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酶与ATP
第三单元细胞的能量供应和利用
第一讲酶和ATP
知识点一 酶的本质作用和特性
1.酶的本质和作用
2.酶的特性
知识点二 细胞的能量“通货”——ATP
1.ATP的结构
2.ATP的转化和利用
考点一酶的作用原理及特性
1.酶的作用原理
(1)原理:
酶降低反应的活化能。
(2)图示及解读:
①没有酶催化的反应曲线是b。
②有酶催化的反应曲线是a。
③AC段的含义是在无催化剂的条件下,反应所需要的活化能。
④BC段的含义是酶降低的活化能。
⑤若将酶催化改为无机催化剂催化该反应,则B点在纵轴上将向上移动,即反应需要的活化能要增大。
2.酶的特性
(1)高效性:
①与无机催化剂相比,酶的催化效率更高。
②酶只能缩短达到化学平衡所需的时间,不能改变化学反应的平衡点。
(2)专一性:
Ⅰ.物理模型:
①图中A表示酶,B表示被A催化的底物,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。
②酶和被催化的反应物分子都有特定的结构。
Ⅱ.曲线模型:
①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。
②而加入酶A的反应速率随反应物浓度的增大明显加快,说明酶A可催化该反应,即酶具有专一性。
(3)酶的作用需要适宜的温度和pH:
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,酶的催化作用逐渐减弱。
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。
[归纳串记]
具有专一性的物质归纳
(1)酶:
每一种酶只能催化一种或一类化学反应。
如限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列,并在特定的切点上切割DNA分子。
(2)载体:
某些物质通过细胞膜时需要载体协助,不同物质所需载体不同,载体的专一性是细胞膜选择透过性的基础。
(3)激素:
激素特异性地作用于靶细胞、靶器官,其原因在于它的靶细胞膜或胞内存在与该激素特异性结合的受体。
(4)tRNA:
tRNA有61种,每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
(5)抗体:
一种抗体只能与相应的抗原发生特异性结合。
[必明考向]
考向一 考查酶的本质和作用
1.用蛋白酶去除大肠杆菌核糖体的蛋白质,处理后的核糖体仍可催化氨基酸的脱水缩合反应。
由此可推测核糖体中能催化该反应的物质是( )
A.蛋白酶 B.RNA聚合酶
C.RNAD.逆转录酶
解析:
选C 大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA,核糖体是由蛋白质和rRNA组成的,用蛋白酶去除大肠杆菌核糖体的蛋白质后,核糖体中只剩下RNA成分,因此,由题中信息“用蛋白酶去除大肠杆菌核糖体的蛋白质,处理后的核糖体仍可催化氨基酸的脱水缩合反应”可说明催化该反应的物质是RNA。
2.关于酶的叙述,错误的是( )
A.同一种酶可存在于分化程度不同的活细胞中
B.低温能降低酶活性的原因是其破坏了酶的空间结构
C.酶通过降低化学反应的活化能来提高化学反应速度
D.酶既可以作为催化剂,也可以作为另一个反应的底物
解析:
选B 细胞生命活动所必需的酶,如呼吸氧化酶,会存在于分化程度不同的各类细胞中;低温只是抑制酶的活性,在一定范围内,当温度回升后,酶的活性可以恢复,但酶的空间结构一旦被破坏,其活性将无法恢复,但低温并没有破坏酶的空间结构;酶提高化学反应速度是靠降低化学反应的活化能实现的;酶在化学反应中充当催化剂,也可以作为另一个反应的底物。
正确辨析有关酶的六种说法
项目
错误说法
正确理解
产生场所
具有分泌功能的细胞才能产生
活细胞(不考虑哺乳动物成熟红细胞等)
化学本质
蛋白质
