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降低化学反应活化能的酶
第13讲
一轮复习
第1课时（共2课时）
知识点24：酶的作用和本质
一、酶的作用
1.细胞代谢
细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。
细胞代谢离不开酶。
细胞代谢
细胞呼吸
光合作用
DNA复制
转录翻译
……
物质进出细胞
物质保证
酶
催化
ATP
能量驱动
2.比较过氧化氢在不同条件下的分解
组别 对照组 实验组
1号试管 2号试管 3号试管 4号试管
过氧化氢 浓度 浓度 3% 3% 3% 3%
剂量 剂量 2mL 2mL 2mL 2mL
反应条件 常温 90℃ FeCl32滴 肝脏研磨液2滴
结果 产生气泡 无气泡 少量 较多 大量
卫生香燃烧情况 不复燃 不复燃 变亮 复燃
加热能加快过氧化氢分解的速率
Fe3+能加快过氧化氢分解的速率
过氧化氢酶能加快过氧化氢分解的速率
空白对照
2.比较过氧化氢在不同条件下的分解
加热能加快过氧化氢分解的速率
Fe3+能加快过氧化氢分解的速率
过氧化氢酶比Fe3+的催化效率高得多(酶的高效性)
提供能量可以加快反应速率
催化剂不是通过提供能量来加快反应速率
过氧化氢酶能加快过氧化氢分解的速率
2号(90℃)
与1号(常温)对照
3号(FeCl32滴)
与1号(常温)对照
4号(肝脏研磨液2滴)
与1号(常温)对照
通过降低化学反应的活化能加快反应速率
酶降低活化能的作用更显著
能量
反应过程
没有
催化剂
有无机催化剂催化
有酶催化
酶使活化能降低
3.酶催化的机理
无机催化使活化能降低
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称为活化能
没有催化剂所需的活化能
无机催化剂所需的活化能
酶所需的活化能
酶降低活化能的作用更显著
(适宜且相等)
(控制)
(检测)
人为控制的对实验对象进行处理的因素。
因自变量改变而变化的变量
除因变量外的一些对因变量造成影响的可变因素
控制变量和设计对照实验
1.控制变量
实验过程中的变化因素
变量
自变量
因变量
无关变量
常温、加热、加FeCl3溶液、加肝脏研磨液
过氧化氢分解速率
反应物的浓度和反应时间等
(适宜且相等)
2.对照实验
自变量
因变量
无关变量
除了自变量以外的其他变量(无关变量)保持相同，
并将实验结果(因变量)进行比较的一组实验。
排除无关变量的干扰，
使实验结果更具有说服力。
目
的
含义
种类
空白对照
相互对照(对比实验)
自身对照
3.自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
与常态比较，人为增加某种影响因素
加法原理
对照组
+ 某种因素
实验组
与常态比较，人为去除某种影响因素
减法原理
对照组
某种因素
实验组
常温下的H2O2
加热
加FeCl3
加H2O2酶
R型活菌与S菌的提取物混合
蛋白酶(去除蛋白质)
酯酶(去除脂质)
RNA酶(去除RNA)
DNA酶(去除DNA)
—
二、酶的本质
酿酒技术：发酵是纯化学反应，与生命活动无关。
发酵与活细胞有关，是整个细胞而不是细胞中某种物质起作用
引起发酵的是细胞中的某些物质，这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用
酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续起到催化作用，就像在活酵母细胞中一样。他将酵母菌细胞中引起发酵的物质称为酿酶。
巴斯德
李比希
毕希纳
1.探索历程
第一阶段：对发酵实质的探索，发现了酶的存在。
