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用心爱心专心第1节ATP与酶一、学习目标1、ATP的结构简式：A—P～P～P（A代表腺苷，P代表磷酸基团，～代表高能磷酸键）。2、ATP的生理功能：是为生物体的新陈代谢代谢过程直接提供能量（能量货币）。3、ATP与ADP之间的相互转化：ATP+H2OADP+Pi+能量（物质可逆，能量不可逆）4、酶的概念和化学本质酶是活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物。绝大多数酶是蛋白质，少数酶是核酸，这种酶特称为核酶。5、酶的特性酶的高效性：酶的催化效率比无机催化剂要高107～1013倍。酶的专一性：每一种酶只能催化一种化合物或一类化合物的化学反应。需要适宜的条件：一需要适宜的温度条件，在适宜的温度条件下，酶的活性最高，高于或低于这个条件，酶的活性将下降；二需要适宜的pH值，在适宜的pH值条件下，酶的催化活性最高，高于或低于这个条件，酶的催化活性将会下降。6、酶的活性：即酶促反应的速率，受底物浓度、反应产物的浓度、酶的浓度、温度和pH的影响。二、教材分析1、重点难点与疑点重点难点是ATP的结构简式、ATP的生理功能、ATP与ADP之间的相互转化、酶的概念和化学本质、酶的高效性、酶的专一性等。疑点是酶促反应需要适宜的条件、酶促反应的速率，受底物浓度、反应产物的浓度、酶的浓度、温度和pH的影响等。2、教材解读课文解读一、生命活动的能量“货币”——ATP早在20世纪20年代，几位科学家就分别在肌肉中发现了一种叫做腺嘌呤核苷三磷酸的物质，它是一种不稳定的化合物，由1分子腺嘌呤、1分子核糖和3分子磷酸组成，简称ATPATP是生物体进行新陈代谢所需能量的直接来源。阐述：新陈代谢不仅需要酶，而且需要能量。我们知道，糖类是细胞和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。但是，这些有机物中的能量都不能直接用生物体的各项生命活动，它们在细胞中被逐步氧化分解释放出来，并将其中的一部分能量转移到ATP中，通过ATP直接提供给各项生命活动。ATP的结构简式、分子式和分子结构式（1）ATP的结构简式ATP的结构简式可写成：A－P～P～P。其中A代表腺苷（即腺嘌呤），T表示3个，P表示磷酸，所以ATP也称为三磷酸腺苷。“～”表示高能磷酸键，即“P～Ｏ”键，“－”表示一般的共价键。（2）ATP的分子式ATP的分子式为：C10H16O13N5P3。（3）ATP的分子结构式酶OH|～P—OH‖OOH∣CH2—O—P—O‖OOH|～P—O‖ONNNNNH2腺嘌呤O用心爱心专心阐述：ATP是一种高能磷酸化合物，一分子ATP中含有二个高能磷酸键，每个高能磷酸键中贮存了大量的自由能，所谓自由能是指能直接用于作功的能量。ATP中高能磷酸键贮存的自由能在键断裂时释放出来，能直接推动各项生命活动而作功，普通共价键断裂时释放的能量不能直接用于各项生命活动。经测定每mol高能磷酸键贮存的能量约为30.5kJ·mol—1。所以ATP被称为生命活动的直接能源物质。P46页书本图4-1ATP和ADP之间的相互转化ATP+H2OADP+Pi+能量阐述：在ATP与ADP的相互转化中，ATP既可以储能，又可作为生命活动的直接能源。在ATP的第二个和第三个磷酸之间的高能磷酸键对细胞中能量的捕获和释放都是很重要的。第三个磷酸位于末端，能够很快地移走，于ATP就转变成了ADP，如果加上第三个磷酸，ADP又转变成了ATP。在这些变化中，能量的转变是很重要的。把游离的磷酸束缚在ADP上形成ATP，需要能量，在这个反应中能量被捕获而且贮存起来。从ATP上移走第三个磷酸，就释放能量，ATP又转变成ADP了。所有这些变化都是在酶催化下完成的。这样的过程在活细胞中可以永无止境地循环进行。ATP在活细胞中是用不完的，换句话讲，如果ATP用完了，也就意味着生命的结束。二、酶与酶促反应生物体内每时每刻都在进行着许多复杂的化学反应，这些化学反应之所以能迅速而有规律地进行，都和酶有关。