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新课导入
导入1:我们学习了物质跨膜运输方式,其中主动运输需要能量。此外,细胞中的其他生命活动也离不开能量,而能量的输入和利用都必须经过复杂的化学反应。细胞中每时每刻都进行着许多化学反应,统称为细胞代谢。细胞代谢离不开酶,酶在细胞代谢中究竟起什么作用?本节课先来学习酶的相关知识。
导入2:我们每天都要吃进好多的食物,不知同学们发现了没有,吃进去的比排出来的要多得多,这是为什么?这是因为食物经过了消化过程,其中化学性消化过程是复杂的化学反应的过程,而细胞中的化学反应还要比化学性消化过程复杂得多,这些复杂的化学反应却能高效有序地进行,因其有一种特殊的催化剂进行催化,这种催化剂就是酶,今天我们先来学习酶的作用和本质。
课时1 酶的作用和本质
[学习目标] 1.说明酶在代谢中的作用和本质;2.学会控制变量,观察和检测因变量的变化,设置对照组和重复实验。
知识点一 酶在细胞代谢中的作用
(对应学生用书第42～43页)
阅读教材第78～80页,完成下列填空:
1.细胞代谢
(1)场所:细胞中。
(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
(1)实验原理
水浴加热、FeCl3溶液中的Fe3+以及肝脏研磨液中的过氧化氢酶均可影响H2O2分解为H2O和O2的速率。
(2)实验过程和现象记录
编号
步骤
1
2
3
4
相同处理
向4支试管中分别加入2 mLH2O2溶液,并放在试管架上
不同处理
不
处
理
放入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
试管内产生的气泡数量
试管内卫生香燃烧程度
(3)实验结论:酶具有催化作用;同无机催化剂相比,酶的催化效率更高。
(4)对照实验
①含义:除了一个因素以外,其余因素都保持不变的实验。
②原则:除了要观察的变量外,其他变量都应当始终保持相同且适宜。
[思考与讨论] 实验中为什么要选用新鲜的肝脏并进行充分的研磨?
提示:新鲜肝脏中含有较多的过氧化氢酶,如果肝脏不新鲜,在微生物的作用下,过氧化氢酶可能被分解。另外,肝脏一定要充分研磨,以保证肝细胞破裂,否则,过氧化氢酶不会从细胞中释放出来,会影响实验效果。
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)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:使细胞代谢能在温和条件下快速进行。
要点1 对照实验中的变量及其控制
下表是验证酶的催化特性的几组对比实验,其中,1～4号试管控制的温度、投入物品及产生的现象如表所示,请回答:
操作试管
1号
2号
3号
4号
H2O2溶液(mL)
2
2
2
2
FeCl3溶液(滴)
—
—
2
—
鲜肝脏研磨液(滴)
—
2
—
2
蒸馏水 (滴)
2
—
—
—
保持温度(℃)
37
37
37
0
现象
几乎无气
泡产生
产生大
量气泡
有气泡
产生
几乎无气
泡产生
(1)1号、2号试管相比,2号试管是实验组,从实验结果分析,可以说明酶具有催化作用。
(2)2号、3号试管相比,自变量是催化剂种类,从实验结果分析,可以说明酶具有高效性。
(3)如果要证明温度对酶活性的影响,应选用2号试管和4号试管进行比较。
(4)实验过程中,4支试管为什么必须装有等量的H2O2液?保持无关变量一致。
[归纳总结] 实验中的变量及原则
(1)自变量:在实验过程中人为改变的变量。在本实验中为Fe3+和过氧化氢酶。
(2)因变量:随自变量变化而变化的变量。在本实验中为单位时间内O2的释放量。
(3)无关变量:除自变量外,实验过程中还存在的一些对实验结果造成影响的变量,如肝脏的新鲜程度、H2O2的量及浓度等。
(4)对照原则:在实验中,除了自变量外,其他变量都应当保持一致且适宜。
要点2 酶的作用机理
