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全国通用高中生物 一轮复习 第二单元 专题四 酶和ATP课件PPT
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这是一份全国通用高中生物 一轮复习 第二单元 专题四 酶和ATP课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了考情解读，必备知识通关，酶的本质和作用，实验方案，解题能力提升，思路分析▶，技巧点拨，2实验步骤，ATP的结构等内容，欢迎下载使用。
考点1 酶的本质、作用与特性 必备知识通关 解题能力提升 考法1 酶的作用机理和本质的分析判断 考法2 与酶有关的曲线分析考点2 实验:探究影响酶活性的因素 必备知识通关 解题能力提升 考法3 设计实验探究酶的本质、作用和特性
考点3 ATP的结构和功能 必备知识通关 解题能力提升 考法4 ATP的合成、利用及其与能量代谢的关系 易错1 对酶的产生、本质、作用等存在错误认识 易错2 对酶的相关实验的理解存在误区 “双一流”名校冲刺 实验突破3 实验设计的基本原则和实验变量的分析
课标要求说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质,酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响；实验:探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素；解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
高考怎么考高考多以选择题的形式对酶的特性进行考查,有时也会以非选择题的形式呈现,还可能与其他知识互相渗透、综合考查。ATP的相关知识往往与细胞呼吸、光合作用相结合出现,着重考查考生的分析、判断能力。预计2022年高考仍将延续以酶的概念、作用机理、特性,以及酶活性影响因素等为切入点考查相关基础知识,体现高考的基础性和综合性,试题将渗透科学思维、科学探究等生物学科核心素养。
考点1 酶的本质、作用与特性
助学巧记 巧记酶的“二一一一”
名师提醒1.酶不提供能量,只降低反应的活化能。2.反应前后酶的化学性质和数量均保持不变。3.酶既可以作为催化剂催化化学反应的进行,也可以作为底物被其他酶催化分解。
核心素养·科学思维【批判性思维】酶促反应速率小酶活性一定小吗?提示:温度、pH、底物浓度和酶浓度等也能影响酶促反应速率,但并不改变酶活性,如底物浓度很低的时候,酶促反应速率很小,但是酶活性并不小。
三、比较过氧化氢在不同条件下的分解1.实验原理
(2)比较H2O2在Fe3+、过氧化氢酶等不同条件下气泡的产生速度或点燃但无火焰的卫生香的复燃程度,了解过氧化氢酶的作用。
考法1 酶的作用机理和本质的分析判断1.借助数学模型分析酶的作用机理 与无机催化剂相比,酶降低活化能的作用更显著,两者的比较如图所示。
图中各字母代表的含义:a、b、c分别代表无催化剂、使用无机催化剂、使用酶催化的化学反应过程,E1、E2、E3分别代表进行相应化学反应所需的活化能,ΔE代表与无催化剂相比使用酶后降低的活化能。
2.借助物理模型理解酶的专一性
酶与底物结合时,底物的结构和酶的活性部位的结构十分吻合,就好像一把钥匙配一把锁一样。酶的这种互补形状,使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,这就是“锁钥学说”。
命题角度1 结合文字信息或模型考查酶的本质和特性示例1 [2021陕西咸阳调研]如图表示生物体内某个化学反应,下列关于酶的叙述正确的是
A.图中A表示酶,A是在核糖体上合成的B.图中B表示酶,B一定含有碱基UC.图中A表示酶,A一定是有机物D.图中A表示酶,A只能在生物体内起作用
解析▶酶能降低化学反应的活化能,加快反应速率,但在化学反应前后,酶的结构和数量不变。由图可知,只有A物质在反应前后不发生变化,说明A表示酶,酶的本质是蛋白质或者RNA,不一定是在核糖体上合成的,但一定是有机物,A选项错误、C选项正确;物质B在反应后变为C和D两种物质,所以B为底物,B选项错误;酶在生物体内或体外均可起作用,D错误。答案▶C
情景转化 【科学思维——批判性思维】如何证明酶的专一性?提示:证明酶具有专一性,需要通过“实验”手段,而非“假说”。一般用同一种酶、不同种底物,酶只能催化特定底物发生反应,即可证明酶具有专一性,该实验用模型解释如图所示。
考法2 与酶有关的曲线分析
注意 同一个体不同细胞中,酶的种类和数量会不同,对于同一个细胞而言,在不同的时期或生理状态下,细胞中酶的种类和数量也会发生改变。
命题角度2 酶的特性相关图像分析示例2 图1是对某种酶的某种特性的解释模型,图2、3、4、5是在不同条件下该酶催化的酶促反应的变化情况,据图分析下列说法错误的是