酶通常是指由生活细胞产生的、具有催化活性的一类特殊蛋白质，又称为生物催化剂。绝大多数的酶都是蛋白质。近年来，科学家发现，某些核酸也具有生物催化作用，它们被称为“核酶”。酶是活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物。绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。阐述：关于酶的化学本质，多年来，科学家们一直认为所有酶的化学本质都是蛋白质。然而，20世纪80年代以来的科学表明，一些RNA分子也具有酶的催化作用。如一种叫做RnaseP的酶，这种酶20%的蛋白质和80%的RNA组成。科学家们将这种酶中的蛋白质除去，并且提高了Mg2+的浓度，他们发现留下来的RNA仍然具有与该种酶相同的催化活性。后来的科学实验进一步证实，某些RNA分子同那些构成酶的蛋白质分子一样，都是效率非常高的生物催化剂。所以从酶的化学本质来说，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。但讲酶的化学本质是有机物是不会错的。具有酶活性的蛋白分子分为简单蛋白质类和结合蛋白质类。简单蛋白质类的酶只由氨基酸组成，不含任何其它物质，如胃蛋白酶。结合蛋白质类的酶由蛋白质和辅因子组成酶用心爱心专心的，如乳酸脱氢酶、转氨酶等。组成这类酶的蛋白质部分称为酶蛋白，辅因子部分叫做辅酶或辅基。辅酶和辅基并没有什么本质上的差别，只是它们与蛋白质部分结合的牢固程度不同而已。通常把那些与酶蛋白结合得比较松的、用透析法可以除去的小分子有机物叫辅酶，把那些与酶蛋白结合得比较紧的、用透析法不容易除去的小分子物质叫辅基。酶蛋白与辅因子单独存在时都没有催化活力，只有两者结合在一起时，才能起到酶的催化作用。这完整的酶分子称为全酶。酶在常温、常压等温和条件下具有很高的催化效率。例如，1个过氧化氢酶分子在室温条件下每1min可催化500万个过氧化氢分子的分解反应。酶也具有特异性。一种酶只能对一定的底物发生催化作用。例如，淀粉酶只能催化淀粉的水解，不能催化蛋白质和脂质的水解。（1）酶的高效性酶的高效性是指与无机催化剂相比较，酶的催化效率要高出很多，一般要高出107～1013倍。阐述：酶的催化具有高效性是指与无机催化剂比较而言的，失去了比较的对象也就无所谓高效性。如细胞中的过氧化氧酶催化过氧化氢分解为水和氧，这个过程也能被Fe3+所催化，但过氧化氢酶催化的效率比Fe3+催化的效率高得多。再如在人体内，人体细胞通过呼吸作用释放出大量的CO2，CO2扩散进入血液后和水反应生成H2CO3，但生成的速度是比较慢的，当CO2扩散进入红细胞后，在红细胞中有一种酶称为碳酸酐酶，这种酶能够催化CO2和水生成H2CO3的反应，使反应的速度比原先提高了约一万五千倍。（2）酶的专一性酶的专一性是指每一种酶只能催化一种化合物或一类化合物的化学反应。阐述：酶促反应具有高度的特异性（专一性），即一种酶只能催化一种反应或一组密切相关的反应，酶对底物的专一性要求很高，有时甚至只催化一种底物的反应。如淀粉酶只能催化淀粉分解成麦芽糖而不能催化麦芽糖分解成葡萄糖。酶的专一性与酶是蛋白质有关，每种蛋白质都有特定的空间结构，酶催化反应时，酶蛋白分子首先与底物分子结合，但酶分子与底物分子能否结合，取决于酶分子的活性部位与底物分子在空间构象上是否对应，或经底物诱导后能否与底物分子结合。酶与底物分子结合时，底物能诱导酶分子的构象发生变化，使酶分子能与底物很好地结合形成酶－底物的复合物，从而发生催化作用。酶与底物相互作用形成的酶－底物复合物这一过程十分重要，在实验室内进行一个化学反应，首先要给予活化能，所以需要加热。酶促反应不需要加热，不必给以活化能。这是因为酶和底物的相互作用要释放一些结合能，以使酶－底物复合物稳定。而有了结合能的释放，酶就可用来降低化学反应的活化能了。酶促反应的速率与pH、温度、酶的浓度、底物浓度、反应产物的浓度等有密切关系。1、温度对酶的影响酶促反应的正常进行需要适宜的温度。在最适温度条件下，酶的催化能力最高。温度对酶催化能力的影响可用如图所示的曲线表示。