如图曲线Ⅰ、Ⅱ分别表示物质A在无催化剂条件和有酶催化条件下生成物质P所需的能量变化过程。下列相关叙述不正确的是( B )
A.bc段可表示在有酶条件下反应发生需要的活化能
B.若将酶改为无机催化剂,则b将向下移动
C.ac段可表示在无催化剂条件下,反应需要的活化能
D.若曲线Ⅱ为最适酶促条件下的曲线,改变酶促条件后,则b将向上移动
提示:由题意可知,曲线Ⅰ、Ⅱ分别为无催化条件和有酶条件下的能量变化。由于酶比无机催化剂降低反应所需活化能更明显。因此若将酶催化改为无机催化剂催化该反应,则b在纵轴上将向上移动。
[归纳总结] (1)活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态(活化态)所需要的能量。如图中ac和bc段分别表示无催化剂催化和有酶催化时反应进行所需要的活化能。
(2)酶降低的活化能=无酶催化时反应进行所需的能量-有酶催化时反应进行所需的能量。如图中ab段表示酶降低的活化能。
(3)酶和无机催化剂的作用机理都是降低化学反应进行所需的活化能,但同无机催化剂相比,酶降低活化能的作用更显著,因而催化效率更高。若将酶变为无机催化剂,则b在纵轴上需向上移动。
(4)用加热的方法不能降低活化能,但会提供反应所需的能量,因而能加快反应速率。
知识点二 酶的本质
(对应学生用书第43页)
阅读教材第80～82页,完成下列填空:
酶本质的探索历程
蛋白质 RNA
要点 酶的本质
下列关于酶的叙述中正确的是( B )
A.酶是由具分泌功能的细胞产生的并且能调节生物体的生命活动的有机物
B.活细胞都可产生酶,酶可在细胞外起作用
C.酶都是在核糖体上合成的
D.所有的酶与双缩脲试剂发生作用都可产生紫色反应
提示:酶是起催化作用而不是调节作用;绝大多数酶是蛋白质,在核糖体上合成,能与双缩脲试剂发生作用可产生紫色反应。
[归纳总结] 酶的概念相关归纳
化学本质
绝大多数是蛋白质
少数是RNA
实验验证
与双缩脲试剂发
生紫色反应
与吡罗红反
应出现红色
合成原料
氨基酸
核糖核苷酸
合成场所
核糖体
细胞核(真核生物)
来源
一般来说,活细胞都能产生酶
作用场所
在适宜条件下,细胞内、外及生物体外均可
核心知识小结
(对应学生用书第43页)
[要点整合]
[关键语句]
1.细胞代谢是细胞生命活动的基础。
2.实验中的变量包括自变量、因变量和无关变量,实验遵循单一变量原则和对照原则。
3.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。
4.酶的作用机理是降低反应进行所需的活化能。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。
5.酶的本质:绝大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA。
(对应学生用书第44页)
1.关于酶的性质,下列表述中错误的一项是( B )
A.化学反应前后,酶的化学性质和数量不变
B.一旦离开活细胞,酶就失去了催化能力
C.酶是活细胞产生的有催化能力的一类特殊的有机物,其中绝大多数是蛋白质,少数是RNA
D.酶的催化效率很高,但易受温度和pH的影响
解析:化学反应前后,酶的化学性质和数量不变;酶催化能力的实现不需要完整的细胞结构,只要有适宜的条件即可;酶是活细胞产生的有催化能力的一类特殊的有机物,其中绝大多数是蛋白质,少数是RNA;酶的催化效率很高,但易受温度和pH的影响。
2.如图,向含有等量过氧化氢溶液的两支试管中分别加入肝脏研磨液和氯化铁溶液,观察点燃的卫生香燃烧情况,比较过氧化氢的分解速率,下列叙述错误的是( D )
A.上述反应中的自变量是催化剂的种类
B.该实验能证明酶比无机催化剂催化效率高
C.该实验如果试管1中过氧化氢溶液的量比试管2中多一些,则实验设计不合理
D.该实验的因变量是肝脏质量的变化
