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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
第1课时　酶的作用和本质
课时目标 1.通过模型构建，理解酶的作用及原理。(科学思维)
2．通过分析实验设计，掌握变量之间的关系以及实验设计的基本步骤。(科学探究)
3．阅读分析“关于酶本质的探索”的资料，认同科学是在实验和争论中前进的，体会科学家不畏挫折的精神。(社会责任)
一、酶在细胞代谢中的作用
1．细胞代谢
2．比较过氧化氢在不同条件下的分解
(1)实验原理
(2)实验操作及实验现象
试管编号 加入试剂 实验处理 现象
气泡产生 卫生香复燃
1 2 mL H2O2溶液 常温 基本无 无复燃
2 2 mL H2O2溶液 ______ ______ _________
加热
较少
有复燃
(3)实验结论：与无机催化剂相比，酶的催化效率______。
试管编号 加入试剂 实验处理 现象
气泡产生 卫生香复燃
3 2 mL H2O2溶液 ______________________ ______ 复燃性______
4 2 mL H2O2溶液 ___________________ ______ 复燃性_____
滴加FeCl3溶液
较多
较强
滴加肝脏研磨液
很多
很强
更高
3．酶的作用原理
(1)活化能：分子从______转变为容易发生化学反应的______状态所需要的能量。
(2)酶的作用原理：通过______化学反应所需要的_________从而加快化学反应的进行。
常态
活跃
降低
活化能
二、酶的本质
1．关于酶本质的探索
2．酶的本质：绝大多数酶是_________，少数是_________。
蛋白质
RNA
◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”)
1．酶能提高化学反应的活化能，使化学反应顺利进行。(　　　)
提示：酶能降低化学反应的活化能。
2．无关变量是与实验结果无关的变量。(　　　)
提示：无关变量也会影响实验结果。
3．酶的基本组成单位是氨基酸。(　　　)
提示：酶的基本组成单位是氨基酸或核糖核苷酸。
×
×
×
4．酶是活细胞产生的，只能在细胞内起催化作用。(　　　)
提示：酶在细胞内、细胞外、体外均能起催化作用。
5．酶具有催化、调节等多种功能。(　　　)
提示：酶只能起催化作用。
×
×
◆名师点睛
酶与无机催化剂的比较
(1)相同点
①只改变化学反应速率，本身几乎不被消耗。
②只催化已存在的化学反应；都降低活化能。
(2)不同点：酶的催化效率比无机催化剂高。
◆思维启迪
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。
◆视野拓展
酶与生活
加酶洗衣粉中添加了多种酶制剂，如蛋白酶制剂和脂肪酶制剂等。这些酶制剂不仅可以有效地清除衣物上的污渍，而且对人体没有毒害作用，并且酶制剂及其分解产物能够被微生物分解，不会污染环境。因此，加酶洗衣粉受到了人们的普遍欢迎。
下图表示“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验。
任务一__比较过氧化氢在不同条件下的分解
[问题探究]
1．实验中可用哪些方法检测过氧化氢分解速率的大小？
答案：①气泡目测法：通过反应时单位时间内产生气泡的多少来判定H2O2分解速率的大小。
②卫生香复燃法：通过带火星的卫生香复燃剧烈程度来判定H2O2分解速率的大小。
2．与1号试管相比，2号试管产生的气泡多，这一现象说明了什么？
答案：加热能促进H2O2的分解，提高反应速率。
3．2号、3号、4号试管相比，哪支试管最终产生的氧气最多？为什么？
答案：一样多，因为几支试管的H2O2溶液的体积和浓度都相同。
1．实验设计的关键点
(1)实验过程中不能混用滴管：防止酶和无机催化剂相互干扰，影响实验结果。
(2)运用对照思想分析实验结果：将加入FeCl3溶液和加入酶的试管进行比较，得出与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。
2．科学方法——控制变量和设计对照实验
(1)变量：实验过程中的变化因素称为变量。
(2)对照实验
①对照组：未经过处理的一组(自然状态下或者已知实验结果的一组)，如上述实验中的1号试管。
②实验组：经过处理的一组(未知实验结果的一组)，如上述实验中的2、3、4号试管。
③遵循原则：单一变量原则，除要研究的变量外，其余变量都应始终保持相同且适宜。
