高中生物必修一降低化學反應(yīng)活化能的酶

第5章細胞的能量供應(yīng)和利用第1節(jié)降低化學反應(yīng)活化能的酶一、酶的作用和本質(zhì)1.酶在細胞代謝中的作用(1)細胞內(nèi)化學反應(yīng)(2)比較過氧化氫在不同條件下的分解:①實驗原理:FeCl3溶液過氧化氫酶②實驗過程和現(xiàn)象:試管編號加入物質(zhì)處理現(xiàn)象12mLH2O2溶液不處理基本無氣泡產(chǎn)生290℃水浴加熱有_________產(chǎn)生3加2滴_________有較多氣泡產(chǎn)生,并使衛(wèi)生香燃燒4加2滴___________有更多氣泡產(chǎn)生,并使衛(wèi)生香猛烈燃燒FeCl3溶液肝臟研磨液少量氣泡產(chǎn)生場所：__________生理作用：___________化學本質(zhì)：_______________2.酶的作用原理和本質(zhì)(1)酶的作用原理:①活化能:分子從_____轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應(yīng)的_____狀態(tài)所需要的能量。②作用機制:同無機催化劑相比,酶降低_______的作用更顯著,

因而催化效率更高結(jié)果:正是由于酶的催化作用,細胞代謝才能在_____條件下快速進行(2)酶的本質(zhì)常態(tài)活躍活化能溫和活細胞催化作用蛋白質(zhì)或RNA二、酶的特性1.酶的特性(連線)2.溫度和pH對酶活性的影響條件酶活性溫度pH最高最適最適失活________________對應(yīng)曲線過高過高或過低【思考辨析】1.判斷正誤(1)酶是活細胞產(chǎn)生的,只能在細胞內(nèi)起作用。()【分析】酶是活細胞產(chǎn)生的,只要條件適宜,酶在細胞內(nèi)、細胞外和體外都能發(fā)揮作用。(2)所有的酶都是在核糖體上合成的。()【分析】酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)或RNA,蛋白質(zhì)是在核糖體上合成的,而RNA不是在核糖體上合成的?！痢?3)在溫度過高或過低時,酶均能失去活性。()【分析】酶在溫度過高時會失活,而在低溫條件下酶的活性降低。(4)酶是通過降低活化能來起到催化作用的。()×√2.問題思考(1)在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中,自變量有哪些?如何衡量自變量對因變量的作用?提示：自變量有90℃水浴加熱、3.5%的FeCl3溶液2滴、20%的肝臟研磨液2滴;可以通過產(chǎn)生氣泡的多少或使衛(wèi)生香燃燒的程度來衡量自變量對因變量的作用。(2)從蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和特點等方面來分析,在強酸、強堿或溫度過高的條件下,酶為什么會失活?該如何保存酶?提示：在強酸、強堿或溫度過高的條件下,蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞,其生物活性就會喪失。應(yīng)該在適宜的溫度和pH等條件下保存酶。一、酶的作用、本質(zhì)及高效性的相關(guān)實驗分析1.酶的概念和作用機理(1)酶的概念:化學本質(zhì)絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)少數(shù)是RNA合成原料氨基酸核糖核苷酸合成場所核糖體細胞核(主要)來源一般活細胞中均能產(chǎn)生生理功能具有生物催化功能特性專一性、高效性、需要適宜的pH和溫度等(2)酶的作用機理:酶和其他催化劑均能降低化學反應(yīng)的活化能,分析如下:①圖中ac和bc段分別表示無催化劑和酶催化時反應(yīng)進行所需要的活化能。②若將酶變?yōu)闊o機催化劑,則b在縱軸上向上移動。③用加熱的方法不能降低活化能,但會提供活化能。2.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗分析試管號3%的H2O2溶液自變量因變量點燃衛(wèi)生香檢測結(jié)果分析處理方法氣泡多少12mL幾乎沒有無復(fù)燃H2O2自然分解緩慢22mL90℃左右水浴加熱有一些有復(fù)燃加熱能促進H2O2分解32mL滴加質(zhì)量分數(shù)為3.5%FeCl3溶液2滴較多復(fù)燃性較強Fe3+能催化H2O2的分解42mL滴加質(zhì)量分數(shù)為20%的肝臟研磨液2滴很多復(fù)燃性更強過氧化氫酶有催化H2O2分解的作用,且效率高結(jié)論:過氧化氫酶的催化效率高于FeCl3溶液等無機催化劑的催化效率,所以酶的催化作用具有高效性。【警示鐘】對酶作用本質(zhì)的錯誤理解(1)酶的作用并不是為反應(yīng)提供能量,而是降低了反應(yīng)發(fā)生所需要的能量。(2)蛋白酶并不會使所有酶失去活性,有少部分酶的化學本質(zhì)是RNA?！緦W而后思】“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中,為什么要用新鮮的肝臟研磨液?提示：若肝臟研磨液不新鮮,肝細胞內(nèi)過氧化氫酶的活性會降低。命題角度1

