2022届高考生物一轮复习新人教版必修1第3单元细胞的能量供应和利用第1讲酶的本质特性及相关实验探究学案

第1讲酶的本质、特性及相关实验探究考情研读·备考定位考点展示核心素养1．说明酶在代谢中的作用。2．探究影响酶活性的因素。1．生命观念——通过分析酶的作用、本质及特性，形成结构与功能观。2．科学思维——通过构建酶作用、特性的模型，学会利用模型解释和解决实际问题的能力。3．科学探究——通过与酶有关的实验设计与分析，培养对实验现象和结果进行解释、分析和处理的能力，及对实验方案的评价能力。4．社会责任——通过分析酶在生产、生活中的应用实例，关注科学、技术和社会发展。考点一酶的本质、作用和特性自主回顾·素养储备基础梳理1．酶本质的探索历程2．酶的本质和作用内容解释产生部位__活细胞__内产生除哺乳动物成熟红细胞外，其他细胞都能产生酶作用场所可在细胞内、细胞外、生物体外发挥作用可在生物体外发挥作用，但不能来自体外，只能由细胞合成酶的本质大多数酶是__蛋白质__，少数是__RNA__合成原料是__氨基酸或核糖核苷酸__酶的功能生物催化剂酶只起__催化__功能，且反应前后酶的数量和化学性质不变作用机理降低化学反应的__活化能__酶不能提供能量酶的特性①高效性②专一性③__作用条件较温和__①相对于无机催化剂而言，酶的催化效率非常高②一种酶只能催化一种或一类化学反应③高温、强酸、强碱都会使酶发生变性失活3．比较过氧化氢在不同条件下的分解(1)实验流程(2)变量分析4．酶的特性(1)__高效性__︰催化效率大约是无机催化剂的107～1013倍。(2)__专一性__︰每一种酶只能催化某__一种或一类__化学反应。(3)作用条件较温和：在__最适宜的温度和pH__条件下，酶的活性最高。__高温、过酸、过碱__会使酶的空间结构遭到破坏而失活；__低温__条件下酶的活性很低，但空间结构稳定。思维辨析易错整合，判断正误。(1)酶是活细胞产生的并具有催化作用的蛋白质(×)(2)酶的基本组成单位是氨基酸和脱氧核糖核苷酸(×)(3)酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸(×)(4)酶提供了反应过程所必需的活化能(×)(5)随着温度降低，酶促反应的活化能下降(×)(6)酶是由活细胞产生的，因此酶只能在细胞内发挥作用(×)(7)酶活性的发挥离不开其特定的结构(√)延伸探究1．设计简单的实验验证从大豆种子中提取的脲酶是蛋白质，请说明实验思路。[提示]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。2．酶制剂适于在低温(0～4℃)下保存的原因是？[提示]在0℃左右时，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，因此酶制剂适于在低温(0～4℃)下保存。3．溶菌酶为什么具有抗菌消炎作用？细菌性溶菌酶能否用于真菌感染？[提示]溶菌酶能够溶解细菌的细胞壁，起到抗菌消炎的作用。由于真菌和细菌细胞壁的成分不同和酶具有专一性等原因，细菌性溶菌酶不能用于真菌感染。4．甲、乙两种酶用同一种蛋白酶处理，酶活性与处理时间的关系如图所示，请思考回答下列问题。(1)甲、乙两种酶的化学本质是否相同？说出理由。(2)乙酶活性改变的机理是什么？其活性能否恢复？[提示](1)不相同。观察曲线图可知，甲酶的活性始终保持不变，表明甲酶能抵抗该种蛋白酶的降解，则甲酶的化学本质不是蛋白质而是RNA，乙酶能被蛋白酶破坏，活性降低，则乙酶为蛋白质。(2)乙酶被降解的过程中其分子结构会发生改变，从而使其活性丧失，这种活性的改变不可逆转，故无法恢复。5．温度和pH对酶促反应速率的影响与底物浓度和酶浓度对酶促反应速率影响的本质有什么不同？