(3)本实验的变量与对照分析
自变量 因变量 无关变量 对照组 实验组
2号：90 ℃水浴加热 用单位时间内产生气泡的数目多少表示H2O2分解速率 加入H2O2的量；实验室温度；FeCl3溶液和肝脏研磨液的新鲜程度等 1号
试管 2、3、4
号试管
3号：加入2滴质量分数为3.5%的FeCl3溶液
4号：加入2滴质量分数为20%的肝脏研磨液
实验结论：
①1、4号试管对照 酶具有催化作用。
②1、3、4(或3、4)号试管对照 与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。
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。
1．在下图所示的实验中，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
A
解析：
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溶液和过氧化氢酶溶液，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。故选A。
2．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，甲、乙装置中的H2O2的浓度和量都相同，实验完成后让反应进行至不再有气泡产生。下列说法正确的是 (　　)
D
A．装置乙中H2O2的分解速率比装置甲慢
B．该实验的自变量是酶的种类
C．该实验的因变量检测指标是H2O2的分解速率
D．量筒 Ⅰ 中水的体积等于量筒 Ⅱ 中水的体积
[答题指导]
解析：
与无机催化剂相比，酶的催化效率更高，故装置乙中H2O2的分解速率比装置甲快，A错误；依据题干信息和题图分析，该实验的自变量是催化剂的种类，因变量是单位时间内气体的产生量，实验中收集到的水的体积代表产生的O2的量，所以因变量检测指标是单位时间内量筒中水的体积，B、C错误；由于两个装置中H2O2的浓度和量都相同，因此两个装置最终产生的O2的量也相等，即量筒 Ⅰ 中水的体积等于量筒 Ⅱ 中水的体积，D正确。
3．下图中的新鲜土豆片与H2O2接触后，产生的现象及推测错误的是 (　　)
C
A．若有气体大量产生，可推测新鲜土豆片中含有过氧化氢酶
B．若增加新鲜土豆片的数量，则量筒中产生气体的速率加快
C．一段时间后气体量不再增加是因为土豆片的数量有限
D．为保证实验的严谨性，需要控制温度等无关变量
解析：
过氧化氢分解产生氧气，若有气体大量产生，可推测新鲜土豆片中含有过氧化氢酶，A正确；增加新鲜土豆片的数量，过氧化氢酶的数量增加，在一定范围内催化作用增强，产生气体的速率加快，B正确；酶在反应前后不发生改变，可以重复使用，一段时间后气体量不再增加是因为过氧化氢的量是有限的，C错误；分析题图可知，温度是本实验的无关变量，无关变量应保持一致且适宜，D正确。
任务二__酶的本质及作用机理
近几年酵素突然在养生人群中流行，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。
下图为某品牌酵素宣传的六大功能。
[问题探究]
1．酵素的化学本质是什么？酵素有什么作用？
答案：绝大多数酵素的化学本质是蛋白质，少数是RNA，具有催化作用。
2．该品牌的宣传是否科学？酵素被人食用后是否仍具有原有功能？
答案：不科学，酵素是酶，只具有催化作用。酵素被人食用后会被消化酶分解而丧失原有的功能。
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 绝大多数活细胞
生理功能 催化作用
提醒：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。
2．酶的作用机理模型
(1)分子从初态转变为活化态所需的能量为活化能。各区段分析如下：
区段 含义
ad 没有催化剂条件下反应所需的活化能
bd 有无机催化剂条件下反应所需的活化能
cd 有酶催化条件下反应所需的活化能
ac 酶降低的活化能
(2)在不同的反应条件下，反应的“初态”是相同的，但“活化态”是不同的，催化剂只是降低了反应的活化能，而不提供能量。
3．加热与加催化剂的作用机理比较
(1)加热：给化学分子提供能量。
(2)酶与无机催化剂的共性
①降低化学反应的活化能，使反应速率加快，缩短达到平衡点的时间。
②反应前后性质、数量不变。
③只改变反应速率，不改变反应平衡点。
酶作用机理的两个误区
(1)误认为酶可以提供能量。酶只能降低反应所需的活化能，不能给反应底物提供能量。
