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第8讲　降低化学反应活化能的酶
人教(2019)生物高考复习
课标考情——知考向 课标 要求 1．说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响
2．实验：探究酶的高效性、专一性及影响酶活性的因素
核心素养——提考能 生命观念 通过比较酶与激素等物质的异同，建立辩证统一和普遍联系的观念
科学思维 通过分析与酶有关的曲线，培养学生利用数形结合分析生物学问题的思维习惯
科学探究 通过与酶有关的实验设计与分析，培养对实验现象和结果进行解释、分析和处理的能力
社会责任 通过分析酶在生产、生活中的应用实例，关注科技发展
自 主 学 习 · 巩 固 基 础
[自主学习]
知识点一　酶的作用与本质
1．酶的本质和作用
(1)酶的基本概念图示：
【答案】(1)蛋白质　RNA　核糖核苷酸　核糖体　内外　活细胞　催化　
　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)酶本质的探索[连一连]。
(3)比较过氧化氢在不同条件下的分解。
①实验过程：
【答案】 (3)①小、少、慢　大、多、快　
②变量分析：
【答案】②无机催化剂(FeCl3)和过氧化氢酶　产生气泡数目多少(快慢)　温度　新鲜程度
[自主检测]
1．思考判断
(1)由活细胞产生的酶在生物体外没有催化活性。 (　　)
(2)酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸。 (　　)
(3)酶提供了反应过程所必需的活化能。 (　　)
(4)纤维素酶能够降解植物细胞壁和细菌细胞壁。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)×
2．深挖教材
(1)设计简单的实验验证从大豆种子中提取的脲酶是蛋白质，请说明实验思路：__________________________。
(2)酶作为生物催化剂，与无机催化剂相比，在发挥作用过程中有哪些共同特点？酶除了具有催化功能外，可以调节生命活动吗？
________________________________________。
【答案】(1)提示：向脲酶溶液和蛋白质溶液中分别加入等量的双缩脲试剂，若都出现紫色反应，则说明脲酶是蛋白质
(2)提示：共同点：①化学反应前后其数量和性质不变；②加快化学反应的速率，缩短达到化学平衡的时间，但不能改变平衡点；③二者都能降低化学反应的活化能。催化(降低化学反应的活化能)是酶唯一的功能，它不具调节功能，也不作为能源(或组成)物质
3．热图导析
如图表示A、B两种酶用同一种蛋白酶处理后酶活性与处理时间的关系，据图分析回答下列问题。
(1)A、B两种酶的化学本质是否相同？
__________________________。
(2)B酶活性改变的原因是什么？
__________________________________________。
(3)欲让A、B两种酶的变化趋势换位，应用哪种酶处理？__________________________________________。
【答案】(1)提示：不相同。A酶能抵抗该种蛋白酶的降解，化学本质不是蛋白质而是RNA；B酶能被蛋白酶破坏，活性降低，化学本质为蛋白质
(2)提示：B酶被降解的过程中其分子结构会发生改变，从而使其活性丧失
(3)提示：应用RNA水解酶处理
[自主学习]
知识点二　酶的特性
酶的特性及作用原理[连一连]
[自主检测]
1．思考判断
(1)酶提供了反应过程所必需的活化能。 (　　)
(2)酶活性的发挥离不开其特定的结构。 (　　)
(3)高温和低温均能破坏酶的结构使其失去活性。 (　　)
(4)酶活性最高时的温度适合酶的保存。 (　　)
(5)酶只能在细胞内发挥作用。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×