酶化學本質(zhì)的分析【典例訓(xùn)練1】甲、乙兩種酶用同一種蛋白酶處理,酶活性與處理時間的關(guān)系如右圖所示。下列分析錯誤的是(

)A.甲酶能夠抗該種蛋白酶降解B.甲酶不可能是具有催化功能的RNAC.乙酶的化學本質(zhì)為蛋白質(zhì)D.乙酶活性的改變是因為其分子結(jié)構(gòu)的改變

【解題關(guān)鍵】解答本題的關(guān)鍵是通過圖中蛋白酶對兩種酶的作用結(jié)果來判斷兩種酶的化學本質(zhì),然后逐項分析?！窘馕觥窟xB。酶的作用具有專一性,用蛋白酶處理后,蛋白質(zhì)類酶的活性會因其分子結(jié)構(gòu)改變而逐漸降低,非蛋白質(zhì)類酶的活性不受影響。酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)或RNA,因此乙酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì),甲酶的化學本質(zhì)是RNA。酶的生理作用都是催化作用。命題角度2

酶高效性的實驗分析【典例訓(xùn)練2】(2013·邢臺高一檢測)某同學為了探究“植物體內(nèi)有關(guān)過氧化氫酶催化過氧化氫分解的問題”設(shè)計了如下實驗,將四種植物器官各稱取3g,切成小薄片放入試管中,編號后進行實驗。(備注:“+”表示有,“/”表示無)

序號植物材料名稱3mL3%H2O2反應(yīng)現(xiàn)象反應(yīng)速率產(chǎn)生氣泡多少1/+緩慢少2馬鈴薯塊莖+迅速大量3蘋果果實+慢不多4胡蘿卜直根+快多5白菜葉柄+較快較多以下分析不正確的是(

