内容正文:
第三单元 细胞的能量供应和利用
第7讲 酶和ATP
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01
考 点 一
02
考 点 二
03
考 点 三
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考点一 酶的本质、作用和特性
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催化
常态
活跃
活化能
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活细胞
催化作用
蛋白质
RNA
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无机催化剂
一种或一类
高温、过酸、过碱
低温
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×
√
×
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×
√
√
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不相同。因为用蛋白酶处理后,B酶被破坏,活性降低,其化学本质为蛋
白质;而A酶活性不变,其化学本质不是蛋白质而是RNA
蛋白酶处理过程中B酶空间结构发生改
变,从而使其活性丧失
RNA水解
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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 — — — —
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B
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考点二 实验:探究影响酶活性的因素
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蓝色
不出现蓝色
淀粉水解
蓝色及蓝色的深浅
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2
2
1
1
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不变蓝
变蓝
变蓝
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温度影响酶的活性
氧气的生成量
带火星
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复燃
不复燃
不复燃
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pH能影响酶的活性
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步骤 处理 试管1 试管2
① 苯丙氨酸 1.0 mL 1.0 mL
② HCl溶液
(6 mol/L) — 0.2 mL
③ PAL酶液 1.0 mL 1.0 mL
④ 试管1加0.2 mL H2O。2支试管置于30 ℃水浴1小时
⑤ HCl溶液
(6 mol/L) 0.2 mL —
⑥ 试管2加0.2 mL H2O。测定2支试管中的产物量
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B
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考点三 ATP的结构与功能
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直接能源物质
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特殊的化学键
磷酸基团
腺嘌呤
腺苷
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C、H、O、N、P
腺嘌呤
核糖
磷酸基团
A—P~P~P
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负电荷
特殊化学键
末端磷酸基团
转移势能
末端磷酸
基团
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ATP水解的过程就是释放能
量的过程,1 mol ATP水解释放的能量高达30.54 kJ
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ADP
ATP
游离的磷酸(Pi)
能量
Pi
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ATP合成酶
ATP水解酶
光能
化学能
特殊的化学键
特殊的化学键
各项生命活动
细胞质基质、线粒体、叶绿体
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动态平衡
生物界的统一性
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收缩
合成
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水解
磷酸化
空间结构
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×
×
×
[学以致用]
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×
√
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ATP与ADP时刻不停地发生快速相互转化,并且处于动
态平衡之中
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生物界具有统一性,也说明种类繁多的生物有着共同的起源
萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶,在ATP提供能量的
前提下,荧光素酶可催化荧光素转化为能发出荧光的氧化荧光素
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D
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1.酶的作用:酶在细胞代谢中起________作用。
2.酶的作用机理
(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)作用机理:降低化学反应的__________。
3.酶的本质
(1)酶本质的探索历程(连线)
答案:①—f;②—a;③—c;④—d、e;⑤—b
(2)酶的本质:酶是__________产生的具有____________的有机物,其中绝大多数是 __________,少数是__________。
4.酶的特性
(1)高效性:酶的催化效率大约是 ______________的107~1013倍。
(2)专一性:每一种酶只能催化______________化学反应。
(3)作用条件较温和
①在最适宜的温度和pH条件下,酶的活性最高;
②____________________等条件会使酶的空间结构遭到破坏而永久失活;
③________条件下酶的活性很低,但空间结构稳定。
[提醒] 酶与无机催化剂的相同点:化学反应前后数量和性质不变;可加快化学反应速率,缩短达到平衡的时间,但不改变平衡点;都能降低化学反应的活化能。
诊断常考语句,澄清易错易混
1.(必修1 P78黑体)酶提供了反应过程中所必需的活化能。( )
2.(必修1 P79“思考·讨论”)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 P81黑体)酶都是活细胞产生的,具有催化和调节生命活动的作用。( )
4.(必修1 P84正文)高温和低温均能破坏酶的结构使其失去活性。( )
5.(必修1 P84正文)细胞中的各类化学反应之所以能有序进行,还与酶在细胞中的分布有关。( )
6.酸既能催化蛋白质水解,也能催化脂肪水解,还能催化淀粉水解。( )
阐述基本原理,突破长句表达
如图表示A、B两种酶用蛋白酶处理后酶活性与处理时间的关系,据图分析:
(1)A、B两种酶的化学本质是否相同?请说明理由:____________________________________________________________________________________________________________________。
(2)B酶活性改变的原因是_________________________________ _______________________。
(3)依次让A、B两种酶的变化趋势换位,应用______________酶处理。
(4)(源于必修1 P79)“关于酶本质的探索”:巴斯德认为酿酒中的发酵是由酵母菌细胞的存在所致,没有活细胞就不能产生酒精;李比希却认为引起发酵的只是酵母菌细胞中的某些物质,不一定需要活的细胞。请你利用酵母菌细胞、研磨和过滤装置、葡萄糖溶液等材料设计一个实验来结束这一争论。
提示 将酵母菌细胞研磨粉碎、加水搅拌后过滤,将提取液加入葡萄糖溶液中,也能产生酒精,说明引起发酵的是一种化学物质(模拟毕希纳的实验)。
1.酶专一性的理论模型
(1)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)酶和被催化的底物分子有特定的、相契合的结构。
2.与酶有关的曲线分析
(1)酶的高效性
①由曲线可知:酶比无机催化剂的催化效率高。
②酶只能缩短达到化学平衡所需的时间,不改变化学反应的方向和平衡点。因此,酶不能改变最终生成物的量。
(2)酶的专一性
①在底物A中加入酶A,反应速率较未加酶时明显加快,说明酶A能催化底物A的反应。
②在底物A中加入酶B,反应速率和未加酶时相同,说明酶B不能催化底物A的反应。
(3)酶的化学本质的探究
①将A、B两种酶分别用同一种蛋白酶处理,A酶活性不变,能抵抗该种蛋白酶的降解,则其化学本质不是蛋白质,而是RNA;B酶活性降低,能被蛋白酶降解,则其化学本质为蛋白质。
②B酶活性改变的原因是B酶在被降解的过程中分子结构发生改变。
(4)影响酶活性因素的相关曲线
①甲曲线分析:在一定温度(pH)范围内,随温度(pH)的升高,随温度(pH)的升高,酶的催化作用增强,超过最适温度(pH),酶的催化作用逐渐减弱;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,酶分子的结构未被破坏,温度升高可恢复活性。
②乙曲线分析:纵坐标为反应物剩余量,剩余量越多,生成物越少,反应速率越慢;图示pH=7时,反应物剩余量最少,可能为最适pH;反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。
(5)底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响曲线
①甲图:在其他条件适宜、酶量一定的情况下,酶促反应速率先随底物浓度的增加而加快,当底物达到一定浓度后,受酶数量的限制,酶促反应速率不再加快。
②乙图:在底物足量、其他条件适宜的情况下,酶促反应速率与酶浓度成正比。
(2024·广东卷)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。
[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
解析:由表可知,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,Ay3-Bi-CB与Ce5-Ay3-Bi-CB相比,当缺少Ce5后,就不能催化纤维素类底物,当Ay3与Ce5同时存在时催化纤维素类底物的活性增强,所以Ay3与Ce5 可能存在相互影响,A正确;由表可知,不论是否与Bi结合,Ay3均可以催化S1与S2,说明Bi与Ay3的催化专一性无关,B错误;由表可知,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,C正确;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,D正确。故选B。
