1、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 酶的作用和本质概念认知自主学习一、酶在细胞代谢中的作用 1.细胞代谢:(1)概念:细胞中每时每刻都进行着许多_,统称为细胞代谢。(2)条件:需_的催化。(3)意义:细胞代谢是_的基础。化学反应 酶 细胞生命活动 2.比较过氧化氢在不同条件下的分解:(1)实验原理:(2)实验结论:与无机催化剂相比,酶的催化效率更高。3.酶的作用机理:(1)活化能:分子从常态转变为_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。【警示】过氧化氢在90 水浴中分解加快,但是活化能没有降低。容易发生化学反应 活化能
2、二、酶的化学本质 1.关于酶本质的探索(连线):2.酶的本质:绝大多数酶是_,少数是_。【质疑批判】某同学学习完本节内容后,总结出了以下几条结论:胃蛋白酶是活细胞产生的具有催化作用的蛋白质。唾液淀粉酶在人体内有催化作用,离开人体后不能发挥作用。加热后H2O2分解加快,因为加热后H2O2的活化能降低。人体的酶具有调节生命活动的作用。肠肽酶能催化多肽分解,不能为反应提供能量。你的判断:正确的结论有_。蛋白质 RNA 【思维激活】1.某同学获得了一份某种酶的结晶,请你帮忙鉴别该酶的成分是否是蛋白质,你应该选择什么试剂进行检测?提示:双缩脲试剂。2.已知唾液淀粉酶是蛋白质,请推测唾液淀粉酶是在唾液腺细
3、胞的哪种细胞器上合成的?提示:核糖体。【教材开发】P79关于酶本质的探索 问题:切赫和奥特曼发现RNA也具有催化功能,这种RNA酶与脲酶的作用机理相同吗?提示:相同,都是降低化学反应的活化能。能力形成合作探究学习任务一:比较过氧化氢在不同条件下的分解【情境探究】请结合过氧化氢在不同条件下的分解的实验设计探究:试管编号 1 2 3 4 相同处理 2 mL过氧化氢溶液 不同处理 不处理 90 水浴 2滴FeCl3 2滴肝脏研磨液 观测指标 无气泡 气泡少 气泡较多 气泡很多【探究活动】(科学探究控制变量)1.变量分析:(1)自变量:温度和催化剂的种类。(2)因变量:过氧化氢的分解速率。(3)无关变
4、量:反应时间、过氧化氢的量和浓度等。2.对照实验:通过分析对照实验可以得出结论,写出下列对照实验的实验结论。(1)1号与2号对比,结论:_。(2)1号与3号对比,结论:_。(3)1号与4号对比,结论:_。(4)3号与4号对比,结论:与无机催化剂相比,_。加热可以加快H2O2的分解 FeCl3可以催化H2O2的分解 过氧化氢酶可以催化H2O2的分解 过氧化氢酶的催化效率更高【易错陷阱】实验操作中出现的两个误区(1)选取的肝脏研磨液应是新鲜的。如不新鲜可能导致酶活性低甚至失去活性而影响实验结果。(2)误用同一滴管滴加肝脏研磨液和FeCl3溶液。会导致滴加FeCl3溶液中含有少量的肝脏研磨液,会影响
