【学案】 第5章　第1节　第2课时　酶的特性　生物学人教版（2019） 必修1

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第2课时　酶的特性
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.阐明酶的高效性、专一性和作用条件较温和。2.通过相关的实验和探究，尝试控制自变量、观察和检测因变量，设置对照组和重复组。 1.酶的特性是高效性、专一性和作用条件的温和性。2.酶具有高效性的原因：与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著。3.过酸、过碱或温度过高都会使酶因空间结构被破坏而失活。4.在一定的低温下，酶的活性被抑制，但空间结构稳定，在适宜温度下其活性可恢复。
[主干知识梳理]
一、酶的特性
1．酶具有高效性
(1)含义：酶的催化效率是无机催化剂的107～1013倍。
(2)意义：使细胞代谢快速进行。
2．酶具有专一性
(1)含义：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。
(2)意义：使细胞代谢能够有条不紊地进行。
3．酶的作用条件较温和
(1)酶活性：酶催化特定化学反应的能力称为酶活性。可用在一定条件下酶所催化某一化学反应的速率表示。
(2)酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。过酸、过碱或温度过高，都会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。低温只能使酶的活性降低，但酶的空间结构稳定，在适宜的温度下酶的活性会升高。
(3)曲线分析
①P点：最适温度；Q点：最适pH。
②偏离P点或Q点：酶的活性降低。
③过酸、过碱或温度过高：酶失活。
二、细胞代谢有序进行的原因
1．原因：细胞中的各类化学反应之所以能有序进行，还与酶在细胞中的分布有关。
2．实例：植物叶肉细胞中，与光合作用有关的酶分布在叶绿体内，与呼吸作用有关的酶分布在细胞质基质和线粒体内，这样，光合作用与呼吸作用在细胞内不同的区室同时进行，就可以互不干扰了。
[边角知识发掘]
1．下面是酶活性受pH影响的示意图，其中正确的是________。(填编号)
提示：酶活性受pH的影响，在最适pH时，酶活性最高，pH过低或过高，酶分子结构受到破坏，酶活性丧失，不可恢复；在最适pH范围内，酶活性随pH增大而增加，超过了最适pH，酶活性随pH增大而降低。
答案：A
2．阅读教材P84第二段正文，说出酶制剂适于在低温(0～4 ℃)下保存的原因：____________________________________________________。
答案：在0 ℃左右时，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
3．阅读教材P85“科学·技术·社会”，结合下列材料，完成有关问题。
多酶片是一种复方制剂，它主要是由胰酶、胃蛋白酶复合而成的一种药物，其说明书的部分内容如下。
[性状]本品为肠溶衣与糖衣的双层包衣片，内层为胰酶，外层为胃蛋白酶。
[适应症]用于消化不良、食欲缺乏。
[用法用量]口服。一次2～3片，一日3次。
[注意事项]本品在酸性条件下易破坏，故服用时切勿嚼碎。
问题：
(1)酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，具有____________________________等特性。由于胰酶和胃蛋白酶________________________________，故可以加工成多酶片保存，方便患者使用。服用多酶片时不能嚼碎的原因是___________________________________。
(2)多酶片被肠溶衣与糖衣双层包被，外层包被应为__________(填“肠溶衣”或“糖衣”)。糖衣以糖浆为主要包衣材料，有一定的防潮、隔绝空气、掩盖药物不良气味等作用；肠溶衣为一层特殊包裹物质，能很好保护胰酶不会在胃部被破坏的原因是____________________________________________________。