[提示]温度和pH影响酶促反应速率的原因是影响了酶的活性；底物浓度和酶浓度影响酶促反应速率的原因是影响了酶分子和底物分子的结合，酶的活性并没有改变。剖析难点·考点突破重难精讲1．典型酶的种类和作用酶的名称酶的作用淀粉酶催化淀粉水解为麦芽糖麦芽糖酶催化麦芽糖水解为葡萄糖蛋白酶催化蛋白质水解为多肽脂肪酶催化脂肪水解为脂肪酸和甘油DNA酶催化DNA水解为脱氧核苷酸DNA聚合酶催化DNA复制产生子代DNARNA聚合酶催化DNA转录产生RNA纤维素酶分解纤维素果胶酶分解果胶逆转录酶催化RNA形成DNA单链DNA连接酶将两个DNA片段的黏性末端或平末端连接起来限制酶识别DNA中特定的核苷酸序列并使磷酸二酯键断裂酪氨酸酶催化酪氨酸合成黑色素解旋酶催化DNA复制过程中DNA碱基间氢键的断裂2．酶的作用机理酶和其他催化剂均能降低化学反应的活化能，分析如下：(1)图中ac和bc段分别表示无催化剂和酶催化时反应进行所需要的活化能。(2)若将酶变为无机催化剂，则b在纵轴上向上移动。用加热的方法不能降低活化能，但会提供活化能。3．结合图示理解酶的特性(1)高效性①曲线分析︰酶对应曲线A，无机催化剂对应曲线B，未加催化剂对应曲线C。(填字母)②结论︰与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。(2)专一性①图形分析a．图中所示的化学反应︰Beq\o(→,\s\up7(A))E＋F。b．图中C、D表示不能被该酶催化的物质。②结论︰每一种酶只能催化一种或一类化学反应。(3)作用条件温和①曲线分析︰如图为温度、pH对酶活性的影响。Ⅰ.甲、乙两图横坐标分别表示温度、pH，b点表示最适温度，e点表示最适pH。Ⅱ.甲图中，温度由a变为b时，酶活性升高；由c变为b时，酶活性不变，原因是高温时酶的空间结构被破坏，且不可恢复。Ⅲ.乙图中，pH由d变为e或由f变为e时，酶活性均不变，原因是过酸、过碱都会导致酶空间结构被破坏，且不可恢复。②结论︰在适宜的温度、pH条件下，酶的活性最高。精准命题突破点酶的作用和本质〔典例剖析〕例1(2021·广州五校联考)核酶(ribozyme)是具有催化功能的RNA分子，在特异性地结合并切断特定的mRNA后，核酶可从杂交链上解脱下来，重新结合和切割其他的mRNA分子，下列关于核酶的叙述，正确的是(D)A．向核酶中滴加双缩脲试剂，水浴加热可发生紫色反应B．与不加核酶组相比，加核酶组mRNA降解较快，由此可反映核酶的高效性C．核酸具有热稳定性，故核酶的活性不受温度的影响D．核酶与催化底物特异性结合时，有氢键形成，也有磷酸二酯键的断裂[解析]根据题意可知，核酶是具有催化功能的RNA分子，因此不会和双缩脲试剂发生紫色反应；与不加核酶组相比，加核酶组mRNA降解较快，由此可反映核酶的催化性；核酸具有热稳定性，但是在高温条件下其结构也会发生改变，因此核酶的活性也会受温度的影响；核酶与催化底物特异性结合时，核酶和mRNA之间有氢键形成，而切割mRNA分子也会有磷酸二酯键的断裂。〔对应训练〕1．(2021·福建龙岩质检)下列有关酶的作用及本质的说法，不正确的是(A)A．胃蛋白酶离开胃腺上皮细胞就不能起作用B．从刀豆种子中提取的脲酶能被蛋白酶降解C．酿酒中的发酵是由于酵母细胞中的多种酶引起D．酶催化效率高的原因是降低活化能的作用更显著[解析]胃蛋白酶由胃腺上皮细胞分泌，在胃中对蛋白质进行分解，在细胞外可以起作用，A项错误；脲酶本质上是一种蛋白质，可以被蛋白酶降解，B项正确；酵母细胞的无氧呼吸称为发酵，发酵产物有酒精的产生，无氧呼吸过程有多种酶的参与，C项正确；酶具有催化作用，与无机催化剂相比，降低化学反应的活化能更显著故催化效率更高，D项正确。