(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。
1．(2024·昆明高一检测)泛素是真核细胞内的小分子蛋白质，它可以在酶催化的反应中被结合到目标蛋白上，使目标蛋白被标记。被泛素标记的蛋白会被引导进入蛋白酶体(含有大量水解酶)中降解。下列关于泛素的叙述，错误的是 (　　)
A．含有C、H、O、N B.含有肽键
C.在核糖体上合成 D.具有催化功能
D
解析：
泛素是蛋白质，蛋白质的基本组成单位是氨基酸，元素含有C、H、O、N，A正确；泛素是经过氨基酸脱水缩合形成的，氨基酸之间通过肽键相连，B正确；泛素是蛋白质，合成场所是核糖体，C正确；据题干信息可知，泛素不是酶，不具有催化作用，D错误。
2．曲线 Ⅰ 、 Ⅱ 分别表示物质 A 在无催化剂条件下和有酶催化条件下生成物质P的能量变化过程。下列相关叙述不正确的是 (　　)
A
A.ab段表示在有酶催化条件下，使物质A生成物质P反应发生需要的活化能
B.其他条件不变，ab段的值越大，酶的催化效率越高
C.ac段表示在无催化剂条件下，使物质A生成物质P反应发生需要的活化能
D.若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b在纵轴上将向上移动
解析：
bc段表示在有酶催化条件下，使物质A生成物质P反应发生需要的活化能，A错误；其他条件不变，ab段的值越大，说明酶降低的化学反应的活化能越多，则酶的催化效率越高，B正确；ac段表示在无催化剂的条件下该反应发生需要的活化能，C正确；与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因此，若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b在纵轴上将向上移动，D正确。
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、茶红素等新成分，香气物质明显增加。
在茶树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。
酚氧化酶与茶——科学探究
设计1：考查知识迁移能力
(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。
设计2：考查综合应用能力与科学探究
(2)为了研究酚氧化酶的成分，对含有酚氧化酶的提取液进行如下表所示处理：
试管 步骤
酚氧化酶提取液的处理 加入缓冲液 加入酚类底物 实验后的颜色
A 不做处理 2 mL 2 mL 褐色
B 加入蛋白酶、10 min 2 mL 2 mL 无色
试管A、B对照，说明酚氧化酶的化学本质是________。
设计3：考查科学思维与长句表达能力
(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？
__________________________________________________________________________________________________________________________
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。
解析：
(1)细胞中具有生物膜系统，可将细胞中的酚类物质与酚氧化酶在细胞质中分隔开。(2)试管B用蛋白酶处理，提取液未变色，说明酚氧化酶被蛋白酶水解，未发挥作用，则其本质是蛋白质。(3)酚氧化酶活性强，使茶多酚大量转化为茶黄素、茶红素等新成分，香气物质明显增加，因此对红茶品质有利。
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．氨基酸或核糖核苷酸
D
解析：
绝大多数酶是蛋白质，其基本组成单位是氨基酸；少数酶是RNA，其基本组成单位是核糖核苷酸。故选D。
2．(2024·贺州高一检测)下图为酶催化反应的过程示意图，其中表示酶的图形编号是 (　　)
A． ① B．②
C．③ D．④
A
解析：
酶是生物活性催化剂，酶促反应的原理是降低化学反应的活化能，酶在反应前后，其数量和性质不会发生改变，所以在示意图中，表示酶的是①。故选A。
3．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反应过程中，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
B
解析：