5、实验结果。【素养案例】某兴趣小组利用如图所示装置探究H2O2在不同条件下的分解情况,图示所用试剂的浓度都在合理范围内且甲、乙装置中的H2O2的浓度和量都相同,让反应进行至不再有气泡产生时,下列说法正确的是()A.该实验中的自变量是酶的种类 B.该实验的因变量的检测指标是H2O2的分解速率 C.量筒中水的体积等于量筒中水的体积 D.量筒中水的体积小于量筒中水的体积【思维流程】【解析】选C。根据题干信息和题图分析,该实验的自变量是催化剂的种类,因变量是气体的产生量,实验中收集到的水的体积代表产生的O2的量。由于两个装置中H2O2的浓度和量都相同,因此两个装置产生的O2量相等,则量筒中水的体积等于量
6、筒中水的体积,故选C。【题后反思】H2O2分解实验的两种曲线模型(1)一定量的过氧化氢溶液加入适量酶后,氧气产生总量与时间的关系:反应速率随时间逐渐减慢。达到最大值时反应速率为0,限制氧气产生总量的因素是H2O2的量。(2)在酶数量一定的条件下,氧气产生速率与H2O2浓度的关系:在一定范围内,反应速率随H2O2浓度逐渐增加。达到最大反应速率时,限制氧气产生速率的主要因素是酶的量。【典题加练】1.取4支试管分别编号为1、2、3、4,向各试管中分别加入2 mL过氧化氢,其中1号试管不作任何处理,2号试管在90 条件下水浴加热,3号试管中滴入2滴FeCl3溶液,4号试管中滴入2滴肝脏研磨液。下列叙述
7、错误的是()A.加热为过氧化氢分解提供了能量 B.与3号试管相比,4号试管说明酶降低活化能的作用更显著 C.3、4号试管都有酶参与催化 D.4支试管中,4号试管内的反应最剧烈【解析】选C。加热为过氧化氢提供了能量,使过氧化氢从常态转变为容易分解的活跃状态,A项正确;3号试管中滴入2滴FeCl3溶液(无机催化剂),4号试管中滴入2滴肝脏研磨液(含有过氧化氢酶),4号试管反应更强烈,产生了更多的气泡,说明酶与无机催化剂相比,酶降低活化能的作用更显著,B项正确;3、4号试管参与催化的分别是无机催化剂和酶,C项错误;由于酶具有高效性,所以4支试管中,4号试管内的反应最剧烈,D项正确。2.某兴趣小组重做
8、H2O2在不同条件下分解的实验,下列相关叙述错误的是()步骤 编号 a b c d 相同 处理 等量等浓度H2O2 等量等浓度H2O2 等量等浓度H2O2 等量等浓度H2O2 不同 处理 室温 90 水浴 室温处理并滴加2滴新鲜肝脏研磨液 室温处理并滴加2滴FeCl3溶液 观察 指标 极少气泡 少量气泡 大量气泡 较多气泡 A.c、d 试管分别与 a 试管比较,说明过氧化氢酶和3Fe 均具有催化功能 B.综合分析 a 试管、c 试管和 d 试管,说明与无机催化剂相比,酶催化效率更高 C.与 a 试管相比较,b 试管的水浴加热为过氧化氢的分解提供了能量 D.本实验中 H2O2的浓度对实验现象没有
9、影响【解析】选 D。c、d 试管分别与 a 试管比较,产生的气泡数目均比 a 试管多,说明过氧化氢酶和3Fe 均具有催化功能,A 正确;c 试管产生的气泡数目较 d 试管多,说明酶的催化效率更高,B 正确;b 试管进行水浴加热,产生气泡较 a 试管多,说明水浴加热为过氧化氢的分解提供了能量,C 正确;本实验中 H2O2的浓度为无关变量,也会对实验现象产生影响,D 错误。学习任务二:酶的本质及作用机理【情境探究】近几年酵素突然在养生人群中流行,尤其是年轻爱美的女士们,更是趋之若鹜,大家都在追求“瘦之美”。各种类型的酵素产品如雨后春笋般上市,其实酵素就是酶的另一类说法。思考:酵素的化学本质是什么?