突破点酶的特性〔典例剖析〕例2(2020·陕西高三月考)下列有关叙述不正确的是(C)A．在pH4～8条件下，木瓜蛋白酶的活力基本不受pH的影响B．大多数酶都能与双缩脲试剂发生紫色反应C．同一生物体各种酶催化反应的条件一定相同D．pH过低或过高都会导致蛋白酶变性失活[解析]据图可知，在pH4～8范围内，木瓜蛋白酶的相对活力基本不变，说明其活力基本不受pH的影响，A正确；大多数酶的化学本质是蛋白质，能与双缩脲试剂发生紫色反应，B正确；同一生物体各种酶催化反应的条件不一定相同，如胃蛋白酶和胰蛋白酶，C错误；pH过低或过高都会破坏蛋白质的空间结构，导致蛋白酶变性失活，D正确。故选C。〔对应训练〕2．(2021·云南师大附中高三月考)实验小组在所给材料中，选择适当的材料完成与酶相关的实验。请回答下列问题：备选材料：人唾液淀粉酶溶液、FeCl3溶液、蔗糖溶液、肝脏研磨液、H2O2溶液、冰块、斐林试剂、碘液、可溶性淀粉溶液。(1)用唾液淀粉酶溶液、蔗糖溶液和可溶性淀粉溶液作为实验材料验证酶的专一性时，该实验应选择__斐林试剂__(试剂)检验实验结果。酶的专一性是指__每一种酶只能催化一种或一类化学反应__。(2)反应条件未知的情况下，肝脏研磨液催化H2O2溶液分解的速率__不一定__(填“一定”或“不一定”)大于FeCl3溶液催化H2O2溶液分解的速率。若实验中发现FeCl3溶液组有一定量的气泡生成，而肝脏研磨液组几乎没有气泡生成，最可能的原因是__肝脏研磨液不新鲜，酶已经失去作用__。(3)探究温度对酶活性的影响时，不选择H2O2溶液作为反应物的原因是__温度会影响H2O2的分解__。某同学用可溶性淀粉溶液和唾液淀粉酶溶液作为实验材料来完成该实验，请完善表格Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处的内容。分组步骤甲组乙组丙组①②③④⑤⑥a.向试管中加入唾液淀粉酶溶液1mL—1mL—1mL—b.Ⅰ.__向试管中加入可溶性淀粉溶液__—1mL—1mL—1mLc.在相应温度下保温(5min)0℃Ⅱ.__37_℃__100℃d.Ⅲ.__将每组两支试管中的溶液充分混匀，并置于每组步骤c中的温度下保温5_min__e.向每组反应液中加入碘液2滴2滴2滴f.观察记录实验现象甲组实验现象为___变蓝__，出现该现象的原因是__低温抑制酶的活性，从而导致淀粉未分解或分解较少，淀粉遇碘变蓝__。[解析](1)酶的专一性指的是每一种酶只能催化一种或一类化学反应。在用唾液淀粉酶溶液、蔗糖溶液和可溶性淀粉溶液作为实验材料验证酶的专一性时，由于淀粉、蔗糖属于非还原糖，两者水解的产物都是还原糖，而蔗糖是否水解都不能用碘液进行检测，因此应该选择斐林试剂检验实验结果。(2)肝脏研磨液含有过氧化氢酶，该酶的活性受温度、pH影响，因此在反应条件未知的情况下，肝脏研磨液催化H2O2溶液分解的速率不一定大于FeCl3溶液催化H2O2溶液分解的速率。与无机催化剂相比，酶具有高效性，若FeCl3溶液组有一定量的气泡生成，而肝脏研磨液组几乎没有气泡生成，最可能的原因是肝脏研磨液不新鲜，酶已经失去作用。(3)由于温度会影响H2O2的分解，所以在探究温度对酶活性的影响时，一般不选择H2O2溶液作为反应物。根据实验目的、实验设计的基本原则和步骤分析，I处应该向试管中加入可溶性淀粉溶液作为反应底物；II处应该控制一个最适宜温度，即37℃；III处应该将每组两支试管中的溶液充分混匀，并置于每组步骤c中的温度下保温5min。甲组实验的温度较低，抑制了酶的活性，导致淀粉未分解或分解较少，因此甲组淀粉遇碘变蓝。考点二影响酶活性的因素与相关实验探究自主回顾·素养储备基础梳理1．