2022届高考生物一轮复习第3单元细胞的代谢第7讲降低化学反应活化能的酶学案新人教版

第7讲　降低化学反应活化能的酶

素养导读

必备知识固本夯基　

一、酶的本质和作用

1.酶本质的探索历程(连线)

2.酶的本质及生理功能

3.酶的作用原理

下图曲线表示在无催化剂的条件下和有酶催化的条件下某化学反应的能量变化过程。

(1)无催化剂的反应曲线是　　　。　 

(2)有酶催化的反应曲线是　　　。　 

(3)CA段的含义是在无催化剂的条件下,反应所需要的活化能。

(4)BA段的含义是　　　　　　　　　　　。 

4.实验:比较过氧化氢在不同条件下的分解

(1)实验流程

(2)变量分析

二、酶的特性及影响因素

1.酶的高效性

(1)含义:与无机催化剂相比,酶　　　　　　　　　　　　　　的作用更显著,催化效率更高,是无机催化剂的107~1013倍。 

(2)曲线模型及解读

2.酶的专一性

(1)含义:每一种酶只能催化　　　　　　　　　　化学反应。 

(2)物理模型及解读

3.实验:淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用

(1)实验原理:①淀粉和蔗糖都是　　　　　　　　,葡萄糖、果糖、麦芽糖都是　　　　　　;②　　　　　　　　能鉴定溶液中有无还原糖;③淀粉酶能催化淀粉水解为还原糖,不能催化蔗糖水解。 

(2)实验步骤

①设置变量:取两支洁净的试管,编上号,然后按照下表中序号1至序号3的要求操作。

②保温:轻轻振荡试管,　　　　左右水浴加热,保温5 min。 

③检测:取出试管,各加入　　 mL斐林试剂(边加入斐林试剂,边轻轻振荡这两支试管,以便使试管内的物质混合均匀)。沸水浴1 min。 

④观察:两支试管内的溶液颜色变化。

(3)实验现象:1号试管出现　　　　　　　　　　,2号试管　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(4)实验结论:酶只能催化　　　　　　　　　　　　　　。 

4.酶的作用条件较温和

(1)含义:酶所催化的化学反应一般在比较温和的条件下进行的。

(2)在最适宜的温度和pH条件下,酶的活性最　　。温度和pH偏高或偏低,酶活性都会明显降低。 

(3)过酸、过碱或温度过高,会　　　　　　　　　　　　　　　　,使酶　　　　　　　　。在0 ℃左右时,酶的活性很低,但　　　　　　　　　　　稳定,在适宜的温度下酶的活性会升高。 

5.实验:影响酶活性的条件

(1)实验原理

①酶活性:酶催化特定化学反应的能力,可用在一定条件下酶所催化某一化学反应的　　　　表示。 

②　　　　　　可催化淀粉水解,淀粉遇　　　　变　　　　。 

③　　　　　　可催化H2O2分解为　　　　　　。 

(2)实验方案设计与预期结果

续　表

概念检测

1.基于对酶的本质和作用的理解,判断下列表述是否正确。

(1)同一个体各种体细胞酶的种类相同、数量不同、代谢不同。(　　)

(2)酶通过降低化学反应的活化能来提高化学反应速率。(　　)

(3)酶既可以作为催化剂,也可以作为另一个反应的底物。(　　)

(4)酶是由活细胞产生的,因此酶只能在细胞内发挥作用。(　　)

(5)酶活性的发挥离不开其特定的结构。(　　)

2.基于对酶的特性及影响因素的理解,判断下列表述是否正确。

(1)淀粉酶溶液中加入蛋白酶不会导致淀粉酶活性发生变化。(　　)

(2)不同酶的最适温度可能相同。(　　)

(3)高温和低温均能破坏酶的空间结构使其失去活性。 (　　)

(4)酶活性最高时的温度不适合酶的保存。(　　)

(5)随着温度降低,酶促反应的活化能下降。(　　)

教材拓展

1.(人教版必修1P77“探究·实践”)若将FeCl3溶液和肝脏研磨液事先经90 ℃水浴加热处理之后,再按原剂量分别加入3号、4号试管中进行实验,你推测实验结果有何变化?说明推断依据。

2.(人教版必修1P84图5-2、图5-3)过酸、过碱或温度过高使酶永久失活的原因:　。 

核心考点能力提升　

考点一　酶的本质、作用与特性

合作探究

探究1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完成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什么?说出推断依据。

