2024-2025学年新教材高中生物第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学案新人教版必修1

PAGE18-第1节降低化学反应活化能的酶学问点一酶的作用和本质[新知导学]1．细胞代谢(1)场所：细胞内。(2)实质：各种化学反应的总称。(3)意义：细胞生命活动的基础。2．比较过氧化氢在不同条件下的分解试验(1)试验原理。①2H2O2=2H2O＋O2↑②水浴加热、FeCl3中的Fe3＋以及肝脏研磨液中的过氧化氢酶均可加速H2O2的分解。(2)试验过程及现象：(3)试验结论：酶具有催化作用，同无机催化剂相比，酶的催化效率更高。(4)试验中变量的限制。①自变量：在试验过程中人为变更的变量。如本试验中氯化铁溶液和肝脏研磨液等。②因变量：随自变量变更而变更的变量。如本试验中过氧化氢分解速率。③无关变量：除自变量外，试验过程中还存在的一些对试验结果造成影响的无关变量，如肝脏的簇新程度等。(5)比照试验：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的试验。3．酶的作用原理和本质(1)酶的作用原理①活化能：分子从常态转变为简单发生化学反应的活跃状态所须要的能量。②原理：同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。③意义：使细胞代谢能在温柔条件下快速进行。(2)酶的本质eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(产生场所：活细胞,生理作用：催化作用,化学本质：蛋白质或RNA))1．酶能否增加化学反应中产物的总量？提示：不能。2．现有一种酶，请设计试验探究其成分是蛋白质还是RNA。提示：[重难探究]1．酶的解读2.酶催化反应的机理与过程(1)图中E1、E2、E3这三部分都是活化能，分别代表运用无机催化剂、不运用催化剂、运用酶作催化剂时的活化能。(2)由E2>E1>E3可以看出，催化剂的作用本质是降低反应的活化能，且酶促反应降低的更多，效率更高。3．酶促反应作用的模式图(1)图中甲、乙、丙、丁的含义：甲表示酶，乙表示反应物，丙、丁表示生成物。(2)酶反应前后数量和性质均不发生变更，只是催化反应进行，本身不参加化学反应。酶的本质及作用的三个关键点(1)酶并不都是蛋白质，有的酶是RNA。(2)酶不仅在细胞内发挥作用，在细胞外和体外都可以发挥作用。(3)酶作用的实质是降低了化学反应的活化能，不是供应能量。[典题演练]1．下列有关酶的叙述正确的是(C)A．酶通过为反应物供能和降低活化能来提高化学反应速率B．酶只能在细胞内起作用C．一般来说，活细胞均能产生酶D．酶都只含C、H、O、N四种元素解析：酶只能通过降低活化能的方式来提高化学反应速率，A错误；酶无论在细胞内还是细胞外都能发挥作用，B错误；除了哺乳动物成熟的红细胞之外，全部活细胞均能产生酶，C正确；绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA，RNA中包含C、H、O、N、P五种元素，D错误。2．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图所示。下列分析错误的是(B)A．甲酶能够抗该种蛋白酶降解B．甲酶不行能是具有催化功能的RNAC．乙酶的化学本质为蛋白质D．乙酶活性的变更是因为其分子结构的变更解析：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变更而渐渐降低，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。题2中若换用RNA酶，则两种酶的活性如何随时间的变更而变更？提示：RNA酶只催化RNA的水解，而不能催化蛋白质的水解。如下图：学问点二酶的特性[新知导学]1．酶的特性(连线)eq\a\vs4\al(特性,①高效性,②专一性,③作用条,件较温柔)eq\a\vs4\al(缘由,a.高温、高压、强酸、强碱使酶失活,b.酶降低活化能的作用更显著,c.一种酶只能催化一种或一类,化学反应)答案：①—b②—c③—a2．温度和pH对酶活性的影响3．如何利用“淀粉、蔗糖、淀粉酶和斐林试剂”探究酶具有专一性？提示：在淀粉、蔗糖溶液中分别滴加等量淀粉酶和斐林试剂，依据是否生成砖红色沉淀(水浴加热)予以推断。4．从蛋白质的结构和特点方面分析，在过酸、过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：过酸、过碱和高温使蛋白质变性失活，应在低温柔相宜pH下保存酶。