课件45张PPT。第5章 细胞的能量供应和利用
第1节 降低化学反应活化能的酶
一 酶的作用和本质一、酶在代谢中的作用
1.细胞代谢:
(1)场所:_____中。
(2)实质:许多_________的总称。细胞化学反应【激疑】
动物消化道内营养物质的消化属于细胞代谢吗?
提示:消化道与外界环境直接相通,其中营养物质的消化不是发生在细胞内的化学反应,故不属于细胞代谢。 2.对照实验的设计:
(1)变量:实验过程中的变化因素。
①自变量:_________的对实验对象进行处理的因素。
②因变量:因_______改变而变化的变量。
③无关变量:除自变量外,实验过程中对实验结果_____
_____的可变因素。 人为控制自变量造成影响(2)对照实验:除作为自变量的因素外,其余因素都___
_______,并将结果进行比较的实验。一般要设置对照
组和实验组。
①对照组:一般不进行人为处理,处于_________下。
②实验组:需要对实验对象进行人为处理,控制_______
不同。保持一致自然状态自变量③空白对照:未作任何处理的对照组,设置意义是_____
_________________________。排除偶然因素对实验结果的影响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)酶的作用机理:通过降低化学反应所需要的_______
而加快反应速率。活化能①表示无酶催化条件下反应的活化能的曲线是___段。
②表示有酶催化条件下反应的活化能的曲线是___段。
③表示有酶催化条件下降低反应活化能的曲线是___段。adcdac二、酶的化学本质
1.酶本质的探索历程(连线):2.酶的概念理解:
(1)来源:_______产生的。
(2)作用:具有_____作用。
(3)化学本质:有机物,绝大部分是_______,少部分是
____。活细胞催化蛋白质RNA知识点一 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+和肝脏研磨液中过氧化氢酶都可影响H2O2分解为H2O和O2的速率。2.实验设计:3.实验结果分析:
(1)1号、2号试管相比,说明加热可以加快H2O2的分解。
(2)1号、3号试管相比,说明 FeCl3可以催化H2O2的分解。
(3)1号、4号试管相比,说明过氧化氢酶具有催化作用,可以催化H2O2的分解。
(4)3号、4号试管相比,说明过氧化氢酶的催化效率更高。4.实验结论:加热、FeCl3、过氧化氢酶都能加快过氧化氢分解;过氧化氢酶的催化效率明显高于无机催化剂Fe3+。【思考·讨论】
制备肝脏研磨液时,应用新鲜的刚从活体动物内取出的肝脏,并研磨充分。(科学探究) (1)用新鲜的刚从活体动物内取出的肝脏,原因是什么?
提示:新鲜肝脏中的酶能保持其原有的活性。
(2)研磨充分有什么意义?
提示:加大肝细胞内过氧化氢酶与试管中H2O2的接触面积,从而加速H2O2的分解。【素养案例】
(2016·江苏高考)过氧化物酶能分解H2O2,氧化焦性没食子酸呈橙红色。为探究白菜梗中是否存在过氧化物酶,设计实验如下表。下列相关叙述正确的是 ( )
A.1号管为对照组,其余不都是实验组
B.2号管为对照组,其余都为实验组
C.若3号管显橙红色,无需对照就能证明白菜梗中存在过氧化物酶
D.若4号管不显橙红色,可证明白菜梗中无过氧化物酶 【解题导引】解题思维流程如下:【解析】选A。本题主要考查酶的实验设计与分析。该实验的目的是探究白菜梗中是否存在过氧化物酶,自变量是白菜梗的有无,则1号、2号和4号都是对照组,3号是实验组,A项正确、B项错误。若3号与1、2、4号对照,3号管显橙红色,则证明白菜梗中存在过氧化物酶, C项错误;若4号管不显橙红色,与3号对照,则说明高温使过氧化物酶变性失活,D项错误。 【素养·探究】——母题追问
(1)科学探究——设置对照
上题中设置1号管的目的是什么?