(2)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。甲、乙两种酶的化学本质是否相同?说出理由。

解疑释惑关于酶的八个易错点

探究2酶的特性与影响因素

(1)据图分析问题。

①图中b表示　　　　　　　　,e表示　　　　　　　　。 

②温度在a时,酶的活性　　　　,但不会失活;温度≥c,酶会失活。pH≤d、pH≥f,酶都会失活。 

③不同酶的最适　　　　不同,如胃蛋白酶最适pH为1.5,胰蛋白酶的最适pH接近　　　。 

④由图可知,酶的作用条件较温和,在最适宜的　　　　　　　　条件下,酶的活性最高。 

(2)下图表示的是在最适温度下,反应物浓度对酶所催化的化学反应速率的影响。

①在A、B、C三点时,该化学反应的状况如何?

②如果在A点时温度升高10 ℃,曲线会发生什么变化?为什么?请画出变化后的曲线。

③若酶浓度增加一倍,在图上画出反应曲线。

(3)下图为温度和pH对某种酶影响的曲线。

①从图甲和图乙可看出的结论有哪些?

②根据图乙可知图甲中M点的温度可能介于　　　　　　℃之间,请在图甲中绘出pH=8的变化曲线。 

(4)酶活性除了受温度和pH的影响外,一些抑制剂也会降低酶的催化效果。下图表示抑制酶活性的两个模型。模型A中的抑制剂与底物竞争酶的活性位点,从而降低酶对底物的催化效应;模型B中的抑制剂和酶活性位点以外的其他位点结合,能改变酶的构型,使酶不能与底物结合,从而使酶失去催化活性。请回答下列问题。

①高温改变酶活性类似于模型　　　。 

②在下图中画出存在非竞争性抑制剂时的反应速率变化曲线。

解疑释惑(1)同一个体不同细胞中,酶的种类和数量会不完全相同,对于同一个细胞而言,在不同的时期或生理状态下,细胞中酶的种类和数量也会发生改变。

(2)酶促反应速率与酶活性不同。温度和pH通过影响酶活性,进而影响酶促反应速率。底物浓度和酶浓度也能影响酶促反应速率,但并未改变酶活性。

考向突破

考向1　酶的本质

1.(2020海南)下列关于胰蛋白酶和胰岛素的叙述,正确的是(　　)

A.都可通过体液运输到全身

B.都在细胞内发挥作用

C.发挥作用后都立即被灭活

D.都能在常温下与双缩脲试剂发生作用,产生紫色反应

科学思维着眼于四角度比较“酶”与“激素”

考向2　酶的作用及作用机理

2.(2021山东枣庄、临沂模拟)温度会影响酶促反应速率,其作用机理可用坐标曲线表示(如图)。其中a表示底物分子具有的能量,b表示温度对酶空间结构的影响,c表示酶促反应速率与温度的关系。下列说法正确的是(　　)

A.随着温度的升高,底物分子具有的活化能增加

B.处于曲线c中1、2位点酶分子活性是相同的

C.酶促反应速率是底物分子的能量与酶空间结构共同作用的结果

D.酶适于低温保存,原因是底物分子的能量低

归纳总结1.对酶在细胞代谢中作用的理解

(1)酶只能催化热力学上允许进行的反应。

(2)酶通过降低活化能加快化学反应速率。

(3)酶只提高化学反应速率,缩短反应时间,不会改变化学平衡的位置。

(4)在反应前后,酶的化学性质和数量将保持不变。

2.高考常考的几种酶及其作用归纳

(1)DNA聚合酶:将单个的脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接成链。

(2)DNA连接酶:将两个DNA片段连接起来。

(3)RNA聚合酶:将单个的核糖核苷酸连接成链,并能够在转录时打开DNA碱基对间的氢键。

(4)解旋酶:在DNA分子复制过程中打开DNA碱基对之间的氢键。

(5)限制性内切核酸酶:识别特定的核苷酸序列,从固定的切点切开磷酸二酯键。

(6)蛋白酶:将蛋白质的部分肽键切断,得到不同的肽链和氨基酸。

(7)纤维素酶、果胶酶:水解纤维素、果胶,破坏植物细胞壁。

(8)胰蛋白酶:动物细胞培养中两次使用胰蛋白酶,第一次为用其处理“新鲜取材的动物组织”以使组织分散成单个细胞,第二次为用其处理“贴壁生长的细胞”使之分散成单个细胞。