解析: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,其他的量(如两试管中过氧化氢溶液的量)一定要相同,这是遵循单一变量原则;而加入肝脏研磨液(含过氧化氢酶)的试管卫生香燃烧更剧烈,即反应更快,说明了酶比无机催化剂催化效率高;本实验的因变量是过氧化氢的分解速率。
3.将少许的二氧化锰和鸡肝匀浆分别加入到等量等浓度的过氧化氢溶液中,检测两者产生的气体量。下列有关该实验结果的预测,正确的是(注:实线为加入二氧化锰产生氧气的速率,虚线为加入鸡肝匀浆产生氧气的速率)( A )
解析:二氧化锰与鸡肝匀浆中的过氧化氢酶都能催化过氧化氢分解,与无机催化剂二氧化锰相比,过氧化氢酶降低活化能更明显,反应速率更高,即相对产氧速率更高。
4.下列所采取的措施,不涉及“降低化学反应活化能”原理的是( A )
A.温度升高过氧化氢的分解速率加快
B.滴加FeCl3溶液提高过氧化氢的分解速率
C.鸟胃中的肉块消失
D.滴加新鲜肝脏研磨液提高过氧化氢的分解速率
解析:升高温度,提高分子的能量,过氧化氢的分解速率加快,不涉及“降低化学反应活化能”原理;FeCl3和酶作为催化剂,其原理都是“降低化学反应活化能”。
5.如图所示分别向4支各盛有5 mL过氧化氢溶液的试管内加入肝或砂子。在这个实验中,试管A放氧相对缓慢,试管C和D不放氧。请回答:
课时2 酶的特性
[学习目标] 1.说明酶的特性;2.学会探究影响酶活性的条件。
知识点一 酶的高效性和专一性
阅读教材第83页第2、3自然段,完成下列填空:
1.高效性
2.专一性
要点1 验证酶高效性和专一性的实验思路
某同学为了研究酶的专一性问题,做了淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用实验,下列叙述中正确的是( A )
A.淀粉酶能否催化淀粉和蔗糖的水解,可通过有无还原糖特定的颜色反应来证明
B.实验中有两次控制温度,目的是一样的
C.该实验也可用碘液替代斐林试剂的作用
D.蔗糖的纯度与新鲜程度如何并不影响实验
提示:淀粉酶可以催化淀粉水解为麦芽糖,不能催化蔗糖水解,可通过有无还原糖特定的颜色反应来检测,可以证明酶的专一性;实验中两次控制温度,第一次是为酶提供适宜的温度,第二次是还原糖的鉴定需要加热;碘液无法检测蔗糖是否被淀粉酶水解;蔗糖不纯,含有其他还原糖会影响实验结果。
[方法技巧] (1)酶高效性的实验验证
②变量分析:实验中的自变量是催化剂,因变量是底物分解速度。
③实例:比较Fe3+和过氧化氢酶的催化效率。
(2)酶专一性的实验验证
②变量分析:实验中自变量是不同底物或不同酶液,因变量是底物是否被分解。
③实例:探究胃蛋白酶对蛋白块和淀粉块的分解作用;探究胃蛋白酶和唾液淀粉酶对蛋白块的分解作用。
要点2 有关酶高效性和专一性的曲线分析
如图为过氧化氢被分解的速度曲线,其体现了酶的( D )
①化学本质 ②高效性 ③催化特性 ④作用条件较温和
A.①④ B.③④ C.①② D.②③
提示:比较加入过氧化氢被分解的曲线和加入Fe3+的曲线,说明酶具有高效性;比较加入过氧化氢酶和未加酶的曲线,说明酶具有催化的特性。
[归纳总结] (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的时间,不能改变化学反应的平衡点。
③酶只能催化已经存在的化学反应。
(2)表示酶专一性的曲线
①在A反应物中加入酶A,反应速率较未加酶时明显加快,说明酶A催化反应物A参加反应。
②在A反应物中加入酶B,反应速率和未加酶时相同,说明酶B不催化反应物A参加反应。
知识点二 酶的作用条件较温和
阅读教材第83～84页的探究和第85页“酶的作用条件较温合”,完成下列填空:
1.酶活性的概念:酶对化学反应的催化效率。
2.影响酶活性的主要因素:温度和pH。
(1)在最适宜的温度和pH条件下,酶的活性最高。温度和pH偏高或偏低,酶活性都会明显降低。
(2)过酸、过碱或温度过高,会使酶的空间结构遭到破坏,使酶永久失活。低温时酶的活性很低,但酶的空间结构稳定,在适宜的温度下酶的活性可以升高。
[想一想] 影响酶促反应速率的因素一定是因为改变了酶活性吗?