1.探究温度对酶活性的影响
(1)实验原理
①反应原理
②鉴定原理:温度影响酶的活性,从而影响____________,滴加碘液,根据是否出现____________________来判断酶的活性。
(2)实验步骤
步骤
实验操作
试管1
试管2
试管3
试管4
试管5
试管6
1
加等量可
溶性淀粉
溶液
2 mL
0
__ mL
0
__ mL
0
2
加等量新
鲜淀粉酶
溶液
0
1 mL
0
__ mL
0
__ mL
3
控制不同
温度条件
37℃温水
(5 min)
沸水
(5 min)
冰水
(5 min)
4
酶与底
物混合
将相同温度下的两支试管内溶液混合并继续在原温度条件下,保温一段时间
5
加碘液
1滴
1滴
1滴
6
实验现象
__________
________
________
[提醒] 在上述实验操作中,应将淀粉溶液和酶溶液分别控制温度后再混合。因为酶具有高效性,加入酶后就可以发挥催化作用,影响实验结果。
(3)实验结论:____________________。
2.探究pH对酶活性的影响
(1)实验原理
①反应原理:_____________________________ (反应式)。
②鉴定原理:pH影响酶的活性,从而影响________________,可用__________的卫生香燃烧的情况来检验产生O2的多少。
H2O2eq \o(——————→,\s\up17(过氧化氢酶))2H2O+O2
(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____
卫生香______
卫生香______
[提醒] 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:______________________。
与酶相关实验设计的方法
(1)用“试剂检测法”或“蛋白酶水解法”确认酶的化学本质
(2)用“对比实验法”探究或验证酶特性及影响因素
①探究酶的催化作用
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(对照组:反应物+清水\o(——→,\s\up17(检测))反应物不被分解,实验组:反应物+等量的相应酶溶液,\o(——→,\s\up17(检测))反应物被分解))
②探究酶的高效性
a.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
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
b.操作示例
③探究酶的专一性
a.设计方案
方案一
实验组:底物+相应酶液 eq \o(——→,\s\up17(检测)) 底物被分解
对照组:另一种底物+相同酶液 eq \o(——→,\s\up17(检测)) 底物不被分解
方案二
实验组:底物+相应酶液 eq \o(——→,\s\up17(检测)) 底物被分解
对照组:相同底物+另一种酶液 eq \o(——→,\s\up17(检测)) 底物不被分解
b.操作示例
【总结提升】 与酶相关实验设计的注意事项
(1)在探究温度对酶活性的影响实验中,底物和酶溶液应先分别在预设的温度中保温一段时间后再混合,理由是保证反应从一开始就是预设的温度。
(2)在探究pH(温度)对酶活性的影响实验中,应控制最适温度(pH),目的是排除温度(pH)干扰。
(3)在探究温度对酶活性的影响实验中,不宜选择过氧化氢(H2O2)和过氧化氢酶作为实验材料,理由是过氧化氢(H2O2)在常温下就能分解,加热条件下分解会加快,从而影响实验结果。
(4)在探究pH对酶活性的影响实验中,不宜选用淀粉和淀粉酶作为实验材料,理由是在酸性条件下淀粉分解也会加快,从而影响实验结果。
(5)若选择淀粉和淀粉酶来探究温度对酶活性的影响,检测底物被分解的试剂宜选用碘液,不宜选用斐林试剂,理由是用斐林试剂鉴定时需要水浴加热,而该实验中需严格控制温度。
(6)若底物选择淀粉和蔗糖,用淀粉酶来验证酶的专一性时,检测底物是否被分解的试剂宜选用斐林试剂,不宜选用碘液,因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。
(2024·浙江1月选考)红豆杉细胞内的苯丙氨酸解氨酶(PAL)能催化苯丙氨酸生成桂皮酸,进而促进紫杉醇的合成。低温条件下提取PAL酶液,测定PAL的活性,测定过程如表。
下列叙述错误的是( )
A.低温提取以避免PAL失活
B.30 ℃水浴1小时使苯丙氨酸完全消耗
C.④加H2O补齐反应体系体积
D.⑤加入HCl溶液是为了终止酶促反应
解析:温度过高会使酶失活,因此本实验应在低温条件下对PAL进行提取,以避免PAL失活,A正确;因为试管2在步骤②中加入了HCl溶液,PAL已经变性失活,故试管②底物苯丙氨酸不会被PAL催化消耗,B错误;④加0.2 mL H2O,补齐了步骤②试管1中没有加入的液体(0.2 mL HCl溶液)的体积,故C正确;pH过低或过高酶均会失活,故步骤⑤加入HCl溶液是为了终止酶促反应,D正确。
要语必背
必背教材结论性语句
1.(必修1 P76)细胞代谢:细胞中每时每刻都进行着许多化学反应。
2.(必修1 P78)活化能: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。
3.(必修1 P81)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。
4.(必修1 P82)酶活性:酶催化特定化学反应的能力。
5.(必修1 P78)与无机催化剂相比,酶降低活化能的作用更显著,因而催化效率更高。
6.(必修1 P84)酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。
