人教版（2019）高中生物必修1导学案：第5单元 细胞的能量供应和利用 第1课时 降低化学反应活化能的酶(一 )酶的作用和本质（含答案）

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第5单元 细胞的能量供应和利用
第1课时　降低化学反应活化能的酶
一　酶的作用和本质
1.说出酶的作用和本质。
2.尝试比较过氧化氢在不同条件下的分解速率。
3.学会控制自变量,观察和检测因变量的变化。
课程重点:1.比较过氧化氢在不同条件下的分解速率快慢的实验;2.酶的本质。
课程难点:1.酶能降低化学反应的活化能;2.酶的本质。
教学建议:细胞代谢是通过化学反应来实现的,而化学反应的发生离不开能降低活化能的酶。酶是什么 其本质是什么 科学家进行了长期的探索,我们要认同科学发展是在不断地探索和争论中前进的。理解和掌握酶是活细胞产生的具有催化作用的一类有机物,大多数酶是蛋白质,少数是RNA,而不是所有的酶都是蛋白质。进行有关的实验和探究,学会控制自变量、观察和检测因变量,以及设置对照实验和重复实验。
　　一、对照实验
1.细胞代谢:细胞中每时每刻都进行着许多①　化学反应　,称为细胞代谢。
2.对照实验的变量控制:实验过程中可以变化的因素称为变量。其中人为改变的变量称为②　自变量　,随着自变量的变化而变化的变量称作③　因变量　,除自变量外,实验过程中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④　无关变量　。除一个因素以外,其余因素都保持不变的实验叫作⑤　对照实验　,它一般设置对照组和实验组。
二、酶的本质
1.酶本质的探索过程:1857年巴斯德提出发酵是由于酵母细胞的存在,即有⑥　活细胞　的参与才能引起发酵;而德国化学家李比希却坚持认为引起发酵的是酵母细胞中的某些物质,但这些物质只有在酵母细胞⑦　死亡并裂解　后才能发挥作用,两种观点争执不下。德国化学家毕希纳发现不含酵母细胞的⑧　提取液　与活酵母是一样的,都能引起发酵,他将引起发酵的物质称为酿酶。最早从刀豆中提取出脲酶的是美国科学家萨姆纳,他用多种方法证明了酶是⑨　蛋白质　。20世纪80年代,美国科学家切赫和奥特曼发现少数⑩　RNA　也有生物催化功能。
2.酶的定义:酶是　活细胞　产生的,具有　催化　作用的一类　有机物　。
三、酶的作用
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　称为活化能。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,这样细胞代谢就能在　温和　的条件下快速进行。
1.酶的基本组成单位是(　　)。
A.蛋白质　　　　　　　　B.氨基酸
C.核糖核酸 D.氨基酸或核糖核苷酸
【解析】酶的化学本质是蛋白质或RNA,蛋白质的基本组成单位是氨基酸,RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。
【答案】D
2.酶具有极强的催化功能,其原因是(　　)。
A.降低了化学反应的活化能
B.增加了反应物之间的接触面
C.提高了反应物分子的活化能
D.酶提供使反应开始所必需的活化能
【解析】酶之所以能使代谢在温和的条件下快速地进行,原因就是酶降低了化学反应的活化能,提高了活化分子的数量。
【答案】A
3.(2014年晋江侨声高一月考)下列有关酶的说法,不正确的是(　　)。
A.不是所有的酶都在核糖体上合成
B.酶在化学反应前后自身化学性质不发生改变
C.酶都是由活细胞产生的
D.细胞环境是酶正常发挥催化作用的必要条件
【解析】有少数酶是RNA,其合成不在核糖体上,A正确;酶只起催化作用,不参与反应,在化学反应前后自身化学性质不发生改变,B正确;酶都是由活细胞产生的,C正确;酶可在细胞外起作用,D错误。
【答案】D
4.(2015年厦门二中高三月考)下列有关酶的叙述,正确的是(　　)。
A.高温和低温均能破坏酶的结构使其失去活性
B.同一个体的不同细胞,酶的种类相同,数量不同
C.酶是由活细胞产生的,只能在细胞内起作用
D.酶都是通过降低反应的活化能来提高反应速率
【解析】高温破坏酶的结构使其失活,低温降低酶的活性,A错误;同一个体的不同细胞,酶的种类不同,数量也不同,B错误;酶是由活细胞产生的,即可在细胞内起作用,也可分泌到细胞外起作用,C错误;酶都是通过降低反应的活化能来提高反应速率,D正确。
