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
知识点一、细胞代谢
1、概念：课本78页。我们生活的世界，万物竞茂，生生不息。而任何一个生命都要进行物质和能量的吸收与转化，这就是新陈代谢，简称代谢。“代谢”一词源自希腊语，原义为“变化”。
2、细胞代谢是细胞生命活动的基础。细胞作为一个基本的生命系统，只有不断输入能量，才能维持生命活动的有序性。
3、细胞代谢与酶、ATP的关系 （1）与酶的关系
生物体内进行着数目惊人的化学反应，即使像大肠杆菌这样简单的生命进行的化学反应也应超过千个。这些化学反应之所以能够高度组织、有序进行，不时有中间产物从岔道离开一个通路，进入另一个通路，这些都要归功于酶的催化（而激素对代谢起重要的调节作用）。酶降低化学反应活化能，保证新陈代谢的化学反应能够在生物体内温和的条件下进行。如果酶的活性减弱甚至丧失，则生物体内的化学反应便会紊乱，细胞代谢也就不能正常进行了。
（2）与ATP的关系
太阳能是几乎所有生命系统中能量的最终来源，能量的获得和利用都必须通过化学反应。而ATP是细胞内能量流通的“通货”。ATP简化了细胞中复杂的能量循环。这样，各种能源物质通过不同机制所释放的能量均可由ADP合成ATP。同样，各种耗能过程均可利用ATP为能量来源。 知识点二、酶
1、 概念：课本83页 关键词：（1）活细胞产生：活细胞都产生酶，但不是所有的活细胞都能产生激素，对于动物和人体来说，合成激素的是内分泌腺的分泌细胞。
（2）催化化学反应：而且是催化化学反应迅速进行，但酶本身在化学反应中并不被消耗。酶也不改变化学反应平衡点，而是缩短到达平衡的时间。
（3）酶是有机物：绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。
思考：细胞环境是不是酶正常发挥催化作用的必要条件：不是。酶在体外条件下也可以催化化学反应。 2、酶的化学本质
（1）绝大多数酶是蛋白质，其应在核糖体上合成，基本组成单位—单体是氨基酸。 提示：不能说所有的蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才称为酶。
★思考题：如果想验证蛋白酶对蛋白质的分解作用，某同学取甲乙两支试管，分别加入等量的蛋白液，然后甲试管加入蛋白酶溶液，乙试管加入等量的清水。将甲乙两试管均在35℃水浴中保温一段时间后，在甲乙两试管中均加入等量、适量的双缩脲试剂，此检测方法是否可行：不可行，因为蛋白酶也是蛋白质（即使蛋白酶将蛋白液中的蛋白质分解，也会出现蛋白酶与双缩脲试剂发生颜色反应的情况）。针对这种情况，实验应如何改进？应把甲乙两试管中加入的蛋白液改成蛋白块，不加任何试剂，观察蛋白块的体积变化就可以了。
（2）少数酶是RNA，在细胞核中合成，基本组成单位(单体)是核糖核苷酸。 （3）关于酶本质的探索过程：课本81—82页。 （4）证明酶的化学本质是蛋白质的证据
①酶水解（经酸或碱）的最终产物是氨基酸，蛋白酶（水解蛋白质的酶，本质也是蛋白质，在人体内，蛋白酶存在于消化道和细胞内）可使酶水解失活。
②导致蛋白质变性的因素也可以使酶变性失活，酶是有空间结构的生物大分子。 ③酶可与蛋白质一样具有颜色反应。
④酶与蛋白质结构相似，做元素分析，酶与蛋白质的元素含量相似，可以用氨基酸人工合成酶。 如以下实验
A、证明某种酶是蛋白质：实验组：待测酶液+双缩脲试剂→是否出现紫色反应。 对照组：已知蛋白质+双缩脲试剂→出现紫色反应。 B、证明某种酶是RNA
1
实验组：待测酶液+吡罗红染液→是否出现红色反应。 对照组：已知RNA溶液+吡罗红染液→出现红色反应。
C、也可以用蛋白酶或核糖核酸酶处理酶液，根据酶液是否被水解判断是蛋白质还是RNA。 3、酶在细胞代谢中的作用 （1）活化能的概念：
（2）酶的催化作用的实质：