有机物(大多为蛋白质,少数为RNA)
作用场所
只在细胞内起催化作用
可在细胞内、细胞外、体外发挥作用
温度影响
低温和高温均使酶变性失活
低温只抑制酶的活性,不会使酶变性失活;高温使酶变性失活
作用
酶具有调节、催化等多种功能
酶只起催化作用
来源
有的可来源于食物等
酶只在生物体内合成
考向二 借助曲线模型考查酶的特性
3.下图表示某酶促反应过程,它所反映的酶某一特性以及字母a、b、c最有可能代表的物质依次是( )
A.高效性、蛋白酶、蛋白质、多肽
B.专一性、麦芽糖酶、麦芽糖、葡萄糖
C.专一性、淀粉酶、淀粉、麦芽糖
D.高效性、脂肪酶、脂肪、甘油和脂肪酸
解析:
选C 从图示过程可知:
a是酶,b是该酶的底物,d不是该酶的底物,c表示b被分解成的相同小分子物质,该小分子物质含有两个基本单位。
该过程反映了酶的专一性。
a最可能是淀粉酶,b物质是淀粉,淀粉被分解成麦芽糖,麦芽糖是两分子葡萄糖组成。
4.下列曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中能正确表示人体消化酶作用规律的是( )
A.Ⅰ和ⅢB.Ⅱ和Ⅲ
C.Ⅰ和ⅣD.Ⅱ和Ⅳ
解析:
选D 人体内酶的最适温度接近正常体温(37℃),故第一个坐标系中能表示人体消化酶作用的是曲线Ⅱ。
第二个坐标系中,酶含量为a作为参照,当在底物浓度较低时,反应速率的限制因素是底物浓度而不是酶含量,所以酶含量<a时的曲线起始段应和酶含量为a时的曲线重合,排除曲线Ⅲ。
考点二ATP的结构与功能
1.ATP的结构及组成部分的含义
2.ATP的再生和利用
[归纳串记]
细胞内产生与消耗ATP的生理过程
转化场所
常见的生理过程
细胞膜
消耗ATP:
主动运输、胞吞、胞吐
细胞质基质
产生ATP:
细胞呼吸第一阶段
消耗ATP:
一些需能反应
叶绿体
产生ATP:
光反应
消耗ATP:
暗反应和自身DNA复制、转录,蛋白质合成等
线粒体
产生ATP:
有氧呼吸第二、三阶段
消耗ATP:
自身DNA复制、转录,蛋白质合成等
核糖体
消耗ATP:
蛋白质的合成
细胞核
消耗ATP:
DNA复制、转录等
3.ATP产生速率与O2供给量之间的关系
(1)图中A点表示在无氧条件下,细胞可进行无氧呼吸分解有机物,产生少量ATP。
(2)AB段表示随O2供应量增多,有氧呼吸明显加强,通过有氧呼吸分解有机物释放的能量增多,ATP的产生速率随之增加。
(3)BC段表示O2供应量超过一定范围后,ATP的产生速率不再加快,此时的限制因素可能是酶、ADP、磷酸等。
[易误提醒]
对ATP认识上的四个易误点
(1)误认为ATP与ADP的相互转化是可逆反应。
ATP的合成和ATP的水解在所需的酶、能量来源、能量去路和反应场所方面都不尽相同,因此ATP和ADP的相互转化并不是可逆反应,但物质可重复利用。
(2)ATP转化为ADP也需要消耗水。
ATP转化为ADP又称“ATP的水解反应”,这一过程需酶的催化,同时也需要消耗水。
凡是大分子有机物(如蛋白质、脂肪、淀粉等)的水解都需要消耗水。
(3)ATP≠能量。
ATP是一种高能磷酸化合物,是与能量有关的一种物质,不能将两者等同起来。
(4)误认为细胞中含有大量ATP。
生命活动需要消耗大量能量,但细胞中ATP含量很少。
由于ADP、Pi等可重复利用,只要提供能量(光能或化学能),生物体就可不断合成ATP,满足生物体的需要。
[必明考向]
考向一 ATP的结构与合成
1.下图为ATP的结构和ATP与ADP相互转化的关系式。
有关说法不正确的是( )
A.图甲中的A代表腺苷,b、c为高能磷酸键
B.图乙中进行①过程时,图甲中的c键断裂并释放能量
C.ATP与ADP快速转化依赖于酶催化作用具有高效性
D.夜间有O2存在时,图乙中过程②主要发生在线粒体
解析:
选A A项中A代表的是腺嘌呤;ATP水解一般是远离A的高能磷酸键断裂,也就是c键;酶催化作用的高效性可使ATP与ADP进行快速转化。
夜间有O2存在时,ATP合成的主要场所是线粒体。
2.细胞中不能合成ATP的部位是( )
A.线粒体的内膜