【答案】D
5.(2014年鹤壁高一检测)有关酶的发现过程叙述错误的是(　　)。
A.斯帕兰札尼做了一个巧妙的实验,发现了化学消化
B.巴斯德和李比希的观点既有积极意义,又有其局限性
C.毕希纳认为酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续起催化作用,他将这些物质称为酿酶
D.萨姆纳认为酶多数是蛋白质,少数是RNA
【解析】斯帕兰札尼做了一个巧妙的实验,阻止了物理消化的进行,从而证明了化学消化的存在;萨姆纳提取到脲酶的化学本质是蛋白质,没有发现RNA起到酶的作用。
【答案】D
知识点一:比较过氧化氢在不同条件下的分解实验解读
1.请叙述实验原理,并用化学方程式表示。
答案:过氧化氢在高温或Fe3+或H2O2酶的作用下都可分解成H2O和O2。
2H2O22H2O+O2
2.该实验设计遵循了对照原则和单一变量原则,具体分析如下图所示。图中的实际结果就是观察指标,即各试管气泡冒出情况。请问,若将带火星的卫生香放在试管液面上,第3、4号试管中的现象相同吗 如果不同,则现象分别是什么 本实验能得出什么结论
答案:不同。第3号试管中卫生香火头变明亮,第4号试管中卫生香复燃。结论:酶的催化作用比无机催化剂的催化作用更显著。
3.实验过程中需要注意哪些事项 并简要说明原因。
答案:①肝脏要新鲜,以保证H2O2酶的数量及活性;②肝脏要制成研磨液,以便与底物H2O2充分接触;③滴加研磨液和FeCl3溶液的滴管不能共用,否则影响实验结果的准确性;④带火星的卫生香不要触碰到气泡或插入到液面以下,以免卫生香因潮湿而熄灭;⑤H2O2溶液有腐蚀性,使用时要小心,不要触及皮肤。
知识总结
该知识点是探究酶的高效性。催化剂催化效应的高低是相对的,酶作为生物催化剂表现出高效性也是有条件的,一是要保证酶活性的适宜条件,如适宜的温度、pH等;二是要在同等条件下与无机催化剂的催化效应相比较;三是相比较的酶和无机催化剂催化的化学反应要相同。
例1　过氧化氢酶能催化H2O2的分解,产生的[O]能使溶于水的无色焦性没食子酸氧化生成橙红色沉淀。为了鉴定马铃薯块茎是否含有过氧化氢酶,设计了如下实验。
(1)3号试管内加入的物质是　。
(2)设计2号试管作为对照的具体目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)如果2号试管未产生颜色反应,则出现橙红色沉淀的是　　　号试管。
【解析】要鉴定马铃薯块茎是否含有过氧化氢酶,题目给出了四组实验,很显然,1、2、4号为对照组,3号为实验组,遵循单一变量的原则,所以3号试管内加入的物质应为2 mL焦性没食子酸溶液,2滴H2O2溶液和2 mL马铃薯块茎提取液。1号试管对照的目的是排除水对H2O2的影响,2号试管是为了排除马铃薯块茎提取液中的其他物质对实验结果的影响,4号试管是为了验证失活的过氧化氢酶分解H2O2产生的颜色反应,因此,对照组将都不会出现橙红色沉淀,即只有3号试管能产生颜色反应。
【答案】(1)2 mL焦性没食子酸溶液、2滴H2O2溶液、2 mL马铃薯块茎提取液　(2)排除马铃薯块茎提取液中的其他物质对实验的影响　(3)3
　 技巧归纳
该题为实验题,解题时要读懂实验设计的意图,实验遵循了单一变量原则和对照性原则。探究马铃薯块茎中是否含H2O2酶,设立了1、2、4三组实验的对照组,通过颜色变化来反映反应发生的情况,达到探究的目的。
知识点二:对酶的化学本质及作用机理的认识
1.酶与一般催化剂的共同点有哪些
答案:①加快化学反应速率,本身没有数量和性质上的改变;②只能催化已存在的化学反应;③降低化学反应的活化能,缩短达到平衡的时间,但不改变平衡点。
2.如果某种酶的化学本质是蛋白质,该如何证明 如果是RNA呢 请简要说出实验原理。
答案:①证明某种酶是蛋白质:
实验组:待测酶液+双缩脲试剂→是否出现紫色反应;
对照组:已知蛋白液+双缩脲试剂→出现紫色反应。
②证明某种酶是RNA:
实验组:待测酶液+吡罗红染液→是否呈现红色;
对照组:已知RNA溶液+吡罗红染液→呈现红色。
3.什么是活化能 酶的作用机理是什么 酶除在细胞内发挥作用外,适宜条件下在细胞外(如试管、消化道中)是否也能发挥作用
答案: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称为活化能。酶的作用机理是降低化学反应的活化能。适宜条件下,酶在细胞外也能发挥作用。
