高二生物必修第一册第三章第一节新陈代谢与酶；第二节新陈代谢与ATP 人教版

用心 爱心 专心 高二生物必修第一册第三章第一节新陈代谢与酶 第二节新陈代谢高二生物必修第一册第三章第一节新陈代谢与酶 第二节新陈代谢 与与 ATP 人教版人教版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 生命的物质基础 一 二 学习内容 新陈代谢是生物最基本的特征 是生物与非生物最本质的区别 要将新陈代谢同普通 的物理变化和化学变化区分开 新陈代谢是活细胞中发生的过程 是活细胞中全部有序的 化学反应的总称 同时它又是一个受到生物体精细调控过程 能够非常高效的进行 所有 这些都是与催化新陈代谢的酶的作用密切相关的 以后人们又将酶从活细胞内提取出来 使酶在更加广泛的领域里得到应用 这项技术就是酶工程 在新陈代谢的过程中 物质的变化始终伴随着能量的变化 而新陈代谢的能量变化与 一种称为 ATP 的化学物质有着十分密切的关系 学好这一讲将为以后整个第三章的学习打下良好的基础 三 重点与难点 一 学习重点 1 酶的概念 2 酶的催化作用特点 3 酶与新陈代谢的关系 4 ATP 的生理功能 5 ATP 与 ADP 的相互转化 二 学习难点 1 酶的活性所需要的适宜条件 2 验证酶特性的实验 3 ATP 的形成途径 四 学习内容及疑难解析 一 新陈代谢与酶 1 酶的发现过程 1 1783 年意大利科学家斯巴兰让尼通过实验证明 胃液中一定含有消化肉块的化 学物质 能够进行化学性消化 斯巴兰让尼的实验目的 探索鸟类的胃里是否具有化学性消化作用 斯巴兰让尼的实验设计 将肉块放入小巧的金属笼 让鹰将金属笼吞下 既保证肉 块不受物理性消化的影响 同时胃液可流入笼内 具有化学性消化的可能 斯巴兰让尼的实验结果 隔一段时间后 将小笼子取出 发现笼内的肉块消失了 斯巴兰让尼通过对实验结果分析的分析 得出结论 胃内具有化学性消化作用 2 1836 年德国动物学家施旺通过实验 从胃液中提取出了消化蛋白质的物质 解 开了胃的消化之谜 3 1926 年美国科学家萨姆纳通过实验 从刀豆种子中提取出脲酶的结晶 并证实 其成分是蛋白质 由此指出酶是具有生物催化作用的蛋白质 用心 爱心 专心 4 20 世纪 80 年代以来美国科学家切赫和奥特曼通过实验发现 少数酶是 RNA 也 具有生物催化作用 由此指出酶是具有生物催化作用的有机物 5 疑难解析 尽管施旺从胃液中提取出了消化蛋白质的物质 但不能证明这种物质的化学性质是 蛋白质 目前科学家发现的酶已有 3000 多种 其中绝大部分是蛋白质 但不是所有是酶都 是蛋白质 少数酶的化学成分是 RNA 不是蛋白质都能称为酶 只有是活细胞中产生具有催化作用的蛋白质才称为酶 催 化作用仅为蛋白质多种功能之一 酶仅仅是蛋白质家族的一员 酶是活细胞产生的 但不一定只在活细胞内才能发挥作用 在生物体外一样能发挥 其催化作用 如加酶洗衣粉 2 酶的特性 作为一种催化剂 同无机化学催化剂一样 酶能够改变化学反应的速度 但不改变 化学反应本身 同时酶本身在反应前后也不发生变化 作为一种生物催化剂 酶又许多有别于无机化学催化剂的特点 1 高效性 与无机催化剂相比 酶的催化效率要高许多 具有高效性的特点 通常情况下 酶的催化效率是无机催化剂的 107 1013倍 例如 过氧化氢酶与都能催化过氧化氢分解为水和氧气 但过氧化氢酶与相比 3 Fe 3 Fe 过氧化氢酶的催化效率要高许多 每个碳酸酐酶分子每秒能够催化个与相同数量的结合 形成 5 106 2 COOH2 比无机催化剂的催化效率高一百万倍 32CO H 2 专一性 同无机催化剂相比 