※补充说明：酶通常是复杂的球蛋白，与底物相比较，酶分子很大，分子中有一特殊区域，称为活性位点，活性部位通常只比底物稍大一些。酶作用的物质—底物，插入到活性位点所形成的裂或沟中，并通过与活性位点内的电荷互补相连，造成了底物伸展或扭曲，从而更易发生化学变化。实际上底物和酶的结合降低了底物变化的抗性，促进底物形成产物的反应。过去认为活性位点是蛋白质分子中几个相邻氨基酸组成的一个刚性区域，底物与活性位点像一把钥匙插在锁中。最近研究发现，活性位点的三维结构是可变的，底物与酶结合时形成它最后的构象，就像手插进手套中决定了手套的最后形态。活性位点并不一定由一级结构的相邻区域组成，因为蛋白质最后折叠可能导致原先距离很远的区域变得很近以形成最后的酶—底物复合物（ES）。
4、酶的特性
（1）高效性：催化效率是无机催化剂的107—1013倍。 （2）专一性：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。如核糖核酸酶水解RNA；脱氧核糖核酸酶水解DNA；磷酸酶水解核苷酸；纤维素酶水解纤维素。
★思考题：若要用淀粉酶探究对淀粉和蔗糖的作用，能否用碘液进行结果的检测？不能，因为淀粉酶将淀粉分解后的试管和装有蔗糖溶液的试管都不出现显色反应。在本实验中自变量是：反应物的种类。
（3）酶的作用条件较温和。酶促反应在常温、常压、生理PH条件下进行。 酶催化化学反应需要适宜的条件：掌握课本85页图5-3和图5-4。
★思考：过酸、过碱和高温如何影响酶的活性？低温如何影响酶的活性？
★思考题1：若人体唾液淀粉酶反应体系的温度从15℃上升到25℃，唾液淀粉酶的活性将：增大。 ★思考题2：假设酶的最适温度为37℃，则将装有酶与反应物的甲乙两试管分别放入12℃和75℃水浴锅中，20min后取出转入37℃的水浴锅中保温，两试管内的反应分别为：甲反应速度加快，乙无催化反应。 知识点三、影响酶促反应的因素：
酶促反应：酶所催化的反应叫酶促反应。酶促反应中被酶作用的物质叫做底物（反应物）。经反应生成的物质叫做产物（生成物）。酶的催化活性的强弱以单位时间（每分）内底物减少量或产物生成量来表示。研究某一因素对酶促反应速率的影响时，应在保持其他因素不变的情况下，单独改变研究的因素。
说明：酶用E表示；底物用S表示；产物P用表示；抑制剂用I表示 1、酶的浓度对酶促反应的影响
假设：底物浓度足够大，其他条件固定，反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因
-1素时。曲线为：v/mmol·S
酶的浓度
曲线解读：酶促反应速率与酶的浓度成正比。 2、底物浓度对酶促反应的影响
假设：酶的浓度一定，其他要求同上。
-1曲线为：v/mmol·S
底物浓度
曲线解读：底物浓度较低时，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，酶促反应速率与底物浓度成正比；底物
2
浓度较高时，酶促反应速率随底物浓度的增加而加快，但不显著；当底物浓度到达一定限度时，酶促反应速率不再随底物浓度增加而增加，说明酶的催化能力完全发挥。此时，限制酶促反应速率的是酶的浓度和酶的活性。
3、PH对酶促反应的影响：曲线见课本85页图5-4。注：唾液淀粉酶最适PH近中性，胰蛋白酶最适PH为弱碱性。
4、温度对酶促反应的影响：曲线见课本85页图5-3。注意：温度对酶活性影响曲线左边温度低时，曲线纵坐标不为零。
★思考题：如果对酶促反应以时间为横坐标以生成物量为纵坐标作曲线，坐标系中有三条曲线，它们的斜率不同，但达到反应平衡时对应的纵坐标（即平衡点）相同，则能说明什么：①三条曲线的差异可能是由酶制剂的量的不同引起的；②三条曲线的差异不会是由反应底物量的不同引起的（纵坐标相同）；③三条曲线的差异可能是由处理温度不同引起的。
5、激活剂对酶促反应的影响：激活剂可提高酶的活性，但不是酶活性所必需的。激活剂有无机离子和小分子化合物。