B.叶绿体中进行光反应的膜结构
C.内质网的膜
D.蓝藻(蓝细菌)中进行光反应的膜结构
解析:
选C 细胞代谢产生ATP的生理过程主要是细胞呼吸和光合作用的光反应,内质网的膜上不能产生ATP。
考向二 ATP的能量供应与利用
3.ATP是一种高能磷酸化合物。
下列关于ATP的叙述正确的是( )
A.如细胞代谢强度增加一倍,则细胞内ATP的含量也将增加一倍
B.ATP中全部高能磷酸键断裂后,形成的产物有腺嘌呤核糖核苷酸和磷酸
C.ATP分子结构中含有一个普通磷酸键,该键易断裂也易形成
D.有丝分裂后期,受纺锤丝牵引,着丝点断裂,该过程需要ATP水解供能
解析:
选B 细胞内ATP与ADP的含量很少且保持相对稳定;ATP分子结构中含有一个普通磷酸键和两个高能磷酸键,易断裂也易形成的是高能磷酸键;有丝分裂后期着丝点分裂并非纺锤丝牵引所致。
4.下列生命活动中不需要ATP提供能量的是( )
A.叶肉细胞合成的糖运输到果实
B.吞噬细胞吞噬病原体的过程
C.淀粉酶催化淀粉水解为葡萄糖
D.细胞中由氨基酸合成新的肽链
解析:
选C 叶肉细胞合成的糖运出叶肉细胞及糖在运输路径中的跨膜过程均需ATP提供能量;吞噬细胞以胞吞方式吞噬病原体的过程需消耗能量;细胞中小分子的氨基酸脱水缩合形成肽链的过程需要ATP供能;淀粉在淀粉酶的催化作用下水解为葡萄糖的过程不消耗能量。
5.关于真核细胞中生命活动与能量关系的叙述,错误的是( )
A.DNA复制需要消耗能量
B.光合作用的暗反应阶段需要消耗能量
C.物质通过协助扩散进出细胞时需要消耗ATP
D.细胞代谢所需的ATP可在细胞质基质中产生
解析:
选C 物质通过协助扩散进出细胞时需要载体,但不消耗能量。
探究温度和pH对酶活性的影响
[典例] 某生物课外活动小组在探究酶的特性时,实验员为其提供了如下材料用具:
质量分数为3%的淀粉溶液、质量分数为5%的NaOH溶液、质量分数为5%的盐酸、质量分数为2%的淀粉酶溶液、体积分数为3%的过氧化氢溶液、新鲜的质量分数为20%的猪肝研磨液、质量分数为1%的碘液、蒸馏水、90℃热水、冰水,试管、量筒、小烧杯、大烧杯、胶头滴管、试管夹、酒精灯、三脚架、石棉网、温度计、pH试纸、火柴、标签纸等。
结合所学知识回答下列问题:
(1)探究温度对酶活性的影响。
①本实验选用的反应物和酶制剂分别是质量分数为3%的淀粉溶液、质量分数为2%的淀粉酶溶液。
考查温度对酶活性影响实验的材料选择,
(2)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来判断酶的活性。
②用带有标注文字的装置简图呈现分组情况。
考查温度影响酶活性的实验设计程序
③本实验的观测指标是淀粉溶液的颜色变化,酶活性最高的一组的现象是溶液不变蓝(或蓝色最浅)。
(2)探究pH对酶活性的影响。
①本实验选用的反应物和酶制剂分别是体积分数为3%的过氧化氢溶液、新鲜的质量分数为20%的猪肝研磨液(或质量分数为3%的淀粉溶液、质量分数为2%的淀粉酶溶液)。
(2)pH影响酶的活性,从而影响O2的生成量,可用点燃但无火焰的卫生香燃烧的情况来检验O2生成量的多少。
②在每组试管中加入药品或试剂的顺序是:
新鲜的质量分数为20%的猪肝研磨液→质量分数为5%的NaOH溶液(或盐酸)或蒸馏水→体积分数为3%的过氧化氢溶液[或质量分数为2%的淀粉酶溶液→质量分数为5%的NaOH溶液(或盐酸)或蒸馏水→质量分数为3%的淀粉溶液](前两步颠倒顺序也可)。
③下表为某同学做的探究pH对酶活性影响的实验:
试管编号
A
B
实验步骤
1
加入2mL体积分数为3%的H2O2溶液
加入2mL体积分数为3%的H2O2溶液
2
5滴猪肝研磨液
5滴猪肝研磨液
3
0.5mL质量分数为5%的NaOH溶液
0.5mL质量分数为5%的HCl溶液
4
观察气泡的产生速率
观察气泡的产生速率
上述实验设计中有两处不妥之处,请指出:
a.缺少pH=7的对照组;
b.加入NaOH和HCl的时间顺序不合理,应在加入H2O2酶前改变溶液的pH。
影响酶促反应速率的曲线解读
[典型图示]
[信息解读]
