究】——母题追问(1)科学思维——批判性思维实验中斐林试剂能否换成碘液?说明理由。提示:不能。碘液不能检测蔗糖是否被水解。

(2)科学思维——分析与比较2号试管和4号试管对照,能得出什么结论?提示:酶具有专一性。【素养·迁移】(2016·全国卷Ⅰ)若除酶外所有试剂已预保温,则在测定酶活力的实验中,下列操作顺序合理的是(

)A.加入酶→加入底物→加入缓冲液→保温并计时→一段时间后检测产物的量B.加入底物→加入酶→计时→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量C.加入缓冲液→加入底物→加入酶→保温并计时→一段时间后检测产物的量D.加入底物→计时→加入酶→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量【解析】选C。本题主要考查酶活力的检测方法。在检测酶活力的实验中,除酶本身外其余条件应保持适宜,即无关变量不能影响酶活力;在该实验中pH为无关变量,为了排除pH的干扰,应在酶和底物混合之前加入缓冲液,为酶促反应提供稳定的pH环境,故C项正确。【补偿训练】已知淀粉酶可以把淀粉水解为麦芽糖等物质,蛋白酶可以把蛋白质水解为多肽。某同学设计如下实验(实验中所涉及的酶的化学本质都是蛋白质)探究有关性质,下列分析错误的是 (

)试管加入的物质1234质量分数为1%的淀粉溶液2mL2mL2mL2mL淀粉酶溶液2mL2mL淀粉酶+蛋白酶(等量混合)4mL4mL蒸馏水2mL2mL碘液2滴2滴双缩脲试剂2mL2mL预期颜色变化不变蓝紫色①②A.该实验的目的之一是研究酶之间的相互影响B.该实验有多组对照,如1号和3号试管,2号和4号试管C.为了遵循等量原则,实验过程中,1号、2号试管加入的蒸馏水的体积相同D.①处预期的颜色变化为蓝色,②处不会发生颜色变化【解析】选D。由表格实验处理可以看出:该实验把淀粉酶和蛋白酶混合,则实验的目的之一是研究酶之间的相互影响。根据实验设计要遵循单一变量原则,可推出1号和3号试管间形成对照,2号和4号试管间形成对照。根据等量原则,实验过程中,1号、2号试管中各加入2mL蒸馏水的目的是保证各试管中液体的体积相同,防止液体体积的差异影响颜色的变化。3号试管中淀粉酶被蛋白酶分解,淀粉没有被水解,没有加入碘液不会变蓝;蛋白酶的化学本质是蛋白质,与双缩脲试剂反应呈紫色。知识点二酶的相关曲线分析1.酶高效性:(1)曲线:加入酶、无机催化剂和不加催化剂时,化学反应达到平衡点时所需时间不同:(2)要素解读: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的时间,不改变化学反应的平衡点。2.酶专一性:(1)曲线:分别向蔗糖溶液和麦芽糖溶液中加入麦芽糖酶,底物剩余量不同:(2)要素解读:①加入麦芽糖酶,蔗糖剩余量不变,而麦芽糖剩余量减少。②麦芽糖酶不能催化蔗糖水解,可以催化麦芽糖水解。3.底物浓度影响酶促反应速率:(1)曲线:(2)要素解读:①底物浓度较低时,酶促反应速率与底物浓度成正比,即随底物浓度的增加而增加。②当底物浓度达到一定值后,再增加底物浓度,酶促反应速率不再增加。4.酶浓度影响酶促反应速率:(1)曲线:(2)要素解读:在有足够底物而又不受其他因素影响的情况下,酶促反应速率与酶浓度成正比。5.温度和pH共同作用对酶活性的影响:(1)曲线:(2)要素解读:①反应溶液中pH的变化不影响酶作用的最适温度。②反应溶液中温度的变化不影响酶作用的最适pH。【思考·讨论】1.酶浓度和底物浓度对反应速率的影响和温度、pH对反应速率的影响,本质上有什么不同?(科学思维)提示:温度、pH通过影响酶活性影响反应速率;酶浓度、底物浓度通过影响酶与底物的接触面积影响酶促反应速率。2.底物浓度影响酶促反应速率的曲线中,当底物达到一定浓度后,酶促反应速率不再增加,其原因是什么?(科学思维)提示:受酶浓度或酶数量的限制。【素养案例】用某种酶进行有关实验的结果如图所示,下列有关说法错误的是 (

)A.该酶的最适催化温度不确定B.图2和图4能说明该酶一定不是胃蛋白酶C.由图4实验结果可知酶具有高效性D.由图3实验结果可知Cl-是酶的激活剂【解题导引】应抓住三个关键点:(1)理解酶最适温度和最适pH的含义与测量方法。(2)区别酶的高效性和专一性。(3)明确酶的激活剂和抑制剂的作用相反。【解析】选C。分析题图1只能说明在这三个温度中,30℃比较适宜,温度梯度大,测不出最适温度,A项正确;图2显示该酶的最适pH为7,而胃蛋白酶的最适pH为1.5,由图4可知,该酶为麦芽糖酶,B项正确;图4说明