2．热图导析
如图表示将A、B两种物质混合，T1时加入酶C，在最适温度下这两种物质浓度的变化。
(1)适当降低反应温度，分析T2值如何变化？
__________________________________________。
(2)分析T2后B增加缓慢的原因：______________________。
(3)T1时加入酶C后，酶促反应速率变化有什么规律？
__________________________________________。
【答案】(1)提示：该图为最适温度下的物质变化，适当降低反应温度，达到反应平衡的时间会延长，T2值会增大
(2)提示：T2后B增加缓慢的原因是A浓度降低导致反应速率下降
(3)提示：T1时加入酶C后，酶促反应速率先快后慢
重 难 探 究 · 素 养 达 标
酶的本质和特性
1．酶的作用机理分析
——降低化学反应的活化能
[深度讲解]
(1)加热不能降低化学反应的活化能，但是可以为反应提供能量。
(2)酶可以重复多次利用，不会被立即降解。
(3)酶在细胞内、外，生物体内、外都可以发挥作用。
2．酶的特性
(1)高效性：与无机催化剂相比，酶降低化学反应活化能的作用更显著，催化效率更高。
(2)专一性：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。
①物理模型——“锁和钥匙学说”：
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曲线分析：
　影响因素制约酶活性的机理
(1)高温、过酸、过碱——可破坏酶分子空间结构而导致酶永久性失活(不可逆转)。
(2)低温——仅抑制酶活性，并不破坏酶分子空间结构，当温度适当升高时活性尚可恢复。
(3)酶活性还受某些激活剂或抑制剂的影响，前者可提升酶活性，后者则降低酶活性。
3．关注常考的五类酶及其作用
(1)DNA聚合酶：催化单个脱氧核苷酸聚合到DNA片段上形成脱氧核苷酸链，作用部位是磷酸二酯键。
(2)RNA聚合酶：催化单个核糖核苷酸聚合到RNA片段上形成核糖核苷酸链，作用部位是磷酸二酯键。
(3)解旋酶：用于DNA复制时双链间氢键打开。
(4)
(5)各种消化酶：可对应催化相关大分子的水解，如淀粉酶催化淀粉水解、蛋白酶催化蛋白质水解等。
(一)考查酶的本质、作用及特性(素养目标：生命观念)
1．下列关于酶的叙述正确的是 (　　)
A．酶适于低温下保存，因为低温时虽然酶的活性很低，但酶的空间结构稳定
B．Fe3＋和酶促使过氧化氢分解，是因为它们降低了化学反应的活化能，同时给过氧化氢提供能量
[考向预测]
C．酶是由内分泌腺细胞合成的、具有催化作用的有机物
D．酶与激素一样使用后立即被灭活，所以活细胞中需要源源不断地合成酶
【答案】A　
【解析】低温下酶的活性被抑制，而空间结构稳定，不会变性失活，因此酶适于低温下保存，A正确；Fe3＋和酶均促使过氧化氢分解，是因为它们均能降低化学反应的活化能，但不能给过氧化氢的分解提供能量，B错误；酶是由活细胞产生的、具有催化作用的有机物，C错误；酶在化学反应后不被灭活，不需源源不断地合成，D错误。
(二)考查酶的作用特性的相关实验(素养目标：科学探究)
2．(2020年山东师大附中月考)乳糖酶可催化乳糖水解。有两项与此相关的实验，实验中无关变量相同且适宜，实验结果如表所示。
实验一(质量分数为10%的乳糖) 酶的质量分数 0 1% 2% 3% 4%
相对反应速率 0 25 50 100 200
实验二(质量分数为2%的乳糖酶) 乳糖的质量分数 0 5% 10% 15% 20%
相对反应速率 0 25 50 65 65
下列相关叙述正确的是 (　　)
A．实验一若继续增加酶浓度，相对反应速率会一直增大
B．实验一若继续增加乳糖浓度，相对反应速率将降低
C．实验二若继续增加乳糖浓度，相对反应速率不再增大
D．实验二若将反应温度提高5 ℃，相对反应速率将增大
【答案】C　