A.图1可说明酶具有专一性,图2可说明酶具有高效性B.由图4、5可判断该酶很可能是麦芽糖酶,其本质是蛋白质C.由图3可判断,一定温度范围内该酶最适pH不受温度影响D.图3中温度和pH对该酶活性的影响机理是完全一样的解析▶分析图1可知,该酶(b)通过与底物(c)结合形成酶—底物复合物,从而降低化学反应的活化能,进而起到催化作用,b催化c生成了e和d,而a不能与b结合,这体现了酶的作用具有专一性;分析图2可知,与加入无机催化剂相比,加入酶可明显缩短反应时间,说明酶具有高效性,A正确。分析图5可知,该酶能催化麦芽糖分解,不能催化蔗糖分解,则该酶可能是麦芽糖酶;由图4可判断该酶的化学本质是蛋白质,B正确。分析图3可知,不同的温度条件下,pH为A时对应的底物剩余量均最少,说明实验温度范围内,该酶的最适pH不受温度影响,C正确。低温条件下,酶并不会失活,而过酸、过碱、高温时酶均会失活,D错误。答案▶D
命题角度3 外界因素对酶活性的影响的曲线分析示例3 [2016全国卷Ⅱ,29,10分]为了研究温度对某种酶活性的影响,设置三个实验组:A组(20 ℃)、B组(40 ℃)和C组(60 ℃),测定各组在不同反应时间内的产物浓度(其他条件相同),结果如图。回答下列问题:
(1)三个温度条件下,该酶活性最高的是 组。 (2)在时间t1之前,如果A组温度提高10 ℃,那么A组酶催化反应的速度会 。(3)如果在时间t2时,向C组反应体系中增加2倍量的底物,其他条件保持不变,那么在t3时,C组产物总量 ,原因是 。
(4)生物体内酶的化学本质是 ,其特性有 (答出两点即可)。思路分析▶解答本题,首先要分析图解,从图中读出三条曲线的关键点:
解析▶(1)图示信息显示:40 ℃条件下产物浓度达到最大值所需时间比20 ℃条件下短,且两曲线上升段斜率40 ℃条件下的大于60 ℃条件下的,故在三个温度条件下,该酶活性最高的是B组。(2)由题图信息可知,在20~40 ℃范围内的酶活性均大于20 ℃时的酶活性,故在t1之前,如果A组温度提高10 ℃,那么A组酶催化反应的速度会加快。(3)图示信息显示:在t2时,60 ℃条件下的酶已失活,故此时增加底物,产物总量不会增加。(4)绝大多数酶的化学本质是蛋白质,少数酶的化学本质是RNA;酶的特性包括高效性、专一性、作用条件较温和。答案▶(1)B (2)加快 (3)不变 60 ℃条件下,t2时酶已失活,即使增加底物,反应产物总量也不会增加 (4)蛋白质或RNA 高效性、专一性和作用条件较温和(答出两点即可)
疑难剖析 很多考生对“60 ℃对应的曲线中,t1时间点以前有产物生成”表示疑惑。实际上,酶失活需要一定的时间,酶放入高温环境中不会立即失活。高温环境下酶没有失活时是有催化作用的。就像是煮鸡蛋,水开了并不等于鸡蛋熟了,而是在开水中煮上一段时间后,鸡蛋才完全变熟。这也警示我们:探究温度对酶活性的影响时,应该将酶置于某温度下保温一段时间,然后再与相应温度下的底物混合。
情境转化 1.科学思维——分析与综合(1)根据该实验结果 (填“能”或“不能”)判断该酶的最适温度,原因是 。 (2)图中体现酶的特性是 。 (3)在时间t1之前,如果B组温度提高10 ℃,那么B组酶促反应速率变化趋势是 ,原因是 。 2.科学探究——设计实验方案 如果已确定该酶可以催化葡萄糖分解,其化学本质是蛋白质,请设计实验,精确探究该种酶的最适温度,写出实验的基本思路即可。
答案▶1.(1)不能 不同温度分组太少,不能确定最适温度(答案合理即可) (2)酶的作用条件较温和 (3)不确定(答案合理即可) B组温度提高10 ℃后,如果没有达到最适温度,则酶促反应速率会增大,如果超过最适温度,则酶促反应速率可能增大、不变或减小 2.先确定系列等温度梯度实验组,再选择砖红色沉淀较少的两组实验,在二者对应温度之间以更小的温度梯度设置实验组进行探究。(答案合理即可)
考点2 实验:探究影响酶活性的因素
1.探究温度对酶活性的影响(1)实验原理
②温度影响淀粉酶的活性,从而影响淀粉的分解,滴加碘液后,根据蓝色深浅来判断淀粉分解状况,进而推断出酶活性的变化。
(3)实验结论:温度能影响酶的活性,酶的活性有一定的适宜温度范围。2.pH对酶活性的影响(1)实验原理:过氧化氢在过氧化氢酶的作用下分解为水和氧气,pH影响酶的活性,从而影响氧气的产生速率,可用点燃但无火焰的卫生香的复燃程度来检验氧气的产生速率。
(3)实验结论:pH影响酶的活性,酶的活性有一定的适宜pH范围。
2.不同生理状态下细胞膜的成分及功能分析(1)衰老细胞的细胞膜通透性发生改变,物质运输功能下降。(2)代谢旺盛的细胞物质运输速度快,需要的载体种类和数目多,细胞膜上蛋白质的种类和含量较多。(3)细胞癌变后:①细胞膜上的糖蛋白等减少,癌细胞之间的黏着性降低,易于分散和转移;②产生甲胎蛋白和癌胚抗原等物质,可作为判断细胞是否癌变的指标之一。(4)死亡细胞的细胞膜没有选择透过性。
考法3 设计实验探究酶的本质、作用和特性1.试剂检测法探究酶的本质(1)设计思路:从酶的化学本质上来讲,绝大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA。对酶本质的验证常常是变相地考查蛋白质的鉴定方法,使用双缩脲试剂进行鉴定即可。(2)设计方案
