酶与细胞代谢
【学习目标】
1、重点理解酶的概念,掌握酶在细胞代谢中的作用。
2、重点掌握酶催化功能的特性:高效性、专一性、酶的作用条件温和。
3、明确控制变量在实验过程中的方法和作用(难点)。
4、酶降低化学反应活化能的原理(难点)。
【要点梳理】
要点一、酶在细胞代谢中的作用
1、细胞代谢
(1)场所:细胞内
(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实验
(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)实验的设计与分析
试管号
3%过氧化氢溶液
控制变量
点燃的卫生香检测
结果分析
实验处理
H2O2分解速率(气泡多少)
1
2mL
无助燃性
H2O2自然分解缓慢
2
2mL
90℃水浴加热
很少
有助燃性
加热能促进H2O2分解
3
2mL
滴加3.5% FeCl32滴
较多
助燃性较强
Fe3+能催化H2O2分解
4
2mL
滴加20%肝脏研磨液2滴
很多
助燃性更强
过氧化氢酶有催化H2O2分解的作用,且效率高
(3)实验的变量和对照分析
自变量
因变量
无关变量
对照组
实验组
2号:90℃水浴加热
用产生气泡的数目多少表示H2O2分解速度
加入试剂的量,实验室的温度,肝脏研磨液的新鲜程度
1号试管
2、3、4号试管
3号:滴加3.5% FeCl32滴
4号:滴加20%肝脏研磨液2滴
要点诠释:
对照组与试验组:对照组——设置的实验结果已知的组别;实验组:设置的要探究的未知结果的组别。
(4)实验结论
酶具催化效应
酶具有高效性
同无机催化剂一样,都具有加快化学反应速率的作用
同无机催化剂相比,酶的催化效率更高
3、酶降低化学反应的活化能
H2O2分解所需活化能比较:
(1)同无机催化剂比较,酶降低活化能的作用更显著,因而催化效率更高。
(2)细胞内由于存在酶的催化作用,细胞代谢才能在温和条件下快速进行。
要点二、酶的本质
1、概念:酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,其中绝大多数酶是蛋白质。
2、酶的本质
化学本质
多数是蛋白质
少数是RNA
组成单位
氨基酸
核糖核苷酸
来源
核糖体的合成
DNA的转录
生理作用
具有催化作用
作用原理
降低化学反应的活化能
要点诠释:
蛋白质类的酶具蛋白质的特性:
能被蛋白酶水解而失活
高温、强酸、强碱等可使酶变性
与双缩脲试剂反应呈紫色。
3、酶本质的实验验证
组别
证明酶是蛋白质
证明酶是RNA
实验设计
结果
实验设计
结果
实验组
待测酶液+双缩脲试剂
是否出现紫色
待测酶液+吡罗红染液
是否出现红色
对照组
已知蛋白质+双缩脲试剂
出现紫色
已知RNA液+吡罗红染液
出现红色
要点三、酶的特性
1、酶的特性【酶与细胞代谢】
(1)高效性:酶的催化效率是无机催化效率的107~1013倍,这说明酶具有高效性的特点。
(特别提醒:酶的高效性是和无机催化剂相比较来说的。)
(2)专一性:每一种酶只能催化一种化合物或某一类化合物的化学反应,这说明酶的催化作用具有专一性的特点。
(3)温和性:绝大多数的酶是蛋白质,过酸过碱和高温都能使蛋白质分子空间结构破坏(除肽键以外的其他化学键的断裂),从而引起蛋白质分子变性,使酶永久失活,但低温只能是使酶活性下降,适宜的温度下,酶活性可以恢复。
2、酶的催化特性的实验验证
特性
实验组
对照组
结论及分析
高效性
H2O2水+氧气
H2O2 水+氧气
燃烧 酶催化:强
情况 Fe3+催化:弱
专一性
淀粉麦芽糖
蔗糖蔗糖
斐林 淀粉:砖红色沉淀
试剂
检验 蔗糖:无变化
作用条件温和
酶在最适条件下(最适温度、PH)的实验组
酶在低温、高温或过酸过碱条件下的对照组
酶的催化需适宜的温度和适当的PH(一般中性)
要点诠释:
酶的高效性是酶与无机催化剂对照说明的。
酶高效性的验证,所用的实验材料必须是新鲜的。
3、影响酶活性的条件的探究实验
(1)温度对酶活性的影响:
①原理解读:
a.
