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2022年蘇教版生物必修1第一節(jié)《ATP和酶》word學案一
學習目標
1.解釋：ATP是細胞內的能量“貨幣”。
2.舉例說明酶的特性和酶促反應的過程。
3.探究影響酶活性的因素。
學習提示
ATP的生理功能，酶的概念及催化特點是本節(jié)的重點，ATP和ADP之間的相互轉化是本節(jié)的難點。
學習過程
一、ATP的結構簡式
ATP也叫三磷酸腺苷、腺三磷。ATP的分子結構比較復雜，它的結構式是：
“～”代表水解時產生高能的鍵
二、ATP與ADP的相互轉化
生活細胞在生命活動中無時無刻不需要能量供應，可以理解ATP的消耗是可觀的，ATP形成依靠反應不斷在轉化中產生能量，
2、同時也靠它不斷補充自己。定量測定表明，細胞內ATP的含量是比較平穩(wěn)的。這種相對穩(wěn)定的濃度如何能滿足某些細胞生命活動的需要呢？
例如處于強烈運動的肌肉細胞對ATP的大量需要，這就要求ATP和ADP轉換速度能夠隨細胞活動的需要而不斷變化。細胞合成ATP的速度受細胞消耗ATP速度的調控，ADP的含量對ATP的合成速度起直接的調控作用。細胞內有一系列的調節(jié)系統(tǒng)，一方面提供細胞所需的ATP，另一方面使ATP仍能維持相對恒定的水平，這就是動態(tài)平衡。ATP和ADP的相互轉化不是可逆的，因為反應的酶和能量的形式都不同。例如ATP水解成ADP、Pi的過程中所釋放的能量可以用于：①機械能；②電能；③滲透能；④化
3、學能；⑤光能；⑥熱能。
三、酶的特性
科學研究表明，所有的酶在適宜的條件下，都能使生物體內復雜的化學反應迅速地進行，而酶本身并不發(fā)生變化。我們知道生物體外有許多化學反應需要無機催化劑才能進行，那么，酶與無機催比劑相比，具有什么不同的特點呢？酶作為催化劑參加一次化學反應之后，酶分子立即恢復到原來的狀態(tài)，繼續(xù)參加反應，所以一定量的酶在短時間內能催化大量的底物發(fā)生反應。
1.酶具有高效性
生物體內的大多數反應，在沒有酶的情況下，幾乎是不能進行的，即使像CO2與水的合成作用這樣簡單的反應也是通過體內碳酸酐酶催化的。
2.酶具有專一性
唾液淀粉酶只能催化淀粉水解，對蔗糖則不起催化作用。應
4、該說明的是，生物體內有些酶能夠催化某些分子結構相近的物質。這就是說，酶的催化作用具有專一性的特點。
一種酶只能作用于某一類或某一種特定的物質。這就是酶作用的專一性。通常把被酶作用的物質稱為該酶的底物。所以也可以說一種酶只作用于一種或一類底物。而一般的無機催化劑沒有這么嚴格的選擇性。氫離子可以催化淀粉、脂肪和蛋白質的水解，而淀粉酶只能催化淀粉糖苷鍵的水解。蛋白酶只能催化蛋白質的肽鍵的水解，脂肪酶只能催化脂肪酯鍵的水解，而對其他類物質則沒有催化作用。
3.酶需要適宜的條件
酶的化學本質除有催化活性的RNA之外幾乎都是蛋白質。到目前為止，被人們分離純化研究的酶已有數千種，經過物理和化學方法的分
5、析，證明了絕大多數酶的化學本質是蛋白質。酶是由細胞產生的生物大分子，凡能使生物大分子變性的因素，如高溫、強酸、重金屬鹽等都能使酶失去催化活性，因此酶所催化的反應往往都是比較溫和的常溫、常壓和接近中性酸堿條件下進行。例如：生物固氮在微生物中是由固氮酶催化的，通常在27℃和中性條件下進行，每年可從空氣中將億噸左右的氮固定下來。而在工業(yè)上合成氨，需要在500℃，幾百個大氣壓下才能完成。
（1）溫度對酶活性的影響
大多數化學反應的速率都和溫度有關，酶催化的反應也不例外。如果在不同溫度條件下進行某種酶反應，然后將測得的反應速率相對于溫度作圖，即可得到如右圖所示的鐘罩形曲線。從圖上曲線可以看出，在較低
6、的溫度范圍內，酶反應速率隨溫度升高而增大，但超過一定溫度后，反應速率反而下降，因此只有在某一溫度下，反應速率達到最大值，這個通常就稱為酶反應的最適溫度。每種酶在一定條件下都有其最適溫度。一般講，動物細胞內酶的最適溫度在35～40℃，植物細胞中酶的最適溫度稍高，通常在40～50℃之間，微生物中酶的最適宜溫度差別較大，如DNA聚合酶的最適溫度可達到70℃。
溫度對酶促反應速率的影響表現在兩個方面：一方面是當溫度升高時，與一般化學反應一樣，反應速率加快。另一方面由于酶是蛋白質，隨著溫度升高，使酶蛋白逐漸變性而失活，引起酶反應速率下降。酶所表現的最適溫度是這兩種影響的綜合結果。酶的活性雖然隨溫度的下
7、降而降低，但低溫一般不會使酶破壞。溫度回升后，酶又可以恢復活性。臨床上低溫麻醉便是利用酶的這一性質以減慢組織細胞的代謝速度，提高機體對氧和營養(yǎng)物質缺乏的耐受性，低溫保存菌種也是基于這一原理。
（2）pH對酶活性的影響