2.对比法探究酶的高效性和专一性(1)探究酶的高效性 ①设计思路:通过将不同类型催化剂(主要是酶与无机催化剂)催化底物的反应速率进行比较,得出结论。②设计方案
注意 用酶和蒸馏水作对照只能证明酶具有催化功能,不能证明酶的高效性。
(2)探究酶的专一性①设计思路:底物不同但酶相同,通过观察酶促反应能否进行得出结论。②设计方案
3.梯度法探究酶的最适温度(pH)(1)设计思路:设计一系列不同温度(pH)的实验组进行相互对照,对比实验结果得出结论。(2)设计方案
命题角度4 实验方案的设计示例4 [2016全国卷Ⅰ,3,6分]若除酶外所有试剂已预保温,则在测定酶活力的实验中,下列操作顺序合理的是A.加入酶→加入底物→加入缓冲液→保温并计时→一段时间后检测产物的量B.加入底物→加入酶→计时→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量C.加入缓冲液→加入底物→加入酶→保温并计时→一段时间后检测产物的量D.加入底物→计时→加入酶→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量
思路分析▶(1)找出关键词:酶活力(即酶活性)、缓冲液(调节酸碱度)、底物(参与化学反应)。(2)解题关键:明确实验单一变量原则。解析▶依题意可知,该实验中pH为无关变量,为了排除pH的干扰,应在酶和底物混合之前加入缓冲液,为酶促反应提供稳定的pH环境,A、B、D项均错误,C项正确。答案▶C
解后反思 解答本题有两个关键点:一是计时开始的“时间点”,底物与酶混合的一瞬间就是计时开始的时间点(A、D项中计时均错误);二是应先调节pH后混合底物与酶(因为酶具有高效性),B项先混合底物与酶,此时反应已经进行,再调pH,已经失去了实验的严谨性。
命题角度5 实验过程的分析与评价示例5 [2016浙江10月选考,18,2分]某同学进行有关酶的实验:组1 1%淀粉溶液+新鲜唾液+本尼迪特试剂→红黄色沉淀组2 2%蔗糖溶液+新鲜唾液+本尼迪特试剂→无红黄色沉淀组3 2%蔗糖溶液+蔗糖酶溶液+本尼迪特试剂→下列叙述错误的是A.自变量是底物和酶B.组3的结果是红黄色沉淀C.指示剂可用碘—碘化钾溶液替代D.实验结果证明酶有专一性
解析▶根据实验分组信息可知本实验的目的是探究酶的专一性,组1和组2对照,自变量是底物,组2和组3对照,自变量是酶的种类,A、D正确;组3中蔗糖酶会催化蔗糖水解形成果糖和葡萄糖,它们为还原糖,即组3实验结果是出现红黄色沉淀,B正确;碘—碘化钾溶液用于检测淀粉,不能检测蔗糖是否水解,不能替代本尼迪特试剂,C错误。答案▶C
情境转化 【科学思维——批判性思维】(1)组1、2对比,能不能证明唾液淀粉酶具有专一性?(2)组2、3对比,能不能证明蔗糖酶具有专一性?提示:(1)组1、2对比能证明唾液淀粉酶具有专一性,因为唾液淀粉酶只能催化淀粉水解,不能催化蔗糖水解;(2)组2、3对比,不能证明蔗糖酶具有专一性,因为该结果没有证明蔗糖酶或唾液淀粉酶能不能催化其他物质的水解。
考点3 ATP的结构和功能
拓展延伸 几种化合物中“A”的含义 图1、2、3、4中都有“A”,但其表示的含义不同,如图所示:
图1中的A为腺苷,由腺嘌呤和核糖组成;图2中的A为腺嘌呤脱氧核苷酸,由1分子腺嘌呤、1分子脱氧核糖和1分子磷酸组成;图3中的A为腺嘌呤核糖核苷酸,由1分子腺嘌呤、1分子核糖和1分子磷酸组成;图4中的A为腺嘌呤。可见,它们的共同点是都含有腺嘌呤。
2.ATP与ADP的相互转化
名师提醒 1.ATP≠能量。ATP是一种高能磷酸化合物,其高能磷酸键水解时能够释放能量,所以ATP是与能量有关的物质,不可将两者等同起来。2.ATP与ADP的相互转化并非简单的可逆反应。从物质方面来看是可逆的,但从需要的酶、进行的场所、能量来看是不可逆的。3.不可认为细胞中含有大量的ATP,也不可认为饥饿时ATP的分解速率大于合成速率。事实上,细胞中ATP的含量很少,只是ATP与ADP的相互转化非常迅速及时。无论是饱食还是饥饿,细胞中ATP与ADP的含量都保持动态平衡。
3.ATP的功能 ATP是细胞中绝大多数需要能量的生命活动的直接能源物质。ATP中的化学能可转变为以下几种形式。(1)机械能:如肌肉的收缩、染色体的运动。(2)电能:如神经冲动的传导、生物电。(3)化学能:如蛋白质或DNA等的合成。(4)光能:如萤火虫发光。
考法4 ATP的合成、利用及其与能量代谢的关系1.归纳法分析细胞内各结构产生与消耗ATP的过程
2.图示法分析ATP与光合作用和细胞呼吸的关系(1)与光合作用的关系
(2)与细胞呼吸的关系
3.肌细胞中ATP产生速率与O2供给量之间的关系
注意 (1)当横坐标表示呼吸作用强度时,ATP产生速率的变化曲线应该从原点开始。(2)哺乳动物成熟的红细胞中,ATP的产生速率几乎与O2供给量无关。
命题角度6 ATP的结构、转化及其与能量代谢的关系示例6 [2016海南,11,2分]下列有关植物细胞能量代谢的叙述,正确的是A.含有两个高能磷酸键的ATP是DNA的基本组成单位之一B.加入呼吸抑制剂可使细胞中ADP生成减少,ATP生成增加C.无氧条件下,丙酮酸转变为酒精的过程中伴随有ATP的合成D.光下叶肉细胞的细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成