b.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判断酶的活性。
②实验设计
试管
1
2
3
加入可溶性淀粉溶液
2ML
2ML
2ML
提供环境温度
60℃的水
沸水
冰块
时间
5min
5min
5min
注入新鲜的淀粉酶溶液
1ML
1ML
1ML
时间
5min
5min
5min
滴入碘液
1滴
1滴
1滴
现象
无明显变化
蓝色
蓝色
③实验结论:温度会影响酶的活性,酶活性有一定的最适温度。
要点诠释:本实验不宜用斐林试剂,因为斐林试剂与还原糖的反应需要加热,而本实验必须严格控制温度。
(2)pH对H2O2酶活性的影响
①实验原理:
a. H2O2 水+氧气
b. pH影响酶的活性,从而影响氧气的生成量
②实验设计:
项目
试管
1
2
3
实验步骤
注入鲜肝研磨液
2滴
2滴
2滴
注入蒸馏水
1ML
---
---
注入5% NaOH溶液
---
1ML
---
注入5%的盐酸
---
---
1ML
注入过氧化氢溶液
2ML
2ML
2ML
现象
有无气泡冒出
有
无
无
③实验结论:pH影响酶的活性,酶活性有一定的最适pH范围。
4、有关酶活性(或酶促反应)的曲线
(1)表示酶高效性的曲线
催化剂可以加快化学反应速率,与无机催化剂相比,酶的催化效率更高。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。
(2)表示酶专一性的曲线
加入酶B的反应速率与无酶A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,酶具有专一性。
(3)温度、pH影响酶活性的曲线【酶与细胞代谢】
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,酶催化作用逐渐减弱。过酸、过碱、高温都会使酶变性失活,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。
【特别提醒】 温度和ph对酶活性的影响不完全一样。当温度过低时,只能使酶的活性不表现出来,而酶的本身并没有变性,一旦温度升高,酶的活性可在一定范围内随温度升高而增强。当温度升高时,就会破坏酶分子的结构,使其失去生物的活性,再降低温度时,酶的活性也无法恢复。而ph不管过高或过低都能破坏酶分子的结构,再改变条件,酶的活性再也无法恢复。
(4)底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响
甲 乙(在底物足量额情况下)
在其他条件适宜,酶数量一定时,酶促反应速率随底物浓度增加而加快,但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。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。
【典型例题】
类型一:酶的本质
例1、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下图所示。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
【答案】B
【解析】本题考查酶的本质。绝大部分酶的本质是蛋白质,只有少数酶是RNA,用蛋白酶处理后,乙酶活性降低,说明乙酶的成分是蛋白质,被蛋白酶处理后被分解;而甲酶的活性没变,说明甲酶的成分可能是RNA或者能够抗这种蛋白酶的降解。
【总结升华】本题考查酶的本质。绝大部分酶是蛋白质,只有少数酶是RNA。还考查学生从图中提取信息的能力。
【举一反三】:
【变式一】
下列对酶的叙述中,正确的是( )
A.酶的产生和催化都在活细胞内
B.酶都是蛋白质
C.酶是一类有机物
D.酶反应前后的质和量可变
【答案】C
【变式二】
下列关于酶的叙述,正确的一项是( )
A.酶提供反应开始时所必须的能量
B.酶是由活细胞产生的,只在生物体内发挥作用
C.酶的化学本质并非都是蛋白质
D.一个酶分子只起一次作用,然后就被破坏了
【答案】C
【变式三】
大多数酶在水解过程中,通常能得到多肽,最后能得到氨基酸,这说明( )
A.酶是由活细胞产生的
B.酶是生物催化剂
C.绝大多数酶的化学本质是蛋白质
D.酶的基本组成单位是多肽
【答案】C
类型二:酶的特性
例2、下表是某同学为了认识酶的作用的特性,以10%的过氧化氢溶液为反应物所做的一实验.通过分析实验步骤2和3,可以得出的结论是( )
步骤
方法
观察结果
1
常温下自然分解
氧气泡小而少
2
常温下加入铁离子
氧气泡稍多而少
3
常温下加入鲜肝提取液
氧气泡极多而大
4
加入煮沸后冷却鲜肝提取液
同自然分解一样
A.酶的的催化效率受温度影响
B. 酶的催化具有高效性
C.酶的催化具有专一性
D.高温会使酶失去活性
【答案】B
【解析】本题考查酶的作用特性。
A、通过分析实验步骤3和4,可以说明酶的催化效率受温度影响,通过分析实验步骤2和3不能得出该结论,因为它们的温度都是常温,故A错误;
B、实验步骤2加入Fe3+氧气泡稍多而少说明反应速度慢,实验步骤3加入鲜肝提取液氧气泡极多而大说明反应速度很快,通过对比可知酶的催化具有高效性,故B正确;
C、要想说明酶的催化具有专一性,要设计两个对比实验,一个加入鲜肝提取液反应速度很快,一个加入鲜肝提取液反应速度不变,所以实验步骤2和3不能说明催化具有专一性;
D、通过分析实验步骤3和4,可以说明高温会使酶失去活性,实验步骤2和3不能说明,因为它们的温度都是常温,故D错误.