提示:作为对照,排除H2O2自然分解对实验结果的影响。 (2)科学探究——设计实验
上题中白菜梗提取液可能含有某种氧化性物质,会使焦性没食子酸变为橙红色,如何排除这一可能?
提示:可另设一支试管,试管中不加入H2O2溶液,而是加入2 mL蒸馏水,其他设计同3号试管。【素养·迁移】
在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中加入肝脏研磨液与加入氯化铁的试管反应程度类似,都不剧烈,可能的原因是 ( )
①过氧化氢溶液配制时间过长 ②肝脏不新鲜
③试管不干净
A.①③ B.②③ C.①② D.①②③【解析】选C。由于实验中加入肝脏研磨液和加入氯化铁的试管反应都不剧烈,其原因有两个方面:一是使用的过氧化氢溶液配制时间过长,自身已发生分解;二是使用的肝脏不新鲜,其中的过氧化氢酶已被微生物破坏。【补偿训练】
在如图所示的实验中,属于自变量的是 ( ) A.催化剂
B.过氧化氢分解的速率
C.产生气泡量
D.试管中的过氧化氢溶液的量 【解析】选A。由图示可知,图中的实验处理是分别向过氧化氢溶液中加入氯化铁和过氧化氢酶溶液,Fe3+和过氧化氢酶都能催化过氧化氢分解,因此该实验的自变量是催化剂不同。知识点二 酶的化学本质
1.酶的作用场所:酶是活细胞产生的,但不一定在活细胞内发挥作用,可以在细胞外发挥作用,如消化酶,也可以在体外发挥作用。
2.酶的合成原料:氨基酸或核糖核苷酸。
3.酶的合成场所:不一定在核糖体上,只有化学本质是蛋白质的酶才在核糖体上合成。【思考·讨论】
哺乳动物成熟的红细胞和其他体细胞在结构和功能上有明显不同。(生命观念)
(1)该细胞不能产生酶,原因是什么?
提示:该细胞没有细胞核和核糖体等细胞器。 (2)该细胞是否含有酶?说出你的判断依据。
提示:含有。哺乳动物成熟红细胞可以进行细胞代谢,细胞中的生化反应需要酶的催化。【素养案例】
生物体内许多化学反应需要酶的催化,下列关于酶的叙述,正确的是 ( )
A.酶只有在生物体内才能起催化作用,起催化作用的本质是提高反应的活化能
B.所有酶都含有C、H、O、N四种化学元素C.人体内的酶进行催化过程中,酶本身不变,所以酶不会发生自我更新
D.酶都在核糖体上合成【解题导引】抓住三个关键点:
(1)酶的化学本质是蛋白质或RNA。
(2)酶的催化机理。
(3)酶作为活性分子,在细胞内也存在酶的代谢过程。 【解析】选B。酶是由活细胞产生的,在细胞内和细胞外都可发挥催化作用,酶的作用机理是降低化学反应的活化能,A项错误;酶的本质是蛋白质或RNA,故都含有4种元素:C、H、O、N,B项正确;化学反应前后,酶本身不变,但在人体内的酶仍会不断更新,C项错误;只有化学本质是蛋白质的酶才在核糖体上合成,D项错误。【素养·探究】——情境迁移
“塑料垃圾污染”是令世界各国头疼的问题,这是因为塑料制品的主要原料——“PET塑料”,需要数百年时间才能自然降解。最近,美国和英国的科学家在一次实验中意外生成了一种酶,可以有效将“PET塑料”降解,有望成为未来治理白色污染的“利器”。 思考问题:
(1)PET塑料在自然界中需要数百年时间才能降解,从酶的角度分析,可能的原因是什么?(科学思维)
提示:自然界中的微生物中缺少分解该塑料的酶。
(2)这种分解塑料的酶的作用机理是什么?(生命观念)
提示:降低化学反应的活化能。【补偿训练】
1.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,此种化学反应立即减慢。由此可以说明 ( ) A.RNA是核酸的一种
B.RNA有时也可称为遗传物质
C.RNA主要存在于细胞质中