阐述：在较低温度时，随着温度的升高，酶的活性也逐用心爱心专心渐提高，达到最适温度时，酶的催化能力最高，但高于最适温度后酶的催化能力会迅速下降，最后完全失去催化能力，即温度对酶催化能力的影响在最适温度两侧的曲线是不对称的。其原因是低温不破坏蛋白质的分子结构，只是酶的催化能力下降；高温会导致蛋白质分子发生热变性，而蛋白质的变性是不可逆的，酶蛋白变性后酶的功能就会完全丧失。不同的温度需要的最适温度是不同的，一般来讲，在人体内酶的最适温度为37℃，对变温动物来说，体内酶的最适温度相对低一些。对植物来说，分布在高纬度地区的植物，其体内酶的最适温度较低，分布在低纬度地区的植物，体内酶的最适温度高一些。2、pH值对酶的影响酶促反应的正常进行需要适宜的pH值。在适宜的pH值条件下，酶的催化能力最高。pH值对酶催化能力的影响可用如图所示的曲线表示。阐述：酶的催化能力的发挥有一个最适pH值，在低于最适pH值时，随着pH值的升高，酶的催化能力也相应升高，高于最适pH值时，随着pH值的升高，酶的活性逐渐下降，在最适pH值两侧的曲线基本是对称的。pH过高或过低也会使蛋白质变性，当蛋白质变性后，酶也就完全丧失了催化的能力。不同的酶需要的最适温度是不同的，如人胃液中的胃蛋白质的最适pH值为1.8左右，唾液淀粉酶的最适pH值为7左右，溶酶体中酶的最适pH值约为5左右。3、酶的催化能力与时间的关系（如图曲线所示）阐述：即使在最适温度和pH值的条件下，酶的催化能力也不是一成不变的，酶在“工作”了一段时间后会发生“钝化”现象，即催化能力开始下降，最后失去催化能力，酶促反应的速度与时间的关系如图曲线所示。这些严重钝化或失去催化能力的酶在细胞中水解酶的作用下会被分解成氨基酸，氨基酸可以再度合成蛋白质。4、酶促反应速度与底物浓度的关系（如图曲线所示）阐述：酶促反应的速度与底物浓度的有关系是：在酶量一定的条件下，在一定范围内会随着底物浓度的增加，反应速度也增加，但达到一定浓度后酶促反应的速度也就不再增酶促反应速度时间用心爱心专心加了，原因是酶饱和了。拓展阅读有关ATP1997年诺贝尔化学奖的一半授予了美国的保罗•博耶和英国的约翰·沃克，以表彰他们在研究腺苷三磷酸合成酶如何利用能量进行ATP再生方面所取得的成就。三磷酸腺苷（ATP）的分子结构很复杂，它的结构简式如下：ATP的分子为C10H16O13N5P3，分子量是507，ATP与ADP的转化式可表示为：ATPADP+Pi+能量。ADP再脱去一个磷酸根形成一磷酸腺苷（简称AMP），AMP是构成RNA的一种腺嘌呤核糖核苷酸。磷酸在ATP的功能中起着非常重要的作用。两个磷酸之间（也就是P与P之间）用“～”符号表示的化学键，是一种特殊的化学键。这种化学键断裂时，放出的能量是正常的化学键放出的能量的2倍以上（如每摩尔的高能磷酸键放出的能量约29.29~41.84千焦，而一般的P—O键只放出能量8.37～20.92千焦.从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和利用，都是以ATP为中心的。生物体进行各项生理活动所需要的能量，大都直接地来自于ATP，有些则间接地来源于ATP。总之，它们都通过ATP来供应能量。生物体的各种组织细胞中，各含有一定数量的ATP。而当细胞中的ATP浓度过高是时，生物体可以将ATP的高能磷酸键中的能量转移给肌酸，以生成磷酸肌酸（CP）这种化合物。此反应可简写成：ATP+CADP+CP。磷酸肌酸可作为一种辅助能源在动物的肌肉中贮存。让纤维素焕发青春为什么纤维素没有像蔗糖、淀粉一样被人类广泛利用呢？原来，这与它的结构有关。纤维素分子中的葡萄糖是由β-1，4糖苷键连接而成的。一个纤维素分子大约含有几百个到15000个葡萄糖分子。依靠纤维素酶酶解，纤维素能逐渐被分解成为寡糖、双糖和单糖，但人体内缺乏纤维素酶，因而人体无法直接利用纤维素。要想充分利用纤维素，首先需要有大量的纤维素酶。好在纤维素酶在自然界分布很广，许多微生物（主要是霉菌和细菌）都能生产纤维素酶。目前，微生物发酵已经是大规模生产纤维素酶的主要途径。目前，各国科学家在纤维素酶解工艺方面的研究非常活跃。实验表明，这些工艺一方面需要创