)A.試管1在本實驗中起空白對照的作用B.不同植物組織器官中過氧化氫酶的活性或含量可能不同C.表中材料胡蘿卜直根中過氧化氫酶的催化活性最高D.若用以上各器官的研磨液3g,實驗組的反應(yīng)速率都加快【解題關(guān)鍵】解答本題的關(guān)鍵是:(1)找出本實驗中的自變量及自變量的作用本質(zhì);(2)通過反應(yīng)現(xiàn)象分析植物材料與因變量的關(guān)系?！窘馕觥窟xC。實驗中的自變量是不同植物的器官,其中試管1中沒有加入催化劑,屬于對照組;由于加入的各種植物組織都是3g,但不同植物組織中酶的含量是不同的,所以通過實驗結(jié)果不能判斷出酶的活性高低,只能反映出酶促反應(yīng)速率的快慢。將以上各器官研磨后,過氧化氫與過氧化氫酶接觸的機會增多,實驗組的反應(yīng)速率都會加快?！净犹骄俊?1)若上述實驗各器官過氧化氫酶的含量是相同的,哪一組酶的活性最高?提示：馬鈴薯塊莖中酶的活性最高。(2)上述實驗中若酶的活性不同,會是由溫度不同引起的嗎?提示：不會。因為實驗中的無關(guān)變量是相同的。二、酶特性的相關(guān)實驗1.高效性(1)表示曲線:(2)實驗驗證:①實驗組:底物+生物催化劑(酶)→底物分解速率(或產(chǎn)物形成的速率)②對照組:底物+無機催化劑→底物分解速率(或產(chǎn)物形成的速率)2.專一性(1)原因:酶只能催化與其結(jié)構(gòu)互補的底物。(2)實驗驗證:①實驗組:淀粉+淀粉酶→麥芽糖②對照組:蔗糖+淀粉酶→不分解,仍為蔗糖③現(xiàn)象:兩組中都加入斐林試劑,并水浴加熱,只有①組中出現(xiàn)磚紅色沉淀。3.溫度和pH對酶活性的影響(1)實驗課題及變量分析:課題名稱用淀粉酶探究溫度對酶活性的影響用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響實驗材料淀粉溶液、唾液淀粉酶肝臟研磨液、過氧化氫溶液自變量溫度pH自變量的設(shè)置方法分別用37℃的水、沸水、冰水處理分別用蒸餾水、HCl溶液、NaOH溶液處理因變量酶活性酶活性因變量的觀察指標加碘液后溶液顏色變化的速率氧氣產(chǎn)生的速率無關(guān)變量pH相同且適宜等溫度相同且適宜等(2)方法步驟:【學而后思】驗證酶專一性的實驗中能否使用碘液代替斐林試劑作為鑒定試劑?提示：不能。因為碘液只能檢測淀粉是否被水解,蔗糖分子是否被水解都不會使碘液變色?！镜淅?xùn)練3】(2012·福建高考)回答下列問題。大菱鲆是我國重要的海水經(jīng)濟魚類。研究性學習小組嘗試對大菱鲆消化道中蛋白酶的活性進行研究。(1)查詢資料得知,18℃時,在不同pH條件下大菱鲆消化道各部位蛋白酶活性如圖1。由圖可知,在各自最適pH下,三種蛋白酶催化效率最高的是

。(2)資料表明大菱鲆人工養(yǎng)殖溫度常年在15℃～18℃之間。學習小組假設(shè):大菱鲆蛋白酶的最適溫度在15℃～18℃間。他們設(shè)置15℃、16℃、17℃、18℃的實驗溫度,探究三種酶的最適溫度。①探究實驗中以干酪素為底物。干酪素的化學本質(zhì)是

,可用

試劑鑒定。②胃蛋白酶實驗組和幽門盲囊蛋白酶實驗組的pH應(yīng)分別控制在

。③為了控制實驗溫度,裝有酶和底物的試管應(yīng)置于___________

中以保持恒溫。單位時間內(nèi)

可以表示蛋白酶催化效率的高低。④實驗結(jié)果如圖2,據(jù)此能否確認該假設(shè)成立?

。理由是:

?！窘忸}關(guān)鍵】解答本題的關(guān)鍵是:(1)通過分析圖1明確各種酶的最適pH。(2)酶的活性代表酶的催化效率。(3)圖2中各種酶的催化效率并未達到峰值?！窘馕觥?1)由坐標圖中三種酶的活性可知,在最適pH時,幽門盲囊蛋白酶的活性最高,因此幽門盲囊蛋白酶的催化效率最高。(2)①本實驗探究蛋白酶的最適溫度,因此實驗需要的底物為蛋白質(zhì),鑒定蛋白質(zhì)可用雙縮脲試劑,該試劑可與蛋白質(zhì)發(fā)生紫色反應(yīng)。②測定酶的最適溫度時,應(yīng)提供最適的外界環(huán)境,即給各種酶提供最適pH,由圖1可知,胃蛋白酶和幽門盲囊蛋白酶的最適pH分別是2和8。③本實驗的自變量是溫度,因此各組實驗應(yīng)保持恒定的溫度,保持恒溫的主要方法是通過水浴加熱;通過產(chǎn)物的生成量或底物的消耗量可測定蛋白酶的催化效率的高低。④由圖2可以看出,在15℃～18℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,蛋白酶的活性一直在增強,沒有出現(xiàn)下降的拐點,因此,不能得出大菱鲆蛋白酶的最適溫度在15℃～18℃間。答案：(1)幽門盲囊蛋白酶(2)①蛋白質(zhì)雙縮脲②2和8③水浴底物消耗量(或產(chǎn)物生成量)④不能在15℃～18℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,酶活性一直在增強,沒有出現(xiàn)下降的拐點,所以不能得出大菱鲆蛋白酶的最適溫度【互動探究】(1)若胃蛋白酶隨食物進入大菱鲆的小腸中,其活性如何變化?提示：失活,因為小腸中的pH在8左右,而胃蛋白酶在此pH下會失活。(2)上述題目中,在探究溫度對三種酶活性的影響時,各組的pH相同,還是在各自最適pH的條件下?提示：在各自最適pH的條件下?！咀兪絺溥x1】為了探究口腔的分泌液中是否有蛋白酶,某學生設(shè)計了兩組實驗,如下圖所示。在37℃水浴中保溫一段時間后,向1、2試管中加入適量雙縮脲試劑,3、4試管中不加任何試劑。下列實驗?zāi)苓_到目的的是(