D.RNA也可作为生物催化剂 【解析】选D。RNA被有关酶水解后,化学反应立即减慢,说明该RNA催化此反应的进行,即RNA也具有催化作用,故D项符合题意。A、B、C三项从内容上讲均是正确的说法,但无法从题干信息中得出这些结论,故三项均不符合题意。 2.下列关于酶的叙述正确的是 ( )
A.酶是由腺细胞合成的具有催化作用的有机物
B.所有酶用双缩脲试剂进行检测都可以呈现紫色反应
C.酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸
D.消化酶在消化腺细胞内合成并分泌到细胞外的过程中共穿过0层磷脂双分子层 【解析】选D。酶是由活细胞合成的具有催化作用的有机物,A项错误;酶的化学本质大多数是蛋白质,少数是具有催化活性的RNA,蛋白质用双缩脲试剂进行检测可以呈现紫色反应,RNA不能用双缩脲试剂检测,B项错误;酶分子在催化反应完成后可以被再次利用,C项错误;消化酶经合成并分泌到细胞外的过程是胞吐作用,共穿过0层磷脂双分子层,D项正确。 【课堂回眸】课堂检测·素养达标
【概念·诊断】
1.细胞代谢是细胞内许多化学反应的总称,许多化学反应的顺利进行都离不开酶的催化。关于酶的认识,下列说法正确的是______________________。?
①酶的基本组成单位一定是氨基酸
②酶可以提供化学反应所需的活化能
③酶可以增加生成物的量
④酶可以加快反应速率
⑤酶在反应前后质和量均不变
【解析】选④⑤。酶的基本组成单位是氨基酸或核糖核苷酸,①错误;酶的作用机理是降低化学反应所需的活化能,②错误;酶可以加快反应速率,但不能增加生成物的量,③错误,④正确;酶在化学反应中起催化作用,反应前后质和量均不变,⑤正确。
2.活细胞内合成酶的原料是 ( )
A.脂肪酸 B.核苷酸
C.氨基酸 D.氨基酸或核糖核苷酸
【解析】选D。绝大多数的酶是蛋白质,其基本组成单位是氨基酸;少数的酶是RNA,其基本组成单位是核糖核苷酸。
3.关于酶生理功能的叙述,下列叙述正确的是 ( )
A.能为生物体内的化学反应提供能量
B.具有催化作用,比无机催化剂的催化效率高得多
C.酶与无机催化剂降低反应活化能的效率相同
D.能促进生物体内营养物质的运输
【解析】选B。酶不能为化学反应提供能量,只能降低反应的活化能;酶的作用原理是降低反应的活化能,催化效率远高于无机催化剂;酶只具有催化作用,不能促进营养物质的运输。
4.酶作为生物催化剂,其作用的实质是 ( )
A.降低化学反应的动能 B.提高化学反应的速率
C.催化化学反应的进行 D.降低化学反应的活化能
【解析】选D。酶具有催化作用,可以提高化学反应速率,缩短达到平衡的时间,酶起催化作用的实质是降低化学反应的活化能。
【思维·跃迁】
5.酶具有催化作用,以下对酶的比喻不恰当的是 ( )
A.酶的作用就像给运动员把跨栏的高度降下来
B.酶的作用就像给翻越高山的汽车加大油门
C.酶的作用就像制取氧气时在氯酸钾中加了二氧化锰
D.酶的作用就像高考时降低了录取的分数线
【解析】选B。分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需的能量称为活化能,如果把化学反应比作驾车翻越一座高山,加热加压相当于给汽车加大油门,用催化剂则相当于帮司机找到一条穿山隧道,即用催化剂就相当于使原来反应的“难度”降低了,因此A项和D项的比喻都是比较合理的;C项中二氧化锰就是起到催化剂的作用,因此这个比喻也是恰当的;给汽车加大油门相当于反应中的加热、加压,因此B项比喻是不恰当的。
6.下表是有关H2O2的系列实验,回答有关问题。
试管编号
反应物
加入物质
条件
现象
X
1
H2O2
无
室温
几乎无气泡
X1
2
H2O2
氯化铁
室温
X2
3
H2O2
肝脏研磨液
室温
X3
4
H2O2
新鲜唾液
室温
X4
(1)3号试管的实验现象是____________________________________。?