实验原理(1)探究温度对酶活性的影响①反应原理蓝色eq\o(→,\s\up7(碘液))eq\x(淀粉)eq\o(→,\s\up7(淀粉酶))__麦芽糖__eq\o(→,\s\up7(碘液))无蓝色出现②鉴定原理︰温度影响酶的活性，从而影响__淀粉的水解__，滴加碘液，根据是否出现蓝色及蓝色的深浅来判断酶的活性。(2)探究pH对酶活性的影响①反应原理︰2H2O2eq\o(→,\s\up7(过氧化氢酶))2H2O＋O2。②鉴定原理︰pH影响酶的活性，从而影响氧气的生成速率，可用__带火星的卫生香燃烧__的情况来检验O2的生成速率。2．实验步骤和结果(1)探究温度对酶活性的影响试管编号试管1试管1′试管2试管2′试管3试管3′实验步骤一1mL淀粉酶溶液2mL淀粉溶液1mL淀粉酶溶液2mL淀粉溶液1mL淀粉酶溶液2mL淀粉溶液二放入0℃冰水中约5min放入60℃热水中约5min放入100℃热水中约5min三将1与1′试管内的液体混合后继续在0℃冰水内放置10min将2与2′试管内的液体混合后继续在60℃热水内放置10min将3与3′试管内的液体混合后继续在100℃热水内放置10min四取出试管各加入两滴碘液，振荡实验现象__蓝色____无明显现象____蓝色__实验结论淀粉酶在60℃时催化淀粉水解，在100℃和0℃时都不能发挥催化作用。酶的催化作用需要适宜的温度，温度过高或过低都会影响酶的活性(2)探究pH对酶活性的影响试管编号试管1试管2试管3实验步骤一2滴过氧化氢酶溶液实验步骤二1mL蒸馏水1mL物质的量浓度为0.01mol/L的盐酸溶液1mL物质的量浓度为0.01mol/L的NaOH溶液三2mL体积分数为3%的过氧化氢溶液实验现象__有大量____气泡产生____无气泡产生____无气泡产生__实验结论pH会影响酶的活性，酶的活性有适宜的pH范围思维辨析易错整合，判断正误。(1)随着温度降低，酶促反应的活化能下降(×)(2)不同酶的最适温度可能相同(√)(3)酶活性最高时的温度不适合酶的保存(√)(4)低温能降低酶活性的原因是其破坏了酶的空间结构(×)(5)过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，甚至使酶永久失活(√)(6)一般情况下人体内酶的活性与环境温度呈正相关(×)(7)若探究温度对淀粉酶活性的影响，可选择过氧化氢溶液作为底物(×)(8)温度过高、低温都能使酶活性降低，二者的作用原理不同(√)延伸探究下图为温度和pH对某种酶影响的曲线。(1)从图甲和乙可看出的结论有哪些？(2)读图乙可知图甲中M点的温度可能介于33～37℃之间，请在图甲中绘出pH＝8的变化曲线。[提示](1)在最适宜的pH/温度条件下，酶的活性最高；pH/温度偏高或偏低，酶活性都会明显降低；同一种酶，在不同pH/温度条件下，最适温度/pH相同(反应pH/温度变化不影响酶作用的最适温度/pH)。(2)剖析难点·考点突破重难精讲1．影响酶促反应的因素(1)温度和pH①在一定温度(pH)范围内，随温度(pH)的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围，酶的催化作用逐渐减弱。②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，酶分子结构未被破坏，温度升高可恢复活性。③从丙图可以看出：反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。(2)底物浓度和酶浓度对酶促反应速率的影响①甲图：在其他条件适宜、酶量一定的情况下，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，但当底物达到一定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。