[重难探究]1．酶的作用具有高效性的试验验证——“比较过氧化氢在不同条件下的分解”试验分析(1)步骤和结果(2)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。2．酶专一性的试验验证(1)两种思路。①eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(试验组：底物＋相应酶液\o(→,\s\up15(检测))底物被分解,比照组：另一底物＋相同酶液\o(→,\s\up15(检测))底物没被分解))②eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(试验组：底物＋相应酶液\o(→,\s\up15(检测))底物被分解,比照组：相同底物＋另一酶液\o(→,\s\up15(检测))底物没被分解))(2)实例。①试验组：淀粉＋淀粉酶→麦芽糖。②比照组：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．探究酶活性的相宜条件(1)思路。eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(底物＋t1或pH1＋酶液,底物＋t2或pH2＋酶液,⋮⋮⋮⋮⋮⋮))eq\o(→,\s\up15(检测))底物分解速率或剩余量(2)实例：探究酶活性相宜条件的试验材料的选择在选择试验材料时要留意解除自变量本身对试验结果的影响，保证自变量只是影响酶活性而影响试验结果，不能干脆影响试验结果。如：(1)探究温度对酶活性的影响：①不能选择“过氧化氢酶催化H2O2分解”，因为过氧化氢酶催化的底物H2O2在加热的条件下分解也会加快。②不宜选用斐林试剂作为鉴定试剂，因为斐林试剂需加热运用，会影响试验结果。(2)pH对酶活性的影响：不宜选用“淀粉酶催化淀粉水解”，因为强酸也能催化淀粉的水解。[典题演练]3．在“探究影响酶活性的条件”试验中正确的操作是(D)A．若探究pH对H2O2酶活性影响，则pH是自变量，H2O2分解速率是无关变量B．若探究温度对酶活性的影响，可选择簇新肝脏研磨液和过氧化氢溶液反应C．若探究温度对淀粉酶活性的影响，应将淀粉与淀粉酶两溶液混合后再调控温度D．若探究温度对淀粉酶活性的影响，不行选择斐林试剂对试验结果进行检测解析：若探究pH对H2O2酶活性影响，则pH是自变量，H2O2分解速率是因变量；若探究温度对酶活性的影响，不行选择簇新肝脏研磨液和过氧化氢溶液反应，因为过氧化氢本身的分解就受温度的影响；若探究温度对淀粉酶活性的影响，应先调控温度，再将淀粉与淀粉酶两溶液混合；若探究温度对淀粉酶活性的影响，不行选择斐林试剂对试验结果进行检测，因为斐林试剂运用时要加热，会影响酶的活性。故选D。4．若除酶外全部试剂已预保温，则在测定酶活力的试验中，下列操作依次合理的是(C)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：本题主要考查酶活力的检测方法。在检测酶活力的试验中，除酶本身外，其余条件应保持相宜，即无关变量不能影响酶活力；在该试验中，pH为无关变量，为了解除pH的干扰，应在酶和底物混合之前加入缓冲液，为酶促反应供应稳定的pH环境，故C项正确。(1)题目除酶外的全部试剂已预保温，说明本试验的自变量是温度，保证酶的活力是在特定温度下测得的。(2)在本试验中应当遵循的试验设计原则有单一变量原则、等量原则等。在试验时应保证无关变量相同。学问点三酶有关曲线的分析[重难探究]1．表示酶高效性的曲线解读：(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时间，不改变更学反应的平衡点。(3)酶只能催化已存在的化学反应。2．表示酶专一性的曲线(1)加入酶B的反应速率和无酶条件下的反应速率相同，说明酶B对此反应无催化作用。(2)加入酶A的反应速率随反应物浓度的增大明显加快，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在肯定温度范围内，随温度的上升，酶的催化作用增加，超过这一范围，酶的催化作用将减弱最终失活。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的变更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速率的影响(1)甲图：在其他条件相宜、酶量肯定的状况下，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，但当底物达到肯定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。