6、抑制剂（用I表示）对酶促反应的影响：抑制剂使酶活性下降，但一般不使酶变性。抑制剂的作用可分为可逆的抑制作用和不可逆的抑制作用。可逆抑制作用又可分为竞争性抑制和非竞争性抑制，二者曲线不同。
（1）竞争性抑制：即，抑制剂与底物竞争与酶的结合，当抑制剂与酶结合后，就妨碍了底物与酶的结合，减少了酶的作用机会，因而降低了酶的活性。竞争性抑制的典型特点是最大反应速率不受影响，但需要增加底物浓度实现（即底物浓度越高，底物与酶活性位点结合机会越大，竞争性抑制剂与酶活性位点结合机会越小）。竞争性抑制有两种原因：一是，抑制剂与酶的活性部位结合，导致底物无法与酶的活性部位结合；二是，抑制剂与酶结合后，导致酶的空间构象发生改变，从而不利于与底物结合。 反应式可写为：
E+S ESE+P
+ I
EI
-1
曲线为：v/mmol·S
①
底物浓度
说明：①表示正常情况下（不加抑制剂情况下）酶促反应速率。
（2）非竞争性抑制：即，有些抑制剂和底物可同时结合在酶的不同部位上。换句话说，就是抑制剂与酶结合后，不妨碍酶再与底物结合，但所形成的酶-底物-抑制剂三元复合物（ESI）不能发生反应，这种抑制叫做非竞争性抑制作用。非竞争性抑制作用的特点是最大反应速度减小，而且会随着非竞争性抑制剂浓度增大而降低，且不能用增大底物浓度的办法克服。非竞争性抑制作用的原因是：一是，抑制剂作用于酶活性部位中催化基团；二是，抑制剂与维持酶分子构象的必需基团作用，而使酶的活性降低。
反应式可写为：
ES E+S E+P + + I I
+
S ESI
3
-1
曲线为：v/mmol·S
① 底物浓度
说明：①表示正常情况下（不加抑制剂情况下）酶促反应速度。
※ 补充说明：多数化学反应并不是完全反应。当反应物浓度和生成物浓度达到一个固定的比例时，就达到了平衡状态。此时的比例叫做平衡常数。不同的化学反应平衡常数不同。在平衡状态下，正向的反应和逆向的反应都继续进行，但是没有净变化。在有气体或沉淀形成的反应中，反应朝正向进行，因为生成物没有同样多的机会共同作用促使逆向反应发生。所有化学物质的“社会交际”这一基础是原子有形成使外层电子饱和键的趋势。根据气体运动分子假说，气体分子经常处于高速运动状态，不断碰撞。正是这些碰撞为化学变化提供了基础。同理，溶液中的溶质分散在溶剂中，分散良好处于快速随机运动状态，为化学变化提供了可能。提高温度可加速粒子运动和碰撞次数以及反应的速度，溶液中分子的扩散速度也增加。化学反应速度依赖于参与反应的分子数目，增加反应物分子的浓度也可以使反应的速率提高，因为这样可以提高碰撞的机会。 知识点四、实验—比较过氧化氢在不同条件下的分解
1、实验原理：过氧化氢酶和无机催化剂Fe3+均能催化过氧化氢分解成水和氧气，氧气以气泡形式逸出。但过氧化氢酶的催化效率更高，实验可以从观察气泡产生的多少，也可以通过卫生香的燃烧程度来判断氧气释放量的多少从而比较二者催化效率。过氧化氢酶在PH为中性的条件下，催化能力最强，在碱性和酸性条件下，催化能力下降，甚至失去催化能力。
2、材料用具： 3、实验步骤：
4、实验现象和结论：
（1）现象：加入肝脏研磨液的试管产生气泡快而多，卫生香燃烧猛烈。加入FeCl3溶液的试管相对于加入肝脏研磨液的试管气泡产生慢一些，少一些，卫生香燃烧不猛烈。
（2）结论：Fe3+和过氧化氢酶均能催化过氧化氢分解，但过氧化氢酶的催化效率更高。酶的催化作用具有高效性。
★思考题：若在广口瓶中加入10ml3%的H2O2溶液和新鲜的土豆片，当新鲜的土豆片与H2O2接触后，若有气体大量产生，可推测：新鲜的土豆片中含有过氧化氢酶。若增加新鲜土豆片的数量，量筒中产生气体的速度会：加快。若一段时间后气体量不再增加是因为：H2O2已分解完（注意：气体量不再增加不是因为土豆片的数量有限，因为酶的催化作用具有高效性，酶在化学反应前后自身化学性质不发生改变。）。为保证实验的严谨性，需要控制温度等无关变量。
知识点五、探究—影响酶活性的条件
1、实验原理：淀粉遇碘变蓝，淀粉被淀粉酶水解后，无蓝色反应。淀粉水解产物能够与斐林试剂发生氧化还原反应，生成砖红色的氧化亚铜沉淀。（因本实验要探究影响酶活性的条件，因而不再说温度、PH的影响）。