答案：(1)高效性、专一性、作用条件温和　在常温下分子结构比较稳定　胰酶会在胃部的酸性环境中变性失活，且会被胃蛋白酶催化水解　(2)糖衣　胃液不能水解破坏肠溶衣
新知探究一　酶的高效性和专一性
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．验证酶的高效性
在比较肝脏研磨液(过氧化氢酶)和FeCl3对过氧化氢的催化效率实验中(如图)，试管甲产生的气泡比试管乙多，说明与无机催化剂相比，酶的催化作用具有高效性。
2．酶的专一性
(1)实验验证：淀粉和蔗糖不是还原糖，但淀粉水解后会生成麦芽糖，蔗糖水解后会产生葡萄糖和果糖，麦芽糖、葡萄糖、果糖都是还原糖。下表为比较新鲜唾液(唾液淀粉酶)对淀粉和蔗糖的催化作用实验，请分析：
　　　　　试管编号操作步骤　　　　　　 1 2
可溶性淀粉溶液 2 mL —
蔗糖溶液 — 2 mL
新鲜的淀粉酶溶液 2 mL 2 mL
2支试管内的液体混合均匀后，60 ℃保温5 min
新配制的斐林试剂 2 mL 2 mL
煮沸1 min
观察溶液颜色的变化
①1号试管有砖红色沉淀生成，2号试管不出现砖红色沉淀，说明什么？
提示：1号试管中淀粉被水解，2号试管中蔗糖没有被水解。
②上述实验说明了什么？
提示：淀粉酶只催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解，酶的催化作用具有专一性。
③上述实验中能否使用碘液代替斐林试剂作为鉴定试剂？
提示：不能。因为碘液只能检测淀粉是否被水解，蔗糖分子是否被水解都不会使碘液变色。
④肽酶能催化多种多肽水解为氨基酸，是否说明肽酶没有专一性？
提示：不是。酶的专一性是指每一种酶只能催化一种或一类化学反应，肽酶催化的是一类反应，也说明其具有专一性。
(2)原理分析
如图可以解释酶具有专一性及其原理，据图分析各字母代表什么意义？
提示：图中A表示酶，B表示被A催化分解的底物，E、F表示B被分解后产生的物质，C、D表示不能被A催化的物质。
[师说重难]　
1．验证酶的高效性
(1)设计思路
验证酶高效性的方法是“对比法”，即通过对不同类型催化剂(主要是与无机催化剂作比较)催化底物的反应速率进行比较，得出结论。
(2)设计方案
项目 实验组 对照组
材料 等量的同一种底物
试剂 与底物相对应的酶溶液 等量的无机催化剂
现象 反应速率很快；或反应用时短 反应速率缓慢；或反应用时长
结论 酶具有高效性
2．验证酶的专一性
(1)设计思路
验证酶专一性的方法也是“对比法”，常见的有两种方案：底物相同但酶不同或底物不同但酶相同，最后通过观察酶促反应能否进行得出结论。
(2)设计方案
项目 方案一 方案二
实验组 对照组 实验组 对照组
材料 底物相同(等量) 与酶相对应的底物 另外一种底物
试剂 与底物相对应的酶 另外一种酶 同一种酶(等量)
现象 发生反应 不发生反应 发生反应 不发生反应
结论 酶具有专一性
[在应用中悟]
[典例1]　下列实验或现象能说明酶的高效性的是(　　)
①唾液中有唾液淀粉酶，把唾液稀释10倍后，催化淀粉完全水解的速度仍快于无机催化剂　
②取两支洁净的试管，分别加入等量的淀粉溶液，然后向其中一支试管中加适量的淀粉酶溶液，另一支试管中加入等量的蒸馏水，一段时间后，检测淀粉的分解情况　
③在两支盛有适量过氧化氢溶液的试管中，分别加入等量过氧化氢酶和FeCl3 溶液，观察气泡的释放速率
A．①②③　　　　　　 B．①③
C．③ D．②③
[解析]　酶的高效性指的是酶与无机催化剂相比，其催化效率更高。
[答案]　B
[典例2]　(2019·浙江4月选考)为研究酶的特性，进行了实验，基本过程如下表所示：
步骤 基本过程 试管A 试管B
1 加入2%过氧化氢溶液 3 mL 3 mL
2 加入马铃薯匀浆 少许 —
3 加入二氧化锰 — 少许
4 检测
据此分析，下列叙述错误的是(　　)
A．实验的可变因素是催化剂的种类
B．可用产生气泡的速率作检测指标
C．该实验能说明酶的作用具有高效性
D．不能用鸡肝匀浆代替马铃薯匀浆进行实验
[解析]　比较试管A和试管B中加入的物质，可知本实验的自变量是催化剂的种类，A正确；本实验的检测指标可以是产生气泡的速率，B正确；马铃薯匀浆中含有过氧化氢酶，二氧化锰属于无机催化剂，通过比较二者催化过氧化氢分解的情况，可以证明酶具有高效性，C正确；鸡肝匀浆中也含有过氧化氢酶，所以可以用鸡肝匀浆代替马铃薯匀浆进行实验，D错误。
