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酶和ATP
第三单元 细胞的能量供应和利用
第1讲 降低化学反应活化能的酶
细胞的能量“通货”——ATP
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
课前预习
回扣教材:
知识点一 酶的作用和本质
知识点二 酶的特性
(1)⑱:
酶催化效率大约是无机催化剂的107—1013倍
(2)⑲:
每一种酶只能催化一种或一类化学反应
(3)酶的作用条件⑳:
酶在的温度和pH条件下,其活性最高。
温度和pH偏高或偏低,酶的活性都。
知识点三 ATP的结构、功能、利用
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?
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。
第一课时
重、难点突破
考点1:
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
实验设计思路:
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。
【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
【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
【+变式训练1】►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
课堂限时练——酶相关知识的理解考查
1.判断正误
(1)(2010·山东高考理综-A)溶酶体内的水解酶是由核糖体合成的( )。
(2)(2010·江苏卷-D)某种蛋白酶是由129个氨基酸脱水缩合形成的蛋白质。
用含该蛋白酶的洗衣粉去除油渍,效果比其他类型加酶洗衣粉好( )。
(3)(2009·上海生命科学-D)将刚采摘的甜玉米立即放入沸水中片刻,可保持其甜味。
这是因为加热会破坏将可溶性糖转化为淀粉的酶( )。
2.(2009·广东生物,3)水稻细胞内合成的某物质,能够在常温下高效分解淀粉,该物质( )。
A.在4℃条件下易变性B.只含有C、H
C.也能催化淀粉合成D.含有羧基
考点2:
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。
【典例1】►(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
——分析酶促反应曲线的要点
变式训练1►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,_________________________________________。
课堂限时练
1.(2011·新课标卷)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RNA
C.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
题后反思
2.(2009·宁夏,2)右图表示酶活性与温度的关系。
下列叙述正确的是( )。
A.当反应温度由t2调到最适温度时酶活性下降
B.当反应温度由t1调到最适温度时酶活性上升
C.酶活性在t2时比t1高,故t2时更适合酶的保存
D.酶活性在t1时比t2低,表明t1时酶的空间结构破坏更严重
题后反思
第二课时
考点3:
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。
【典例1】►(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
变式训练
1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_________________________________________________________。
ATP相关知识的考查7.(2008·广东生物,4)关于叶肉细胞在光照条件下产生ATP的描述,正确的是( )。
A.无氧条件下光合作用是细胞ATP的唯一来源
B.有氧条件下线粒体、叶绿体和细胞质基质都能产生ATP
C.线粒体和叶绿体合成ATP都依赖氧
D.细胞质中消耗的ATP均来自线粒体和叶绿体
题后反思
第三课时
实验专项突破:
锤炼技能尝试探究
一.酶具有催化作用的实验设计思路及结果分析
实验设计思路
实验组:
底物+相应酶液——第五是否被分解
对照组:
底物+等量蒸馏水——底物不被分解
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
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)H2O2H2O+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。
【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。
【变式训练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:
_______________________________________________。
——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。
【变式训练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,出现砖红色试管中的颜色会比37℃时的浅,其原因是_____________________
________________________________________________________________________。
课堂限时练
5.(2010·海南生物,22)为探究NaCl和CuSO4对唾液淀粉酶活性的影响,某同学进行了实验,实验步骤和结果见下表。
请回答问题。
试管编号
实验步骤
1
2
3
4
1%的NaCl溶液/mL
1
1%的CuSO4溶液/mL
1
1%的Na2SO4溶液/mL
1
蒸馏水/mL
1
pH为6.8的缓冲液/mL
1
1
1
1
1%的淀粉溶液/mL
1
1
1
1
唾液淀粉酶溶液/mL
1
1
1
1
各试管放入37℃恒温水浴保温适宜时间
取出试管,加入1%的碘溶液0.1mL
观察结果
无色
深蓝色
浅蓝色
(1)实验中加入缓冲液的作用是__________________________________________________。
(2)分析实验结果可知:
对酶活性有影响的离子是________________,其中对酶活性有抑制作用的离子是________,对酶活性有促进作用的离子是________。
(3)该实验中设置4号试管的目的是________________;设置3号试管的目的是________________。
(4)上述实验中若用斐林试剂代替碘溶液进行检测,1~4号试管中的颜色依次是________、________、________、________。
根据上述实验结果,在操作过程中,保温之前不能加入斐林试剂,其原因是___________________________________________________________。
6.(2009·全国Ⅰ,32)已知2H2O2===2H2O+O2↑,可以通过观察反应过程中O2的生成速度(即气泡从溶液中释放的速度)来判断H2O2分解反应的速度。
请用所给的实验材料和用具设计实验,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H2O2溶液,蒸馏水,3.5%FeCl3溶液,0.01%牛过氧化氢酶溶液,恒温水浴锅,试管。
(1)实验步骤:
①________________________________________________
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