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第11讲　降低化学反应活化能的酶
第三单元　细胞的能量供应和利用
[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.活动:探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素。
考点一
酶的作用和本质
1.酶的催化作用的实验验证——比较过氧化氢在不同条件下的分解
(1)实验原理。
2H2O2 2H2O+O2,可用 的情况来检验O2的生成速率。
基础知识·整合
点燃但无火焰的卫生香燃烧
(2)实验思路、结果和结论。
对照
少量
促进过氧化氢分解
较多
复燃明显
低活化能的作用更显著
过氧化氢酶
降
(3)实验变量分析。
过氧化氢酶
产生的气泡数目的多少
温度
(4)实验结论。
①②对照,说明加热能促进过氧化氢的分解;
①④对照,说明酶具有 ;
③④对照,说明酶具有 。
催化作用
高效性
2.酶的催化作用机理
ac
bc
向上
ab
3.酶本质的探究历程(连线)
【提示】 ①—e,②—a,③—c,④—d,⑤—b
4.归纳酶的本质和作用
活细胞
RNA
核糖体(主要)或细胞核
(真核生物)
催化
数量
活化能
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P79思考·讨论)1716年《康熙字典》收录了酶字,并将“酶”解释为
“酒母也”。“酒母”就是现在所说的酒精。(　　)
×
【提示】 “酒母”就是现在所说的酵母。
(2)(必修1 P79~80思考·讨论)脲酶能将尿素分解为氨和二氧化碳,萨姆纳从刀豆种子中提取到了脲酶,并证明脲酶是蛋白质。(　　)
√
(3)(必修1 P85拓展应用1)酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸。
(　　)
【提示】 酶在催化反应的前后本身的质和量都不变。
×
2.规范表达
(1)(必修1 P79~80思考·讨论拓展)设计简单的实验验证脲酶是蛋白质,实验思路是
。
(2)(必修1 P82~83探究·实践拓展)当人误食了含有重金属的食物或有机溶剂类农药后,有一种应急措施就是立刻给病人喝大量牛奶或豆浆,原因是
。
向脲酶溶液和蛋白质溶液中分别加入双缩脲试剂,若都出现紫色反应,
则说明脲酶是蛋白质
牛奶和
豆浆中含有大量的蛋白质,这些蛋白质可以和重金属或有机溶剂结合从而降低有毒物质与人体中正常的酶接触的机会,从而保护了人体中蛋白质(主要是酶)的活性
能力1　结合酶的本质、作用,考查理解能力
1.嚼馒头时会感觉有甜味,这是因为唾液淀粉酶将淀粉分解成了麦芽糖。下列有关酶的说法错误的是(　　)
A.升高温度和加酶都能加快H2O2分解的速率,二者作用机理相同
B.高温、强酸、强碱都会导致唾液淀粉酶的空间结构改变而使其失活
C.唾液淀粉酶既可作为淀粉水解的催化剂,又可作为蛋白酶催化的反应底物
D.唾液淀粉酶能够与双缩脲试剂反应显紫色
A
关键能力·提升
【解析】 升高温度的原理是提供能量,加酶的原理是降低化学反应所需的活化能,作用机理不同;唾液淀粉酶的化学本质是蛋白质,高温、强酸、强碱都会导致蛋白质的空间结构改变而使其失活;由于唾液淀粉酶的化学本质是蛋白质,因此唾液淀粉酶既可作为淀粉水解的催化剂,又可作为蛋白酶催化的反应底物;唾液淀粉酶的化学本质是蛋白质,蛋白质能够与双缩脲试剂反应显紫色。
2.(2025·梅州月考)在一个固定温度下,反应体系中不同能量底物分子的数量呈正态分布,其分布规律如图中钟形实线所示。分子能量达到活化能的底物分子可以发生反应。下列相关叙述错误的是(　　)
A.若反应体系原本没有酶,加入酶之后的活化能可以用①表示
B.若反应体系原本没有酶,加热之后不同能量底物分子的数量分布可以用③表示
C.若反应体系原本有酶,加入酶的抑制剂后,活化能可以用②表示
D.若反应体系原本有酶且处于最适温度,加热之后的活化能可以用①表示
D
【解析】 酶的作用机理是能够降低化学反应的活化能,若反应体系原本没有酶,加入酶之后的活化能下降,可以用①表示;加热可提高底物分子能量,故若反应体系原本没有酶,加热之后不同能量底物分子的数量分布可以用③表示;酶可以降低化学反应的活化能,加入酶的抑制剂后,化学反应所需的活化能上升,可以用②表示;若反应体系原本有酶且处于最适温度,加热后,酶的活性下降,反应所需的活化能上升,可以用②表示。