7.(必修1P84)过酸、过碱或温度过高,会使酶的空间结构遭到破坏,使酶永久失活。低温下酶的空间结构稳定,因此,酶制剂适宜在低温下保存。
1.ATP是一种高能磷酸化合物
(1)ATP的功能
ATP是驱动细胞生命活动的________________。
(2)ATP的结构
a.ATP的元素组成:______________________。
b.ATP的化学组成:一分子__________、一分子________和三分子____________。
c.ATP的结构简式:__________________。
(3)ATP的供能原理
(4)ATP是一种高能磷酸化合物,理由是___________________________ ____________________________________________________________。
2.ATP和ADP可以相互转化
(1)转化基础
①__________比__________稳定。
②ATP水解后脱离下来的磷酸基团如果未转移给其他分子,就成为______________________。在有关酶的作用下,ADP可以接受________,同时与________结合,重新形成ATP。
(2)ATP与ADP相互转化的过程及能量来源
项目
ATP的合成
ATP的水解
反应式
ADP+Pi+能量 eq \o(——→,\s\up17(酶)) ATP
ATP eq \o(——→,\s\up17(酶)) ADP+Pi+能量
所需酶
________________
________________
能量来源
________(光合作用)、有机物中的__________(细胞呼吸)
储存在________________中的能量
能量去路
储存在________________中
用于________________
反应场所
______________________________
生物体的需能部位
(3)转化特点
①这种相互转化时刻不停地发生,并且处于____________之中。
②ATP与ADP相互转化的能量供应机制,在所有生物的细胞内都是一样的,这体现了__________________。
3.ATP的利用
(1)主动运输;
(2)生物发光、发电;
(3)肌肉________;
(4)蔗糖________;
(5)大脑思考等。
4.ATP用于Ca2+主动运输的机理
膜内Ca2+与载体蛋白结合
↓
Ca2+载体蛋白催化ATP________
↓
Ca2+载体蛋白__________
↓
Ca2+载体蛋白____________变化
↓
Ca2+主动运输释放到膜外
诊断常考语句,澄清易错易混
1.(必修1 P86正文)ATP是驱动细胞生命活动的唯一的直接能源物质。( )
2.(必修1 P86正文)ATP含有3个特殊化学键,但是只有一个特殊化学键会发生断裂。( )
3.(必修1 P87正文)人在剧烈运动时,骨骼肌细胞ATP的合成远多于ATP的水解。( )
4.(必修1 P87正文)人在饥饿时,细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡。( )
5.(必修1 P87正文)植物细胞可以通过光合作用和细胞呼吸形成ATP,而动物细胞只能通过细胞呼吸形成ATP。( )
阐述基本原理,突破长句表达
1.人体内ATP的含量很少,但在剧烈运动时,每分钟约有0.5 kg的ATP转化为ADP,以供运动之需,但人体内ATP总含量并没有太大变化,请分析原因:__________________________________________________ ______________。
2.植物、动物、细菌和真菌的细胞内,都以ATP作为能量“货币”,由此说明:______________________________________________________。
3.(必修1 P86问题探讨拓展)萤火虫尾部发光的原理是____________________________________________________________________________________________________________________________。
1.关于ATP的4个易错点
(1)ATP≠能量,ATP是一种高能磷酸化合物,是一种可以储存能量的物质。
(2)ATP与ADP的相互转化,从物质方面来看是可逆的,从酶、进行的场所、能量方面来看是不可逆的,因此不是可逆反应。
(3)细胞中的ATP与ADP的转化总是处于动态平衡中,由于ADP、Pi可重复利用,只要提供能量,生物体就可不断合成ATP,满足生物体的需要。
(4)混淆DNA、RNA、ATP和核苷酸中的“A”
物质结构
物质名称(简称或缩写)
“A”的含义
A—P~P~P
ATP
腺苷(腺嘌呤+核糖)
ATP
腺嘌呤
核苷酸
腺嘌呤
DNA
腺嘌呤脱氧核苷酸
RNA
腺嘌呤核糖核苷酸
说明:上述物质的共同点为所有“A”都含有腺嘌呤
2.ATP与细胞的代谢
3.细胞内产生与消耗ATP的常见生理过程
转化场所
常见的生理过程
细胞膜
消耗ATP:主动运输、胞吞、胞吐
细胞质基质
产生ATP:细胞呼吸第一阶段
叶绿体
产生ATP:光反应
消耗ATP:暗反应和自身DNA复制、转录、翻译等
线粒体
产生ATP:有氧呼吸第二、三阶段
消耗ATP:自身DNA复制、转录、翻译等
核糖体
消耗ATP:蛋白质的合成
细胞核
消耗ATP:DNA复制、转录等
(2022·浙江卷)下列关于腺苷三磷酸分子的叙述,正确的是( )
A.由1个脱氧核糖、1个腺嘌呤和3个磷酸基团组成
B.分子中与磷酸基团相连接的化学键称为高能磷酸键
C.在水解酶的作用下不断地合成和水解
D.是细胞中吸能反应和放能反应的纽带
解析:1分子的ATP是由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸基团组成,A错误;ATP分子的结构式可以简写成A—P~P~P,磷酸基团与磷酸基团相连接的化学键是一种特殊的化学键,B错误;ATP在水解酶的作用下水解,在合成酶的作用下ADP和磷酸吸收能量合成ATP,C错误;吸能反应一般与ATP的分解相联系,放能反应一般与ATP的合成相联系,故吸能反应和放能反应之间的纽带就是ATP,D正确。故选D。
$$