4.酶与无机催化剂降低活化能的作用是否相同 谁的作用更显著 其意义是什么
答案:不同。酶降低活化能的作用更显著,从而使得细胞代谢能在较温和的条件下进行。
知识总结
酶的化学本质是蛋白质或RNA,这里有两点说明:一是大多数酶的化学本质是蛋白质。解题时,一般都把酶的成分看成是蛋白质,除非题目中有特别的说明。二是一般正常情况下,酶本身不会被自身的酶水解,如胃中的胃蛋白酶的化学本质是蛋白质,但在胃中不会被自身的酶水解,而随唾液进入胃中的唾液淀粉酶在酸性条件下失活后,作为蛋白质类物质却会被胃蛋白酶水解。作为催化剂,酶在催化反应前后,本身没有数量和性质上的改变。
例2　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,此种化学反应的速率便慢了下来。由此可以说明(　　)。
A.RNA是核酸的一种
B.RNA也可起生物催化剂的作用
C.RNA主要存在于细胞质中
D.RNA是该种生物的遗传物质
【解析】有些酶的化学本质是RNA,题目中提到的RNA是某种化学反应的生物催化剂——酶。
【答案】B
　 技巧归纳
催化剂(包括酶)的催化机理是能降低化学反应的活化能。如下图所示,由于在催化反应中,只需较少的能量就可以使反应物进入“活化态”,和非催化反应相比,处于“活化态”的分子数量大大增加,从而加快了反应速率。同无机催化剂相比,酶降低活化能的作用更显著。
1.下列关于酶和无机催化剂的叙述,错误的是(　　)。
A.二者均可改变反应的速率
B.反应前后,二者的性质和数量均没有变化
C.酶可降低反应的活化能,而无机催化剂则不能
D.酶需要温和的条件,而无机催化剂则不需要
【解析】酶和无机催化剂均可改变反应速率;反应前后,二者的性质和数量均没有变化;二者均可降低反应的活化能,而酶降低活化能的作用更显著;酶的作用需要温和的条件,而无机催化剂的作用往往需要加热、加压等条件。
【答案】C
2.20世纪80年代科学家发现了一种RNaseP酶,是由20%的蛋白质和80%的RNA组成,如果将这种酶中的蛋白质除去,并提高Mg2+的浓度,他们发现留下来的RNA仍然具有与这种酶相同的催化活性,这一结果表明(　　)。
A.某些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】RNaseP酶除去蛋白质仅剩RNA后仍具有催化活性,表明RNaseP酶中起催化作用的化学物质是RNA,因此可以说明某些RNA具有生物催化作用;绝大多数酶是蛋白质,少数是RNA说法是正确的,但是该题不能体现这一观点。
【答案】A
3.(2015年衡阳八中高三月考)某同学设计了如下实验,下列叙述正确的是(　　)。
加入物质 试管号
1 2
H2O2(mL) 2 2
质量分数20%的肝脏研磨液 2 —
质量分数3.5%的FeCl3溶液 — 2
恒温处理15 min(℃) 37 37
带火星的卫生香检测 略 略
　　A.本实验的自变量是催化剂的有无
B.本实验的原理是酶能降低化学反应的活化能
C.最终试管1中溶液颜色较深
D.若肝脏研磨液不新鲜,可导致两组试管卫生香的复燃程度相同
【解析】本实验的自变量是催化剂的种类,A错误;本实验的原理是新鲜肝脏中含较多过氧化氢酶,可催化过氧化氢分解,FeCl3溶液中的Fe3+也能催化过氧化氢分解,B错误;试管中溶液颜色深浅与反应无关,也不好比较,C错误;若肝脏研磨液不新鲜,含过氧化氢酶较少,可导致两组试管卫生香的复燃程度相同,D正确。
【答案】D
4.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.甲酶是不可能具有催化功能的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
【解析】本题以坐标图为信息载体,主要考查酶的本质、特点及功能的相关知识。观察曲线图看出,甲酶的活性始终保持不变,说明甲酶能抗该种蛋白酶的降解;从酶的化学成分上来看,绝大多数是蛋白质,极少数是RNA,甲酶也可能是具有生物催化作用的RNA;乙酶的活性不断降低,说明能被该种蛋白酶降解,其本质为蛋白质;乙酶被降解的过程中其分子结构会发生改变。
【答案】B
5.根据下图给定的条件,回答问题:
(1)产生气泡快的试管是　　　　　　。原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)使用的肝脏应是新鲜的,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　;而且要尽量剪碎制成研磨液,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)向两试管内滴入肝脏研磨液和氯化铁溶液时,能否共用一个吸管 为什么
(4)除观察卫生香燃烧是否猛烈外,请再给出一种简单的定性描述酶有较强活性的方法。
【解析】该题考查学生实验操作和对实验结果分析的能力。肝脏细胞中含有大量的过氧化氢酶,能催化H2O2生成H2O和O2,正常情况下,酶的催化能力比无机催化剂Fe3+要高得多。
【答案】(1)甲　H2O2酶比Fe3+的催化效率高　(2)新鲜肝脏含有较多的H2O2酶且酶的活性较强　剪碎能使H2O2酶与H2O2的接触面积大大增加,进而加快反应速率　(3)不能;因为用吸过H2O2酶溶液的吸管再去吸FeCl3溶液,可因吸管内残留的H2O2酶混入到滴加FeCl3的试管内,由于酶具
有高效性,将严重影响实验结果,从而失去了加FeCl3的试管在实验中的对比作用。　(4)可用肉眼观察两个试管内单位时间内放出气泡的多少。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.下列关于酶的叙述,不正确的是(　　)。
A.酶的化学本质是蛋白质或RNA
B.能够催化脂肪酶水解的酶是脂肪酶
C.酶的催化效率高是因为其降低活化能的作用显著
D.酶催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的
【解析】绝大多数酶的本质是蛋白质,极少数为RNA;脂肪酶的本质为蛋白质,所以用蛋白酶才能够将其水解;酶能够较大幅度地降低化学反应的活化能;温度、pH等都会对酶的活性产生影响,所以酶催化的化学反应一般在比较温和的条件下进行。
【答案】B
2.右图所示实验的自变量是(　　)。
A.加入H2O2溶液的量
B.催化剂的类型
C.卫生香燃烧的猛烈程度
D.O2的产生速率
【解析】由图示可知,左边试管中加入的是无机催化剂Fe3+,右边试管中加入的是生物催化剂过氧化氢酶,其他因素均相同。
【答案】B
3.下列有关设置对照实验的叙述,错误的是(　　)。
A.要设置对照组和实验组
B.要遵循单因子变量原则
C.无关变量要始终相同且适宜
D.自变量要始终保持相同
【解析】对照实验一般要设置对照组和实验组;对照实验要遵循单因子变量原则;在对照实验中,除了要观察的变量(自变量)外,其他变量都应当始终保持相同。
【答案】D
4.在过氧化氢酶和Fe3+的催化效率比较实验中,把肝脏制成研磨液的目的是(　　)。
A.有利于过氧化氢酶的释放
B.保护过氧化氢酶
C.提高过氧化氢酶的活性
D.以上说法都不对
【解析】过氧化氢酶存在于肝脏细胞内,只有通过研磨,释放出来后,才能作用于H2O2。
【答案】A
5.在过氧化氢酶溶液中加入双缩脲试剂,其结果应该是(　　)。
A.产生气泡　　　　　　　B.溶液呈蓝色
C.溶液呈紫色 D.产生砖红色沉淀
【解析】过氧化氢酶的化学本质是蛋白质,在过氧化氢酶溶液中加入双缩脲试剂可检验蛋白质。蛋白质遇到双缩脲试剂,溶液呈紫色。
【答案】C
6.下表是在20 ℃时所测得的过氧化氢分解的活化能,依据此表可得出的结论是(　　)。
条件 活化能(kJ/mol)
没有催化剂催化 用胶态铂催化 用过氧化氢酶催化 75 54 29
　　A.过氧化氢分解必须有催化剂
B.用过氧化氢酶可以提供活化能
C.用胶态铂催化时可降低54 kJ/mol的活化能
D.酶比无机催化剂更能降低反应活化能
【解析】活化能是指在一定温度下,一摩尔底物(反应物)全部进入活化态所需要的自由能。在一个化学反应体系中,反应开始时,反应物分子的平均能量水平低,为“初态”。在反应的任何一瞬间,反应物中都有一部分分子具有比初态更高一些的能量,高出的这一部分能量就是“活化能”。
【答案】D
7.下列关于酶本质的研究,按研究时间的先后顺序,排列正确的是(　　)。
①证明了脲酶是一种蛋白质　②酒精发酵需要活细胞的参与　③发现少数RNA也具有生物催化功能　④人们认识到酿酒就是让糖类通过发酵变成酒精和二氧化碳　⑤用不含酵母菌的酵母提取液进行发酵获得成功,证明生物体内的催化反应也可在体外进行