【总结升华】本题考查酶的作用特性。催化剂的特点与催化作用、实验探究物质变化的条件和影响物质变化的因素。
【举一反三】:
【变式1】将乳清蛋白、淀粉、胃蛋白酶、唾液淀粉酶和适量水混合装入一容器内,调整pH至2.0,保存于370C的水浴锅内。过一段时间后,容器内剩余的物质是( )
A.淀粉、胃蛋白酶、多肽、水
B.唾液淀粉酶、淀粉、胃蛋白酶、水
C.唾液淀粉酶、胃蛋白酶、多肽、水
D.唾液淀粉酶、麦芽糖、胃蛋白酶、多肽、水
【答案】A
例3、下图表示在不同条件下,酶催化反应的速度(或生成物)变化,有关叙述不正确的是( )
A.图①虚线表示酶量增加一倍时,底物浓度和反应速度关系
B.图②虚线表示增加酶浓度,其他条件不变时,生成物量变化的示意曲线
C.若图②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③不能表示在反应开始后的一段时间内,反应速度与时间的关系
【答案】D
【解析】本题考查酶的作用特性曲线图。
【总结升华】本题考查酶的作用特性曲线图。重在使学生掌握酶的作用特性以及学会分析其关系图。
【巩固练习】
一、单项选择题:
1.能够促使唾液淀粉酶水解的酶是 ( )
A.淀粉酶 B.脂肪酶 C.蛋白酶 D.麦芽糖酶
2.下列关于酶的叙述中,不正确的是( )
A.酶是具有催化能力的蛋白质或RNA
B.酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物
C.食物的消化过程需要酶催化,而细胞内的其他化学反应不需要酶催化
D.绝大多数的酶是蛋白质,少数酶是RNA
3. 关于酶的叙述,正确的是( )
A.酶提供了反应过程所必需的活化能
B.酶活性的变化与酶所处的环境的改变无关
C.酶结构的改变可导致其活性部分或全部丧失
D.酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸
4.将胃液的PH值从10降到2的过程中,胃液中胃蛋白酶的活性变化是 ( )
A.不断上升 B.没有变化 C.先升后降 D.先降后升
5.关于生物学实验中的变量,下列说法不正确的是( )
A.任何生物学实验中都需要设置变量
B.对照试验中应遵循单一变量原则
C.对照实验中一定存在自变量
D.无关变量并不是与实验结果没有关系
6.下图实线表示联苯水解酶催化的反应速率与酶浓度的关系,虚线表示在其他条件不变的情况下,底物浓度增加一倍,反应速度与酶浓度的关系,能正确表示两者关系的是___。
7.某学生做了如下实验:他用碘液检验一块干面包,面包变成了深蓝色。然后他嚼碎了另一块干面包,并用本尼迪特溶液(一种用来检验麦芽糖的试剂)检验之,嚼碎的面包变成了红色,(麦芽糖与本尼迪特试剂反应的颜色)。因此,他得出结论,认为当面包被嚼碎时,淀粉变成了麦芽糖。这位学生的实验设计不正确之处在于( )
A.未对嚼碎的面包做淀粉检验 B.未对唾液做淀粉检验
C.未对干面包做麦芽糖的检验 D.未考虑面包的制作时间
8.在煮过的和没煮过的马铃薯片上分别滴几滴过氧化氢。在马铃薯片X上出现泡沫,在马铃薯片Y上没有泡沫,以下哪一项是正确的解释?( )
A、马铃薯片X是煮过的,因为过氧化氢只影响碳水化合物分解成单糖
B、马铃薯片Y是煮过的,因为没煮过的马铃薯片酶能使过氧化氢不起作用
C、马铃薯片X是没煮过的,因为过氧化氢分解马铃薯片中的酶
D、 马铃薯片X是没煮过的,马铃薯中含有促使过氧化氢分解的酶,但酶会在高温中失活
二、非选择题
1.为验证pH对唾液淀粉酶活性的影响,实验如下。
(1)操作步骤:
①在1~5号试管中分别加人0.5%淀粉液2mL。
②加完淀粉液后,向各试管中加人相应缓冲液100mL,使各试管中反应液的pH依次稳定在5.00、6.20、6.80、7.40、9.00。
③分别向1~5号试管中加入0.5%唾液1mL,然后进行37℃恒温水浴。
④反应过程中,每隔1min从第3号试管中取出1滴反应液,滴在比色板上,加1滴碘液显色,待呈橙黄色时,立即取出5支试管,加碘液显色并比色,记录结果。
(2)结果见下表:
处理试管编号
1
2
3
4
5
pH
5.00
6.20
6.80
7.40
8.00
结果(颜色)
++
十
橙黄色
+
++
“+”表示蓝色程度。
请回答:
(1)实验过程中为什么要选择370C恒温?