[答案]　D
[在训练中评]
1．如图表示酶的催化反应过程，下列有关叙述错误的是(　　)
A．此图可反映酶的专一性
B．图中d可表示酶
C．图中b可表示被催化的底物
D．图中e、f可表示b分解后的产物
解析：选B　图示表明一种酶只能水解一种物质，说明酶具有专一性；图中a在化学反应前后不发生改变，代表酶；a将b分解为e和f，故图中b可表示被催化的底物，e和f代表产物。
2．下表是某同学为验证酶的专一性而设计的实验方案，a～d 代表试管，①～⑦代表实验步骤。对该实验方案的有关评价，错误的是(　　)
a b c d
① 淀粉溶液2 mL 蔗糖溶液2 mL 唾液淀粉酶溶液2 mL 唾液淀粉酶溶液 2 mL
② 50～65 ℃温水中水浴加热 10 min
③ 将c倒入a，将d倒入b
④ 50～65 ℃温水中水浴加热 10 min
⑤ 加入现配的斐林试剂溶液 2 mL
⑥ 37 ℃恒温水浴
⑦ 观察并记录颜色变化
A.唾液淀粉酶的用量属于自变量
B．②和④会影响酶的活性
C．②④和⑥的温度设置错误
D．⑥的设置应为50～65 ℃水浴2 min
解析：选A　由题干信息可知，验证酶专一性的方式是用同一种酶催化不同物质的反应，因此唾液淀粉酶的用量在不同实验组应完全相同，不属于自变量；②和④的温度超过了唾液淀粉酶的最适温度，会影响酶的活性；②④的温度应设置为37 ℃恒温水浴，⑥应设置为50～65 ℃温水中水浴加热2 min。
新知探究二　温度和pH对酶活性的影响
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．探究温度对酶活性的影响
　　试管步骤　　 1 1′ 2 2′ 3 3′
3%的可溶性淀粉溶液 2 mL — 2 mL — 2 mL —
2%的淀粉酶溶液 — 1 mL — 1 mL — 1 mL
不同温度下处理5 min 100 ℃(或0 ℃) 60 ℃ 0 ℃(或100 ℃)
将同一温度下的两种物质混合后保温5 min
滴加碘液 1滴 1滴 1滴
结果(现象) 变蓝 不变蓝 变蓝
结论 酶的催化作用需在适宜的温度下进行，温度过高或过低都会影响酶的活性
(1)同一温度下的淀粉和淀粉酶为什么要预热到同一温度再混合？
提示：保证反应一开始就达到预设温度，不会因为混合而改变温度。
(2)能否用过氧化氢溶液来探究温度对酶活性的影响？
提示：不能。探究温度对酶活性的影响时，自变量是温度，而过氧化氢在高温时会分解，影响对实验结果的分析。
(3)在探究温度对淀粉酶活性的影响的实验中能否用斐林试剂来检测？
提示：不能。因为斐林试剂与还原糖只有在加热的条件下才有砖红色沉淀生成，而该实验需严格控制不同温度。
2．探究pH对酶活性的影响
步骤 试管编号
1 2 3
20%的肝脏研磨液 1 mL 1 mL 1 mL
蒸馏水 1 mL — —
0.01 mol/L的氢氧化钠溶液 — 1 mL —
0.01 mol/L的盐酸溶液 — — 1 mL
3%的过氧化氢溶液 2 mL 2 mL 2 mL
振荡试管
结果 有大量气泡产生 无明显气泡 无明显气泡
(1)该实验结果说明了酶的活性和pH有什么关系？
提示：酶发挥催化作用需要适宜的pH，pH偏高或偏低都会使酶活性降低。
(2)该实验中，能否在加入肝脏研磨液后，直接加入3%的过氧化氢溶液，然后再调节pH
提示：不能。因为酶的作用具有高效性，在调节pH之前，试管中已经发生了剧烈反应，会影响实验结果。
(3)本实验能否选用淀粉酶和淀粉作为实验材料？为什么？
提示：不能。因为淀粉酶催化的底物淀粉在酸性条件下也会发生水解反应。
[师说重难]　
探究酶的最适温度和最适pH
1．设计思路
组别编号 1 2 … n
实验材料 等量的同种底物
温度(pH) T1(a1) T2(a2) … Tn(an)
衡量指标 相同时间内，各组酶促反应中生成物量的多少，或底物剩余量的多少
实验结论 生成物量最多的一组，或底物剩余量最少的一组所处温度(或pH)为最适温度(或pH)
2．实验操作
(1)探究酶的最适温度
(2)探究酶的最适pH
O2的产生速率
[在应用中悟]
[典例1]　(2020·扬州期末)据表分析，下列说法错误的是(　　)
组别 ① ② ③
3%淀粉溶液 2 mL 2 mL 2 mL