【解析】据表格分析，实验一若继续增加酶浓度，相对反应速率可能再增大，直到饱和，A错误；由实验二2%的乳糖酶条件下，反应底物乳糖质量分数由10%增加至15%，相对反应速率由50上升至65，可知实验一若10%的乳糖浓度再增加，相对反应速率将增大，B错误；根据表中信息可以看出，实验二中乳糖质量分数为15%时，酶已达到饱和，若继续增大反应底物乳糖浓度，受到酶浓度限制，相对反应速率不再增大，C正确；由题文“实验中无关变量相同且适宜”可知此时的温度为最适温度，故将反应温度提高5 ℃，酶活性下降，相对反应速率将下降，D错误。
影响酶促反应的曲线分析
1．与酶相关的单一曲线模型解读
[深度讲解]
(1)温度和pH是通过影响酶活性来影响酶促反应速率的。
(2)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，温度升高可恢复其活性。
(3)底物浓度和酶浓度是通过影响底物与酶的接触面积来影响酶促反应速率的，并不影响酶的活性。
2．与酶相关的复合曲线模型解读
(一)考查单一因素对酶活性和反应速率的影响(素养目标：科学探究)
1．(2021年湖南、江西十四校联考)某科研小组将新鲜的萝卜磨碎、过滤制得提取液，以等体积等浓度的H2O2作为底物，对提取液中过氧化氢酶的活性进行了相关研究，得到如图所示的实验结果。
下列分析错误的是 (　　)
A．若将实验一中的萝卜提取液换成等量的新鲜肝脏研磨液，则O2产生总量明显增多
B．实验二是在最适温度下测定相同时间内H2O2的剩余量，引起a、b曲线出现差异的原因最可能是酶的含量不同
C．过氧化氢酶制剂的保存，一般应选择低温、pH为7的条件
D．实验一可以看出，与加Fe3＋相比，单位时间内加萝卜提取液产生的氧气多，其原因是酶降低反应的活化能更显著
【答案】A　
【解析】氧气的产生总量是由反应底物的量决定的，与提取液的种类无关，A错误；已知实验二是在最适温度下测定相同时间内H2O2的剩余量，则在相同pH下两条曲线的差异可能是由于酶的数量不同导致的，B正确；过氧化氢酶应该保存在低温和适宜pH(7)条件下，C正确；酶的作用机理是可以降低化学反应的活化能，所以与加Fe3＋相比，单位时间内加萝卜提取液产生的氧气多，D正确。
(二)考查多个因素对酶活性和反应速率的影响(素养目标：科学探究)
2．(2020年山东日照二模)已知药物a能使淀粉酶和淀粉结合的机会减少，但不会影响淀粉酶活性；施加药物b能使淀粉酶活性丧失。图为淀粉酶在不同处理条件下产物浓度随时间的变化曲线，其中乙组使用了少量药物a处理。
据图分析不合理的是 (　　)
A．在0～t1时，甲、丙两组均可能使用了药物a处理
B．在t1时，丙组可能适当提高了反应温度
C．在t1后，甲、乙两组中的淀粉酶活性均小于丙组
D．在t1后，甲组可能因使用药物b而导致曲线不再上升
【答案】C　
【解析】在0～t1时，随着时间的推移甲、乙、丙三组组产物浓度逐步上升，且变化曲线一致，题中显示其中乙组使用了少量药物a处理，据此可推出甲、丙两组均可能使用了药物a处理，A正确；在t1时，丙组可能适当提高了反应温度，从而使酶的活性升高，反应速率加快，B正确；在t1后，甲组中应该加入了药物b导致酶失活出现了图示的曲线，因此甲组淀粉酶活性小于丙组；丙组可能是适当提高温度使酶活性升高，也可能是增加了底物浓度使得曲线表现出产物浓度上升，显然丙组的酶活性未必高于乙组，C错误；在t1后，甲组曲线显示随着时间的推移产物浓度不再上升，因此可能因使用药物b导致酶失活引起的，D正确。
　 “三看法”分析酶促反应曲线
实 验 平 台 · 专 讲 专 练
探究酶的高效性、专一性及影响酶活性的因素
1．探究酶的专一性
(1)实验原理。
[实验理论]
(2)实验步骤。
序号 项目 试管 1 2
1 注入可溶性淀粉 2 mL —
2 注入蔗糖溶液 — 2 mL
3 注入新鲜淀粉酶溶液 2 mL 2 mL
4 60 ℃保温 5 min 5 min
5 滴加斐林试剂 2 mL，振荡 2 mL，振荡