考点二
酶的特性及相关实验探究
1.酶的特性
(1)酶具有高效性。
与无机催化剂相比,酶降低化学反应 的作用更显著,催化效率更高。
(2)酶具有专一性。
每一种酶只能催化 化学反应。
①物理模型——“锁钥学说”。
图中A表示 ,B表示 ,E、F表示 ,
C、D表示不能被A催化的物质。
基础知识·整合
活化能
一种或一类
酶
被A催化的反应物
B被分解后的产物
只有酶A能催化 参与的反应,说明酶具有专一性。
②曲线分析。
反应物A
(3)酶的作用条件“较温和”。
①在 条件下,酶的活性最高;温度和pH偏高或偏低,酶的活性都会明显 。
②过酸、过碱或温度过高,会使酶的 遭到破坏,使酶永久失活。
最适宜的温度和pH
降低
空间结构
实
验
步
骤 一 取两支试管,编号1、2
二 1号试管中加入2 mL 可溶性淀粉溶液 2号试管中加入2 mL 蔗糖溶液
三 加入新鲜的淀粉酶溶液2滴,振荡,试管下半部浸到60 ℃左右的热水中,保温5 min
四 加入斐林试剂→振荡→将试管下半部放进盛有热水的大烧杯中,用酒精灯加热约2 min
实验现象 无变化
实验结论 淀粉酶只能催化淀粉水解,不能催化蔗糖水解
2.酶相关实验
(1)探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用。
砖红色沉淀
(2)探究温度和pH对酶活性的影响。
①探究温度对酶活性的影响。
实
验
步
骤 一 六支试管分三组分别进行编号 1 1′ 2 2′ 3 3′
二 可溶性淀粉溶液 2 mL — 2 mL — 2 mL —
三 淀粉酶溶液 — 1 mL — 1 mL — 1 mL
四 分别在不同条件下放置5 min 0 ℃保温 60 ℃保温 100 ℃保温
五 混合 在各自的温度下反应约5 min
六 加碘液 分别滴加2滴碘液,摇匀,观察现象
实验现象 变蓝
实验结论
不变蓝
变蓝
温度对酶的活性有影响,温度偏低或偏高都会降低酶的活性
②探究pH对酶活性的影响。
实
验
步
骤 一 1号试管 2号试管 3号试管
二 各加入新鲜肝脏研磨液2滴
三 1 mL
蒸馏水 1 mL HCl
溶液 1 mL NaOH
溶液
四 各加入2 mL H2O2溶液
五 反应约5 min,记录气泡产生情况
实验现象 较多气泡 几乎无气泡
实验结论
几乎无气泡
过酸、过碱会影响酶的活性,适宜pH下酶的催化效率最高
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P82正文)每一种酶只能催化一种化学反应。(　　)
×
【提示】 每一种酶只能催化一种或一类化学反应。
(2)(必修1 P84正文)过酸、过碱或温度过高、过低,会使酶的空间结构遭到破坏,使酶永久失活。(　　)
×
【提示】 温度过低不会破坏酶的空间结构,不会使酶永久失活。
(3)(必修1 P84正文)细胞中的各类化学反应之所以能有序进行,与酶在细胞中的分布有关。(　　)
√
2.规范表达
(1)(必修1 P84与社会的联系)20世纪60年代以前,医院里用的葡萄糖是用盐酸催化淀粉水解的方法来生产的,60年代后改用酶法生产。用酶来水解淀粉生产葡萄糖的优越性表现在
(至少写出两点)。
(2)(必修1 P85科学·技术·社会)溶菌酶为什么具有抗菌消炎的作用
。细菌性溶菌酶能否防御真菌感染 。
生产效率高、生产的葡萄糖纯度高,生产过程中的
反应条件较温和
溶菌酶能
够溶解细菌的细胞壁,起到抗菌消炎的作用
不能,因为真菌和细菌细胞壁的成分不同,而酶具有专一性
1.“对照实验法”验证酶的高效性和专一性
(1)验证酶的高效性。
重难知识·透析
项目 实验组 对照组
材料 等量的同一种反应物
试剂 与反应物相对应的酶溶液 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
(2)验证酶的专一性。
项目 方案一 方案二
实验组 对照组 实验组 对照组
材料 同种反应物(等量) 与酶相对应
的反应物 另外一种
反应物
试剂 与反应物
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.“梯度法”探究酶的最适温度或pH
(1)探究酶的最适温度。