10、酵素有什么作用?提示:酵素的化学本质是蛋白质,具有催化作用。【探究活动】(科学思维批判性思维、模型与建模)1.酶的本质和作用:化学本质 绝大多数是蛋白质 少数是RNA 合成原料 氨基酸 核糖核苷酸 合成场所 核糖体 主要在细胞核 来源 一般来说,所有的活细胞 生理功能 催化作用 探讨:如图为某品牌酵素宣传的六大功能,结合上表分析,该品牌的宣传是否科学?如果被人食用后是否仍具有酵素的原有功能?提示:不科学,酵素是酶,只具有催化作用,其本质是蛋白质,被人食用后会被消化酶分解而丧失原有的功能。2.酶的作用机理模型:关键点分析:区段 含义 ad 无催化剂条件下反应所需的活化能 bd 有无机催化剂条件下
11、反应所需的活化能 cd 有酶催化条件下反应所需的活化能 ac 酶降低的活化能【易错陷阱】酶作用机理的两个误区(1)误认为酶可以提供能量。酶只降低反应所需的活化能,不给底物反应提供能量。(2)误认为人体内的酶含量不变。酶是催化剂,反应前后酶的本质和数量不变,但人体内的酶会不断更新。【素养案例】某同学有甲、乙两种未知成分的酶,该同学利用胃蛋白酶处理甲、乙两种酶,一段时间后得出甲、乙两种酶的活性与处理时间的关系如图所示,下列叙述错误的是()A.甲酶可能是具有催化功能的RNA B.乙酶的化学本质为蛋白质 C.甲、乙两种酶的合成场所一定是相同的 D.乙酶活性改变是因为其分子结构改变【思维流程】【解析】选
12、C。甲、乙两种酶用同一种胃蛋白酶处理,甲酶活性不变,说明甲酶不是蛋白质,可能是具有催化功能的RNA,A正确;乙酶活性降低,说明乙酶可被胃蛋白酶分解,故乙酶的化学本质为蛋白质,B正确;RNA主要在细胞核中合成,蛋白质在细胞质中的核糖体上合成,C错误;乙酶的化学本质为蛋白质,其酶活性改变是因为蛋白质分子结构改变,D正确。【素养迁移】乙酶合成的场所是_(填细胞器),真核细胞中甲酶主要分布细胞的_ 中。【题后反思】酶的合成及来源(1)活细胞能产生酶,但不是所有的活细胞都能产生酶,如哺乳动物成熟的红细 胞。(2)细胞中的酶只能在细胞中合成,不能从食物中获取。核糖体 细胞质【知识拓展】酶与无机催化剂的比较
13、(1)相同点:改变化学反应速率,本身几乎不被消耗;只催化已存在的化学反应;加快反应速率,缩短达到平衡的时间,但不改变平衡点;都降低活化能,使化学反应速率加快。(2)不同点:酶的稳定性不如无机催化剂;一般情况下,酶的催化效率比无机催化剂高。【典题加练】1.下列图中,表示有酶催化的反应曲线,表示没有酶催化的反应曲线,E表示酶降低的活化能,则下列叙述正确的是()【解析】选C。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。酶降低的活化能应是没有酶参与时反应所需的能量与有酶参与时反应所需的能量之间的差。2.在下列四个试管中分别加入一些物质,甲试管:经高温煮沸冷却后的豆浆;乙试管:人体必
14、需的8种氨基酸溶液;丙试管:蛋清和蛋白酶;丁试管:人血液中的红细胞和蒸馏水。则上述四个试管中加入双缩脲试剂振荡后,有紫色反应的选项是 ()A.只有甲 B.甲和丙 C.甲、丙、丁 D.甲、乙、丙、丁【解析】选C。甲试管:经高温煮沸冷却后的豆浆中,蛋白质空间结构被破坏,但仍含肽键,所以遇到双缩脲试剂呈现紫色;乙试管:8种必需氨基酸溶液不含肽键,不显紫色;丙试管:蛋清中的蛋白质能被蛋白酶水解形成多肽,蛋白质酶和多肽遇到双缩脲试剂显紫色;丁试管:人血液中的红细胞在蒸馏水中吸水涨破,释放出血红蛋白,血红蛋白遇双缩脲试剂显紫色。因此,四个试管中加入双缩脲试剂振荡后,都有紫色反应的是甲、丙、丁,C正确。3.