酶是由活细胞产生的，在细胞内、细胞外和体外都可发挥催化作用，酶的作用本质是降低化学反应的活化能，A错误；酶的本质是蛋白质或RNA，故都含有C、H、O、N四种元素，B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错误；只有化学本质是蛋白质的酶才在核糖体上合成，D错误。
4．(2024·龙岩高一检测)漳平水仙茶是中国地理标志产品。茶叶中的茶多酚在多酚氧化酶的作用下，极易被氧化成茶红素、茶黄素等，从而使茶叶变红。下列说法正确的是 (　　)
A.多酚氧化酶在茶叶叶肉细胞的溶酶体中合成
B.多酚氧化酶能够为茶多酚的氧化提供大量能量
C.漳平水仙茶制作中的高温炒青可以使多酚氧化酶的肽键断裂
D.推测茶多酚和多酚氧化酶分布在鲜茶叶叶肉细胞的不同结构中
D
解析：
多酚氧化酶是蛋白质，在茶叶叶肉细胞的核糖体中合成，A错误；多酚氧化酶能够降低茶多酚氧化的活化能，B错误；高温可以使多酚氧化酶的空间结构被破坏，但是肽键不断裂，C错误；茶多酚和多酚氧化酶分布在鲜茶叶叶肉细胞的不同结构中，正常情况下茶多酚不会被多酚氧化酶分解，故茶叶不会变红，D正确。
5．下图是酶的有关实验，下列相关叙述错误的是 (　　)
A.上述反应中的自变量是催化剂的种类
B.该实验能证明酶催化效率高
C.该实验如果将肝脏进行研磨，效果会更好
D.该实验的因变量是肝脏质量的变化
D
解析：
本实验中使用过氧化氢酶和FeCl3溶液两种不同的催化剂，所以催化剂的种类是本实验的自变量，A正确；1试管内的卫生香燃烧更剧烈，这说明1号试管产生的氧气更多，故该实验能证明酶催化效率高，B正确；肝脏中含有过氧化氢酶，若将肝脏进行研磨，会增大酶与底物的接触面积，效果会更好，C正确；该实验的因变量是产生氧气的速率，观察指标是卫生香复燃程度，D错误。
6．(2024·桂林高一检测)几丁质的主要来源为虾、蟹、昆虫等甲壳类动物的外骨骼以及真菌类的细胞壁等。内源性几丁质酶是指由生物体自身产生的能催化几丁质水解的酶，在多种生物类群中有不同的生理功能。下列关于几丁质酶的叙述，正确的是 (　　)
A.几丁质是一种多糖，几丁质酶为几丁质的水解提供了活化能
B.几丁质酶不能脱离生物体起作用，只能在生物体内发挥催化作用
C.昆虫表皮细胞分泌的几丁质酶可以催化旧的外骨骼分解破裂，使幼体能从外骨骼中钻出
D.受到真菌感染时，植物中的几丁质酶可以催化植物细胞壁水解从而增加植物的抗性
C
解析：
几丁质是一种多糖，几丁质酶为几丁质的水解降低了活化能，A错误；只要条件合适，几丁质酶能脱离生物体起作用，B错误；昆虫外骨骼的主要成分是几丁质，昆虫表皮细胞分泌的几丁质酶可以催化旧的外骨骼分解破裂，使幼体能从外骨骼中钻出，C正确；植物细胞壁的成分主要是纤维素和果胶，故几丁质酶不能分解植物细胞壁，D错误。
7．(2024·南宁高一检测)解读下面与酶有关的曲线，回答下列问题。
(1)图1中，若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b在纵轴上将_______(填“上移”或“下移”)，因为与无机催化剂相比，酶_______ (填“提高”或“降低”)化学反应活化能的作用更显著。
(2)图2中160 min时，生成物的量不再增加的原因是______________。
(3)为研究酶的特性，某校生物兴趣小组的同学进行了实验，基本过程如下表所示：
步骤 基本过程 试管A 试管B
1 加入2%过氧化氢溶液 3 mL 3 mL
2 加入马铃薯匀浆 少许 —
3 加入二氧化锰 — 少许
4 检测
据此分析：
①该实验的自变量是________________。
②最好用________________作为检测指标。某同学用鸡肝匀浆代替马铃薯匀浆进行上述实验，其他条件不变，若提高H2O2溶液的浓度，则生成O2总量的相对值将________(填“增加”或“减少”)。
答案：(1)上移　降低
(2)底物已被完全消耗掉
(3)①催化剂的种类　②产生气泡的速率　增加
解析：
(1)如果将酶催化改为无机催化剂催化该反应，由于无机催化剂的催化效率比酶低，降低活化能的作用效果不如酶明显，所以b在纵轴上将上移，这体现了酶的高效性。(2)图2中160 min时，一定量的底物被完全消耗完，因此生成物的量不再增加。(3)①分析表格数据可知，本实验的自变量是催化剂的种类。②该实验底物是H2O2，其分解产物有氧气，故可用产生气泡的速率作为检测指标，若提高底物H2O2溶液的浓度，则生成物O2总量的相对值将增加。

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