酶还具有专一性的特点 即一种酶只能作用于一种 底物 或一类分子结构相似的底物 例如 淀粉酶只能催化淀粉水解 对蔗糖不起催化作用 二肽酶可以水解任何两种氨基酸组成的二肽 3 酶需要适宜的条件 同无机催化剂相比 酶的催化必需要有适宜的条件作保证 通常酶在一定的范围内才具有活性 超过了这个范围 就不再有催化能力 即酶失 活 即使在活性范围内的酶 酶的催化能力也有高低之分 酶在改变某一环境条件下 活 性也改变 当酶活性最高时 该环境条件称为最适条件 在此条件两侧 酶活性都将降低 影响酶的活性的因素主要是温度和酸碱度 温度和酸碱度对酶的活性的影响 项目温度酸碱度 过高酶的分子结构被破坏 失去活性酶的分子结构被破坏 失去活性 过低酶的活性降低 但不失活酶的分子结构被破坏 失去活性 偏高酶的活性降低 但不失活酶的活性降低 但不失活 偏低酶的活性降低 但不失活酶的活性降低 但不失活 1 温度 在一定范围内 酶的催化能力随温度升高而增强 0 但超过C 40 绝大多数酶就会失去活性 低温使活性降低 但分子结构未破坏 可恢复活性 C 60 用心 爱心 专心 06最适PH10PH V m mol s 酶活性受PH影响图 1 2 酸碱度 酶对环境中的 pH 十分敏感 酶只有在一定的 pH 范围内才能表现出活 性 随 pH 不同 酶的活性波动很大 一般最适 pH 常在 pH4 8 之间 pH 偏高或偏低和 过酸 过碱 将导致酶的活性明显降低乃至失活 但不同的酶情况不一样 06最适PH10PH V m mol s 酶活性受PH影响图 1 酶最适 pH 过氧化氧酶 肝 唾液淀粉酶 脂肪酶 胰蛋白酶 胃蛋白酶 6 8 6 8 8 3 8 0 9 0 1 5 2 2 3 疑难解析 高温常破坏酶的分子结构而导致酶失活 低温也能使酶活性急剧下降 但酶的分子 结构未被破坏 因此温度过低只能影响酶的活性 不能使酶彻底失去活性 当温度恢复到 适宜湿度时 酶的活性还可以恢复 在这里请同学们注意 胃蛋白酶的最适 pH 值在 1 5 2 2 之间 4 酶的作用原理 在上图中 A 在反应前后未发生改变 B 反应后生成了 C 和 D 因此 A 代表酶 B 代 表反应物 CD 则代表 B 反应后的生成物 上图表示的是酶催化反应的原理 即 锁和钥匙学说 酶对于它所能催化的底物有 严格的选择 它只能催化一定结构或者一些结构近似的化合物 酶只能与对应的化合物契 合 从而排斥了那些形状 大小不适合的化合物 实际上 科学研究发现 当底物与酶结 用心 爱心 专心 合时 酚分子上的某些基团常常发生明显的变化 其结构可发生改变 在底物作用下 酶 受诱导而形成与底物互补的形状 构象改变以后 酶与底物契合 催化反应进行 反应结 束后 随着反应底物的分解 酶与底物分离 恢复其空间构象 5 酶工程简介 1 酶工程的概念 将酶所具有的生物催化功能 借助工程学的手段 应用于生产 生活 医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术 2 酶工程的内容 主要包括酶制剂的生产和酶制剂的应用 酶制剂的生产 主要包括以下四个步骤 A 酶的生产 B 酶的提取 C 酶的分离纯化 D 制成非固定化酶制剂或制成固定化酶制剂 酶制剂的应用 A 用于治疗疾病 项目作用药理 溶菌酶抗菌和消炎分解病原菌的细胞壁 尿激酶治疗血栓活化溶纤维蛋白酶原 B 用于加工和生产一些产品 a 用于食品加工 例如 果胶酶 可用于澄清果酒和果汁 b 用于药品生产 如青霉素酰化酶 作用 将青霉素的母核与侧链水解开 应用 成批地生产青霉素的母核 青霉素 青霉素酰化酶 侧链 母核 其它侧链 新青霉素 氨卞青霉素 