考向3　酶的特性与影响因素

3.(2020山东泰安三模)某小组为了解某种加酶洗衣粉对蛋白质的水解作用,将相同大小的蛋白块置于等量相同适宜浓度的洗衣粉溶液中,蛋白块消失所需的时间与温度的关系如下图所示。下列有关叙述正确的是(　　)

A.该洗衣粉水解脂肪的最适温度也是45 ℃

B.B和C两点催化效率相同的原因是酶的空间结构相同

C.若改变洗衣粉溶液的pH,则A点会向左或向右移动

D.若减小洗衣粉的浓度,A、B、C三点均向上移动

归纳总结具有“专一性(特异性)”的五类物质

(1)酶:每一种酶只能催化一种或一类化学反应。如限制性内切核酸酶能识别特定的核苷酸序列,并在特定的位点上切割DNA分子。

(2)转运蛋白:某些物质通过细胞膜时需要转运蛋白协助,不同物质所需转运蛋白不同,转运蛋白的专一性是细胞膜具有选择透过性的基础。

(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上或靶细胞内存在与该激素特异性结合的受体。

(4)tRNA:每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。

(5)抗体:抗体只能与相应的抗原发生特异性结合。

4.(2020山东泰安四模)酶的活性会受到某些无机盐离子的影响,某学习小组通过实验探究Cl-和Cu2+对人体胃蛋白酶活性的影响,结果如图所示(其他条件适宜)。下列有关叙述正确的是(　　)

A.保存胃蛋白酶的最佳条件是37.5 ℃、pH=1.5

B.底物浓度为B时,增加酶含量,曲线a、b、c均上移

C.底物浓度为B时,提高反应温度,曲线c将上移

D.Cl-、Cu2+等无机盐离子都能增强酶降低化学反应活化能的效果

科学思维“四步法”分析酶促反应曲线

(1)识标:“识标明变量”。明确酶促反应曲线坐标图中横坐标(自变量)和纵坐标(因变量)的含义。

(2)析线:“析线理关系”。分析酶促反应曲线走势,明确因变量怎样随自变量的变化而变化,“上升”“下降”“先升后降”“先升后稳”“水平”等。

(3)明点(特殊点):“抓点求突破”。明确酶促反应曲线中起点、终点、顶点、拐点、交叉点、特殊条件下的交点等表示的生物学含义。

(4)判断:“先分后合巧辨析”。对于多条酶促反应曲线图,根据曲线上不同标示物识别曲线所代表的意义(有的曲线直接标出),首先对每一条曲线单独分析,然后综合分析,判断曲线间有无联系或找出相互关系。

考点二　探究酶特性及影响酶活性的因素实验

合作探究

探究1验证酶的高效性

(1)设计思路:自变量为　　　　　　　　　　　　　　　　,因变量为　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)实验方案、现象及结论

探究2验证酶的专一性

(1)设计思路:底物相同但　　不同或　　　　不同但酶相同,通过观察　　　　　　　　　　　　　　　　得出结论。 

(2)设计方案、现象及结论

探究3探究酶的最适温度和最适pH

(1)设计思路

(2)实验操作

①探究酶的最适温度

②探究酶的最适pH

考向突破

考向1　探究酶特性实验

1.(2021河北衡水开学考)下列有关酶的探究实验的叙述,合理的是(　　)

考向2　探究影响酶活性的因素实验

2.(2020山东泰安模拟)某兴趣小组在生物实验室中发现一酶试剂,由于标签受损,无法确定该酶的具体种类,可能是淀粉酶也可能是蔗糖酶。为判断该酶的具体种类和作用条件,该小组成员给出了以下建议,其中不合理的是(　　)

A.取部分酶和少量淀粉溶液混合,一段时间后,滴加碘液检测

B.取部分酶和少量蔗糖溶液混合,一段时间后,利用斐林试剂检测

C.若已确定是淀粉酶,可使用斐林试剂作检测剂探究温度对酶活性的影响

D.若已确定是蔗糖酶,可利用蔗糖作底物来研究pH对酶活性的影响

3.(2021福建龙岩月考)某研究性学习小组为了探究酶的特性,用某种酶进行了以下四组实验,实验结果如图所示。下列相关说法不正确的是(　　)