(2)3号试管加碘液后出现橙黄色,说明什么?
(3)如果反应速度过快,应当对唾液做怎样调整?
(4)该实验得出的结论是什么?
2.下列A、B、C三张图依次表示酶浓度一定时,反应速度和反应物浓度、温度、PH值的关系,请据图回答下列问题:
(1)图A中,反应物达到某一浓度时,反应速度不再上升,其原因是________。
(2)图B中,a点所对应的温度称________。
(3)图B中,a点到b点曲线急剧下降,其原因是________。
(4)将装有酶与反应物的甲、乙两试管分别放入12℃和75℃水浴锅中,20分钟后取出转入37℃的水浴锅中保温,两试管内反应分别应为:甲________,乙________。
(5)图C表示了________催化反应的速率变化曲线。
A.唾液淀粉酶 B.胃蛋白酶 C.胰蛋白酶 D.植物淀粉酶
3. 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、淀粉四种溶液,菲林试剂、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
+
—
+
—
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
(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)在上述试验中,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_______________。
4.右图实验装置用于研究温度对凝乳酶催化乳汁凝固的影响,先将酶和乳汁放入2个试管,然后将2个试管放入同一水浴(温度用T℃表示)环境中持续15min,再将酶和乳汁倒入同一试管中混合,保温并记录凝乳所需的时间。
通过实验记录在不同的温度下凝乳所需的时间,结果如下表:
装置
水浴温度(℃)
凝乳时间(min)
A
10
∞不凝固
B
20
7.0
C
30
4.0
D
40
1.5
E
50
4.0
F
60
∞不凝固
(1)为什么酶和乳汁混合之前在同一水浴环境中保温 15 min,实验结果更准确?
(2)若将酶和乳汁直接放入同一试管内混合并保温对实验结果有何影响?
(3)比较并解释装置B和D的结果。
(4)解释以下两种处理时实验结果有无什么变化。
①将装置A内混合物加温至40℃______________。
②将装置F内混合物冷却至40℃______________。
(5)除了温度,再指出一种能影响酶活性的因素。______________。
5.为探究高温对酶活性的影响,某同学设计了如下实验:
(1)实验过程与结果:???
①取两个洁净试管,编号1和2:???
②在l号管中加入2ml 3%新鲜过氧化氢溶液,2号管中加入1ml 20%新鲜肝脏研磨液。分别置于100℃恒温水浴5分钟;
③将2号试管中的肝脏研磨液加入l号管,振荡摇匀,再置于100℃恒温水浴5分钟,结果未观察到气泡产生;
(2)结果分析:推断观察不到气泡产生的两种可能原因。 ?