提示:不一定,如酶浓度和底物浓度影响酶促反应速率,但不改变酶活性。
要点1 探究酶活性适宜条件的实验设计思路
如表是有关探索酶催化作用的实验,请根据表格内容回答:
操作步骤
操作方法
试管A
试管B
试管C
1
加淀粉溶液
2 mL
1 mL
2 mL
2
温度处理
40 ℃
100 ℃
0 ℃
3
加淀粉酶溶液
1 mL
1 mL
1 mL
4
加碘液
2滴
2滴
2滴
(1)上表所示为探究温度对酶活性的影响的实验。
(2)按上述1～4的实验操作步骤,所观察到的实验现象是B、C试管变蓝,A试管不变蓝。
(3)在上述实验的基础上,若继续对试管C处理,使其温度逐渐上升至40 ℃,则试管C内出现的现象是蓝色逐渐褪去;若继续对试管B处理,使其温度逐渐下降至40 ℃,发现试管内没有什么变化,原因是淀粉酶变性失活。
(4)为使实验结论更具说服力,实验设计往往采用单一变量原则,依据这一原则,指出上述表格内的一处错误并加以改正:步骤1试管B中应加2 mL淀粉溶液而不是1 mL。
[归纳总结] (1)实验原理
①温度
温度影响淀粉酶的活性,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活性的高低。
②pH
2H2O22H2O+O2↑
pH可影响过氧化氢酶活性,从而影响O2的产生量,据O2产生量的多少可判断pH对过氧化氢酶活性的影响。
(2)变量分析:实验中自变量是温度(或pH),因变量是底物分解的速度或存在量。
(3)实验思路
(4)步骤设计
若干组等量底物 若干组等量酶液
↓ ↓
各自在所控制温度(或pH)下处理一段时间
↓
同温度(或pH)下的底物与酶液混合
↓
在各自所控制的温度(或pH)下处理一段时间
↓
检测、分析结果,得出结论
要点2 与酶促反应速率相关的曲线分析
如图表示人体内某种消化酶在体外最适温度条件下,反应物浓度对酶催化反应速率的影响,据图分析,下列说法正确的是( C )
A.如果在A点时,温度再提高5 ℃,则反应速率上升
B.在其他条件不变的情况下,在B点时,往反应物中加入少量同样的酶,反应速率不变
C.在A点时,限制反应速率的因素是反应物的浓度
D.在C点时,限制反应速率的因素是反应物的浓度和酶的浓度
提示:图中曲线是最适温度下的酶促反应曲线,因此,温度再提高5 ℃,反应速率会下降。B点时,其他条件不变,加入少量同样的酶,反应速率会提高;C点时,限制酶促反应速率的因素是反应物的浓度。
[归纳总结] (1)pH和温度对酶活性的影响
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。
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。
丙图说明:反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。
(2)酶浓度和底物(反应物)浓度对酶促反应速率的影响曲线
甲图说明:在底物充足、其他条件适宜的情况下,酶促反应速率与酶浓度呈正相关。
乙图说明:
①在底物浓度较低时,酶促反应速率随底物浓度增加而加快,酶促反应速率与底物浓度近乎成正比。
②当底物浓度达到一定限度时,酶促反应速率就达到一个最大值,此时即使再增加底物浓度,酶促反应速率几乎不再改变。
核心知识小结
[要点整合]
[关键语句]
1.酶的特性是高效性、专一性和作用条件较温和。
2.酶具有专一性表现为:每一种酶只能催化一种或一类化学反应。
3.在最适宜的温度和pH条件下,酶的活性最高。温度和pH偏高或偏低,酶活性都会明显降低。
4.过酸、过碱或温度过高,都会使酶因空间结构破坏而失活。