(2)乙图：在底物足够、其他条件相宜的状况下，酶促反应速率与酶浓度成正比。(1)酶催化反应时，酶不同，其最适pH不同，最适温度不同。对于同一种酶，变更pH时，不会影响到它的最适温度，同样变更温度时不会影响其最适pH。(2)低温不会使酶变性，过酸、过碱、高温都会使酶变性失活。低温只是抑制酶的活性，酶分子的结构并未被破坏，温度上升后酶的活性可复原。(3)适量增加酶的浓度会提高反应速率，但不会改变更学平衡点；若适当增加反应物的浓度，提高反应速率的同时变更了化学平衡点。(4)不同因素影响酶促反应速率的本质不同。①温度和pH是通过影响酶的活性而影响酶促反应速率的。②底物浓度和酶浓度是通过影响酶与底物的接触而影响酶促反应速率，并不影响酶的活性。[典题演练]5．将A、B两种物质混合，T1时加入酶C。如图为最适温度下A、B浓度的变更曲线。叙述错误的是(C)A．酶C降低了A生成B这一反应的活化能B．该体系中酶促反应速领先快后慢C．T2后B增加缓慢是酶活性降低导致的D．适当降低反应温度，T2值增大解析：本题考查酶促反应过程中酶的作用。由图示中A、B物质变更曲线知，A、B分别为反应物和生成物，酶C的作用是降低A生成B这一反应的活化能，A正确；随反应物浓度降低，该体系中酶促反应速领先快后慢，B正确；T2后因A浓度降低导致了反应速率下降，从而导致B浓度增加缓慢，C错误；该图为最适温度下的酶促反应曲线，若适当降低反应温度，达到反应平衡的时间会延长，T2值会增大，D正确。6．图甲是过氧化氢酶活性(v)受pH影响的曲线，图乙表示在最适温度下，pH＝b时过氧化氢分解产生的O2量随时间(t)的变更。若该酶促反应过程中变更某一初始条件，以下变更正确的是(B)A．pH＝a时，e点下移，d点左移B．适当降低温度，e点不移，d点右移C．pH＝c时，e点为0D．过氧化氢量增加，e点不移，d点左移解析：pH由b→a时，酶的活性降低，化学反应速率减慢，到达化学反应平衡所需的时间延长，但pH变更不会改变更学反应的平衡点，故e点不移，d点右移，A项错误；图乙是在最适温度下绘制的，若温度降低，则酶活性降低，化学反应速率减慢，到达化学反应平衡所需的时间延长，但温度降低不会改变更学反应的平衡点，故d点右移，e点不移，B项正确；pH＝c时，过碱条件破坏酶的空间结构使酶失活，不能催化过氧化氢水解，但过氧化氢在常温下也能分解，所以e点不为0，C项错误；过氧化氢量增加时，达到化学反应平衡所需时间延长，且化学反应的平衡点上升，即e点上移，d点右移，D项错误。(1)酶促反应的结果是变更了达到化学反应平衡所需的时间，即变更了反应速率，但不影响反应的平衡点，即不影响生成物的量。(2)最适条件下变更影响酶活性的因素，会导致达到化学反应平衡所需的时间延长，但不影响反应的平衡点。(3)若图乙曲线为pH＝a条件下绘制，当pH＝b时，d点和e点如何移动？提示：pH上升，酶活性增加，化学反应速率加快，达到反应平衡的时间缩短，但不改变更学反应的平衡点，故d点左移、e点不移。(4)若增加酶的浓度，图乙曲线中d点和e点如何移动？提示：增加酶的浓度，反应速率加快，但不影响化学反应的平衡点，故d点左移、e点不移。课题调研：单一变量原则[典范例题]下表为“比较过氧化氢在不同条件下的分解”试验设计的相关内容，请回答有关问题：(1)该试验中，自变量是____________等反应条件，因变量是H2O2的分解速率。比照组是________(填试管编号)，试验组是________(填试管编号)。(2)比较1号和2号试管，你得出的结论是__________________________________________________________________________。(3)比较3号和4号试管，你得出的结论是____________________________________________________。(4)若某同学依据表中方法做了这个试验，结果试管3和试管4的现象刚好相反，他试验失败的缘由可能是_____________________________________________________________________________。

