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第1讲酶和ATP【基础自主梳理】一、酶在细胞代谢中的作用1.细胞代谢：细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，是细胞生命活动的基础。2.酶的作用：通过“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，可以说明酶在细胞代谢中具有催化作用，同时证明，与无机催化剂相比，酶具有高效性的特性。3.酶的作用机理(1)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。(2)催化剂的作用：提高反应速率，促进化学反应的进行。(3)作用机理：降低化学反应的活化能。与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著。[思考感悟]酶在化学反应中，能不能增加生成物的量?提示：不能。酶只是降低活化能，加快反应速度，缩短达到平衡的时间，但不会使生成物的量增加。二、酶的本质1.酶本质的探索过程（1）巴斯德之前：发酵是纯化学反应，与生命活动无关。（2）争论①巴斯德(法国)1857年提出：只有酵母细胞参与才能进行发酵②李比希(德国)认为：酵母细胞死亡裂解后释放出某些物质，引起发酵（3）毕希纳(德国)：获得不含酵母细胞的提取液，但未能分离鉴定出酶。（4）萨姆纳(美国)：1926年用丙酮提取出了刀豆种子中的脲酶，并证明了脲酶是蛋白质。（5）切赫和奥特曼(美国)：20世纪80年代，发现少数RNA也具有催化功能。2.酶的本质：酶是活细胞产生的具有催化功能的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。[思考感悟]酶的组成成分中可能含有哪一种糖?该糖主要存在于细胞核中，还是细胞质中?提示：核糖。主要存在于细胞质中。三、酶的特性1.高效性：酶的催化效率大约是无机催化剂的l07～1013倍。2.专一性：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。3.酶的作用条件较温和：酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的，过酸、过碱或温度过高，都会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活；而在低温下，酶的活性明显降低，但不会失活。[思考感悟]胃蛋白酶在肠道内还会有作用吗?提示：不会。人体内胃蛋白酶的最适pH在2.0左右，但它流入肠道后会自动丧失其功能，因为肠内的pH为碱性。四、ATP的结构和功能1.结构：ATP是三磷酸腺苷的英文名称缩写，其结构简式是A-P～P～P，一个ATP分子中含有一个腺苷，三个磷酸基团，两个高能磷酸键，ATP分子中大量的化学能储存在高能磷酸键中。2.功能：ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物，直接给细胞生命活动提供能量。五、ATP与ADP的相互转化1.ATP水解：在有关酶的催化作用下，ATP分子中远离腺苷(A)的高能磷酸键很容易水解，并释放能量。2.ATP形成：在有关酶的催化作用下，ADP可以接受能量，同时与一个游离的磷酸(Pi)结合，重新形成ATP。3.ATP形成的能量来源(1)对于动物、人、真菌和大多数细菌来说，均来自于细胞呼吸，对于绿色植物来说，则来自于细胞呼吸和光合作用。(2)细胞内ATP与ADP相互转化的能量供应机制，是生物界的共性。[思考感悟]：ATP与ADP相互转化的反应是可逆反应吗?为什么?提示：不是可逆反应。可逆反应是指正逆反应都能在同一条件下进行。而ATP和ADP的相互转化反应进行的反应条件、场所、能量来源和用途不同。六、ATP的利用1.ATP可用于细胞的主动运输、生物发电和发光、肌肉收缩、大脑思考等。2.细胞内的吸能反应总是与ATP水解的反应相联系，放能反应总是与ATP的合成相联系。能量通过ATP分子在吸能反应和放能反应之间循环流通。因此，可以形象地把ATP比喻成细胞内流通的能量“通货”。[思考感悟]ATP分子中去掉两个磷酸基团后形成的物质是什么?是组成哪种化合物的基本单位之一?提示：腺嘌呤核糖核苷酸RNA【要点归纳探究】要点一、酶的本质及实验验证1.