2%α 淀粉酶溶液 1 mL 1 mL 1 mL
反应温度 0 ℃ 60 ℃ 100 ℃
碘液 2滴 2滴 2滴
A.本实验探究的是温度对淀粉酶活性的影响
B．α 淀粉酶的浓度是本实验中的无关变量
C．淀粉溶液和酶溶液需分别保温后再混合
D．①③组结果均出现蓝色，说明酶彻底失活
[解析]　分析表格数据可知，该实验的自变量是温度，所以本实验探究的是温度对淀粉酶活性的影响；α 淀粉酶的浓度是本实验中的无关变量；淀粉溶液和酶溶液需分别保温后再混合，控制无关变量都保持一致；0 ℃时淀粉酶活性很低，并未失活，100 ℃时淀粉酶变性失活。
[答案]　D
[典例2]　(2020·上饶月考)下列有关酶的实验设计思路的叙述，正确的是(　　)
A．利用淀粉、蔗糖、淀粉酶和碘液验证酶的专一性
B．利用过氧化氢、新鲜的猪肝研磨液和FeCl3溶液研究酶的高效性
C．利用过氧化氢和过氧化氢酶探究温度对酶活性的影响　
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]　可以利用淀粉、蔗糖、淀粉酶和斐林试剂验证酶的专一性，但不能用碘液，因为蔗糖是否水解无法判断；过氧化氢、新鲜的猪肝研磨液和FeCl3溶液可以研究酶的高效性；过氧化氢的分解受温度的影响，所以不能用其探究温度对过氧化氢酶的影响；胃蛋白酶的最适pH为1.5，因此不能利用胃蛋白酶、蛋清和pH分别为3、7、11的缓冲液验证pH对酶活性的影响。
[答案]　B
■易错提醒
[在训练中评]
1．(2020·攀枝花调研)如图表示在某pH范围内酶a和酶b所催化的反应速率的变化情况，下列有关说法正确的是(　　)
A．将pH由4调至6，酶b的活性逐渐增强
B．在不同温度下，酶a的最适pH不同
C．酶b具有高效性，酶a不具有高效性
D．pH为5时，两种酶催化的反应速率相等
解析：选D　酶b的最适pH为6，pH为4时，酶失去活性；在不同温度下，酶a的最适pH相同；酶都具有高效性；由图中曲线可以看出，pH为5时，两种酶催化的反应速率相等。
2．下列有关探究“影响酶活性的条件”实验的叙述，正确的是(　　)
A．若探究pH对过氧化氢酶活性的影响，则pH是自变量，过氧化氢分解速率是无关变量
B．若探究温度对酶活性的影响，可选择新鲜肝脏研磨液和过氧化氢溶液进行反应
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温度
D．若探究温度对淀粉酶活性的影响，不可选择斐林试剂对实验结果进行检测
解析：选D　若探究pH对过氧化氢酶活性的影响，则pH是自变量，过氧化氢分解速率是因变量；若探究温度对酶活性的影响，不可选择新鲜肝脏研磨液和过氧化氢溶液进行反应，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，应先将淀粉溶液与淀粉酶溶液在各自所需的温度下保温一段时间再混合；若探究温度对淀粉酶活性的影响，不可选择斐林试剂对实验结果进行检测，因为斐林试剂需在水浴加热条件下才会发生特定的颜色反应，而该实验中需严格控制温度。
科学思维——构建与酶有关的数学模型
(一)用曲线模型表示酶的三大特性
1．图1中酶参与的反应对应曲线A，无机催化剂参与的反应对应曲线B，未加催化剂时的反应对应曲线C，由此说明，与无机催化剂相比，酶的催化作用具有高效性。
2．图2中加入酶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；而加入酶A的反应速率在一定范围内随反应物浓度的增大明显加快，说明酶的催化作用具有专一性。
3．(1)图3中b点表示最适温度，e点表示最适pH。
(2)温度在a点时，酶的活性较低，但不会失活；温度≥c，酶会失活。pH≤d、pH≥f，酶都会失活。
(3)由图3可知，酶的作用条件较温和，在最适宜的温度和pH条件下，酶的活性最高。
(二)用曲线模型表示影响酶促反应的因素
1．反应物浓度、酶浓度与酶促反应速率的关系(图1、2)
(1)图1：在其他条件适宜、酶量一定的情况下，酶促反应速率随反应物浓度增加而加快，但当反应物达到一定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。
(2)图2：在反应物充足、其他条件适宜的情况下，酶促反应速率与酶浓度呈正相关。