5.在一定的低温下,酶的活性低,但空间结构稳定,并未失活,在一定温度范围内酶的活性可升高。
1.下列有关酶的特性及相关实验的叙述正确的是( C )
A.pH过高或过低以及温度过高或过低都能使酶变性失活
B.在研究温度影响淀粉酶活性实验中,pH是无关变量,各组间保持相同即可
C.在温度影响酶活性实验中,不适宜选择过氧化氢酶作为研究对象
D.利用胃蛋白酶、蛋清和pH分别为3、7、11的缓冲液验证pH对酶活性的影响
解析:温度过低不会导致酶变性失活;在研究温度影响淀粉酶活性实验中,pH是无关变量,各组间保持相同且适宜;胃蛋白酶在较强酸性条件下活性较高,故还应配制pH为1～3的缓冲液用于实验。
2.如图表示一个酶促反应,它反映的酶的一个特性以及A、B、C最可能的物质依次是( C )
A.高效性 蛋白酶 蛋白质 多肽
B.专一性 麦芽糖酶 麦芽糖 葡萄糖
C.专一性 淀粉酶 淀粉 麦芽糖
D.高效性 脂肪酶 脂肪 甘油和脂肪酸
解析:由图示可知,图中A在反应前后不变化,则可推断A是酶分子,B是底物,C是产物;底物与酶分子上的特有结构相吻合,说明酶具有专一性;图示中产物C是由两个小分子组成的物质,而B是由多个小分子单位组成的大分子,由此可推断B可能是淀粉,C是麦芽糖,A则是淀粉酶。
3.如图表示某有机物(充足)中加入相应的水解酶后,置于0 ℃至80 ℃环境中,有机物被分解的总量与温度的关系。根据该图判断,若把某有机物和相应的水解酶从80 ℃开始进行降温处理,其关系图应为( B )
解析:据题图可知,当温度超过40 ℃时,有机物被分解的总量不再增加,这说明酶的活性已经丧失;当温度从 80 ℃ 降到0 ℃时,一开始酶已经失活,因此有机物的分解总量不会增加。
4.(2018·宁夏石嘴山高一检测)某同学在进行某一酶促反应实验时,第一次测得产物生成量随时间变化如图中曲线a所示,第二次实验对第一次实验中的条件进行了一处调整,实验结果如曲线b所示。该同学改变的条件可能是( B )
A.改变了酶的种类 B.改变了底物浓度
C.改变了酶的用量 D.改变了反应温度
解析:据图可知,两次实验不一样的是生成物的量,故该同学改变的条件可能是改变了底物浓度。
5.现有两种淀粉酶A与B,某生物兴趣小组为探究不同温度条件下这两种淀粉酶的活性,设计如下探究实验:
1
2
3
4
5
6
7
8
Ⅰ.设置水浴缸
温度/ ℃
20
30
40
50
20
30
40
50
Ⅱ.取8支试管各加入淀粉溶液10 mL,分别保温5 min
Ⅲ.另取8支试管各
加入等量淀粉酶溶
液,分别保温5 min
酶
A
酶
A
酶
A
酶
A
酶
B
酶
B
酶
B
酶
B
Ⅳ.将同组两个试管中的淀粉溶液与淀粉酶溶液混合摇匀,保温5 min
实验结果对各组淀粉剩余量进行检测,结果如图所示。
(1)该实验的自变量是 和 。
(2)根据实验结果分析,酶B在 ℃条件时活性较高。
(3)本实验能不能用斐林试剂检测生成物麦芽糖的含量来表示? ,理由是 。
(4)若要进一步探究酶B的最适温度,实验设计的主要思路应是在 ℃之间设立较小等温度梯度的分组实验,按上述步骤进行实验,分析结果得出结论。
解析:由题图表可知(1)自变量为温度和淀粉酶的种类。(2)由柱形图可知40 ℃条件下加酶B的组淀粉剩余量最少,说明此时酶的活性较高。(4)由于40 ℃时酶的活性较高,因此要确定酶B的最适温度,应在30～50 ℃之间,设立较小的等温度梯度进一步进行实验。
答案:(1)温度 淀粉酶的种类 (2)40 (3)不能 斐林试剂检测时需水浴加热,会导致反应体系温度发生改变,影响实验结果 (4)30～50
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