15、生物体内许多化学反应都需要酶的催化,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C、H、O、N 4种元素,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。学情诊断课堂测评1.(水平1概
16、念检测)酶对细胞代谢起着非常重要的作用,可以降低反应的活化能,下列有关酶的作用特点及本质的叙述,合理的是_。酶不能脱离生物体起作用 酶只能在细胞外才起作用 所有的酶都是蛋白质 酶具有催化作用 所有的活细胞都有酶【解析】选。酶可以在生物体内发挥作用也可在生物体外发挥作用,错误;有些酶可以在细胞内发挥作用,如:与细胞呼吸有关的酶、与光合作用有关的酶等,错误;酶绝大多数是蛋白质,少数是RNA,错误;酶是具有催化作用的有机物,正确;细胞的新陈代谢需要酶的催化,所有的活细胞都能进行新陈代谢,因此都含有酶,正确。2.(水平1)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
17、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.(水平1)多酶片中含有蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶,这种药片的主要功能是()A.增强免疫力 B.提供能量 C.减肥 D.助消化【解析】选D。酶是一类具有生物催化作用的有机物。在多酶片中含有蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶。由酶的特性可知,当口服多酶片后,在消化道内这些酶可以分别催化食物中蛋白质、淀粉和脂肪的分解,从而有助于食物的消化,故选D。4.(水平2)下列关于酶的叙述中正确的一项是()A.酶是活细胞产生的 B.酶的本质是蛋白质,蛋白质都是酶 C.酶促反应与外界条件无关 D.酶只有在生物体内才起
18、催化作用【解析】选A。酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物,A正确;酶是蛋白质或RNA,蛋白质不一定是酶,B错误;酶的作用条件温和,其活性受外界环境因素的影响,C错误;只要条件适宜,酶在生物体外也可催化相应的化学反应,D错误。5.(水平1)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种类。【能力挑战题组】1.如图表示“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验。下列有关
19、分析合理的是()A.本实验的因变量是催化剂的种类 B.本实验的无关变量有温度和酶的用量等 C.1号与2号、1号与4号可分别构成对照实验 D.分析1号、2号试管的实验结果可知加热能降低反应的活化能【解析】选C。本实验的因变量是过氧化氢的分解速率,A项错误;除自变量外,实验过程中存在的会影响实验现象或结果的因素或条件称为无关变量,过氧化氢的浓度、溶液体积、反应时间,酶的用量等均是无关变量,而温度是自变量之一,B项错误;1号与2号对照可说明加热能促进过氧化氢分解,1号与4号对照,可得出过氧化氢酶能催化过氧化氢分解,C项正确;加热能加快过氧化氢分解速率,而不是降低反应的活化能,D项错误。2.当某种RN
20、A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也可起催化作用 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】选B。根据题意,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即刻慢了下来,可见在该 过程中RNA起催化作用,所以B正确。3.酶的发现经历了长期的探索历程,阅读有关酶探索历程的材料,回答下列问题。材料一:1810年,Jaseph Gay lussac发现酵母能将糖转化为酒精;1857年,巴斯德提出酒精发
21、酵是酵母菌细胞活动的结果,即酒精发酵离不开活细胞的作用,而李比希反对这种观点,认为引起发酵的是酵母细胞中的某种物质。材料二:1926年,萨姆纳从刀豆种子中提取出脲酶的蛋白质结晶,并证实了脲酶是蛋白质,随后科学家提取出多种酶的蛋白质结晶,直到20世纪80年代,美国科学家切赫和奥特曼发现少数RNA也具有生物催化功能。(1)结合材料一和材料二,请给酶下一个定义:_ _。(2)根据上述材料可知,合成酶的单体是_。(3)酶的作用机理是降低了化学反应所需的活化能,活化能是指_ _。(4)巴斯德提出酒精发酵是酵母菌细胞活动的结果,即酒精发酵离不开活细胞,而李比希认为引起发酵的是酵母细胞中的某种物质。请你设计