解析▶ATP是三磷酸腺苷,而DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸,A项错误;加入呼吸抑制剂可使细胞中ATP生成减少,ADP生成增加,B项错误;无氧条件下,细胞呼吸只在第一阶段有ATP的合成,即只在葡萄糖转变为丙酮酸的过程中有ATP的合成,C项错误;光下叶肉细胞既可以进行细胞呼吸又可以进行光合作用,故在细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成,D项正确。答案▶D
避误区 · 易错易混
易错1 对酶的产生、本质、作用等存在错误认识
示例7 下列关于酶的叙述正确的是A.有些酶的合成不需要RNA聚合酶的参与B.酶适宜在低温、低pH条件下保存C.酶与相应物质结合后才能发挥作用D.细胞环境是酶发挥作用的必要条件解析▶RNA聚合酶催化转录过程,绝大多数酶为蛋白质,少数酶为RNA,蛋白质和RNA的合成都需经过转录,故酶的合成都需要RNA聚合酶参与,A项错误;低pH条件为强酸性条件,该条件可能导致酶的空间结构被破坏,使酶
永久失活,不适宜保存酶,B项错误;酶发挥作用时,通过特定空间结构与底物结合,而后催化底物发生反应,C项正确;酶是由活细胞产生的,其可在细胞内发挥作用,如呼吸相关酶等,也可在细胞外发挥作用,如消化酶等,D项错误。答案▶C错因分析▶本题易因弄不清酶的本质、作用机理和功能而错选。
易错2 对酶的相关实验的理解存在误区1.正确选取试剂:(1)若底物选择淀粉和蔗糖,用淀粉酶来验证酶的专一性,检测底物是否被分解时应选用斐林试剂,不选用碘液,因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。(2)若选择淀粉和淀粉酶为实验材料探究酶的最适温度,检测底物被分解的试剂宜选用碘液,不宜选用斐林试剂,因为用斐林试剂检测时需要水浴加热,而该实验中需严格控制温度。2.合理选取材料:(1)在探究温度对酶活性的影响时,不宜选择过氧化氢和过氧化氢酶为实验材料,因为过氧化氢受热易分解,会影响实验结果。(2)在探究pH对酶活性的影响时,不宜选择淀粉和淀粉酶为实验材料,因为淀粉在酸性条件下会水解,会影响实验结果。
3.科学控制变量:在探究温度(或pH)对酶活性的影响时,宜保证酶的最适pH(或温度),且要将酶溶液的温度(或pH)调至实验要求的温度(或pH)后,再让酶与对应温度(或pH)的底物接触。示例8 下列关于探究酶特性实验的叙述,正确的是A.探究酶的最适pH时进行预实验可减小实验误差B.探究酶的最适温度时,将等量淀粉在不同温度下保温后再与对应温度的淀粉酶混合C.若探究温度对淀粉酶活性的影响,可选择斐林试剂对实验结果进行检测D.若用淀粉、蔗糖和淀粉酶来探究酶的专一性,可用碘液对实验结果进行检测
解析▶探究酶的最适pH时进行预实验是为了初步确定pH的大致范围,减少实验材料的浪费,不能减小实验误差,A项错误。将等量淀粉在不同温度下保温后再与对应温度的淀粉酶混合,保证了酶与底物在混合时有相同的温度,均处于实验要求的温度,可提高实验的准确度,B项正确。斐林试剂的使用需要水浴加热,而该实验的自变量为温度,故不宜选用斐林试剂来检测淀粉是否被分解,C项错误。蔗糖及其分解产物都不能与碘液发生颜色反应,故不能用碘液对实验结果进行检测,D项错误。答案▶B
“双一流”名校冲刺
实验突破3 实验设计的基本原则和实验变量的分析1.实验设计的基本原则归纳(1)科学性原则:科学性原则是指在设计实验时必须有充分的科学根据,不能偏离生物学基础知识和原理。(2)平行重复原则:任何实验都必须能够重复,在同样条件下重复,实验结果应该一致或相近,实验设计时可以通过在一组实验中同时处理多个材料体现重复性原则。(3)对照原则:对照原则是实验设计最基本的原则。对照设计有多种形式,如空白对照(对照组不加任何处理因素)、条件对照(对照组被某些因素处理)、
自身对照(对照处理与实验处理在同一受试生物上进行)、相互对照(几个实验组之间相互对照)等。(4)单一变量原则:单一变量原则是考试中最容易被考生忽视的易错点,实验时一般将无关变量控制在适宜且相同的条件下。2.归纳法分析与酶有关的实验变量
示例9 [2021湖南四地七校联考]某实验小组要对酶的一些性质进行验证,准备了以下材料和用具: 质量分数为2%的唾液淀粉酶溶液、质量分数为20%的新鲜肝脏研磨液、质量分数为3.5%的FeCl3溶液、质量分数为3%的淀粉溶液、质量分数为3%的蔗糖溶液、体积分数为3%的过氧化氢溶液、质量分数为5%的盐酸、质量分数为5%的NaOH溶液、碘液、斐林试剂、蒸馏水、恒温水浴锅、冰块等。请回答下列问题:(1)可选用唾液淀粉酶溶液作为催化剂进行实验验证酶具有专一性,设置两组实验,两组实验的反应底物应分别为 。检验试剂不宜用碘液,理由是 。