第二阶段：对酶本质的探索，发现绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA
用丙酮从刀豆中提纯脲酶，并证明其化学本质是蛋白质
发现少数RNA具有催化功能。
萨姆纳之后
科学家们获得胃蛋白酶，胰蛋白酶等许多酶的结晶，并证明这些酶的化学本质是蛋白质。
切赫、奥尔特曼
科学家推测酶是蛋白质，并试图将酶从提取液中分离出来，
得到纯酶，但由于技术上的困难都未成功。
萨姆纳
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质。
2.酶的本质
活细胞
有机物
胞内酶 胞外酶
产生
作用
本质
作用场所
催化
翻译产生蛋白类酶
转录产生具有催化功能的RNA
不为化学反应提供能量
降低化学反应的活化能
绝大多数是蛋白质
少数是RNA
在细胞内起作用(如:呼吸酶)
分泌到细胞外起作用(如:消化酶)
核酶就是RNA催化剂。在漫长的生命进化过程中，地球上很可能曾今出现过一个由RNA统治的RNA世界。那时既没有DNA也没有蛋白质。在RNA世界里，RNA既作遗传物质，又行驶催化功能。
随着生命的不断进化，原始的RNA的两项功能分别让位给了DNA和蛋白质。
那些至今仍然保留催化活性的RNA就是很好的证明，似乎在诉说着它当年的辉煌，尤其是最重要的蛋白质合成机器核糖体其实就是一种核酶，核糖体的某种RNA就是催化肽键形成的酶，核糖核酸酶P是对tRNA进行加工的酶 ……
具有催化功能的RNA —— 核酶
设计实验，探究某种酶的化学本质
某种酶 + 蛋白酶
+加入酶的底物
底物没有被催化→该酶是蛋白质
底物被催化→该酶是RNA
某种酶 + 双缩脲试剂
出现紫色 → 该酶是蛋白质
不出现紫色 → 该酶是RNA
方案1
方案2
高中生物学中涉及的酶
消化酶类
分泌到细胞外的水解酶
唾液淀粉酶、麦芽糖酶、蔗糖酶、乳糖酶、脂肪酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、肽酶、纤维素酶、果胶酶等。
胰蛋白酶：处理动物组织块，便于细胞分散
纤维素酶和果胶酶：去掉植物细胞壁，制备原生质体。
高中生物学中涉及的酶
有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，这称为乳糖不耐受。
为了解决这一问题，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响
乳糖酶
大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。传统的制备凝乳酶的方法是通过杀死未断奶的小牛，然后将它的第四胃的黏膜取出来进行提取。
高中生物学中涉及的酶
凝乳酶
科学家将编码牛凝乳酶的基因 导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
高中生物学中涉及的酶
溶酶体酶
参与细胞内消化的一类酸性水解酶。大量溶酶体膜破坏，释放大量水解酶时，对细胞结构有破坏。
溶菌酶
属于免疫活性物质，破坏细菌的细胞壁(肽聚糖)。
参与非特异性免疫。
高中生物学中涉及的酶
淀粉分支酶
皱粒豌豆的DNA中插入了一段外来DNA序列，打乱了编码淀粉分支酶的基因，导致淀粉分支酶出现异常，活性大大降低，进而使细胞内淀粉含量降低。
淀粉分支酶基因
被打乱的淀粉分支酶基因
淀粉分支酶
淀粉升高
蔗糖下降
淀粉分支酶异常，活性下降
淀粉下降
蔗糖升高
外来DNA
插入
圆粒豌豆
吸水
皱粒豌豆
失水
高中生物学中涉及的酶
α-淀粉酶
在用传统方法生产啤酒时，大麦芽是不可缺少的原材料。利用大麦芽，实质是利用其中的α-淀粉酶。有人用赤霉素处理大麦，可以使大麦种子无须发芽就能产生α-淀粉酶。这样就可以简化生产啤酒的工艺、降低成本。