2．温度和pH与酶促反应速率的关系(图3)
(1)图3：温度和pH是通过影响酶活性来影响酶促反应速率的；反应物浓度和酶浓度是通过影响反应物与酶的接触来影响酶促反应速率的，并不影响酶的活性。
(2)图3：反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度；反应溶液温度的变化也不改变酶作用的最适pH。
[素养评价]
1.(2020·杭州模拟)如图表示在最适pH、底物浓度一定的条件下，某酶促反应速率在不同温度条件下的变化曲线。下列叙述错误的是(　　)
A．温度为a时反应速率大的原因是相关酶的活性高
B．温度超过c后，相关酶将完全失去活性
C．适当升高或降低反应体系的pH，b点都将下移
D．适当提高反应体系中底物的量，a点将右移
解析：选D　温度为a时反应速率大的原因是相关酶的活性高，A正确；温度过高会引起酶的空间结构被破坏，从而使酶完全失去活性，B正确；题图为在最适pH条件下得到的，适当升高或降低反应体系的pH，则最适温度下的反应速率下降，C正确；适当提高反应体系中底物的量，可能会提高酶促反应速率，使b点上移，但不能改变酶促反应速率的最适温度，D错误。
2．如图表示在不同条件下，酶催化反应的速率(或生成物量)变化，下列有关叙述错误的是(　　)
A．甲中虚线可表示酶量增加一倍时，底物浓度和反应速率的关系
B．乙中虚线可表示增加酶浓度，其他条件不变时，生成物量的变化示意曲线
C．若乙中的实线表示Fe3＋的催化效率，则虚线可表示过氧化氢酶的催化效率
D．图丙不能表示在反应开始后的一段时间内，反应速率与时间的关系
解析：选D　底物浓度充足时，酶促反应速率与酶浓度成正比，甲中虚线所示反应速率加快，可表示酶量增加一倍时底物浓度和反应速率的关系；催化剂只能缩短达到化学平衡所需要的时间，但不改变化学反应的平衡点，同时酶的催化效率高，故乙中虚线可表示增加酶浓度，生成物量的变化示意曲线；由于酶具有高效性，若乙中实线表示Fe3＋的催化效率，则虚线可表示过氧化氢酶的催化效率；酶促反应开始时底物浓度高，反应快，后来底物逐渐被分解，反应速率降低，则图丙能表示在反应开始后的一段时间内，反应速率与时间的关系。
3．为了研究温度对某种酶活性的影响，设置三个实验组：A组(20 ℃)、B组(40 ℃)和C组(60 ℃)，测定各组在不同反应时间内的产物浓度(其他条件相同)，结果如图。回答下列问题：
(1)三个温度条件下，该酶活性最高的是________组。
(2)在时间t1之前，如果A组温度提高10 ℃，那么A组酶催化反应的速度会________。
(3)如果在时间t2时，向C组反应体系中增加2倍量的底物，其他条件保持不变，那么在t3时，C组产物总量________，原因是__________________________________。
(4)生物体内酶的化学本质是______________________________________，其特性有
____________________________________________________(答出两点即可)。
解析：(1)在60 ℃条件下，反应的最终产物浓度比20 ℃和40 ℃条件下小很多，说明酶在60 ℃条件下最终失活。20 ℃与40 ℃条件下相比，40 ℃时酶促反应到达反应平衡的时间短，说明40 ℃条件下酶活性较高。(2)在时间t1之前，如果A组温度提高10 ℃变成30 ℃，由该酶活性随温度的变化规律可知，30 ℃条件下的该酶活性大于20 ℃条件下的，因此A组酶催化反应的速度会加快。(3)t2时C组的产物浓度已不再增加，但由A和B组t2时的产物浓度可知，t2时C组底物并未全部被分解，C组产物浓度不再增加是由于温度过高导致t2时酶已经变性失活。因此如果在时间t2时，向C组反应体系中增加2倍量的底物，在其他条件保持不变的情况下，t3时产物的总量也不会再增加。(4)生物体内酶的化学本质绝大多数是蛋白质，极少数是RNA。酶具有高效性、专一性、作用条件较温和的特性。
答案：(1)B　(2)加快　(3)不变　60 ℃条件下，t2时酶已失活，即使增加底物，反应产物总量也不会增加
(4)蛋白质或RNA　高效性、专一性、作用条件较温和(答出两点即可)
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