(2)若要验证酶的活性是否受pH的影响,上述所给的材料中的淀粉溶液不宜作为反应底物,最主要的原因是 。 (3)如要验证温度对唾液淀粉酶活性的影响, (填“需要”或“不需要”)通过实验确定最适温度值,理由是 。解析▶(1)研究唾液淀粉酶的专一性,选用的反应底物最好是质量分数为3%的淀粉溶液和质量分数为3%的蔗糖溶液,由于淀粉酶可以水解淀粉而不能水解蔗糖。该实验最好用斐林试剂检测,不宜用碘液作为检测试剂,因为无论蔗糖是否被水解,该组实验均无颜色变化。(2)酸性条件下淀粉会水
考点1 酶的本质、作用与特性 必备知识通关 解题能力提升 考法1 酶的作用机理和本质的分析判断 考法2 与酶有关的曲线分析考点2 实验:探究影响酶活性的因素 必备知识通关 解题能力提升 考法3 设计实验探究酶的本质、作用和特性
考点3 ATP的结构和功能 必备知识通关 解题能力提升 考法4 ATP的合成、利用及其与能量代谢的关系 易错1 对酶的产生、本质、作用等存在错误认识 易错2 对酶的相关实验的理解存在误区 “双一流”名校冲刺 实验突破3 实验设计的基本原则和实验变量的分析
课标要求说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质,酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响；实验:探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素；解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
高考怎么考高考多以选择题的形式对酶的特性进行考查,有时也会以非选择题的形式呈现,还可能与其他知识互相渗透、综合考查。ATP的相关知识往往与细胞呼吸、光合作用相结合出现,着重考查考生的分析、判断能力。预计2022年高考仍将延续以酶的概念、作用机理、特性,以及酶活性影响因素等为切入点考查相关基础知识,体现高考的基础性和综合性,试题将渗透科学思维、科学探究等生物学科核心素养。
考点1 酶的本质、作用与特性
助学巧记 巧记酶的“二一一一”
名师提醒1.酶不提供能量,只降低反应的活化能。2.反应前后酶的化学性质和数量均保持不变。3.酶既可以作为催化剂催化化学反应的进行,也可以作为底物被其他酶催化分解。
核心素养·科学思维【批判性思维】酶促反应速率小酶活性一定小吗?提示:温度、pH、底物浓度和酶浓度等也能影响酶促反应速率,但并不改变酶活性,如底物浓度很低的时候,酶促反应速率很小,但是酶活性并不小。
三、比较过氧化氢在不同条件下的分解1.实验原理
(2)比较H2O2在Fe3+、过氧化氢酶等不同条件下气泡的产生速度或点燃但无火焰的卫生香的复燃程度,了解过氧化氢酶的作用。
考法1 酶的作用机理和本质的分析判断1.借助数学模型分析酶的作用机理 与无机催化剂相比,酶降低活化能的作用更显著,两者的比较如图所示。
图中各字母代表的含义:a、b、c分别代表无催化剂、使用无机催化剂、使用酶催化的化学反应过程,E1、E2、E3分别代表进行相应化学反应所需的活化能,ΔE代表与无催化剂相比使用酶后降低的活化能。
2.借助物理模型理解酶的专一性
酶与底物结合时,底物的结构和酶的活性部位的结构十分吻合,就好像一把钥匙配一把锁一样。酶的这种互补形状,使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,这就是“锁钥学说”。
命题角度1 结合文字信息或模型考查酶的本质和特性示例1 [2021陕西咸阳调研]如图表示生物体内某个化学反应,下列关于酶的叙述正确的是
A.图中A表示酶,A是在核糖体上合成的B.图中B表示酶,B一定含有碱基UC.图中A表示酶,A一定是有机物D.图中A表示酶,A只能在生物体内起作用
解析▶酶能降低化学反应的活化能,加快反应速率,但在化学反应前后,酶的结构和数量不变。由图可知,只有A物质在反应前后不发生变化,说明A表示酶,酶的本质是蛋白质或者RNA,不一定是在核糖体上合成的,但一定是有机物,A选项错误、C选项正确;物质B在反应后变为C和D两种物质,所以B为底物,B选项错误;酶在生物体内或体外均可起作用,D错误。答案▶C
情景转化 【科学思维——批判性思维】如何证明酶的专一性?提示:证明酶具有专一性,需要通过“实验”手段,而非“假说”。一般用同一种酶、不同种底物,酶只能催化特定底物发生反应,即可证明酶具有专一性,该实验用模型解释如图所示。
考法2 与酶有关的曲线分析
注意 同一个体不同细胞中,酶的种类和数量会不同,对于同一个细胞而言,在不同的时期或生理状态下,细胞中酶的种类和数量也会发生改变。
命题角度2 酶的特性相关图像分析示例2 图1是对某种酶的某种特性的解释模型,图2、3、4、5是在不同条件下该酶催化的酶促反应的变化情况,据图分析下列说法错误的是
A.图1可说明酶具有专一性,图2可说明酶具有高效性B.由图4、5可判断该酶很可能是麦芽糖酶,其本质是蛋白质C.由图3可判断,一定温度范围内该酶最适pH不受温度影响D.图3中温度和pH对该酶活性的影响机理是完全一样的解析▶分析图1可知,该酶(b)通过与底物(c)结合形成酶—底物复合物,从而降低化学反应的活化能,进而起到催化作用,b催化c生成了e和d,而a不能与b结合,这体现了酶的作用具有专一性;分析图2可知,与加入无机催化剂相比,加入酶可明显缩短反应时间,说明酶具有高效性,A正确。分析图5可知,该酶能催化麦芽糖分解,不能催化蔗糖分解,则该酶可能是麦芽糖酶;由图4可判断该酶的化学本质是蛋白质,B正确。分析图3可知,不同的温度条件下,pH为A时对应的底物剩余量均最少,说明实验温度范围内,该酶的最适pH不受温度影响,C正确。低温条件下,酶并不会失活,而过酸、过碱、高温时酶均会失活,D错误。答案▶D