(2)肝脏研磨液中含有的对此实验起作用的物质是____________________
________________。 ?
(3)1号和3号试管中加入的H2O2的浓度及量都相同,这是对实验的______________________变量的控制,比较1号与3号的实验现象,说明_____________________________________________。?
(4)2号和3号试管反应的原理_____________(填“相同”或“不相同”),2号与3号试管的对照中,自变量是________________________________________
_____, 3号比2号试管产生的气泡多,从活化能的角度分析是由于__________
___________________________________。?
(5)若表中X表示收集100 mL气体所需要的时间,你预测X1、X2、X3、X4的大小关系是____________________________________。?
【解析】(1)由于3号试管加入了H2O2和肝脏研磨液(含过氧化氢酶),所以该试管产生大量气泡。
(2)肝脏研磨液中由于含有过氧化氢酶,所以此实验才会产生大量气泡,即过氧化氢分解产生的氧气形成。
(3)1号和3号试管中加入的H2O2的浓度及量都相同,这是对实验无关变量的控制,比较1号与3号的实验现象,说明酶具有催化作用。
(4)2号和3号试管反应的原理相同,都是降低反应的活化能。2号与3号试管的对照中,自变量是催化剂的种类, 3号比2号试管产生的气泡多,从活化能的角度分析是由于酶降低活化能的作用更显著。
(5)由于1号试管无催化剂,几乎无气泡产生,4号试管加入的是唾液,也不含催化过氧化氢的催化剂,所以几乎无气泡产生;2号试管加入的氯化铁是无机催化剂,不及3号试管内加入过氧化氢酶的效率高,所以产生气泡速率最快的是3号,其次是2号,最慢的是1和4号,由此得到收集4支试管产生100 mL氧气的时间最长的是X1和X4,其次是2号试管X2,最短的是3号试管X3,即X1= X4>X2>X3。
答案:(1)产生大量气泡 (2)过氧化氢酶 (3)无关 (过氧化氢)酶具有催化作用 (4)相同 催化剂的种类 酶降低活化能的作用更显著 (5)X1= X4>X2>X3
【拓展·探究】
7.如图表示细菌细胞中的一个反应程序。在这个程序中,一种氨基酸在酶的作用下产生另一种的氨基酸。1～6 代表不同的氨基酸,V～Z代表不同的酶。所有氨基酸对生命活动都是必需的。原始种的细菌只要培养基中有氨基酸1就能生长。
(1)图中各种酶的化学本质最可能是_____________。?
(2)细菌的某突变体只有在培养基中有氨基酸1、2、6时才能生长,则该变异种中不存在的酶有 ( )
A.V、W B.W、Y C.Y、Z D.V、Y
(3)请给出一个实验思路,筛选出缺乏酶Z的突变体。
【解析】(1)绝大多数酶的化学本质是蛋白质,所以题图中各种酶的化学本质最可能是蛋白质。
(2)1～6的6种氨基酸对生命活动都是必需的;原始种的细菌只要培养基中有氨基酸1就能生长,说明原始种的细菌含有V～Z所有的酶;变异的细菌在有1、2、6时才能生长,说明变异的细菌缺乏1生成2过程的酶V,4生成6过程的酶Y。
(3)所有氨基酸对生命活动都是必需的,酶Z的突变体不能产生氨基酸5,因此不能在缺乏氨基酸5的培养基上生长,但可以在含有各种氨基酸的完全培养基上生长,据此可筛选出缺乏酶Z的突变体。
答案:(1)蛋白质 (2)D (3)配制含有各种氨基酸的完全培养基和缺乏氨基酸5的培养基,接种细菌,可以在含有各种氨基酸的完全培养基上生长,但不能在缺乏氨基酸5的培养基上生长的菌落即为缺乏酶Z的突变体。