(1)底物浓度、酶浓度与酶促反应速率的关系:
①甲图:
在其他条件适宜、酶量一定的情况下,酶促反应速率随底物浓度增加而加快,但当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。
②乙图:
在底物充足、其他条件适宜的情况下,酶促反应速率与酶浓度呈正相关。
③温度和pH是通过影响酶活性来影响酶促反应速率的;底物浓度和酶浓度是通过影响底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)反应时间与酶促反应的关系:
①丙、丁、戊三图的时间t0、t1和t2是一致的。
②随着反应的进行,反应物因被消耗而减少,生成物因积累而增多。
③t0~t1段,因反应物较充足,所以反应速率较高,反应物消耗较快,生成物生成速率快。
t1~t2段,因反应物含量较少,所以反应速率降低,反应物消耗较慢,生成物生成速率较慢。
t2时,反应物被消耗干净,生成物也不再增加,此时反应速率为0。
破解酶实验难题的三种方法
一、试剂检测法——鉴定酶的本质
1.设计思路
从酶的化学本质上来讲,绝大多数的酶是蛋白质,少数的酶是RNA。
在高中教材中常见的一些酶,如淀粉酶、蛋白酶等,其本质都是蛋白质,所以对酶本质的鉴定常常是变相地考查蛋白质的鉴定方法。
因此,使用双缩脲试剂产生紫色反应的鉴定方案即可。
2.设计方案
[例1] 下列能够证明某种酶的化学本质是RNA的实验设计组合是( )
组别
实验处理
①
待测酶液+吡罗红染液→是否呈现红色
②
待测酶液+双缩脲试剂→是否出现紫色
③
已知RNA溶液+吡罗红染液→出现红色
④
已知蛋白液+双缩脲试剂→紫色反应
A.①④ B.②③
C.①③D.②④
[解析]选C 本题考查酶实验设计的相关知识,意在考查考生的实验设计能力。
对于酶本质的验证,需要设置对照组,即第③组,此外检测RNA利用吡罗红染液。
二、对比法——验证酶的高效性和专一性
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
(3)实验操作
[例2] 已知2H2O2===2H2O+O2↑,可以通过观察反应过程中O2的生成速度(即气泡从溶液中释放的速度)来判断H2O2分解的速度。
请用所给的实验材料和用具设计实验,使其能同时验证过氧化氢酶具有催化作用和高效性。
要求写出实验步骤,预测实验结果并得出结论。
请回答问题:
实验材料与用具:
适宜浓度的H2O2溶液、蒸馏水、质量分数为3.5%的FeCl3溶液、新鲜的质量分数为0.01%的过氧化氢酶溶液、恒温水浴锅、试管若干。
(1)实验步骤:
①________________________________________________________________________
②________________________________________________________________________
③________________________________________________________________________
(2)实验结果预测及结论:
整个实验中,不同处理的试管中O2的释放速度从快到慢依次是________________________________________________________________________
__________________________。
由此可得出的结论是__________________________________________________。
(3)如果仅将实验中的恒温水浴的温度改为80℃,重做上述实验,O2释放的速度最快的是________________________________________________________________________,
原因是___________________________________________________________。
[解析]该实验有两个目的:
一是验证酶具有催化作用,可通过设置有酶和无酶的两组实验进行研究;二是验证酶具有高效性,可通过比较酶与无机催化剂的催化效率来实现。
因此,本实验需要设置3组:
H2O2溶液+蒸馏水、H2O2溶液+过氧化氢酶溶液、H2O2溶液+FeCl3溶液。
由于该实验属于验证性实验,所以实验结果是确定的,即加酶的一组中O2释放速度最快。
高温使过氧化氢酶变性失活,故经80℃处理后,加有FeCl3溶液的试管中O2释放速度最快。
[答案]
(1)①取3支试管,各加入等量且适量的H2O2溶液,放入37℃恒温水浴锅中保温适当时间;②分别向上述3支试管中加入等量且适量的蒸馏水、FeCl3溶液和过氧化氢酶溶液;③观察各试管中释放气泡的快慢
(2)加酶溶液的试管、加FeCl3溶液的试管、加蒸馏水的试管 酶具有催化作用和高效性 (3)加FeCl3溶液的试管 在此温度下,过氧化氢酶变性失活
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
酶具有专一性
(3)实验操作
[例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4种溶液,斐林试剂,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)在上述实验中,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,出现砖红色沉淀的试管中的颜色会比37℃时的浅,其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析]
(1)对照试管甲,易知试管乙中要添加的是淀粉溶液和唾液淀粉酶溶液;试管丙和试管丁就应该分别是试管甲和试管乙的对照实验。
(2)根据步骤①的提示和题干所给的材料及用具,可以推出接下来要做的是“恒温反应”,并利用斐林试剂检测实验结果,观察实验现象和记录实验结果。
(3)(4)根据实验设计,试管甲和试管乙中的反应能够进行,会出现砖红色沉淀;其他试管中的反应不能进行,不会出现砖红色沉淀,因此,可得出“酶的催化作用具有专一性”这一结论。
(5)因为酶的活性受温度影响,20℃低于酶的最适温度,酶的活性较低,产生的还原糖较少,因此,产生砖红色沉淀的试管中的颜色比37℃时的浅。
[答案]
(1)如下表:
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将各试管中溶液放在37℃恒温水浴锅中一段时间后再按上表分别混匀,放入37℃恒温水浴锅中保温一段时间 ③取出试管,分别加入适量的斐林试剂,混匀,在热水浴中处理一段时间 ④观察实验现象并记录实验结果。
(3)含有蔗糖和蔗糖酶溶液的试管,以及含淀粉和淀粉酶溶液的试管中出现砖红色沉淀,其他试管中不出现砖红色沉淀 (4)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,产生的还原糖少
三、梯度法——探究酶的最适温度和最适pH
1.设计思路
常用“梯度法”来探究酶的最适温度(或pH),设计实验时需设置一系列不同温度(或pH)的实验组进行相互对照,最后根据实验现象得出结论:
酶促反应时间最短的一组所处的温度(或pH)即最适温度(或pH)。
相邻组间的差值(即梯度值)越小,测定的最适温度(或pH)就越精确。
特别注意:
在设计实验过程中,根据“单一变量原则”,除自变量(如温度或pH等)成等差数列相互对照外,其他所有无关变量都必须相同(包括材料的大小、质量、生长状况等)。
2.设计方案
组别编号
1
2
…
n
实验材料
等量的同种底物
pH
a1
a2
…
an
温度
T1
T2
…
Tn
衡量指标
相同时间内,各组酶促反应中生成物量的多少,或底物剩余的多少
实验结论
生成物量最多的一组,或底物剩余最少的一组所处温度(或pH)为最适温度(或pH)
[例4] 某同学从温
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