命题角度3 外界因素对酶活性的影响的曲线分析示例3 [2016全国卷Ⅱ,29,10分]为了研究温度对某种酶活性的影响,设置三个实验组:A组(20 ℃)、B组(40 ℃)和C组(60 ℃),测定各组在不同反应时间内的产物浓度(其他条件相同),结果如图。回答下列问题:
(1)三个温度条件下,该酶活性最高的是 组。 (2)在时间t1之前,如果A组温度提高10 ℃,那么A组酶催化反应的速度会 。(3)如果在时间t2时,向C组反应体系中增加2倍量的底物,其他条件保持不变,那么在t3时,C组产物总量 ,原因是 。
(4)生物体内酶的化学本质是 ,其特性有 (答出两点即可)。思路分析▶解答本题,首先要分析图解,从图中读出三条曲线的关键点:
解析▶(1)图示信息显示:40 ℃条件下产物浓度达到最大值所需时间比20 ℃条件下短,且两曲线上升段斜率40 ℃条件下的大于60 ℃条件下的,故在三个温度条件下,该酶活性最高的是B组。(2)由题图信息可知,在20~40 ℃范围内的酶活性均大于20 ℃时的酶活性,故在t1之前,如果A组温度提高10 ℃,那么A组酶催化反应的速度会加快。(3)图示信息显示:在t2时,60 ℃条件下的酶已失活,故此时增加底物,产物总量不会增加。(4)绝大多数酶的化学本质是蛋白质,少数酶的化学本质是RNA;酶的特性包括高效性、专一性、作用条件较温和。答案▶(1)B (2)加快 (3)不变 60 ℃条件下,t2时酶已失活,即使增加底物,反应产物总量也不会增加 (4)蛋白质或RNA 高效性、专一性和作用条件较温和(答出两点即可)
疑难剖析 很多考生对“60 ℃对应的曲线中,t1时间点以前有产物生成”表示疑惑。实际上,酶失活需要一定的时间,酶放入高温环境中不会立即失活。高温环境下酶没有失活时是有催化作用的。就像是煮鸡蛋,水开了并不等于鸡蛋熟了,而是在开水中煮上一段时间后,鸡蛋才完全变熟。这也警示我们:探究温度对酶活性的影响时,应该将酶置于某温度下保温一段时间,然后再与相应温度下的底物混合。
情境转化 1.科学思维——分析与综合(1)根据该实验结果 (填“能”或“不能”)判断该酶的最适温度,原因是 。 (2)图中体现酶的特性是 。 (3)在时间t1之前,如果B组温度提高10 ℃,那么B组酶促反应速率变化趋势是 ,原因是 。 2.科学探究——设计实验方案 如果已确定该酶可以催化葡萄糖分解,其化学本质是蛋白质,请设计实验,精确探究该种酶的最适温度,写出实验的基本思路即可。
答案▶1.(1)不能 不同温度分组太少,不能确定最适温度(答案合理即可) (2)酶的作用条件较温和 (3)不确定(答案合理即可) B组温度提高10 ℃后,如果没有达到最适温度,则酶促反应速率会增大,如果超过最适温度,则酶促反应速率可能增大、不变或减小 2.先确定系列等温度梯度实验组,再选择砖红色沉淀较少的两组实验,在二者对应温度之间以更小的温度梯度设置实验组进行探究。(答案合理即可)
考点2 实验:探究影响酶活性的因素
1.探究温度对酶活性的影响(1)实验原理
②温度影响淀粉酶的活性,从而影响淀粉的分解,滴加碘液后,根据蓝色深浅来判断淀粉分解状况,进而推断出酶活性的变化。
(3)实验结论:温度能影响酶的活性,酶的活性有一定的适宜温度范围。2.pH对酶活性的影响(1)实验原理:过氧化氢在过氧化氢酶的作用下分解为水和氧气,pH影响酶的活性,从而影响氧气的产生速率,可用点燃但无火焰的卫生香的复燃程度来检验氧气的产生速率。
(3)实验结论:pH影响酶的活性,酶的活性有一定的适宜pH范围。
2.不同生理状态下细胞膜的成分及功能分析(1)衰老细胞的细胞膜通透性发生改变,物质运输功能下降。(2)代谢旺盛的细胞物质运输速度快,需要的载体种类和数目多,细胞膜上蛋白质的种类和含量较多。(3)细胞癌变后:①细胞膜上的糖蛋白等减少,癌细胞之间的黏着性降低,易于分散和转移;②产生甲胎蛋白和癌胚抗原等物质,可作为判断细胞是否癌变的指标之一。(4)死亡细胞的细胞膜没有选择透过性。
考法3 设计实验探究酶的本质、作用和特性1.试剂检测法探究酶的本质(1)设计思路:从酶的化学本质上来讲,绝大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA。对酶本质的验证常常是变相地考查蛋白质的鉴定方法,使用双缩脲试剂进行鉴定即可。(2)设计方案
2.对比法探究酶的高效性和专一性(1)探究酶的高效性 ①设计思路:通过将不同类型催化剂(主要是酶与无机催化剂)催化底物的反应速率进行比较,得出结论。②设计方案
注意 用酶和蒸馏水作对照只能证明酶具有催化功能,不能证明酶的高效性。
(2)探究酶的专一性①设计思路:底物不同但酶相同,通过观察酶促反应能否进行得出结论。②设计方案