(3)验证性实验:请在原实验的基础上设计实验验证你的推断(实验材料自选):
【答案与解析】
一、单项选择题
1.【答案】C
【解析】酶的本质是有机物,绝大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA。唾液淀粉酶的本质是蛋白质,根据酶的专一性,能使蛋白质水解的酶是蛋白酶。所以C答案正确。
2.【答案】C
【解析】本题考查酶的化学本质及概念。
酶是活细胞产生的一类具有催化作用的有机物。这些有机物中,绝大多数是蛋白质,少数的RNA具有催化作用,也是酶。生物的新陈代谢由一系列的化学反应组成,其中的每一个化学反应都是由酶来催化的,所以说新陈代谢离不开酶。
3.【答案】C
【解析】本题考查酶的相关知识。酶能降低反应的活化能,本身不提供能量。酶的活性易受酸、碱、高温、金属离子和抑制剂影响,与环境关系密切。酶绝大多数是蛋白质,可被分解为氨基酸,少数酶是RNA,可被降解成核苷酸片段。
4.【答案】B
【解析】胃液正常的pH值是2,当pH值为10的时候,胃蛋白酶结构已破坏,故尽管从10降到2,胃蛋白酶也不会有变化。
5.【答案】A
【解析】只有对照实验才需设置变量,纯粹的观察实验(如用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体)则无需设置变量。
6.【答案】B
【解析】考查酶促反应速度与酶浓度的关系。增加底物浓度,酶的量不改变,单位时间催化生成产物比之前增多,反应速度增大。
7.【答案】C
【解析】干面包里是否有麦芽糖,假如干面包里原先含有麦芽糖,那么嚼碎之后变红,就不能证明是有淀粉转化而来的了。D中即使面包变质也不会转化为麦芽糖,因为只有酶才会使淀粉转化为麦芽糖。
8.【答案】D
【解析】马铃薯片X是没煮过的,马铃薯中含有促使过氧化氢分解的酶,但酶会在高温中失活.马铃薯细胞中的过氧化氢酶能催化过氧化氢分解成水和氧气,所以产生气泡。假如高温处理过,则该酶失去活性,上述反应不会发生。
二、非选择题:
1.【答案】(1)在该实验中,只有在恒温条件下,才能排除温度对结果的干扰。37℃是唾液淀粉酶起催化作用的最适宜温度。
(2)淀粉已完全水解。
(3)提高唾液的稀释倍数。
(4)唾液淀粉酶的最适pH是6.8,高于或低于此pH时,酶活性逐渐降低。
【解析】本题考查外界条件对酶活性的影响。酶的活性受环境中pH影响很大,一种酶要发挥其催化活性,必须在一定的pH范围之内。如唾液淀粉酶催化作用的最适宜pH是6.80,所以3号试管中的淀粉被彻底分解,而其他试管中的淀粉未被分解完。
2.【答案】(1)受反应液中的酶浓度的抑制
(2)酶反应的最适温度
(3)温度升高使酶活性下降
(4)速度加快 无催化反应
(5)C
【解析】本题主要考查酶的特性之一:酶需要适宜的条件。同时还需要分析高温和低温条件下酶催化效率低的本质区别。
(1)在一定范围内,随着反应物浓度上升,酶的催化反应速度上升,但当与酶作用饱和后,其反应速度几乎不再改变而保持稳定。
(2)在一定温度范围内,酶的催化作用随温度升高而加快并逐渐达到最大,此时的温度是酶反应的最适温度。
(3)从温度对酶催化作用的影响的曲线图中可以看出,高温对酶的抑制作用要比低温强。
(4)一般地说,超过60℃,绝大多数的酶已失去活性。失去活性的酶即使恢复到最适温度,也不能起催化作用了。
(5)所给的4个选项中只有胰蛋白酶的最适pH值在8左右。
3. 【答案】
(1)
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)②混匀, 37℃ 恒温水浴一段时间;③取出试管,分别加入适量的斐林试剂,混匀,沸水浴一段时间;④观察实验现象并记录实验结果。
(3)含有蔗糖和淀粉酶溶液的试管(试管甲),以及含有淀粉和淀粉酶溶液的试管(试管乙)中出现砖红色沉淀,其他试管中不出现砖红色沉淀;
(4)(哺乳动物的蔗糖酶和淀粉酶)酶的催化作用具有专一性;
(5)20℃ 低于酶的最适温度,酶活性低,水解产生的还原糖少。
【解析】本题考查酶的催化作用与温度的关系。
4. 【答案】(1)使两者混合时温度一致,即酶催化反应温度维持恒定;
(2)凝乳时间会延长,因为混合保温达到指定温度需一定时间;
(3)说明在一定范围内(20℃~40℃)酶的活性随温度升高而升高;
(4)①能凝乳 ②不能凝乳;
(5)pH值
【解析】考查学生对酶的性质、酶的作用条件是否掌握。这种具实验背景的理论题值得注意。
5.【答案】(2)高温使过氧化氢酶变性,失去活性;高温使底物过氧化氢全部分解完毕。(或既有过氧化氢酶变性,又有底物被全部分解。)
(3)方案①:将试管温度慢慢降至37℃,无气泡产生。继续向试管中加入2ml3%新鲜过氧化氢溶液,观察,若无气泡产生说明高温使过氧化氢酶变性。
方案②:将试管温度慢慢降至37℃,无气泡产生。继续向试管中加入1ml新鲜的20%新鲜肝脏研磨液,观察,继续,若无气泡产生说明高温使底物过氧化氢全部分解完毕。
方案③:方案①和方案②同时成立,则证明原因既有过氧化氢酶变性,又有底物全部分解
【解析】考查学生对高温对酶活性的影响的理解,并考查学生设计验证性实验的能力。