)A.實驗①B.實驗②C.實驗①、實驗②都能D.實驗①、實驗②都不能【解析】選B。雙縮脲試劑檢測的是蛋白質(zhì),蛋白酶也是蛋白質(zhì),故本題無法從化學特性上達到目的,只有考慮物理特性,如蛋白塊的變小或消失。三、各種因素對酶促反應(yīng)速率影響的曲線分析1.酶濃度對酶促反應(yīng)速率的影響曲線(1)圖甲說明:在底物充足,其他條件適宜的情況下,酶濃度與酶促反應(yīng)速率成正比。(2)圖乙說明:a.與無機催化劑相比,酶的催化效率更高。b.酶只會縮短達到化學平衡所需的時間,不改變化學反應(yīng)的平衡點。2.反應(yīng)底物濃度對酶促反應(yīng)速率的影響曲線(1)加入酶A時,一定范圍內(nèi)隨底物濃度的增加反應(yīng)速率增加,當?shù)孜餄舛瘸^一定范圍后反應(yīng)速率不再改變。(2)酶A會促進該酶促反應(yīng)的進行,而酶B不會,說明酶具有專一性。3.pH和溫度對酶促反應(yīng)速率的影響曲線(1)甲圖說明:①在最適pH時,酶的催化作用最強,高于或低于最適pH,酶的催化作用將減弱。②過酸、過堿都會使酶失活。③不同的酶最適pH不同。(2)乙圖說明:①在一定溫度范圍內(nèi),隨溫度的升高,酶的催化作用增強,超過這一范圍,酶的催化作用將減弱。②低溫只會抑制酶的活性,而高溫會使酶失活。(3)丙圖說明:反應(yīng)溶液pH的變化不影響酶作用的最適溫度?！揪剧姟繉τ绊懨富钚詶l件的最適值的兩點警示(1)酶催化反應(yīng)時,酶不同,其最適pH不同,最適溫度不同,但特定的酶最適值為定值,在最適值條件下,催化效率最高。(2)并非在最適的pH或溫度下反應(yīng)就一定能進行,若將溫度調(diào)至100℃,那么,即使在最適pH時,多數(shù)酶會喪失活性?！緦W而后思】(1)溫度、pH等外界條件的改變可以影響酶的活性,進而影響反應(yīng)速率,其中溫度是如何影響酶活性的?請描述圖中曲線及A、B兩點的含義。提示：在一定溫度范圍內(nèi),隨溫度的升高,酶的催化作用增強,超過這一范圍,酶的催化作用將減弱。低溫只會抑制酶的活性,而高溫會使酶失活。(2)在將胃蛋白酶所處的環(huán)境pH從10降到1.5的過程中,酶的活性是如何變化的?提示：不變,始終為零,因為胃蛋白酶的最適pH為1.5,在pH為10時,酶已經(jīng)失活。【典例訓(xùn)練4】(2013·玉溪高一檢測)如圖表示在不同條件下,酶催化反應(yīng)的速率(或生成物量)的變化情況。以下有關(guān)敘述不正確的是(