3.梯度法探究酶的最适温度(pH)(1)设计思路:设计一系列不同温度(pH)的实验组进行相互对照,对比实验结果得出结论。(2)设计方案
命题角度4 实验方案的设计示例4 [2016全国卷Ⅰ,3,6分]若除酶外所有试剂已预保温,则在测定酶活力的实验中,下列操作顺序合理的是A.加入酶→加入底物→加入缓冲液→保温并计时→一段时间后检测产物的量B.加入底物→加入酶→计时→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量C.加入缓冲液→加入底物→加入酶→保温并计时→一段时间后检测产物的量D.加入底物→计时→加入酶→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量
思路分析▶(1)找出关键词:酶活力(即酶活性)、缓冲液(调节酸碱度)、底物(参与化学反应)。(2)解题关键:明确实验单一变量原则。解析▶依题意可知,该实验中pH为无关变量,为了排除pH的干扰,应在酶和底物混合之前加入缓冲液,为酶促反应提供稳定的pH环境,A、B、D项均错误,C项正确。答案▶C
解后反思 解答本题有两个关键点:一是计时开始的“时间点”,底物与酶混合的一瞬间就是计时开始的时间点(A、D项中计时均错误);二是应先调节pH后混合底物与酶(因为酶具有高效性),B项先混合底物与酶,此时反应已经进行,再调pH,已经失去了实验的严谨性。
命题角度5 实验过程的分析与评价示例5 [2016浙江10月选考,18,2分]某同学进行有关酶的实验:组1 1%淀粉溶液+新鲜唾液+本尼迪特试剂→红黄色沉淀组2 2%蔗糖溶液+新鲜唾液+本尼迪特试剂→无红黄色沉淀组3 2%蔗糖溶液+蔗糖酶溶液+本尼迪特试剂→下列叙述错误的是A.自变量是底物和酶B.组3的结果是红黄色沉淀C.指示剂可用碘—碘化钾溶液替代D.实验结果证明酶有专一性
解析▶根据实验分组信息可知本实验的目的是探究酶的专一性,组1和组2对照,自变量是底物,组2和组3对照,自变量是酶的种类,A、D正确;组3中蔗糖酶会催化蔗糖水解形成果糖和葡萄糖,它们为还原糖,即组3实验结果是出现红黄色沉淀,B正确;碘—碘化钾溶液用于检测淀粉,不能检测蔗糖是否水解,不能替代本尼迪特试剂,C错误。答案▶C
情境转化 【科学思维——批判性思维】(1)组1、2对比,能不能证明唾液淀粉酶具有专一性?(2)组2、3对比,能不能证明蔗糖酶具有专一性?提示:(1)组1、2对比能证明唾液淀粉酶具有专一性,因为唾液淀粉酶只能催化淀粉水解,不能催化蔗糖水解;(2)组2、3对比,不能证明蔗糖酶具有专一性,因为该结果没有证明蔗糖酶或唾液淀粉酶能不能催化其他物质的水解。
考点3 ATP的结构和功能
拓展延伸 几种化合物中“A”的含义 图1、2、3、4中都有“A”,但其表示的含义不同,如图所示:
图1中的A为腺苷,由腺嘌呤和核糖组成;图2中的A为腺嘌呤脱氧核苷酸,由1分子腺嘌呤、1分子脱氧核糖和1分子磷酸组成;图3中的A为腺嘌呤核糖核苷酸,由1分子腺嘌呤、1分子核糖和1分子磷酸组成;图4中的A为腺嘌呤。可见,它们的共同点是都含有腺嘌呤。
2.ATP与ADP的相互转化
名师提醒 1.ATP≠能量。ATP是一种高能磷酸化合物,其高能磷酸键水解时能够释放能量,所以ATP是与能量有关的物质,不可将两者等同起来。2.ATP与ADP的相互转化并非简单的可逆反应。从物质方面来看是可逆的,但从需要的酶、进行的场所、能量来看是不可逆的。3.不可认为细胞中含有大量的ATP,也不可认为饥饿时ATP的分解速率大于合成速率。事实上,细胞中ATP的含量很少,只是ATP与ADP的相互转化非常迅速及时。无论是饱食还是饥饿,细胞中ATP与ADP的含量都保持动态平衡。
3.ATP的功能 ATP是细胞中绝大多数需要能量的生命活动的直接能源物质。ATP中的化学能可转变为以下几种形式。(1)机械能:如肌肉的收缩、染色体的运动。(2)电能:如神经冲动的传导、生物电。(3)化学能:如蛋白质或DNA等的合成。(4)光能:如萤火虫发光。
考法4 ATP的合成、利用及其与能量代谢的关系1.归纳法分析细胞内各结构产生与消耗ATP的过程
2.图示法分析ATP与光合作用和细胞呼吸的关系(1)与光合作用的关系
(2)与细胞呼吸的关系
3.肌细胞中ATP产生速率与O2供给量之间的关系
注意 (1)当横坐标表示呼吸作用强度时,ATP产生速率的变化曲线应该从原点开始。(2)哺乳动物成熟的红细胞中,ATP的产生速率几乎与O2供给量无关。
命题角度6 ATP的结构、转化及其与能量代谢的关系示例6 [2016海南,11,2分]下列有关植物细胞能量代谢的叙述,正确的是A.含有两个高能磷酸键的ATP是DNA的基本组成单位之一B.加入呼吸抑制剂可使细胞中ADP生成减少,ATP生成增加C.无氧条件下,丙酮酸转变为酒精的过程中伴随有ATP的合成D.光下叶肉细胞的细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成