酶的活力受環(huán)境pH的影響，在一定pH下，酶表現最大活力，高于或低于此pH，酶活力降低，通常把表現出酶最大活力的pH稱為該酶的最適pH。
各種酶在一定條件下都有其特定的最適pH,因此最適pH是酶的特性之一，但酶的最適pH不是一個常數，受許多因素影響，隨底物種類和濃度，緩沖液種類和濃度的不同而改變，因此最適pH只有在一定條件下才有意義。pH影響酶活力的原因可能有以下幾個方面：①
8、過酸或過堿可以使酶的空間結構破壞，引起酶構象的改變，酶活性喪失。②當pH改變范圍不很大時，酶雖未變性，但活力受到影響，pH影響了底物的解離狀態(tài)，或者使底物不能和酶結合，或者結合后不能生成產物，pH影響酶分子活性部位上有關基因的解離，從而影響與底物的結合或催化，使酶活性降低，也可能影響到中間絡合物ES的解離狀態(tài)，不利于催化生成產物。
（3）酶促反應
由酶催化的化學反應稱為酶促反應。
四、邊做邊學
實驗一：討論 答案：新鮮酵母菌液中含有過氧化氫酶，與蒸餾水形成對照實驗，結果表明過氧化氫酶能催化過氧化氫分解。
實驗二：討論 1.答案：能確定 生成麥芽糖
2.答案：專一性
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知識閱讀
新奇的生物催化劑
1982年美國生物化學家西卡在《細胞》雜志上發(fā)表一篇論文，他宣布自己已發(fā)現生物催化劑的新成員。這個消息像長了翅膀一樣傳遍了世界，被稱為一項激動人心的發(fā)現。
什么是生物催化劑？
任何生物的生存，每時每刻都要進行一系列的化學變化，這些化學變化的總稱叫做新陳代謝。雖然，生物體內的化學變化既多又復雜，但是它們只在常溫常壓下完成，例如有一種叫做根瘤菌的微生物，它在常溫、常壓下能把空氣中的氮氣固定下來，使之成為植物需要的含氮化合物，而人們要做到這一點，則需要幾百大氣壓和幾百度的高溫。
那么生物體為什么有這些本領呢？
原來，生物體內廣泛存在一種特殊催化劑——酶，它
10、能有效地降低參加化學反應的各分子的活化能，使生物能夠快速高效地完成各種復雜反應，例如植物的光合作用，牛吃草變成牛奶，牛奶變酸，淀粉發(fā)酵，食物消化……無一不是在酶參加下發(fā)生和完成的，因此長期以來科學家把酶稱為生物催化劑，它算得上一個老牌生物催化劑了。
酶是蛋白質，廣泛存在于生物體內，至今人類已發(fā)現2000多種酶，其中被提純、結晶的有100種，作為商品生產的有120種，已在工業(yè)上應用的有60多種。所以長期以來人們總以為生物催化劑只有酶這一“家”，別無分號。
西卡的新發(fā)現
1982年的春天，西卡在研究一種名叫嗜熱四膜蟲的單細胞微生物中，發(fā)現這種微生物的核糖體中的前面一段核糖核酸（西卡稱之為“前
11、體核糖核酸”），能夠自我拼接，也可以環(huán)化斷鍵。開始西卡以為一定有酶在幫助核糖核酸反應，但是他經過多次分析，把一切現代化辦法都用上，還是沒有發(fā)現任何蛋白質存在，這使西卡想到，難道生物體內還存在一種非酶生物催化劑嗎？
經過一番細致研究后，他發(fā)現這種前體核糖核酸（簡稱pre-RNA）有如下催化特性：它催化效率很高，能有效地降低分子活化能，從而使共價鍵破裂和再生；它有很大選擇性，在核糖核酸130個部位中只使兩個特定部位斷鍵；它對溫度和溶液的酸堿度十分敏感，在高溫和強酸、強堿下往往會失去活性。西卡的這一系列發(fā)現，都說明前體核糖核酸是一種新的生物催化劑。
與酶的異同
酶和前體核糖核酸都是生物催化劑，
12、所以在催化特點上有很多相似之處。主要相同的地方是都有嚴格的專一性，一般來說，它們只能促進少數同類物甚至僅一種物質、一個部位的化學變化，有時對被催化物質的空間構型也有選擇性。另外相同的是高效性，它們不僅催化效率都很高，而且都不需要高溫和高壓等條件。最后一點相似的地方，是兩者都是十分敏感的物質，例如溫度和溶液酸堿度，對它們催化活性影響很大，一般超過一定溫度就失去活性，而且某些金屬的鹽和某些負離子往往會降低以致破壞它們的催化作用。
那么，酶和前體核糖核酸有沒有不同之處呢？
有的，它們的組成不一樣，酶都是蛋白質，而前體核糖核酸是核酸。在催化特性上也有不同的地方，酶在催化作用后本身組成不變，而且活性往往能夠恢復。而前體核糖核酸發(fā)揮催化作用后就會失去活力，而催化后本身組成往往也改變了，并且不能恢復。
前途無量
西卡發(fā)現新的生物催化劑的意義是很大的，這不僅打破了認為生物催化劑只有酶一“家”的傳統(tǒng)觀念，尤為重要的是，西卡的發(fā)現給生命的起源和演變提供了一個新的線索?？梢韵胂笤诘厍蛟己Ｑ罄?，當形成核酸后，它就可能催化自身變化，這對揭開生命的秘密，又得到一把“金鑰匙”。同時它也給人們一個啟示，核酸類催化劑，能否也像酶那樣有幾百甚至幾千種呢？
2022年蘇教版生物必修1第一節(jié)《ATP和酶》word學案一