)A.圖①能用來表示反應(yīng)物濃度變化與反應(yīng)時間的關(guān)系B.圖②虛線表示增加酶濃度后,其他條件不變時,生成物量與反應(yīng)時間關(guān)系的變化情況C.若圖②中的實線表示過氧化氫酶對H2O2分解的催化效率,則虛線表示FeCl3溶液對H2O2分解的催化效率D.圖②也可以用來表示溫度不同的情況下,生成物和反應(yīng)物的比值與時間的關(guān)系【解題關(guān)鍵】解答本題的關(guān)鍵是分析在不同條件下橫縱坐標的關(guān)系,也就是自變量和因變量之間的關(guān)系;然后分析曲線走勢,進行正誤判斷?！窘馕觥窟xC。圖①可以表示酶促反應(yīng)中反應(yīng)物濃度變化和時間的關(guān)系,隨著反應(yīng)的進行,反應(yīng)物越來越少;圖②中的實線和虛線可以表示同一反應(yīng),只是虛線表示反應(yīng)速率快,到達反應(yīng)平衡所需時間短,所以若虛線表示加入過氧化氫酶,則實線可以代表加入FeCl3溶液時過氧化氫的分解速率;同時圖②可以表示生成物和反應(yīng)物的比值與時間的關(guān)系,因為反應(yīng)物越來越少,而生成物越來越多,最后達到平衡時不再變化?！咀兪絺溥x2】影響酶催化反應(yīng)速率的因素有溫度、反應(yīng)物濃度、酶的濃度等。如圖表示在最適溫度下,某種酶的催化反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系。有關(guān)說法正確的是(

)A.若在B點增加酶的濃度,反應(yīng)速率會減慢B.若在A點提高反應(yīng)溫度,反應(yīng)速率會加快C.若在C點增加反應(yīng)物濃度,反應(yīng)速率將加快D.若在A點增加反應(yīng)物濃度,反應(yīng)速率將加快【解析】選D。影響反應(yīng)速率的因素很多,有溫度、反應(yīng)物濃度、酶的濃度等。圖中所給出的影響因素為反應(yīng)物濃度,在B、C兩點時反應(yīng)物濃度不再是反應(yīng)速率的限制因素,但提高酶的濃度會使反應(yīng)速率提高;A點時反應(yīng)物濃度是限制因素,所以提高反應(yīng)物濃度會提高反應(yīng)速率,而提高反應(yīng)溫度反而會使反應(yīng)速率減慢。與酶活性有關(guān)的曲線類題目【案例】下面的三個圖是某研究小組利用過氧化氫酶探究H2O2分解條件而獲得的實驗結(jié)果。請回答下列有關(guān)問題:(1)圖1、2、3所代表的實驗中,實驗自變量依次為

、

、

。(2)根據(jù)圖1可以得出的實驗結(jié)論是酶的催化作用具有

。(3)圖2曲線bc段產(chǎn)生的最可能原因是

。(4)若圖2實驗過程中增加過氧化氫酶的含量,請在圖2中,用虛線繪出曲線的變化情況。(5)能否以H2O2為材料來探究溫度對H2O2酶活性的影響?