(2)探究酶的最适pH。
能力2　结合酶的特性,考查理解能力
3.(2023·广东卷,1)中国制茶工艺源远流长。红茶制作包括萎凋、揉捻、发酵、高温干燥等工序,其间多酚氧化酶催化茶多酚生成适量茶黄素是红茶风味形成的关键。下列叙述错误的是(　　)
A.揉捻能破坏细胞结构使多酚氧化酶与茶多酚接触
B.发酵时保持适宜的温度以维持多酚氧化酶的活性
C.发酵时有机酸含量增加不会影响多酚氧化酶活性
D.高温灭活多酚氧化酶以防止过度氧化影响茶品质
C
关键能力·提升
【解析】 红茶制作时揉捻能破坏细胞结构,使其释放的多酚氧化酶与茶多酚接触;酶的活性受温度、pH等因素的影响,需要将温度设置在酶的最适温度下,使多酚氧化酶保持最大活性,才能获得更多的茶黄素;酶的作用条件较温和,发酵时有机酸含量增加会改变pH,进而影响多酚氧化酶的活性;高温条件会使多酚氧化酶的空间结构被破坏而失活,以防止过度氧化影响茶品质。
4.(2024·广东卷,15)现有一种天然多糖降解酶,其肽链由4段序列以Ce5-Ay3-Bi-CB方式连接而成。研究者将各段序列以不同方式构建新肽链,并评价其催化活性,部分结果见表。
肽链 纤维素类底物 褐藻酸类底物
W1 W2 S1 S2
Ce5-Ay3-Bi-CB + +++ ++ +++
Ce5 + ++ - -
Ay3-Bi-CB - - ++ +++
Ay3 - - +++ ++
Bi - - - -
CB - - - -
注:“-”表示无活性,“+”表示有活性,“+”越多表示活性越强。
关于各段序列的生物学功能,下列分析错误的是(　　)
A.Ay3与Ce5催化功能不同,但可能存在相互影响
B.Bi无催化活性,但可判断与Ay3的催化专一性有关
C.该酶对褐藻酸类底物的催化活性与Ce5无关
D.无法判断该酶对纤维素类底物的催化活性是否与CB相关
B
【解析】 由题表可知,Ce5具有催化纤维素类底物的活性,Ay3具有催化褐藻酸类底物的活性,Ay3与Ce5催化功能不同,当Ay3与Ce5同时存在(Ce5-Ay3-Bi-CB)时,酶对于两类底物均有催化活性,且催化纤维素类底物W2的活性增强,所以Ay3与Ce5可能存在相互影响;由题表可知,不论是否与Bi结合,Ay3均可以催化褐藻酸类底物S1与S2,说明Bi与Ay3的催化专一性无关;由题表可知,Ay3-Bi-CB与Ce5-Ay3-Bi-CB相比,去除Ce5后,催化褐藻酸类底物的活性不变,说明该酶对褐藻酸类底物的催化活性与Ce5无关;需要检测Ce5-Ay3-Bi肽链的活性,才能判断该酶对纤维素类底物的催化活性是否与CB相关。
能力3　围绕实验操作和结果分析,考查实验探究能力
5.下列是某同学设计的几个实验内容,有关分析正确的是(　　)
①淀粉酶+淀粉溶液　②淀粉溶液+蒸馏水　③淀粉酶+蔗糖　④H2O2+肝脏研磨液 ⑤H2O2+FeCl3溶液
A.证明酶具有高效性实验时,可进行①②组实验
B.证明酶的专一性实验时,可设置①③组实验,检验试剂可用碘液
C.探究温度对酶活性影响实验时,应在不同温度下进行第④组实验
D.探究pH对酶活性影响实验时,不宜选择第①组中的实验材料进行实验
D
【解析】 ①②组实验只能证明酶具有催化作用,不能证明酶具有高效性;证明酶的专一性时,可设置①③组实验,但检验试剂应使用斐林试剂,不能用碘液;H2O2在加热条件下分解加快,故不宜选用④组实验探究温度对酶活性的影响;酸性条件下,淀粉会水解,故不宜选用①组实验材料探究pH对酶活性的影响。
6.(2022·广东卷,13)某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展初步研究,结果见表。
组别 pH CaCl2 温度/℃ 降解率/%
① 9 + 90 38
② 9 + 70 88
③ 9 - 70 0
④ 7 + 70 58
⑤ 5 + 40 30
注:+/-分别表示有/无添加,反应物为Ⅰ型胶原蛋白。
下列分析错误的是(　　)
A.该酶的催化活性依赖于CaCl2
B.结合①、②组的相关变量分析,自变量为温度
C.该酶催化反应的最适温度为70 ℃、最适pH为9
D.尚需补充实验才能确定该酶是否能水解其他反应物
C
