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酶和ATP
1.ATP的结构
归纳如下:
注意:(1) ATP不是细胞中“唯一”的直接能源物质,除ATP外细胞中直接能源物质还有GTP、CTP、UTP等。
(2)ATP是与能量有关的一种物质,不可等同于能量:ATP是一种高能磷酸化合物,高能磷酸键水解时能够释放出高达30.54 kJ/mol的能量。
2.ATP和ADP的相互转化
(1)转化基础
ATP的化学性质不稳定,远离腺苷(A)的高能磷酸键容易断裂和重建。
(2)ATP和ADP的相互转化过程比较
注意:(1) ATP与ADP相互转化不可逆:ATP与ADP的相互转化,从物质方面来看是可逆的,从酶、进行的场所、能量方面来看是不可逆的。
(2)不可误认为细胞中含有大量ATP,事实上,细胞中ATP含量很少,只是ATP与ADP转化非常迅速及时。无论是饱食还是饥饿,ATP与ADP含量都保持动态平衡。
(3)误认为ATP转化为ADP不消耗水:ATP转化为ADP又称为“ATP的水解反应”,这一过程需ATP水解酶的催化,同时也需要消耗水。蛋白质、脂肪、淀粉等的水解也都需要消耗水。
(4) 细胞内产生与消耗ATP的生理过程
转化场所
常见的生理过程
细胞膜
消耗ATP:主动运输、胞吞、胞吐
细胞质基质
产生ATP:细胞呼吸第一阶段
叶绿体
产生ATP:光反应
消耗ATP:暗反应和自身DNA复制、转录、翻译等
线粒体
产生ATP:有氧呼吸第二、三阶段
消耗ATP:自身DNA复制、转录、翻译等
核糖体
消耗ATP:蛋白质的合成
细胞核
消耗ATP:DNA复制、转录等
3.ATP产生量与O2供给量的关系分析
注意事项:(1)哺乳动物成熟红细胞中ATP产生量与O2供给量关系:
4.酶的作用与本质
注意: (1)从酶的化学本质上讲,绝大多数酶是蛋白质,少数酶是RNA。在高中教材中常见的一些酶(如淀粉酶、蛋白酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等),若无特别说明,其本质都是蛋白质。
(2)若题目信息中告知某催化功能的物质经蛋白酶处理后“丧失活性”,则该酶为蛋白质,仍具活性,则该酶为RNA。
5.酶的作用机理分析
(1)ca段的含义是在无催化剂的条件下,反应所需要的活化能。
(2)ba段的含义是酶降低的活化能。
(3)若将酶催化改为无机催化剂催化该反应,则b点在纵轴上将向上移动。
注意:对酶在细胞代谢中作用的理解
(1)酶只能催化热力学上允许进行的反应。
(2)酶通过降低活化能加快化学反应速率。
(3)酶只提高化学反应速率,缩短反应时间,不会改变化学平衡的位置。
(4)在反应前后,酶的化学性质和数量将保持不变。
(5)用加热的方法不能降低活化能,但会提供活化能。
6.实验: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
7.酶本质的探索历程
8.酶的特性
(1)高效性:与无机催化剂相比,酶降低化学反应活化能的作用更显著,催化效率更高。
①与无机催化剂相比,酶的催化效率更高。
②a、b→酶的催化具有高效性;a、c→酶具有催化作用。
(2)专一性:每一种酶只能催化一种或一类化学反应。
①物理模型——“锁和钥匙学说”
a.图中A表示酶,B表示被A催化的底物,E、F表示B被分解后产生的物质,C、D表示不能被A催化的物质。
b.酶和被催化的反应物分子都有特定的结构。
②曲线模型:
a.加入酶B的反应速率和无酶条件下的反应速率相同,说明酶B对此反应无催化作用。
b.加入酶A的反应速率一定范围内随反应物浓度的增大明显加快,说明酶A可催化该反应,即酶具有专一性。