A.图甲所示的探究实验时不宜使用过氧化氢酶

B.图乙所示的探究实验时不宜用淀粉作为底物

C.四组实验能够证明酶具有专一性、高效性以及酶的作用条件较温和

D.在pH=2或温度为20 ℃的情况下酶活性下降的原因相同

归纳总结酶活性实验探究中的“三宜”“五不宜”

第7讲　降低化学反应活化能的酶

必备知识·固本夯基

一、1.①—f　②—a　③—c　④—de　⑤—b

2.蛋白质　RNA　核糖核苷酸　核糖体　活细胞　催化

3.(1)②　(2)①　(4)酶降低的活化能

4.(1)几乎不分解　对照　少量　促进　发亮　过氧化氢酶　燃烧猛烈　降低活化能的作用更显著　更高　(2)无机催化剂(FeCl3)　过氧化氢酶　产生的气泡的快慢

二、1.(1)降低化学反应活化能　(2)高效性

催化

2.(1)一种或一类

3.(1)非还原糖　还原糖　斐林试剂　(2)2

60 ℃　2　(3)砖红色沉淀　不会出现砖红色沉淀　(4)特定的化学反应

4.(2)高　(3)使酶的空间结构遭到破坏　永久失活　酶的空间结构

5.(1)速率　淀粉酶　碘液　蓝色　过氧化氢酶　H2O和O2　(2)淀粉溶液、淀粉酶溶液　H2O2溶液、过氧化氢酶溶液　反应物与酶的量、温度　梯度温度　碘液　溶液颜色变化　气泡产生的快慢　蓝色　慢

【概念检测】

1.(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√

2.(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×

【教材拓展】

1.提示3号试管将产生较多气泡,带火星的卫生香燃烧猛烈;而4号试管则不再产生气泡,带火星的卫生香也不再发亮。原因是过氧化氢酶在高温下丧失活性,而FeC13经高温处理后作用效果更明显。

2.提示酶的空间结构遭到破坏

核心考点·能力提升

考点一

【合作探究】

探究1

(1)提示当用蛋白酶去除蛋白质后,蛋白质被水解失去相应功能,此时核糖体中的酶仍然可催化氨基酸脱水缩合反应,说明该酶的本质是RNA,而不是蛋白质。

(2)提示不相同。观察曲线图可知,甲酶的活性始终保持不变,表明甲酶不会被该种蛋白酶的降解,则甲酶的化学本质不是蛋白质而是RNA;乙酶能被蛋白酶破坏,活性降低,则乙酶为蛋白质。

探究2

(1)提示①最适温度　最适pH　②较低　③pH　8　④温度和pH

(2)①提示A点:随着反应物浓度的增加,反应速率加快。B点:反应速率在此时达到最高。C点:反应速率不再随反应物浓度的增加而升高,维持在相对稳定的水平。

②提示如果A点时温度升高10℃,曲线上升的幅度变小。因为图中原曲线表示在最适温度下反应速率随反应物浓度的变化。温度高于或低于最适温度,反应速率都会变慢。

③提示

(3)①提示在最适宜的pH(温度)条件下,酶的活性最高;pH(温度)偏高或偏低,酶活性都会明显降低;同一种酶,在不同pH(温度)条件下,最适温度(pH)相同〔反应pH(温度)变化不影响酶作用的最适温度(pH)〕。

②提示33~37

(4)①提示B

②提示

【考向突破】

1.D　胰腺分泌的胰液中含有胰蛋白酶,通过导管运输至消化道内发挥作用,而胰岛素由胰岛B细胞分泌,可通过血液运输至全身,A项错误;胰蛋白酶在消化道内发挥作用,而胰岛素通过与靶细胞膜上的受体结合,进而调节靶细胞的代谢活动,二者均不在细胞内发挥作用,B项错误;胰蛋白酶在催化反应前后性质不改变,胰岛素发挥作用后会被灭活,C项错误;胰蛋白酶和胰岛素的化学本质都是蛋白质,都能在常温下与双缩脲试剂产生紫色反应,D项正确。

2.C　随着温度的升高,底物分子具有的能量升高,而不是活化能增加,A项错误;曲线c中1、2位点酶促反应的速率是一样的,但温度升高酶空间结构发生改变,因此酶的活性不同,B项错误;题图中曲线a、b共同作用,表示酶促反应的速率是底物分子的能量和酶空间结构共同决定的,C项正确;酶适于低温保存的原因是酶分子在低温条件下其空间结构稳定,D项错误。