酶的本质及作用酶是活细胞产生的具有催化功能的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。在细胞代谢中具有催化作用，具体见下表：化学本质绝大多数是蛋白质少数是RNA合成原料氨基酸核糖核苷酸合成场所核糖体细胞核(真核生物)来源一般来说，活细胞都能产生酶生理功能生物催化作用作用原理降低化学反应的活化能[特别提醒]酶仅能改变反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点，且性质在化学反应前后不变。几是活细胞都能够产生酶，这是细胞代谢所必须的。二、酶的催化作用和高效性的验证实验分析1.实验原理(1)2H2O22H2O+O2↑(2)比较H2O2在常温、高温、过氧化氢酶、Fe3+等不同条件下气泡产生多少或卫生香燃烧剧烈程度，了解过氧化氢酶的作用和意义。2.验证实验设计及现象分析：3.实验过程的变量及对照分析自变量因变量无关变量对照组实验组2号：90℃水浴加热3号：加入3.5％FeCl3溶液2滴4号：加入20％肝脏研磨液2滴H2O2分解速度用产生气泡的数目多少表示加入H2O2的量；实验室的温度；FeCl3和肝脏研磨液的新鲜程度l号试管2、3、4号试管4.实验结论(1)酶具有催化作用，同无机催化剂一样都可加快化学反应速率。(2)酶具有高效性，与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。酶的催化效率大约是无机催化剂的l07～1013倍。5.表示酶高效性的曲线(1)催化剂可加快化学反应速率，与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。(2)酶只能缩短达到化学平衡所需时间，不改变化学反应的平衡点。(3)酶只能催化已存在的化学反应。[特别提醒]实验的注意事项:①点燃卫生香的时间一般为实验(加入试剂)后的2～3min，这一时间要因气温和试剂的新鲜程度而定，不可千篇一律。②本实验成功的关键是实验用的肝脏要新鲜，肝脏必须进行研磨，使过氧化氢酶释放出来。③H2O2有腐蚀性，不要使其接触皮肤。④卫生香不要插到气泡中，以免卫生香因潮湿而熄灭。[自主探究1]对盛有过氧化氢的试管加热和加入催化剂，都能够促进其分解，下列相关的叙述正确的是()A.二者的基本原理是不同的B.前者是使过氧化氢分子的能量提高，而后者不影响过氧化氢分子的能量C.二者都可以降低过氧化氢分子的活化能D.酶和Fe3+的作用原理是不同的[答案与解析]A。加热主要是使过氧化氢分子的能量提高，达到活化能，使反应进行；催化剂是降低过氧化氢分子的活化能，使分子原来具有的能量达到活化能，从而能够发生反应，二者的基本原理是不同的；酶和Fe3+都是催化剂.它们的作用原理是相同的，只是效率不同。三、酶的专一性的验证实验分析1.实验原理林试剂→砖红色Cu2O↓(2)用淀粉酶分别催化淀粉和蔗糖后，再用斐林试剂鉴定。根据是否有砖红色沉淀来判定淀粉酶是否对二者都有催化作用，从而探索酶的专一性。2.实验程序序号项目试管121注入可溶性淀粉2mL无2注入蔗糖溶液无2mL3注入新鲜淀粉酶溶液2mL振荡2mL振荡450℃温水保温3min5min5加斐林试剂1mL振荡1mL振荡6将试管下部放入60℃热水中2min2min7观察实验结果有砖红色沉淀无砖红色沉淀结论淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解3.表示酶专一性的曲线(1)在A反应物中加入酶A，反应速率较未加酶时明显加快，说明酶A催化底物A参加反应。(2)在A反应物中加入酶B，反应速率和未加酶时相同，说明酶B不催化底物A参加反应。[特别提醒]①证明酶的专一性实验中，既可以用不同的底物作自变量，也可以用不同的酶作自变量(底物相同)。即：②实验所用淀粉酶的来源不同，则所需控制的温度也不同，若来源于植物，其最适温度为40℃～50℃；若来自人体，则景适温度为37℃左右。四、“影响酶活性的条件”的探究分析1.温度对酶活性的影响(1)原理解读②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)实验设计思路(3)实验设计程序(4)实验的变量分析自变量因变量无关变量温度淀粉分解量的多少(用是否出现蓝色及蓝色深浅表示)淀粉和淀粉酶的量、溶液的pH、反应时间等[特别提醒]①本实验不宜选用斐林试剂，因为斐林试剂与还原糖只有在加热的条件下才有砖红色沉淀生成，而该实验需严格控制不同的温度。