青霉素 氨卞青霉素 C 用于化验诊断和水质检测 a 用于化验诊断 例如尿糖试纸和血糖快速测试仪 b 用于水质检测 多酚氧化酶传感器可以测定出水中质量分数仅为的酚 7 102 D 用于生物工程的其他分支领域 生产生物工程的工具酶 例如 a 用于基因工程 限制性内切酶和连接酶 b 用于细胞工程 纤维素酶 二 新陈代谢与 ATP ATP 是三磷酸腺苷的英文缩写 是普遍存在于生物体内的高能磷酸化合物 在水解时 释放的能量达 20 92KJ mol 以上的磷酸化合物称为高能磷酸化合物 而 ATP 水解时释放的 能量则高达 30 54KJ mol 1 ATP 的生理作用 ATP 是生物体进行新陈代谢所需能量的直接来源 用心 爱心 专心 对于生命而言 能量是其能够正常进行生命活动的根本 有了能量生物体就可以完成 各种活动 事实上 只有通过 ATP 的过渡 绿色植物才能将光能转变为化学能贮存到糖类 等有机物中 而生物体内有机物分解所释放的能量 也必须转移到 ATP 中才能被生物体的 各项生命活动所利用 在所有这些过程中 伴随着 ATP 与 ADP 的转变 生物体不断地进 行着能量的贮存 释放 转移和利用 ATP 就象是在各种细胞间流通着的 能量货币 保证了生物体生命活动的正常进行 2 ATP 的结构简式 A P P P 其中 A 代表腺苷 由腺嘌呤和核糖组成 P 代表磷酸基团 代表高能磷酸键 3 ATP 与 ADP 的相互转化 A P P P ATP ADP A P P Pi 磷酸 E 能量 酶 酶 Pi 磷酸 E 能量 能量 一种酶 PiADPATP ATPPiADP 另一种酶 能量 1 ATP 分子中远离 A 的那个高能磷酸键 在一定条件下很容易水解 此过程称为 能量的利用 既 ATP 水解时释放的能量 是生物体维持细胞分裂 根吸收矿质元素和肌肉 收缩 维持体温等生命活动所需能量的直接来源 2 ATP 分子中远离 A 的那个高能磷酸键 也容易生成 此过程称为能量的转移 所转移的能量来自呼吸作用或光合作用 3 ATP 在细胞内的含量是很少的 但是 ATP 与 ADP 在细胞内的相互转化十分迅速 细胞内的 ATP 的不断消耗 又不断生成 含量总是处在动态平衡之中 从而保证了细胞供 能的稳定 4 ATP 的形成途径 光合作用 呼吸作用 对人和动物来说 ADP 转化成 ATP 所需能量来自呼吸作用 对绿色植物而言 则来 自呼吸作用和光合作用 5 疑难解析 1 糖类是生物体的主要能源物质 脂肪是生物体内储存能量的主要物质 糖类和脂 肪这些能源物质中的能量最终都来源于太阳能 ATP 是生物体进行新陈代谢所需能量的直 接来源 2 ATP 与 ADP 的相互转化不能理解为可逆反应 因为 ATP 与 ADP 的相互转化时所需的酶不一样 催化 ATP 形成 ADP Pi 是水解酶 催化 ADP Pi 形成 ATP 是另一种酶 ATP 形成 ADP Pi 时放出的能量不能再次用于合成 ATP 只能用于生物体的各项 生命活动 ADP Pi 形成 ATP 时所需的能量来自呼吸作用或光合作用 3 细胞内形成 ATP 的场所包括 线粒体 叶绿体和细胞质的基质 4 ATP 中远离 A 的那个高能磷酸键含有的能量是 30 54kj 一摩尔葡萄糖完全氧化 分解能够释放 2870KJ 的能量 其中 1161KJ 的能量可以被生物体的各项生命活动所利用 用心 爱心 专心 共形成 38 个 ATP 30 54 38 1161 其余的能量 1709KJ 则以热能的形式散失 典型例题及分析点评典型例题及分析点评 例 1 胃液中的蛋白酶 进入小肠后 催化活性大大降低 由于 A 酶的催化作用只能发挥一次 B 