科学家将来自玉米的α-淀粉酶基因与目的基因一起转入植物中，由于α-淀粉酶基因可以阻断淀粉储藏使花粉失去活性，因而可以防止转基因花粉的传播。
高中生物学中涉及的酶
脲酶
分解尿素的酶，是第一个被分离提纯的酶。广泛分布于植物的种子中，但以大豆、刀豆中含量丰富。也存在于动物血液和尿中。某些微生物也能分泌脲酶。
CO(NH2)2 + H2O
CO2 + 2NH3
脲酶
在以尿素为唯一氮源的培养基中加入酚红指示剂。接种土壤微生物培养，菌落周围出现红色，说明该细菌能够分解尿素。
NH3 + 酚红 → 红色
过氧化氢酶
高中生物学中涉及的酶
过氧化氢酶存在于动植物细胞中，特别在动物肝脏浓度最高。将有毒的过氧化氢分解为水和氧气。
2H2O2
过氧化氢酶
2H2O + O2
酪氨酸酶
高中生物学中涉及的酶
酪氨酸
酪氨酸酶
黑色素
白化病是由于缺乏酪氨酸酶基因，酪氨酸酶含量少。
老年白发是由于细胞衰老，酪氨酸酶活性下降。
腺苷酸脱氨酶(ADA)
高中生物学中涉及的酶
复合型免疫缺陷疾病患者的体内缺乏腺苷酸脱氨酶(ADA)，导致没有正常人所具有的免疫力。
基因治疗：
科学家从患者体内取出白细胞，转入能够合成ADA的正常基因，再将导入了正常基因的白细胞输入患者体内，检测发现，患者体内的白细胞产生了ADA，免疫缺陷所导致的症状得到明显改善。
丙氨酸氨基转移酶主要存在于肝细胞浆内，细胞内浓度高于血清中1000-3000倍。只要有1%的肝细胞被破坏，就可以使血清酶增高一倍。因此，谷丙转氨酶被世界卫生组织推荐为肝功能损害最敏感的检测指标。
高中生物学中涉及的酶
丙氨酸氨基转移酶
碱性磷酸酶是广泛分布于人体肝脏、骨骼、肠、肾和胎盘等组织经肝脏向胆外排出的一种酶。这种酶能催化核酸分子脱掉5’磷酸基团，从而使DNA或RNA片段的5’-P末端转换成5’-OH末端。
临床上测定血浆中碱性磷酸酶(偏高) 主要用于骨骼、肝胆系统疾病的诊断和鉴别诊断，尤其是黄疸的鉴别诊断。
高中生物学中涉及的酶
碱性磷酸酶
血清乳酸脱氢酶升高常见于：肝脏疾病、心肌梗死、血液病(如白血病、贫血、恶性淋巴瘤)等。
高中生物学中涉及的酶
乳酸脱氢酶
乳酸脱氢酶催化丙酮酸到乳酸之间的可逆性反应
丙酮酸
乳酸
乳酸脱氢酶
乙酰胆碱酯酶
高中生物学中涉及的酶
降解突触间隙中乙酰胆碱，防止乙酰胆碱对突触后膜的持续兴奋作用，保证神经信号在生物体内的正常传递。
乙酰胆碱
乙酰胆碱酯酶
胆碱 + 乙酸
有机磷农药等可抑制胰腺胆碱酯酶的活性，阻碍乙酰胆碱的水解，使其持续发挥作用，从而引起肌肉僵直。
A-C
A-C
C
A
C
E
B
A-C
线粒体
突触小泡
突触前膜
突触后膜
受体
D酶
1.图中A-C表示乙酰胆碱，在其合成时，能循环利用的物质是____(填“A”或者“C”)。
2.若由于某种原因使D酶失活，则突触后神经元会表现为持续_________。
乙酰胆碱酯酶
A
兴奋
高中生物学中涉及的酶
存在于线粒体内膜、类囊体膜和原核细胞膜上，利用H+浓度梯度合成ATP。
ATP合酶
ADP + Pi
ATP
有氧呼吸第三阶段和光反应阶段合成ATP的酶。
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
变形菌视紫红质（PR) 是一类广泛存在于水域微生物中的吸光色素膜蛋白，可将H＋从细胞内侧泵到细胞膜外，从而在细胞膜内外产生H+浓度梯度，形成的化学势能可用于ATP合成、物质的跨膜运输或驱动细菌鞭毛运动，由于PR具有“光驱动质子泵”等功能，因此对其研究具有重要意义。下图为变形菌能量传递的部分示意图，下列相关叙述正确的是（ ）
A.变形菌细胞膜上的ATP合成酶具有运输功能
B.变形菌可利用光能，其生命活动的直接能源物质是光能
C.PR在光驱动下将H+从细胞内泵到细胞外属于协助扩散
D.不含PR的细菌，其鞭毛运动所需的能量主要来自线粒体
A
高中生物学中涉及的酶