22、实验证明李比希的观点是否正确,写出实验设计思路:_。【解析】(1)根据题意可知,酶是一种催化剂,且其化学本质是蛋白质或RNA,并结合教材,即可得出酶的定义:酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,绝大多数酶是蛋白质,少数是RNA。(2)根据题中材料可知,酶的化学本质是蛋白质或RNA,因此组成酶的单体是氨基酸或核糖核苷酸。(3)酶的作用机理是降低了化学反应所需的活化能,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所需要的能量。(4)该实验的目的是证明引起酒精发酵的是酵母菌细胞中的某种物质,而不是酵母菌活细胞本身,因此需要将酵母菌研磨后获得不含酵母菌活细胞的提取液,该提取液中含有酵母菌分泌的
23、物质,但是不含酵母菌,然后再将该提取液加到葡萄糖溶液中,在适宜条件下密闭发酵,观察是否会产生酒精。若产生了酒精,则证明推测是正确的,若没有产生酒精,则证明推测是错误的。答案:(1)酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,绝大多数酶是蛋白质,少数是RNA。(2)氨基酸或核糖核苷酸(3)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)将酵母菌研磨后获得不含酵母菌活细胞的提取液。再将提取液加到葡萄糖溶液中。在适宜条件下密闭发酵,观察是否会产生酒精 4.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所需要的能量。如图为酶的作用模型,请据图回答下列问题:(1)从图中可以看出,没有酶催化时
24、,发生化学反应需要的活化能_;有酶催化时,发生化学反应需要的活化能_;a指_ _。因此,酶催化作用的机理是_。(2)酶的化学本质是_,酶起作用的部位是_。【解析】(1)从图中可以看出,没有酶催化时,发生化学反应需要的活化能较高,有酶催化时,发生化学反应需要的活化能较低,因此,酶催化作用的机理是降低化学反应的活化能。(2)酶的化学本质是蛋白质或RNA,酶在细胞内和细胞外都能起作用。答案:(1)高 低 酶所降低的活化能 降低化学反应所需的活化能(2)蛋白质或RNA 细胞内和细胞外 素养发展创新应用素材 酚氧化酶与茶 植物细胞受损后通常会释放出酚氧化酶,使无色的茶多酚氧化生成褐色的物质茶黄素、茶红素
25、等新成分,香气物质明显增加。在茶叶组织中的酚氧化酶分为游离态和束缚态,前者主要存在于细胞液中,属于可溶态酚氧化酶,而后者则主要存在于叶绿体、线粒体等细胞器中,与这些细胞器的膜系统或其他特异部位结合呈不溶态。某位研究员研究了茶树新梢中酚氧化酶活性及茶多酚含量对红茶品质的影响,发现酚氧化酶活性强,茶多酚含量降低,对红茶品质有利,相反则利于绿茶的生产。探究(1)植物细胞中的酚类物质与酚氧化酶在细胞质中是分隔开的,是因为细胞内具有_系统。(2)为了研究酚氧化酶的成分,把含有酚氧化酶的提取液作如表的处理:试管A、B对照,说明酚氧化酶的化学本质是_。步骤 试管 酚氧化酶提取液的处理 加入缓冲液 加入酚类底
26、物 实验后的颜色 A 不做处理 2 mL 2 mL 褐色 B 加入蛋白酶、10分钟 2 mL 2 mL 无色(3)茶树叶细胞中存在众多种类的酚类物质与酚氧化酶。为什么红茶在加工过程中酚氧化酶活性强,茶多酚含量降低对红茶品质有利?【解析】(1)细胞中具有生物膜系统,将细胞中的酚类物质与酚氧化酶在细胞质中分隔开。(2)B试管用蛋白酶处理,也不会变色,说明酚氧化酶被蛋白酶水解了,说明酚氧化酶的本质是蛋白质。(3)红茶发挥酚氧化酶的作用,使茶多酚大量减少转化为茶黄素、茶红素等新成分,香气物质明显增加。答案:(1)生物膜(2)蛋白质(3)酚氧化酶活性强,茶多酚含量降低,产生的茶黄素、茶红素等新成分更多,香气物质明显增加。【拓展阅读】“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”。探究:(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?(社会责任)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?(科学思维)提示:降低化学反应的活化能。