课时素养评价 十四
酶的作用和本质
(20分钟 50分)
一、选择题(共6小题,每小题6分,共36分)
1.下列有关酶的叙述中正确的是 ( )
①酶只在细胞内起作用
②有的从食物中获取,有的在体内转化而来
③凡是活细胞都含有酶
④酶都是有机物
⑤有的酶是蛋白质,有的是固醇
⑥酶能起催化作用
A.①②③ B.③④⑥
C.④⑤⑥ D.②④⑤
【解析】选B。酶可以在细胞外起作用,如消化酶,①错误;酶是由活细胞产生的,不能从食物中获取,②错误;活细胞在其生命历程中,一定有酶存在,③正确;酶是由活细胞产生的具有催化活性的有机物,④正确;大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA,⑤错误;酶是生物催化剂,具有催化功能,⑥正确。
【补偿训练】
小麦种子萌发过程中,α-淀粉酶在糊粉层的细胞中合成,在胚乳中分解淀粉。该酶从糊粉层细胞排到细胞外的方式是 ( )
A.自由扩散 B.协助扩散
C.主动运输 D.胞吐
【解析】选D。由题意可知,α-淀粉酶的化学本质是蛋白质,属于大分子物质,根据α-淀粉酶在糊粉层的细胞中合成,在胚乳中分解淀粉可知该酶属于分泌蛋白,排到细胞外的方式是胞吐。
2.肽酰转移酶是催化肽键形成的酶,对RNA酶敏感,对蛋白酶不敏感。下列对该酶叙述错误的是 ( )
A.该酶催化氨基酸脱水缩合
B.该酶应该存在于核糖体中
C.线粒体和叶绿体内不会含有该酶
D.肽酰转移酶是具有催化活性的RNA
【解析】选C。肽酰转移酶是催化肽键形成的酶,即其催化氨基酸脱水缩合,A正确;氨基酸脱水缩合的场所为核糖体,所以肽酰转移酶存在于核糖体中,B正确;线粒体和叶绿体内有蛋白质合成,含有该酶,C错误;肽酰转移酶对RNA酶敏感,其本质是RNA,所以是具有催化活性的RNA,D正确。
3.下列有关酶的作用及本质的说法不正确的是 ( )
A.胃蛋白酶离开胃腺上皮细胞就不能起作用
B.从刀豆种子中提取的脲酶能被蛋白酶降解
C.酿酒中的发酵是由于酵母菌细胞中的多种酶引起
D.酶催化效率高的原因是降低活化能的作用更显著
【解析】选A。胃蛋白酶由胃腺上皮细胞分泌,在胃中对蛋白质进行分解,在细胞外可以起作用,A错误;脲酶本质上是一种蛋白质,可以被蛋白酶降解,B正确;酵母菌细胞的发酵是一系列化学反应,有多种酶的参与,C正确;酶具有催化作用,与无机催化剂相比,降低化学反应的活化能更显著,故催化效率更高,D正确。
【补偿训练】
在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,关于变量的描述,不正确的是
( )
A.温度、催化剂是自变量
B.H2O2分解速率是因变量
C.肝脏研磨液和氯化铁的体积是自变量
D.H2O2溶液的浓度是无关变量
【解析】选C。肝脏研磨液含有过氧化氢酶,酶和氯化铁属于不同的催化剂,酶、氯化铁和温度在实验中都属于自变量,实验的因变量是过氧化氢的分解速率,其他变量属于无关变量,综上所述C错误。
4.吸能反应指产物分子的能量高于反应物分子,放能反应是产物分子的能量低于反应物分子。如图为某反应在有酶和无酶催化两种条件下的能量变化,据图分析下列叙述错误的是( )
A.该反应为吸能反应
B.曲线Ⅰ表示无酶催化条件
C.E3表示酶降低的反应活化能
D.E4表示有酶条件下反应的活化能
【解析】选D。由图可知,乙物质(产物)所含能量高于甲物质(反应物),则该反应为吸能反应,A正确;曲线Ⅰ中反应所需活化能较高,故应为无酶催化条件,B正确;由图可知,E3为两种条件下活化能的差值,即酶降低的反应活化能,C正确;由图可知,E2表示有酶条件下反应的活化能,D错误。