小肠内的温度高于胃内温度 C 肠内的 pH 值比胃内 pH 值高 D 小肠内的 pH 值比胃内 pH 值低 分析 分析 胃液呈酸性 而肠液呈碱性 对胃蛋白酶而言 最适 pH 值为 在肠内1522 碱性环境中活性很低 甚至被其它蛋白酶水解 答案 答案 C 例 2 在不损伤植物细胞内部结构的情况下 去除其细胞壁最好的方法是 A B C 淀粉酶D 纤维素酶HClH SO 24 分析 分析 本题考察植物细胞壁成份纤维素和果胶 同时须掌握酶的专一性 即用纤维素 酶处理 既可破坏细胞壁也不会对其它细胞成分造成破坏 答案 答案 D 例 3 关于酶的性质 下列表述中错误的一项是 A 化学反应前后 酶的化学性质和数量不变 B 一但离开活细胞 酶就失去催化能力 C 酶是活细胞产生的具有催化能力的一类特殊有机物 其中绝大多数是蛋白质 少数 是 RNA D 酶的催化效率很高 但易受温度和酸碱条件影响 分析 分析 酶在体外条件下 只要环境适宜活性可保持并得到最大发挥 这是酶工程的基 础 实际我们的消化道环境就是外环境 答案 答案 B 例 4 根据反应式 以下说法正确的是 ATP 酶 另一种酶 ADP Pi 能量 A 物质和能量都是可逆的 B 物质是可逆的 能量是不可逆的 C 物质是不可逆的 能量是可逆的 D 两者均不可能 分析 分析 ATP 远端的高能磷酸键的能量被释放后 就用于各项生命活动而消耗 要重新 获取能量只能来自新陈代谢中新产生的能量 能量的流动是单向的 但物质组成则可以重 新利用 它们在细胞内的含量相对稳定是可逆的 答案 答案 B 例 5 下列关于人体细胞内 ATP 的叙述 正确的是 A 人体细胞内贮有大量 ATP 以备生理活动需要 B ATP 水解成 ADP 的反应是可逆的 C ATP 只能在线粒体中生成 D ATP 中含有两个高能磷酸键 分析 分析 细胞内 ATP 含量相对恒定 大量的能量需求是通过 ATP 的动态平衡实现的 在转变过程催化 合成与分解的酶是不同的酶 并非简单可逆反应 而是严格根据细胞的 能量状态来决定反应进程 这种反应可以在线粒体 也可在细胞质 还可在叶绿体 用心 爱心 专心 答案 答案 D 例 6 下图中能表示动物肌细胞内 ATP 含量与供给之间关系的曲线是 O2 a d c b A T P 的 含 量 A aB bC cD d 分析 分析 首先 ATP 在无氧条件下可以通过无氧呼吸实现 而将有机物不完全氧化的产物 可被进一步转化利用 当有氧气时 ATP 与氧的供应成正比例关系 但是细胞利用 ATP 的 量是有限的 细胞的 ATP ADP 总量相对恒定 当细胞的能量状态高时 ATP 的相对含量 稳定 氧气不再是影响因子 答案 答案 D 模拟试题模拟试题 一 选择题 1 真核生物细胞中 产生大量 ATP 的细胞器是 A 叶绿体B 高尔基体C 线粒体D 核糖体 2 合成 ATP 和核苷酸所必需的无机盐离子是 A B C D Na 2 Ca 2 Mg 3 4 PO 3 酶的合成过程中 决定酶的性质的是 A 核苷酸B 核酸C 核糖体D 高尔基体 4 有氧呼吸过程中 吸入的氧用于 A 参与酶的形成B 与氢结合成水产生 ATP C 与碳结合生成二氧化碳D 氧化有机物 5 有关酶的叙述中 错误的是 A 都是以信使 RNA 为模板 在核糖体上合成 B 消化酶只能分泌到细胞外才能起作用 C 酶的催化效率都很高 D 每种酶只能催化一种或一类化学反应 6 下列生理过程中不需要消耗 ATP 的是 A DNA 的复制和 RNA 形成B 外呼吸和胃液分泌 C 食物的消化和吸收D 交换吸附和内呼吸 7 葡萄糖彻底氧化分解释放的能量大部分 A 转移到 ATP 中B 