2、材料用具：
3、实验步骤：实验前应合理设计操作程序，有效控制实验条件。如对于温度、PH等实验条件的控制，应该在酶与底物接触之前进行。
（1）温度对酶活性的影响 ①取6支洁净的试管，编号。
②取1、2、3号试管各加入2ml等量的质量分数为3%的可溶性淀粉溶液。另取4、5、6号3支试管各加入1ml等量的质量分数为2%的新鲜α—淀粉酶溶液。
③同时将1、4号试管放入60℃热水中，2、5号试管放入沸水中，3、6号试管放入冰水中，保温5分钟。
4
④分别将1、4号；2、5号；3、6号试管混合后，在原温度下继续保温5分钟。
⑤可滴加碘液观察现象。不宜使用斐林试剂来检测，因为使用斐林试剂的话需要水浴加热，这样会使淀粉酶活性重新恢复，导致形成错觉，作出错误的结论。
（2）PH对酶活性的影响
①取3支洁净的试管，编号。
②取1、2、3号试管各加入1ml等量的质量分数为2%的新鲜α—淀粉酶溶液。
③分别在1、2、3号试管中加入蒸馏水、5%的NaOH溶液、5%的HCl溶液各1ml，60℃（适宜温度）下保温5分钟。
④分别在1、2、3号试管中加入质量分数为3%的可溶性淀粉溶液2ml，60℃下保温5分钟。
⑤可滴加碘液观察现象，也可以使用斐林试剂（50—65℃温水的大烧杯中加热约2分钟）来检测。
4、实验现象及结论：检测底物是否被分解或是否形成相应产物，但探究温度对酶活性的影响实验中，观测现象时最好不改变温度。
（1）探究温度对酶活性的影响
现象：1号试管加碘液不变蓝，2、3号试管加碘液变蓝。
结论：温度过高、过低都会使酶的活性降低。温度影响酶的活性。 （2）探究PH对酶活性的影响
现象：1号试管有砖红色沉淀，2、3号试管无砖红色沉淀。 结论：过酸、过碱都会使酶的活性降低。PH影响酶的活性。
5、拓展：探究酶催化化学反应的最适温度或最适PH的方法：通过设置梯度温度或梯度PH，在其他条件适宜时，检测酶的活性，酶活性最强时的温度或PH即为所要探究的酶的最适温度或最适PH。
★思考题1：过氧化氢酶是否适合用于探究温度对酶活性的影响？不适合，温度会影响过氧化氢的分解，对实验结果产生干扰（分不清过氧化氢分解速率的变化是由温度引起的，还是由酶的作用引起的）。
★思考题2：某同学从温度为55℃—65℃的泉水中筛选出能合成脂肪酶的细菌，并从该细菌中提取了脂肪酶。回答以下问题：
（1）测定脂肪酶活性时，应选择脂肪作为该酶作用的物质，反应液中应加入缓冲溶液以维持其酸碱度稳定。 （2）要鉴定该酶的化学本质，可将该酶液与双缩脲试剂混合，若反应液呈紫色，则该酶的化学本质为蛋白质。
（3）根据该细菌的生活环境，简要写出测定该酶催化作用最适温度的实验思路。（在一定温度范围（包括55℃—65℃）内设置温度梯度，分别测定酶活性。若所测得的数据出现峰值，则峰值所对应的温度即为该酶催化的最适温度。否则，扩大温度范围，继续实验，直到出现峰值。）因为：测定该酶的最适催化活性温度，往往需要通过底物（或产物）量（或率）的变化来反映，通过指示剂或颜色变化情况等来体现，故设计的实验思路为在一定温度范围（包括55℃—65℃）内设置温度梯度，根据单位时间内指示剂或颜色变化情况确定酶催化的最适宜温度，若出现最大值，可以在最大值附近的温度范围内，缩小温度梯度，继续实验，确定较为准确的相对最适宜温度；若无最大值出现，可以扩大实验的温度范围，继续探究。
★思考题3：鱼被宰杀后，鱼体内的ATP生成具有鲜味的肌苷酸，但酸性磷酸酶（ACP)会催化肌苷酸分解导致鱼肉鲜味下降。为了研究鱼类的保鲜方法，研究者从草鱼、鮰鱼和鳝鱼中分离得到ACP,并对该酶活性进行了系列研究，实验结果如右图。
(1)在动物体细胞内产生ATP的场所是___ ____。
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新人教版生物必修1分子与细胞第5章细胞的能量供应和利用高考复习知识点详解与例题