②乙图：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成正比。2．梯度法探究酶的最适温度或pH[设计方案]组别编号12…n实验材料等量的同种底物温度(pH)T1(a1)T2(a2)…Tn(an)衡量指标相同时间内，各组酶促反应中生成物量的多少，或底物剩余量的多少实验结论生成物量最多的一组，或底物剩余量最少的一组所处温度(或pH)为最适温度(或pH)(1)探究酶的最适温度[操作示例](2)探究酶的最适pH[操作示例]eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(H2O2溶液＋pH1酶液,H2O2溶液＋pH2酶液,H2O2溶液＋pHn酶液))eq\o(→,\s\up7(检测))O2的产生速率3．酶活性实验探究中的“三宜”“五不宜”精准命题突破点影响酶促反应的因素及相关曲线〔典例剖析〕例3(2021·永定区校级模拟)如图曲线反映了温度或pH对A、B、C三种酶活性的影响。下列相关叙述正确的是(C)A．酶B和酶C的最适温度相似，但最适pH一定不同B．图甲中a点和c点，酶A的活性相同，空间结构也相同C．图乙中d点，酶B和酶C的空间结构都有一定程度的破坏D．酶A、酶B和酶C都可能存在于人体的内环境中[解析]从图中只能得出酶A的最适温度，不能得出酶B和酶C的最适温度，故不能比较酶B与酶C最适温度的大小，A错误；低温时酶的活性降低，但空间结构不变，高温时酶的空间结构被破坏，图甲中a点和c点酶的空间结构不相同，B错误；强酸和强碱时酶的空间结构都会发生改变，对于酶B来说，d点对应的pH相当于过碱环境，对于酶C来说，d点对应的pH相当于过酸环境，故图乙中d点，酶B和酶C的空间结构都有一定程度的破坏，C正确；人体内环境的pH范围为7.35～7.45，而酶B和酶C的最适pH偏离这个范围较大，故不会存在人体内环境中，D错误。┃┃技巧点拨►“三看法”分析酶促反应曲线〔对应训练〕3．(2020·临川二模)如图表示不同pH对某种酶活性的影响。下列分析正确的是(D)A．据图分析，储存该酶的最适pH为4B．据图分析，t时刻各组酶促反应速率达到最大值C．a条件下，增加底物浓度，反应速率增大但酶活性变大D．b条件下，提高反应体系温度，反应速率不变[解析]据图分析，pH为4条件下，酶活性最低，因此储存该酶的最适pH不为4，应该为该酶的最适pH；据图分析，t时刻，各组产物浓度均达到最大，此时底物已经被消耗完，反应速率为0；a条件下，限制酶促反应速率的因素可能有底物浓度、酶浓度、温度、pH等，此时增加底物浓度，反应速率增大，但酶活性不变；b条件下，底物已经被分解完，此时提高反应体系温度，反应速率依旧为0。4．(2020·广东深圳模拟)由青霉菌中提取的淀粉酶在不同温度条件下分别催化淀粉反应1h和2h，其产物麦芽糖的相对含量如图所示。相关分析正确的是(D)A．第1h内，酶的最适温度在45～50℃B．从第1h到第2h,45℃条件下淀粉酶活性提高C．从第1h到第2h,50℃条件下酶的催化作用明显D．若只反应1h,45℃左右时麦芽糖产量相对较高[解析]由图分析可知，第1h内，酶的最适温度在40～50℃；从第1h到第2h,40℃条件下产物相对含量增加最多，淀粉酶活性提高；从第1h到第2h,50℃条件下产物相对含量没有增加，酶的催化作用不明显。突破点探究酶最适温度或pH的相关实验〔典例剖析〕例4(2020·齐齐哈尔三模)如图是某种淀粉酶催化淀粉水解的反应速率与温度的关系曲线，回答下列问题：(1)图中b、c两点中通过改变温度条件可明显提高反应速率的是__c__原因是__低温抑制酶活性，低温对酶活性的影响是可逆的，而高温使酶失活，高温对酶活性的影响是不可逆的__。