5.下列有关酶的研究,按时间先后顺序,排列正确的是 ( )
①斯帕兰札尼证明鸟胃里的化学变化
②施旺从胃液中提取出胃蛋白酶
③人们认识鸟胃里无化学变化
④科学家指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质
⑤科学家认为,酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,少数酶是RNA
A.①②③④⑤ B.③①②④⑤
C.①②④③⑤ D.③①②⑤④
【解析】选B。有关酶的研究,人们认为鸟胃里无化学变化;斯帕兰札尼证明鸟胃里有化学变化;施旺从胃液中提取出胃蛋白酶;科学家指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质;后来发现,少数RNA也具有催化作用,科学家认为,酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,少数酶是RNA。因此正确顺序为③①②④⑤。
6.中科院天津工业生物技术研究所在一种专门用于分解PET塑料的水解酶研究方面取得重要突破,未来将据此培育出专“吃”PET塑料的新酶种,通过生物降解方法帮助解决日益严重的塑料垃圾污染问题。以下关于酶的说法,错误的是
( )
A.该水解酶分解塑料以后,自身被消耗
B.该水解酶可特异性地水解PET塑料
C.用酶进行生物降解塑料,比传统的化学降解效率高,污染小
D.该酶的化学本质最可能是蛋白质
【解析】选A。酶只是起催化作用,在反应前后,酶的数量和性质不发生变化,A错误;酶具有专一性,一种酶只能催化一种或一类物质的水解,B正确;酶的催化作用具有高效性,而且生物降解本身不会产生污染,而化学试剂本身可能产生污染,C正确;酶绝大多数为蛋白质,该水解酶最可能是蛋白质,D正确。
二、非选择题(共14分)
7.在动植物细胞质内广泛存在的过氧化氢酶体(由一层生物膜结构包被)中含有过氧化氢酶,在动物体内该酶主要集中于肝脏,它的作用是使H2O2转变成H2O和O2。下表是验证酶的催化特性的几组对比实验,1～5号试管内装有等量的体积分数为3%的H2O2溶液。1～5号试管控制温度与加入物质如表所示。
试管编号
加入物质
条件
现象
气泡
火焰
1
2 mL H2O2溶液+2滴蒸馏水
30 ℃
2
2 mL H2O2溶液+2滴FeCl3溶液
30 ℃
3
2 mL H2O2溶液+2滴肝脏研磨液
30 ℃
4
2 mL H2O2溶液+2滴煮过的肝脏研磨液
冷却至
0 ℃
5
2 mL H2O2溶液+2滴新鲜的唾液
30 ℃
6
2 mL H2O2溶液+?
7
2 mL H2O2溶液+?
(1)若加入物质后,立即用带有余烬的卫生香放在1～3号试管口,其中__________号试管口卫生香迅速复燃。?
(2)若1～5号都是为了验证酶的某项特性而设置的对照,则__________号设置不科学,改进的方法是____________或______________。?
(3)若要证明酶的活性受酸碱度的影响,需再增设6号和7号试管,请补充6号和7号试管内应分别加入____________,温度均应控制在__________。?
【解析】(1)3号试管释放O2的速率最快,卫生香迅速复燃。(2)对照实验需要遵循单一变量原则,4号试管不合理,需将“0 ℃”改成“30 ℃”或将“煮过的肝脏研磨液”改成“肝脏研磨液”。(3)若要证明酶的活性受酸碱度的影响,自变量是酸或碱处理。
答案:(1)3 (2)4 0 ℃改成30 ℃ 煮过的肝脏研磨液改成肝脏研磨液 (3)2滴酸溶液和2滴碱溶液处理过的肝脏研磨液 30 ℃