6 煮沸 1 min 1 min
7 观察实验结果 有砖红色沉淀 无砖红色沉淀
结论 淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解
注意：①本实验检测底物是否分解的试剂只能用斐林试剂，不能用碘液，因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。②实验的成功关键是蔗糖的纯度和新鲜程度。这是因为蔗糖是非还原糖，如果其中混有少量的葡萄糖或果糖，或蔗糖放置久了被细菌分解成单糖，则与斐林试剂水浴加热时能产生砖红色沉淀。为确保实验的成功，实验前应检验一下蔗糖的纯度，并且蔗糖溶液必须要现配现用，以避免细菌的污染。
(2)实验步骤。
步骤 实验操作内容 试管1 试管2 试管3
1 加等量可溶 性淀粉溶液 2 mL 2 mL 2 mL
2 控制不同温度条件 37 ℃温水(5 min) 沸水(5 min) 冰块(5 min)
3 加等量新鲜 淀粉酶溶液 1 mL 1 mL 1 mL
4 加等量碘液 1滴 1滴 1滴
5 观察实验现象 不出现蓝色或呈现碘液的颜色　　 蓝色 蓝色
注意：在上述实验操作中，不能先加入等量淀粉酶再分别控制温度。因为酶具有高效性，先加入酶后，酶在常温下可以发挥催化作用，影响实验结果。
(3)实验结论：温度影响酶的活性。
(2)实验步骤。
步骤 实验操作内容 试管1 试管2 试管3
1 注入等量过氧化氢酶溶液 2滴 2滴 2滴
2 注入不同pH的溶液 1 mL蒸馏水 1 mL盐酸 1 mLNaOH
3 注入等量的H2O2溶液 2 mL 2 mL 2 mL
4 观察现象 卫生香复燃 卫生香不复燃 卫生香不复燃
注意：上述实验步骤中，不能把调节pH和注入等量的H2O2溶液这两个步骤调换，因为酶与底物一接触，就会发生催化作用，使H2O2分解，影响实验结果。
(3)实验结论：pH能影响酶的活性。
1．用“对比实验法”探究或验证酶的高效性、专一性及影响酶活性的因素
(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”，实验变量为不同类型的催化剂，因变量为底物的反应速率，进行比较。
[方法透析]
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(如生物材料研磨液) 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
(2)酶的专一性的实验探究方法——对比法。
①设计思路：常见的方案有两种，即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 同种底物(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
2．用“梯度法”探究影响酶活性的因素(温度或pH)
(1)设计思路。
(2)设计方案。
　酶活性实验探究中的“三宜”“五不宜”
(一)酶的相关实验原理
1．(2021年广东佛山高中教学质量检测)下列关于酶实验的叙述，正确的是 (　　)
A．探究pH对酶活性影响实验，将底物与酶混合后再调节pH
B．探究温度对蛋白酶活性影响实验，可以用双缩脲试剂检测结果
C．探究酶的高效性实验，实验组加适量酶液，对照组加等量蒸馏水
D．探究淀粉酶的专一性实验，用淀粉和蔗糖做底物，不能用碘液检测
[诊断小练]
【答案】D　
【解析】探究pH对酶活性影响实验，需要先调节底物和酶的pH，再将酶和底物进行混合，A错误；蛋白酶水解蛋白质后的产物是多肽，并非完全的氨基酸，会和双缩脲试剂产生显色反应，且蛋白酶本身也是蛋白质，也会与双缩脲试剂发生显色反应，故双缩脲试剂无法用于检测结果，B错误；探究酶的高效性实验中，酶的高效性是相对于无机催化物而言，故对照组应加入无机催化剂进行对比，C错误；碘液用于检测淀粉是否存在，无法用于判断蔗糖是否水解，D正确。
(二)酶实验的设计、操作和结果分析