②本实验不宜选用过氧化氢酶催化H2O2分解，因为过氧化氢酶催化的底物过氧化氢在加热的条件下分解也会加快。2.pH对酶活性的影响(1)原理解读①H2O2H2O+02↑。②pH影响酶的活性，从而影响氧气的生成量，可用点燃但无火焰的卫生香燃烧的情况来检验氧气生成量的多少。(2)实验设计程序取n支试管→分别加入等量的质量分数为3％的过氧化氢溶液→用盐酸或NaOH溶液调整出不同的pH(如5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)→分别滴加等量的同种新鲜的质量分数为20％的肝脏研磨液→用点燃但无火焰的卫生香来检验氧气的生成情况。3.影响酶活性的曲线(1)在一定温度范围内，随温度的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围酶催化作用将减弱。(2)在最适pH时，酶的催化作用最强，高于或低于最适pH，酶的催化作用都将减弱。(3)过酸、过碱、高温都会使酶失活，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。(4)反应溶液pH的变化不影响酶作用的最适温度。[特别提醒]底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响(1)在其他条件适宜、酶量一定的条件下.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)在底物充足，其他条件适宜的条件下，酶促反应速率与酶浓度成正比。[自主探究2]酶的催化能力与温度有关。下列曲线中最可能是酶催化反应的图像是()[答案与解析]B酶的化学本质是蛋白质，温度、酸碱度等因素都会对酶的空间结构和化学结构产生影响，甚至是破坏性的影响。在一定温度范围内，酶的催化活性会随温度的升高而增强，某一温度是酶的最适温度时，酶的催化活性最强。当温度超过最适温度以后，随着温度的升高，酶的催化活性将逐渐下降[特别提醒]①本实验中也可将过氧化氢酶和H2O2分别调至同一pH，再混合，以保证反应一开始便达到预设pH。②本实验不宜选用淀粉酶催化淀粉分解，因为淀粉酶催化的底物淀粉在酸性条件下也会发生水解反应。五、ATP的形成途径及与ADP的相互转化1.ATP的形成途径2.ATP与ADP的相互转化由上表可看出.ATP和ADP的相互转化过程中，反应类型、反应所需酶以及能量的来源、去路和反应场所都不完全相同，因此ATP和ADP的相互转化不是可逆反应。但物质是可循环利用的。[特别提醒]高等植物不同部位的细胞基本结构，分析其产生ATP过程的差异。1.含有叶绿体的细胞可通过光合作用、细胞呼吸产生ATP。但是，在无光的条件下，只能通过细胞呼吸产生ATP。2.不含叶绿体的细胞通过细胞呼吸产生ATP。在氧气充足时通过有氧呼吸；在氧气相对不足时，有氧呼吸和无氧呼吸同时进行；在无氧时，暂时通过无氧呼吸产生ATP，长时间无氧呼吸，将产生大量的酒精或乳酸，使细胞中毒死亡。【精典考题例析】类型一酶的本质【例１】（2008广东6）关于蛋白酶的叙述，不．正确的A.蛋白酶是蛋白质B.蛋白酶可以作为药品治疗某些疾病C.蛋白酶可以水解所有的肽键D.利用酶工程可以提高蛋白酶的稳定性【思路解析】酶是活细胞产生的，具有催化作用的有机物，绝大多数的酶是蛋白质，少数是RNA。蛋白酶可以水解特定的肽键，将蛋白质水解为多肽，并不是可以水解所有的肽键；利用酶工程可以提高蛋白酶的稳定性，固定化酶比液体的稳定性高【答案】C[拓展链接]酶化学本质的实验验证：酶的化学本质还可利用酶的专一性原理进行证明，其方法是将某一待测酶分别用蛋白酶和核糖核酸酶进行处理，然后观察该待测酶是否还具有催化作用。(1)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：已知蛋白液+双缩脲试剂→出现紫色反应。(2)证明某种酶是RNA：实验组：待测酶液+吡罗红染液→是否呈现红色。对照组：已知RNA溶液+吡罗红染液→出现红色。类型二酶的特性【例2】（2008上海13）β－半乳糖苷酶能催化乳糖生成半乳糖和葡萄糖，但不能催化麦芽糖分解为葡萄糖。这表明β－半乳糖苷酶的催化作用具有A.高效性B.专一性C.稳定性D.多样性【思路解析】酶是具有催化作用的有机物，具有高效性、专一性，并受温度和PH