以热能形式散失 C 用于物质合成D 用于吸收营养物质 8 有氧呼吸过程中 生成大量 ATP 的时间是 A 由葡萄糖分解成丙酮酸时 B 丙酮酸与水彻底分解生成二氧化碳和氢 C 丙酮酸分解成二氧化碳和酒精时 D 葡萄糖分解的氢和氧结合生成水 9 水稻种子催芽时 谷堆太大 水又多加了 结果烂种烂芽 主要原因是 用心 爱心 专心 A 腐败菌繁殖 破坏了种子与幼芽B 体积太大 中心温度过高 C 无氧呼吸产生乳酸的毒害D 无氧呼吸产生酒精的毒害 10 细胞氧化有机物中产生的水中的 H 来自于 A 脱氧核糖B 水C ATPD 葡萄糖 11 高等动物体内 糖类和蛋白质共有的代谢终产物 A 二氧化碳B 二氧化碳和水C 葡萄糖D 尿素 12 下列关于蛋白质代谢叙述不正确的是 A 有些组织蛋白的合成速度非常快 B 人体可以合成所有的氨基酸 C 吸收来的氨基酸可以合成消化酶 D 当糖 脂肪摄入量不足时蛋白质分解会增加 13 关于三大营养物质代谢关系叙述错误的是 A 糖类 脂类和蛋白质之间是可以转化的 B 当食量过多时 体内的葡萄糖 蛋白质也可以转变成脂肪 引起肥胖 C 糖类 脂类和蛋白质之间的转化是有条件的 D 糖代谢正常时 脂肪和蛋白质也可以氧化分解供能 14 比较过氧化氢酶和三价铁离子的催化效率实验中 滴入过氧化氢酶的试管内 气泡 产生的情况和卫生香燃烧的情况分别是 A 产生的气泡多 燃烧得不猛烈B 产生的气泡多 燃烧得猛烈 C 产生的气泡少 燃烧得不猛烈D 产生的气泡少 燃烧得不猛烈 15 作比较过氧化氢酶和三价铁离子的催化效率的实验时 选用的动物细胞肝脏必须新 鲜 原因是 A 肝脏细胞未死亡 便于观察 B 新鲜肝脏细胞中的过氧化氢酶比不新鲜肝脏中的催化效率高 C 新鲜肝脏含有得过氧化氢酶多 D 不新鲜肝脏有异味 不适宜做实验 16 二肽酶能够催化下列那种反应 A 多肽的合成B 多肽的水解 C 二肽的合成D 二肽的水解 17 碳循环与生物相联系的两个生理作用是 A 光合作用和呼吸作用B 光合作用和蒸腾作用 C 蒸腾作用和呼吸作用D 呼吸作用和化能合成作用 18 甲细胞内所含有的线粒体较乙细胞内的多 这一现象可说明 A 甲细胞内的基因数目较多B 乙细胞产生的二氧化碳较甲细胞多 C 甲细胞内 ATP 的产量较多D 甲细胞内合成的蛋白质较乙细胞多 19 下列各项不能使酶彻底失去活性的是 A 温度过高B 温度过低C 酸碱度过高D 酸碱度过低 20 发现酶是蛋白质的是 A 意大利科学家斯巴兰让尼通过实验发现的 B 德国动物学家施旺通过实验发现的 C 美国科学家萨姆纳通过实验发现的 D 美国科学家切赫和奥特曼通过实验发现的 21 发现酶是 RNA 的是 A 意大利科学家斯巴兰让尼通过实验发现的 用心 爱心 专心 B 德国动物学家施旺通过实验发现的 C 美国科学家萨姆纳通过实验发现的 D 美国科学家切赫和奥特曼通过实验发现的 22 解开胃的消化之谜的是 A 意大利科学家斯巴兰让尼通过实验发现的 B 德国动物学家施旺通过实验发现的 C 美国科学家萨姆纳通过实验发现的 D 美国科学家切赫和奥特曼通过实验发现的 二 非选择题 1 生物体进行生命活动的主要能源 直接能源和主要的储能物质依次是 2 如果 ATP 脱去两个磷酸 称为 它是组成 的基本组成单 位之一 3 关于酶的特性实验装置如下图 取标号为 A B C 三支试管各加入稀释淀粉2mol 糊 ABC 淀粉糊 碘液 1 在三支试管内各滴与滴草兰氏碘液 摇匀 可见试管内溶液呈 色 2 再在 A 管内加入胰液 B 管内加入煮沸唾液 C 管内加入唾液 2ml2ml2ml 然后将这三支试管放入 37 40 水浴锅中 15 20 分钟后 三支试管内溶