[素养升华]1.概述单一变量原则是指其他因素(无关变量)不变，只变更其中一个因素(要探讨的因素——试验变量，即自变量)，然后视察这个试验变量对试验结果的影响。2．单一变量的限制确定自变量后，限制其他无关变量相同且相宜。如下表：项目限制内容试验材料处于相同的试验状态，如数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等试验器具及试剂器具的型号、试剂的成分、浓度、体积等相同外界因素处于相同的最适状态，如温度、pH、水分、光照强度等操作程序相同的操作方法、试验步骤、相同的视察时间及梯度、视察标准等一、选择题1．20世纪80年头科学家发觉了一种RNaseP酶，是由20%的蛋白质和80%的RNA组成的，假如将这种酶中的蛋白质除去，并提高Mg2＋的浓度，他们发觉留下来的RNA仍旧具有与这种酶相同的催化活性，这一结果表明(A)A．RNA具有生物催化作用B．酶是由RNA和蛋白质组成的C．酶的化学本质是蛋白质D．绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA解析：本题是对酶本质的考查，解答本题思路如下：RNaseP酶的蛋白质部分除去后，提高Mg2＋浓度，其中的RNA仍具有与这种酶相同的催化活性，只能说明RNA也具有催化作用。材料题的选项可能本身是正确的，但不符合材料所阐述的中心思想，因此不能选择，如D项本身正确，但不符合题意。2．下列有关酶的叙述中，错误的是(C)A．全部的酶都含有C、H、O、N四种元素B．酶不肯定只在细胞内起催化作用C．酶并非只在体内合成，也可从食物中获得D．人体内的酶也在不断地更新解析：绝大多数的酶是蛋白质(元素组成均有C、H、O、N)，少数的酶是RNA(元素组成为C、H、O、N、P)。酶是活细胞产生的，在细胞内外都可发挥作用。酶是生物活性物质，其本质是蛋白质或RNA，食物中的酶会被消化。3．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，此种化学反应马上减慢。由此可说明(D)A．RNA是核酸的一种B．RNA有时也可成为遗传物质C．RNA主要存在于细胞质中D．RNA也可起生物催化剂的作用解析：由题中供应信息可知这种RNA被水解后，某种化学反应马上减慢，说明这种RNA能够加快某种化学反应速率，由此可说明RNA也具有生物催化的作用。4．如图是pH对酶活性的影响状况，由图不能得出的结论是(D)A．不同酶的活性有着不同的pH范围B．不同的酶有着不同的最适pHC．低于或高于最适pH都会使酶的活性降低甚至丢失D．pH越高酶的活性越高解析：酸碱度低于最适pH时，在酶不失活的状况下，pH越高，酶的活性越高；但当酶已经失活时，则其活性不会随着pH的上升而复原；另外，当酸碱度高于最适pH时，酶的活性会随着pH的上升而降低，甚至丢失。5．下列关于活化能的叙述不正确的是(B)A．分子从常态转变为简单发生化学反应的活跃状态所须要的能量B．无机催化剂、加热都可以降低化学反应的活化能C．酶可以降低化学反应的活化能D．同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用效果更显著解析：酶和无机催化剂均能降低化学反应的活化能，相比之下，酶降低活化能的作用效果更显著。加热虽然能加快化学反应速度，但并没有降低化学反应的活化能。二、非选择题6．已知2H2O2＝2H2O＋O2↑，可以通过视察反应过程中O2的生成速度(即气泡从溶液中释放的速度)来推断H2O2分解反应的速度。请用所给的试验材料和用具设计试验，使其能同时验证过氧化氢酶具有催化作用和高效性。要求写出试验步骤、预料试验结果、得出结论，并回答问题。试验材料与用具：相宜浓度的H2O2溶液，蒸馏水，3.5%FeCl3溶液，0.01%过氧化氢酶溶液，恒温水浴锅，试管。(1)试验步骤：①取3支试管，各加入等量且适量的H2O2溶液，放入37_℃恒温水浴锅中保温适当时间；②分别向上述3支试管加入等量且适量的蒸馏水、FeCl3溶液和过氧化氢酶溶液；③视察各管中释放气泡的快慢。(2)试验结果预料及结论：整个试验中，不同处理的试管中O2的释放速度从快到慢依次是：加酶溶液的试管、加FeCl3溶液的试管、加蒸馏水的试管。由此可得出的结论是酶具有催化作用和高效性。(3)假如仅将试验中的恒温水浴改为80℃，重做上述试验，O2释放的速度最快的是加FeCl3溶液的试管，缘由是在此温度下，FeCl3催化作用加快，而过氧化氢酶因高温变性而失去了活性。解析：本题以教材试验为载体，考查考生试验设计实力和试验分析实力。该试验期望达到两个目的：一是验证酶具有催化作用，可通过设置有酶和无酶的两组试验进行探讨；二是验证酶具有高效性，结合试验材料，可通过酶与化学催化剂的比较来实现。因此，本试验须要设置3组：H2O2溶液＋蒸馏水、H2O2溶液＋过氧化氢酶溶液、H2O2溶液＋FeCl3溶液。由于该试验属于验证性试验，试验结果是确定的，即加酶的一组中O2释放速度最快。高温使酶变性失活，故经80℃处理后，加有FeCl3溶液的试管中O