,原因是

?！緦忣}——抓準信息·快速推斷】關(guān)鍵信息推斷結(jié)論信息1由圖中坐標曲線找出各自的實驗自變量(1)圖1兩條曲線分別表示加催化劑不同造成O2產(chǎn)生量相同時所用時間不同,故自變量為催化劑種類(2)圖2、圖3自變量為坐標圖中橫坐標表示的內(nèi)容,分別是H2O2濃度、pH信息2圖1中顯示加入過氧化氫酶的曲線,O2產(chǎn)生量達到最大值所需時間比加入Fe3+的時間要短說明酶的催化效率比無機催化劑要高關(guān)鍵信息推斷結(jié)論信息3圖2曲線中ab段升高,bc段不變bc段隨H2O2濃度增加,O2產(chǎn)生速率不變,說明過氧化氫酶數(shù)量(濃度)有限,全部參與反應(yīng),反應(yīng)速率達到最大并保持不變信息4增加(過氧化氫)酶的含量底物(H2O2)濃度不變,增加酶的含量,反應(yīng)速率應(yīng)該加快,因此,O2產(chǎn)生速率應(yīng)該增大信息5以H2O2為材料探究溫度對H2O2酶活性的影響H2O2在加熱條件下會分解,如果用來探究溫度對H2O2酶活性的影響,將會影響到實驗結(jié)果的觀測【答題——規(guī)范答案·警示失誤】(1)催化劑種類H2O2濃度pH(2)高效性(3)過氧化氫酶數(shù)量(濃度)有限(4)如圖錯答：畫圖不準確。錯因：沒有理解酶濃度與酶促反應(yīng)速率的關(guān)系。(5)不能H2O2在加熱條件下會分解,影響實驗結(jié)果的觀測錯答：能。錯因：主觀上認為溫度可以影響H2O2酶的活性,忽視溫度影響H2O2分解。1.(基礎(chǔ)理論辨析題)下列說法中屬于酶特性的有(

);屬于酶化學本質(zhì)的有(

);屬于酶的功能和作用場所的有(

)A.絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)B.每一種酶只能催化一種或一類化學反應(yīng)C.具有較強的催化作用D.能在細胞內(nèi)起作用E.酶的催化效率大約是無機催化劑的107～1013倍F.酶所催化的化學反應(yīng)一般是在溫和的條件下進行的G.少數(shù)是RNAH.能在細胞外起作用【解析】選B、E、F;A、G;C、D、H。酶是具有催化功能的化合物,其本質(zhì)絕大多數(shù)是蛋白質(zhì),少數(shù)為RNA;它既可以在細胞內(nèi)起作用,如呼吸酶,也可以在細胞外起作用,如消化酶;它具有專一性、高效性和作用條件較溫和等特性。2.下列關(guān)于酶的實驗不正確的是(

)A.上述反應(yīng)中的自變量是催化劑的種類B.該實驗?zāi)茏C明酶具有高效性C.該實驗如果將肝臟進行研磨,效果會更好D.該實驗的因變量是肝臟質(zhì)量的變化【解析】選D。本實驗中用的是過氧化氫酶和氯化鐵溶液兩種不同的催化劑,所以催化劑的種類是本實驗的自變量,而加入肝臟(含過氧化氫酶)的試管反應(yīng)更快,說明了酶具有高效性;因變量是產(chǎn)生氧氣的快慢。3.活細胞內(nèi)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】選D。因為酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)或RNA,組成它們的基本單位分別是氨基酸和核糖核苷酸。4.能夠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.麥芽糖酶【解析】選B。唾液淀粉酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì),由于酶具有專一性,所以與之對應(yīng)的水解酶為蛋白酶。5.β-半乳糖苷酶能催化乳糖生成半乳糖和葡萄糖,但不能催化麥芽糖分解為葡萄糖。這表明β-半乳糖苷酶的催化作用具有

(

)A.高效性B.專一性C.穩(wěn)定性D.多樣性【解析】選B。題干中描述了β-半乳糖苷酶只能催化乳糖的分解,但不能催化麥芽糖的分解,充分說明了酶具有專一性。6.下列各圖中,①表示有酶催化的反應(yīng)曲線,②表示沒有酶催化的反應(yīng)曲線,E表示酶降低的活化能。正確的圖解是(

)【解析】選C?；罨苁侵肝镔|(zhì)由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S狀態(tài)所需要的能量;圖中②表示的是沒有催化劑的情況,而圖中①表示的是有催化劑的情況,由于兩種情況下的初態(tài)是相同的,所以最高點的差值就代表酶降低的活化能。7.(2013·洛陽高一檢測)如圖所示,在試管中均加入3mL漿糊。A、C中各注入2mL清水,B、