A.④②⑤①③ B.③④⑤②①
C.①⑤④②③ D.③④①②⑤
【解析】关于酶的探索过程首先是对酿酒中的化学反应开始的,依次经过巴斯德和李比希、毕希纳、萨姆纳等科学家,最终认识到生物体内的化学反应由酶起催化作用,且酶是蛋白质;后来切赫和奥特曼发现少数RNA也具催化作用。
【答案】A
8.(2015年嘉兴一中高二月考)将一个土豆(含有过氧化氢酶)切成大小和厚薄相同的若干片,放入盛有一定体积和浓度的过氧化氢溶液的针筒中(如图所示)。若土豆片为4片时,在温度为15 ℃的条件下,每隔5分钟收集一次数据,并绘制出如图曲线1。利用同样的实验装置,改变某一种条件后,收集数据可绘制出曲线2。则改变的条件是(　　)。
A.降低过氧化氢溶液的浓度
B.增加土豆片的数量
C.将温度提高到25 ℃
D.将针筒换成容积更大的
【解析】分析两曲线可知改变某一种条件后,最终生成的气体量减少了,说明反应物的量也应该少了。
【答案】A
9.请回答:
(1)下列关于酶的本质的叙述,正确的是　　　　　。
A.都具有专一性　　　　　　B.都是有机物
C.都是活细胞产生的 D.都具有高效性
(2)下图中的甲、乙、丙、丁表示酶的是　　　　　。
A.甲　　　　B.乙　　　　C.丙　　　　D.丁
(3)以下过程有酶参加催化的是　　　　　。
　　A.Fe3+催化H2O2的分解
B.用双氧水对伤口消毒
C.用酒精杀菌
D.甘油进入细胞内
【解析】从本质上来讲,酶是活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物,大多数的酶是蛋白质,少数是RNA;酶能加快化学反应速率,但本身没有数量和性质上的改变,图中的甲物质在反应前后没有发生改变,是催化乙物质分解成丙和丁物质的酶;用双氧水对伤口消毒,双氧水在H2O2酶作用下水解成水和氧气,是一种强氧化剂。
【答案】(1)B　(2)A　(3)B
10. 20世纪80年代,T.R.Cech在研究四膜虫时,发现其rRNA前体加工除去某些片段的过程中发生“剪接反应”,该反应是在仅有RNA没有任何蛋白质参与的情况下完成的。下列推论最合理的是(　　)。
A.该反应不需要酶的催化
B.四膜虫体内的这种RNA具有酶的特性
C.所有蛋白质和RNA都是酶
D.有的DNA也可能是酶
【解析】在四膜虫的rRNA前体加工除去某些片段的过程中,起催化作用的酶不是蛋白质,而是四膜虫体内的这种RNA本身,即RNA也具有酶的特性。
【答案】B
11.如右图,在适宜的温度、pH条件下,实线表示没有酶时反应的进程。在T1时,将催化此反应的酶加入反应物中,则图中表示此反应进程的是(　　)。
A.曲线A　　B.曲线B　　C.曲线C　　D.曲线D
【解析】酶的作用是降低反应的活化能,因而催化效率更高,但它并不改变反应平衡。从图中可以看出,曲线A、B、D均改变了此反应的平衡,都是错误的。曲线C表示反应酶使反应达到平衡的时间缩短(即反应速度提高),而不改变反应的平衡。
【答案】C
12.氯化铁中的铁离子和土豆浸出液都能催化过氧化氢分解成水和氧气,现有氯化铁、土豆浸出液和人的新鲜唾液等材料,依下表进行实验,得到实验结果。请回答:
序号 反应物 加入物质 反应条件 实验现象
1 过氧化氢 氯化铁 室温 少量气泡
2 过氧化氢 土豆浸出液 室温 大量气泡
3 过氧化氢 人的新鲜唾液 室温 没有气泡
(1)实验1和2可以说明　　　　　　　　　　。
(2)能证明酶在细胞外也具有催化作用的实验是　　　　。
(3)某同学发现实验2持续一段时间后,就不再产生气泡了。他认为出现这种现象的可能有两点,请你分析这两点原因是什么 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)请你设计一个简单的实验来证明该现象是上述哪种原因造成的。(简要描述基本方法)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)酶具有高效性　(2)2　(3)①实验2过氧化氢已经被完全分解　②土豆浸出液中过氧化氢酶失效　(4)将实验2的不再产生气泡的液体分成两等份,分别加入1、2两支试管中,分别向1、2试管加入等量的过氧化氢和土豆浸出液,如果1试管有气泡产生,2试管没有,则说明该现象是由原因①造成的,相反则是原因②造成的
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