【解析】 分析表格可知,降解率越大说明该酶的活性越高,②组酶活性最高,此时pH为9,添加CaCl2,温度为70 ℃,③组没有添加CaCl2,pH为9,温度为70 ℃,降解率为0,说明该酶的催化活性依赖于CaCl2;分析①、②组可知,除了温度以外,pH相同且都添加CaCl2,说明①、②组的自变量为温度;②组酶活性最高,此时pH为9,温度为70 ℃,但温度梯度和pH梯度都较大,不能说明该酶催化反应的最适温度为70 ℃、最适pH为9;该实验的反应物为Ⅰ型胶原蛋白,若要确定该酶能否水解其他反应物,还需补充实验。
考点三
影响酶促反应速率的因素分析
1.温度和pH对酶促反应速率的影响
不变
基础知识·整合
据图可知,不同pH条件下,酶的最适温度 ;不同温度条件下,酶的最适pH ,即反应溶液pH(温度)的变化不影响酶作用的最适温度(pH)。
也不变
(1)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 。
(2)ab段限制因素是 ;bc段限制因素是 。
2.酶浓度对酶促反应速率的影响
正相关
酶浓度
底物浓度
(1)ab段:在一定底物浓度范围内,随底物浓度的增加,反应速率 (酶没有完全与底物结合)。
(2)bc段:当底物浓度增大到某一值(M)时,反应速率达到 ,不再
(酶完全与底物结合)。
(3)ab段限制因素是 ;bc段限制因素是 。
3.底物浓度(酶浓度一定)对酶促反应速率的影响
增加
最大值
增加
底物浓度
酶浓度
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P84相关信息拓展)在测定胃蛋白酶活性时,将溶液的pH由10降到2的过程中,其催化能力将逐渐增强。(　　)
×
【提示】 胃蛋白酶的最适pH为1.5,在pH=10的条件下会变性失活,无法复原。
(2)(必修1 P84正文)改变酶催化的温度条件,其最适pH也会随之而改变。
(　　)
×
【提示】 酶催化的最适温度及最适pH,均不会随外界条件的改变而改变。
2.规范表达
(必修1 P84正文拓展)酶制剂适于在低温(0~4 ℃)下保存的原因是
。
在0~4 ℃时,酶的活性很低,但酶的空间结构稳定,在适宜的温度下酶的活性可以升高
能力4　结合酶促反应速率曲线,考查模型构建与分析能力
7.(2025·广西卷,13)研究人员探究了不同浓度的油菜蜂花粉多酚(以下简称“多酚”)和药物Q对胰脂肪酶活性的影响(图a);以及不同pH处理多酚后,多酚对该酶的酶促水解速率的影响(图b)。下列说法正确的是(　　)
A.单位时间内甘油的生成量,可作为以上实验的检测指标
B.在催化脂肪水解过程中,胰脂肪酶提供了大量的活化能
C.相同浓度下,药物Q对胰脂肪酶活性的抑制效果强于多酚
D.比较不同pH处理后的多酚,乙组对胰脂肪酶活性的抑制
效果最弱
A
关键能力·提升
【解析】 脂肪水解后的产物为甘油和脂肪酸,因此可以用单位时间内甘油的生成量,作为胰脂肪酶活性的检测指标;酶的作用机理为降低化学反应的活化能,而不是提供活化能;由图(a)可知,相同浓度下,药物Q处理后胰脂肪酶的相对活性高于多酚处理,因此药物Q对胰脂肪酶活性的抑制效果弱于多酚;在图(b)中,乙组酶促水解速率最低,说明乙组对胰脂肪酶活性的抑制作用最强。
8.(2025·四川卷,10)D-阿洛酮糖是一种低热量多功能糖,有助于肥胖人群的体重管理。Co2+可协助酶Y催化D-果糖转化为D-阿洛酮糖。有人在相同体积、相同酶量且最适反应条件(含Co2+条件)下,测定不同浓度D-果糖的转化率(转化率=产物量/底物量×100%),其变化趋势如下图。下列叙述正确的是(　　)
A.升高反应温度,可进一步提高D-果糖转化率
B.D-果糖的转化率越高,说明酶Y的活性越强
C.若将Co2+的浓度加倍,酶促反应速率也加倍
D.2 h时,三组中500 g·L-1D-果糖组产物量最高
D
【解析】 题干中实验是在最适反应条件下进行的,升高温度会使酶的活性降低,从而降低D-果糖转化率;D-果糖的转化率不仅与酶Y的活性有关,还与底物(D-果糖)的浓度、反应时间等因素有关,所以不能仅根据转化率高就说明酶Y的活性强;Co2+是酶Y的辅助因子,当其浓度达到一定水平后,反应速率趋于稳定,将Co2+的浓度加倍,酶促反应速率可能不会显著改变;2 h时,500 g·L-1D-果糖组的转化率不是最高,但底物量是最多的,且转化率与其他两组差别不大,根据产物量=底物量×转化率,可知其产物量最高。

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