H+泵
存在于植物细胞膜、液泡膜和溶酶体膜上，利用催化ATP水解释放的能量，逆浓度转运H+。
既有催化ATP水解的功能，
又有载体的功能。
ADP + Pi
ATP
H+
H+
H+
H+
高中生物学中涉及的酶
Na+-K+泵
存在于动物细胞膜上，利用催化ATP水解释放的能量，逆浓度转运Na+和K+。
既有催化ATP水解的功能，
又有载体的功能。
ADP+Pi
ATP
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
K+
K+
K+
K+
高中生物学中涉及的酶
端粒酶
端粒酶由RNA和蛋白质组成。能以自身的RNA为模板催化合成端粒序列加到染色体DNA末端而修复缩短部分。
端粒酶
RNA模板
基因工程中酶
高中生物学中涉及的酶
限制酶、DNA连接酶、逆转录酶、TaqDNA聚合酶
中心法则中的相关酶
解旋酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶、逆转录酶、RNA复制酶
高中生物学中涉及的酶
各种聚合酶
聚合酶 实质 底物
DNA聚合酶 以DNA为模板的DNA聚合酶 脱氧核苷酸
逆转录酶 以RNA为模板的DNA聚合酶 脱氧核苷酸
端粒酶 以RNA为模板的DNA聚合酶 脱氧核苷酸
RNA聚合酶 以DNA为模板的RNA聚合酶 核糖核苷酸
RNA复制酶 以RNA为模板的RNA聚合酶 核糖核苷酸
高中生物学中涉及的酶
DNA酶 和 RNA酶
DNA酶：水解DNA的酶 RNA酶：水解RNA的酶
艾弗里通过在R活菌和S菌提取液中加入RNA酶，排除了RNA是转化因子的可能。
艾弗里通过在R活菌和S菌提取液中加入DNA酶，确定了DNA是转化因子。
核酸酶Cas9
高中生物学中涉及的酶
CRISPR/Cas9基因组编辑技术
Cas9
sgRNA
短链RNA作为“向导”，它的部分序列通过碱基互补配对原则，与目的基因中希望被 编辑的DNA序列相结合。
核酸酶Cas9与sgRNA结合，然后切割与sgRNA结合的DNA，使DNA双链断裂；
Cas9与限制酶都属于内切核酸酶。
基因编辑技术CRISPR/Cas9系统包括两个组分：一个是人工合成的短链RNA（sgRNA）和一个来自细菌的核酸酶Cas9。sgRNA与目的基因中希望被编辑的DNA序列相结合，然后Cas9切割该DNA序列，使DNA双链断裂，此时向细胞中加入大量可用于修复的模板DNA，细胞就会以这些片段为模板合成DNA，从而使特定的碱基序列被引入基因组中、下列说法错误的是（ ）
A.Cas9决定了基因编辑的位点和基因编辑的效率
B.基因编辑技术可以破坏某个基因使其失去功能
C.基因突变是不定向的而基因编辑能定向改变基因
D.Cas9类似限制酶能够使双链DNA中的磷酸二酯键断裂
A
CO2固定的酶（Rubisco）
高中生物学中涉及的酶
C5
Rubisco
2C3
高CO2
C3
C2
高O2
(CH2O)
O2
CO2
ATP
2C2
C3
ATP
NADH
ATP
NADPH
光呼吸
卡尔文循环
Rubisco既可以催化C5与CO2反应，也可以催化C5与O2反应。
高中生物学中涉及的两种辅酶
NAD+ 和 NADP+
辅酶是酶的辅助因子，是小分子有机物。
NAD+ (辅酶Ⅰ)和NADP+(辅酶Ⅱ)是传递H+和电子的载体。
含有C、H、O、N、P五种元素。
②光反应中，由水光解产生的H+和电子与NADP+结合形成NADPH，再由NADPH将电子传给酶，通过酶最终传给C3，将C3还原为糖类。
①细胞呼吸中，由糖类氧化分解成CO2的过程中，脱下的H+和电子与NAD+结合形成NADH，再由NADH将电子传递给酶，通过酶最终传递给氧气，形成H2O。

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