解析▶ATP是三磷酸腺苷,而DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸,A项错误;加入呼吸抑制剂可使细胞中ATP生成减少,ADP生成增加,B项错误;无氧条件下,细胞呼吸只在第一阶段有ATP的合成,即只在葡萄糖转变为丙酮酸的过程中有ATP的合成,C项错误;光下叶肉细胞既可以进行细胞呼吸又可以进行光合作用,故在细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成,D项正确。答案▶D
避误区 · 易错易混
易错1 对酶的产生、本质、作用等存在错误认识
示例7 下列关于酶的叙述正确的是A.有些酶的合成不需要RNA聚合酶的参与B.酶适宜在低温、低pH条件下保存C.酶与相应物质结合后才能发挥作用D.细胞环境是酶发挥作用的必要条件解析▶RNA聚合酶催化转录过程,绝大多数酶为蛋白质,少数酶为RNA,蛋白质和RNA的合成都需经过转录,故酶的合成都需要RNA聚合酶参与,A项错误;低pH条件为强酸性条件,该条件可能导致酶的空间结构被破坏,使酶
永久失活,不适宜保存酶,B项错误;酶发挥作用时,通过特定空间结构与底物结合,而后催化底物发生反应,C项正确;酶是由活细胞产生的,其可在细胞内发挥作用,如呼吸相关酶等,也可在细胞外发挥作用,如消化酶等,D项错误。答案▶C错因分析▶本题易因弄不清酶的本质、作用机理和功能而错选。
易错2 对酶的相关实验的理解存在误区1.正确选取试剂:(1)若底物选择淀粉和蔗糖,用淀粉酶来验证酶的专一性,检测底物是否被分解时应选用斐林试剂,不选用碘液,因为碘液无法检测蔗糖是否被分解。(2)若选择淀粉和淀粉酶为实验材料探究酶的最适温度,检测底物被分解的试剂宜选用碘液,不宜选用斐林试剂,因为用斐林试剂检测时需要水浴加热,而该实验中需严格控制温度。2.合理选取材料:(1)在探究温度对酶活性的影响时,不宜选择过氧化氢和过氧化氢酶为实验材料,因为过氧化氢受热易分解,会影响实验结果。(2)在探究pH对酶活性的影响时,不宜选择淀粉和淀粉酶为实验材料,因为淀粉在酸性条件下会水解,会影响实验结果。
3.科学控制变量:在探究温度(或pH)对酶活性的影响时,宜保证酶的最适pH(或温度),且要将酶溶液的温度(或pH)调至实验要求的温度(或pH)后,再让酶与对应温度(或pH)的底物接触。示例8 下列关于探究酶特性实验的叙述,正确的是A.探究酶的最适pH时进行预实验可减小实验误差B.探究酶的最适温度时,将等量淀粉在不同温度下保温后再与对应温度的淀粉酶混合C.若探究温度对淀粉酶活性的影响,可选择斐林试剂对实验结果进行检测D.若用淀粉、蔗糖和淀粉酶来探究酶的专一性,可用碘液对实验结果进行检测
解析▶探究酶的最适pH时进行预实验是为了初步确定pH的大致范围,减少实验材料的浪费,不能减小实验误差,A项错误。将等量淀粉在不同温度下保温后再与对应温度的淀粉酶混合,保证了酶与底物在混合时有相同的温度,均处于实验要求的温度,可提高实验的准确度,B项正确。斐林试剂的使用需要水浴加热,而该实验的自变量为温度,故不宜选用斐林试剂来检测淀粉是否被分解,C项错误。蔗糖及其分解产物都不能与碘液发生颜色反应,故不能用碘液对实验结果进行检测,D项错误。答案▶B
“双一流”名校冲刺
实验突破3 实验设计的基本原则和实验变量的分析1.实验设计的基本原则归纳(1)科学性原则:科学性原则是指在设计实验时必须有充分的科学根据,不能偏离生物学基础知识和原理。(2)平行重复原则:任何实验都必须能够重复,在同样条件下重复,实验结果应该一致或相近,实验设计时可以通过在一组实验中同时处理多个材料体现重复性原则。(3)对照原则:对照原则是实验设计最基本的原则。对照设计有多种形式,如空白对照(对照组不加任何处理因素)、条件对照(对照组被某些因素处理)、
自身对照(对照处理与实验处理在同一受试生物上进行)、相互对照(几个实验组之间相互对照)等。(4)单一变量原则:单一变量原则是考试中最容易被考生忽视的易错点,实验时一般将无关变量控制在适宜且相同的条件下。2.归纳法分析与酶有关的实验变量
示例9 [2021湖南四地七校联考]某实验小组要对酶的一些性质进行验证,准备了以下材料和用具: 质量分数为2%的唾液淀粉酶溶液、质量分数为20%的新鲜肝脏研磨液、质量分数为3.5%的FeCl3溶液、质量分数为3%的淀粉溶液、质量分数为3%的蔗糖溶液、体积分数为3%的过氧化氢溶液、质量分数为5%的盐酸、质量分数为5%的NaOH溶液、碘液、斐林试剂、蒸馏水、恒温水浴锅、冰块等。请回答下列问题:(1)可选用唾液淀粉酶溶液作为催化剂进行实验验证酶具有专一性,设置两组实验,两组实验的反应底物应分别为 。检验试剂不宜用碘液,理由是 。
(2)若要验证酶的活性是否受pH的影响,上述所给的材料中的淀粉溶液不宜作为反应底物,最主要的原因是 。 (3)如要验证温度对唾液淀粉酶活性的影响, (填“需要”或“不需要”)通过实验确定最适温度值,理由是 。解析▶(1)研究唾液淀粉酶的专一性,选用的反应底物最好是质量分数为3%的淀粉溶液和质量分数为3%的蔗糖溶液,由于淀粉酶可以水解淀粉而不能水解蔗糖。该实验最好用斐林试剂检测,不宜用碘液作为检测试剂,因为无论蔗糖是否被水解,该组实验均无颜色变化。(2)酸性条件下淀粉会水
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