2．某实验小组在Ta和Tb两个温度条件下，测定了淀粉酶在不同的pH条件下催化淀粉完全水解所需的时间，结果如图所示(Ta＜Tb，且Ta和Tb均低于淀粉酶的最适温度)。
下列叙述错误的是 (　　)
A．曲线①表示在Ta温度下测定的结果
B．在这两个温度条件下，淀粉酶的最适pH相同
C．向反应液中滴加碱液，pH从1→7过程中，淀粉酶活性逐渐恢复
D．曲线②条件下升高一定的温度，该曲线可能移动到曲线①的上方
【答案】C　
【解析】根据题干中“Ta＜Tb，且Ta和Tb均低于淀粉酶的最适温度”，在低于最适温度的条件下，随着温度升高，酶的活性不断增强；从坐标图中看出，淀粉完全水解所需的时间越长，酶的活性越低，由于曲线①活性比曲线②低，所以曲线①代表Ta温度下测定的结果，A正确；据图可知，在Ta和Tb两个温度条件下，酶的最适pH都约为7，B正确；pH为1时，酶已失活，所以向反应液中滴加碱液，pH从1→4→7过程中，淀粉酶活性不能恢复，C错误；高温可能使酶空间结构改变而失去活性，所以曲线②条件下升高一定的温度，活性可能会降低，达到曲线①的上方，D正确。
典 题 演 练 · 破 解 高 考
1．(2020年浙江卷)细菌内某种物质在酶的作用下转变为另一种物质的过程如图所示，其中甲～戊代表生长必需的不同物质，①～⑤代表不同的酶。野生型细菌只要在培养基中添加甲就能生长，而突变型细菌必须在培养基中添加甲、乙、丁才能生长。
下列叙述正确的是 (　　)
A．突变型细菌缺乏酶①、②、③
B．酶④与乙结合后不会改变酶④的形状
C．酶②能催化乙转变为丙，也能催化丙转变为丁
D．若丙→戊的反应受阻，突变型细菌也能生长
【答案】D　
【解析】突变型细菌必须在培养基中添加甲、乙、丁才能生长，说明缺乏合成乙、丁所必需的酶，即酶①、③，A错误；酶与底物结合后会改变酶的形状，反应完成后，酶分子又恢复原状，B错误；酶具有专一性，酶②能催化乙转变为丙，酶③能催化丙转变为丁，C错误；若丙→戊的反应受阻，乙可以合成戊，所以突变型细菌也能生长，D正确。
解题关键
分析题意可知，野生型细菌体内含有①～⑤这五种酶，所以只要在培养基中添加甲就能合成生长需要的乙、丙、丁、戊这四种物质；而突变型细菌必须在培养基中添加甲、乙、丁才能生长，说明缺乏合成相应物质所必需的酶。
2．(2020年浙江卷)为研究酶作用的影响因素，进行了“探究pH对过氧化氢酶的影响”的活动。下列叙述错误的是 (　　)
A．反应小室应保持在适宜水温的托盘中
B．加入各组反应小室中含有酶的滤纸片的大小和数量应一致
C．将H2O2加到反应小室中的滤纸片上后需迅速加入pH缓冲液
D．比较各组量筒中收集的气体量可判断过氧化氢酶作用的适宜pH范围
【答案】C　
【解析】温度也会影响酶的活性，且该实验中温度为无关变量，应保持相同且适宜，则反应小室应保持在适宜水温的托盘中，A正确；各组的滤纸片大小和数量属于无关变量，应保持一致，B正确；应将反应小室稍立起，使有滤纸片的一侧在上面，然后依次小心加入pH缓冲液和H2O2溶液，此时混合液不能与滤纸片接触，C错误；比较各组量筒中收集的气体量，可以反映在不同pH条件下过氧化氢酶的活性大小，从而判断过氧化氢酶的适宜pH范围，D正确。
3．(2021年广东适应性考试)同工酶是指催化相同的化学反应，但其分子结构、理化性质乃至免疫学性质不相同的一组酶。同工酶可因编码基因的不同、转录或翻译后加工过程的不同而产生差异。对同一个体而言，下列叙述错误的是 (　　)
A．相同反应条件，同工酶催化效率相同
B．不同的组织，同工酶催化的底物相似
C．不同的同工酶，mRNA序列可能相同
D．相同的细胞，同工酶的编码基因相同
【答案】A　
【解析】由于同工酶的理化性质有差异，故相同反应条件，同工酶催化效率不一定相同，A错误；同工酶催化的是相同的化学反应，故催化底物是相似的，B正确；不同的同工酶，mRNA序列可能相同，C正确；相同的细胞，同工酶的编码基因相同，D正确。

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