3.D　酶具有专一性,分析题图可知该洗衣粉中具有蛋白质水解酶,蛋白质水解酶的最适温度为45℃,但无法判断是否含有脂肪水解酶,A项错误;酶在C点温度下催化效率下降是由于高温破坏了酶的空间结构使酶的空间结构发生不可逆的改变,B、C两点的酶的空间结构不相同,B项错误;改变洗衣粉溶液的pH,不会使酶的最适温度发生改变,只会改变酶的催化效率,故会使A点向上或向下移动,C项错误;若减小洗衣粉的浓度,即降低酶的量,会延长蛋白块消失所需的时间,则A、B、C三点均向上移动,D项正确。

4.B　酶需要在低温条件下保存,因此保存胃蛋白酶的最佳条件是0~4℃、pH=1.5,A项错误;由题图可知,底物浓度为B时,限制反应速率的因素可能是酶的含量,此时增加酶含量,曲线a、b、c均上移,B项正确;图示曲线是在最适温度条件下获得的酶促反应的曲线,因此,在底物浓度为B时,提高反应温度,曲线c会下移,C项错误;图中显示Cl-能增强酶降低化学反应活化能的效果,而Cu2+却能抑制酶降低化学反应活化能的效果,D项错误。

考点二

【合作探究】

探究1

(1)提示不同类型的催化剂　化学反应的速率

(2)提示无机催化剂　缓慢　长

探究2

(1)提示酶　底物　酶促反应能否进行

(2)提示酶

探究3

(1)提示同种底物　生成物量　底物剩余量

多　少

(2)提示淀粉酶　淀粉酶　碘液　O2

【考向突破】

1.C　用FeCl3和过氧化氢酶分别催化等量H2O2分解,待H2O2完全分解后,检测产生的气体总量是相等的,因此该实验方案中的检测指标应为产生气泡的速率,A项不合理;用淀粉酶催化淀粉水解,检测是否有大量还原糖生成,缺少对照实验,因此该实验方案不能用来探究酶的专一性,B项不合理;用淀粉酶分别在热水、冰水和常温下催化淀粉水解,反应相同时间后,检测淀粉分解程度,该实验方案可以用来探究温度对酶活性影响,C项合理;斐林试剂是检测还原糖的,用过氧化氢酶在不同pH条件下催化H2O2分解,不能用斐林试剂检测,应观察气泡产生速率,D项不合理。

2.C　酶具有专一性,淀粉酶能催化淀粉水解,蔗糖酶不能催化淀粉水解,取部分酶和少量淀粉溶液混合,一段时间后,滴加碘液检测,若溶液不变蓝,说明淀粉被分解,加入的酶应是淀粉酶,若溶液变蓝,说明加入的酶是蔗糖酶,A项合理;蔗糖酶能催化蔗糖水解,淀粉酶不能催化蔗糖水解,蔗糖属于非还原糖,取部分酶和少量蔗糖溶液混合,一段时间后,利用斐林试剂检测,若水浴加热后出现砖红色沉淀,说明蔗糖被分解形成了还原糖,则加入的酶是蔗糖酶,若溶液不出现砖红色沉淀,说明加入的酶是淀粉酶,B项合理;探究温度对酶活性的影响,不能用斐林试剂检测,因为其使用过程中需要加热,会改变实验的预设温度,C项不合理;蔗糖酶可催化蔗糖水解,不同pH对酶的活性影响不同,若已确定是蔗糖酶,可利用蔗糖作底物来研究pH对酶活性的影响,D项合理。

3.D　由图可知,图甲探究温度对酶活性的影响,而过氧化氢的分解受温度影响,故本实验不宜使用过氧化氢酶,A项正确;图乙探究pH对酶活性的影响,淀粉在酸性条件下水解,故该实验不宜用淀粉作为底物,B项正确;图甲能证明酶的活性受温度的影响,图乙能证明酶的活性受pH的影响,即图甲和图乙能证明酶的作用条件比较温和,图丙能证明酶的专一性,图丁能证明酶的高效性,C项正确;在pH=2时酶活性下降的原因是酶的空间结构受到破坏,在温度为20℃的情况下酶活性下降的原因是低温抑制了酶的活性,但酶的空间结构没有受到破坏,D项错误。