9.影响酶促反应速率的因素分析
注意: (1)同一个体不同细胞中,酶的种类和数量不同。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。
(2)酶促反应速率与酶活性不同。温度和pH通过影响酶活性进而影响酶促反应速率;底物浓度和酶浓度也能影响酶促反应速率,但并未改变酶活性。
(3)影响因素制约酶活性的机理
①高温、过酸、过碱——可破坏酶分子空间结构而导致酶永久性失活(不可逆转)。
②低温——仅抑制酶活性,并不破坏酶分子空间结构,当温度适当升高时活性尚可恢复。
③酶活性还受某些激活剂或抑制剂的影响,前者可提升酶活性,后者则降低酶活性。
10.酶在生活中的应用实例
(1)人发烧时不想吃东西,是因为体温升高导致消化酶活性降低,食物在消化道中消化缓慢。
(2)唾液淀粉酶随食物进入胃内就会失活,是因为唾液淀粉酶的最适pH为6.8,而胃液的pH为0.9~1.5。此外,胃蛋白酶的最适pH为1.5,小肠中的消化酶的最适pH为8.0~9.0。
(3)胰岛素等蛋白质类或多肽类激素只能注射,不能口服,是因为口服会导致该类激素被蛋白酶和肽酶分解而失效。固醇类激素(如性激素)和氨基酸衍生物类激素(如甲状腺激素)因不会被消化酶分解,既可以注射,也可以口服。
11.比较“酶”与“激素”
12.与酶相关的实验探究——“三法”探究酶本质及特性
①用“试剂检测法”鉴定酶的本质
可采用“试剂检测法”或“蛋白酶水解法”确认酶的化学本质。
②用“对比实验法”探究或验证酶的高效性、专一性及影响酶活性的因素
(1)验证酶的高效性
实验中自变量是无机催化剂和酶,因变量是反应速率。
(2)探究酶的专一性
自变量可以是不同反应物,也可以是不同酶溶液,因变量是反应物是否被分解。
①设计思路一:换反应物不换酶
②设计思路二:换酶不换反应物
③用“梯度法”探究影响酶活性的因素(温度或pH)
(1)设计思路:设计实验时需设置一系列不同温度(或pH)的实验组进行相互对照,最后根据实验现象得出结论。酶促反应所需时间最短的一组对应的温度(或pH)最接近最适温度(或pH)。相邻组间的差值(即梯度值)越小,测定的最适温度(或pH)就越精确。
底物t1温度(或pH1)下+酶t1温度(或pH1)下
底物t2温度(或pH2)下+酶t2温度(或pH2)下
⋮  ⋮    ⋮
底物tn温度(或pHn)下+酶tn温度(或pHn)下
(2)设计方案
注意:(1)影响酶活性的因素主要有温度、pH等。当考查其中一种因素对酶活性的影响时,其他因素是无关变量,要在实验过程中保持相同且适宜。
(2)在探究温度或pH对酶活性的影响时,一定要把酶和底物在各自的温度或pH下处理一段时间,然后再混合。
(3)
13.有关酶的常考易错易混点
项目
正确说法
错误说法
化学本质
绝大多数是蛋白质,少数是RNA
酶的本质是蛋白质
产生部位
一般来说,凡是活细胞都能产生酶(不考虑哺乳动物的成熟红细胞)
具有分泌功能的细胞才能产生酶
合成原料
氨基酸或核糖核苷酸
氨基酸
合成场所
核糖体或细胞核等
核糖体
生理功能
生物催化剂,只起催化作用
酶具有调节、催化等多种功能
来源
生物体内合成
有的来源于食物
作用场所
既可在细胞内,也可在细胞外、体外发挥作用
只有细胞内起催化作用
温度影响
低温影响酶的活性,不破坏酶的结构,但高温易使酶失活
低温会引起酶变性失活
作用机理
催化已存在的化学反应,降低化学反应的活化能,改变化学反应的速率
产生新的化学反应,或提供化学反应的活化能,或改变反应方向和平衡常数
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