(2)某同学为验证温度对该酶活性的影响，设计了如下实验：操作步骤操作方法试管A试管B试管C1淀粉溶液2mL2mL2mL2温度处理(℃)3710003淀粉酶溶液1mL1mL1mL4碘液2滴2滴2滴5现象X变蓝变蓝①该实验的自变量是__温度__。若反应时间相对充分，请写出表格中X表示的内容：__不变蓝__。操作步骤4__不可以__(填“可以”或“不可以”)用斐林试剂代替碘液，原因是__用斐林试剂检测生成物时，需水浴加热到50～65_℃，改变了实验的自变量，对实验结果有干扰__。②能不能利用过氧化氢酶催化H2O2分解来验证温度对酶活性的影响原因？__不能__。原因是__温度对H2O2分解的速度有影响，会对实验结果造成干扰__。③若需判断某生物大分子物质在不同温度条件下，相同酶催化是否水解，从实验的科学角度分析，最好检测：__生成物__。[解析](1)分析曲线，c点属于低温，b点是高温，所以通过改变温度条件可明显提高反应速率的为c点，原因是低温虽然抑制酶活性，但低温对酶活性的影响是可逆的，而高温使酶失活，对酶活性的影响是不可逆的。(2)①分析表格可看出，温度是自变量，变色情况是因变量；X是37℃时的变色情况，在此温度淀粉酶活性强，将淀粉水解，加碘液不变蓝；不能用斐林试剂代替碘液，因为用斐林试剂检测生成物时，需水浴加热到50～65℃，对实验有影响。②也不能用过氧化氢酶催化H2O2分解来验证温度对酶活性的影响，原因是温度对H2O2分解的速度有影响，同样会对实验结果造成干扰。③判断某生物大分子物质在不同温度条件下，相同酶催化是否水解，最好检测生成物情况，若检验反应物有可能反应物在较长时间都存在，不易判断。〔对应训练〕5．(2020·福建厦门5月二模)脂肪酶可催化脂肪水解为甘油和脂肪酸。某兴趣小组以橄榄油为底物设置系列实验，研究脂肪酶的活性。实验1：每组试管中加入等量的脂肪酶和底物，分别置于30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃水浴环境中20min后，测定酶的活性。实验2：探究不同pH条件下，Mg2＋(Mg2＋浓度为1×10－4mol/L)对脂肪酶活性的影响，测得结果如表所示。pH酶活性(U·mL－1)组别7.07.58.0对照组20.5420.6220.67实验组24.8925.7826.67下列关于实验的分析，错误的是(C)A．可用单位时间内脂肪酸的生成量来表示脂肪酶的活性B．实验1中应让酶与底物分别达到各组设定温度再混合C．实验2的结果说明：Mg2＋浓度越大，脂肪酶活性越高D．若要探究该脂肪酶的最适pH，应扩大实验的pH范围[解析]酶对化学反应的催化效率称为酶活性，其可用单位时间内产物的生成量或反应物的消耗量来表示，A正确；实验1中的自变量为温度，其目的是探究不同温度条件对脂肪酶活性的影响，实验中应将酶与底物在各自预设温度下保温一段时间后再混合，否则由于酶具有高效性，各组未达到预设温度就快速发生反应，导致实验结果不准确，B正确；结合实验2的目的及实验结果可知，C错误。课末总结知识导图·思维缕析学科素养·核心释疑下图为不同条件下，某酶促反应生成物随时间的变化曲线，请分析：(1)若表示的是不同催化剂条件下的反应，③是不加催化剂，②是加无机催化剂，①是加酶，这体现了酶的高效性，酶具有该特性的原理是同无机催化剂相比，酶能显著降低化学反应的活化能。(2)若表示不同温度条件下的反应，能否确定三种温度的高低，为什么？不能，因为在最适温度下，酶的活性最高，但是温度偏高或偏低，酶的活性都会明显降低。(3)生物体内酶的化学本质绝大多数是蛋白质，少数是RNA。其特性有高效性、专一性、酶的作用条件较温和(答出两点即可)。(4)