2022年蘇教版生物必修1第一節(jié)《ATP和酶》word學(xué)案一

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1、 2022年蘇教版生物必修1第一節(jié)《ATP和酶》word學(xué)案一 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.解釋?zhuān)篈TP是細(xì)胞內(nèi)的能量“貨幣”。 2.舉例說(shuō)明酶的特性和酶促反應(yīng)的過(guò)程。 3.探究影響酶活性的因素。 學(xué)習(xí)提示 ATP的生理功能，酶的概念及催化特點(diǎn)是本節(jié)的重點(diǎn)，ATP和ADP之間的相互轉(zhuǎn)化是本節(jié)的難點(diǎn)。 學(xué)習(xí)過(guò)程 一、ATP的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式 ATP也叫三磷酸腺苷、腺三磷。ATP的分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它的結(jié)構(gòu)式是： “～”代表水解時(shí)產(chǎn)生高能的鍵 二、ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化 生活細(xì)胞在生命活動(dòng)中無(wú)時(shí)無(wú)刻不需要能量供應(yīng)，可以理解ATP的消耗是可觀的，ATP形成依靠反應(yīng)不斷在轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生能量，

2、同時(shí)也靠它不斷補(bǔ)充自己。定量測(cè)定表明，細(xì)胞內(nèi)ATP的含量是比較平穩(wěn)的。這種相對(duì)穩(wěn)定的濃度如何能滿(mǎn)足某些細(xì)胞生命活動(dòng)的需要呢？ 例如處于強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)的肌肉細(xì)胞對(duì)ATP的大量需要，這就要求ATP和ADP轉(zhuǎn)換速度能夠隨細(xì)胞活動(dòng)的需要而不斷變化。細(xì)胞合成ATP的速度受細(xì)胞消耗ATP速度的調(diào)控，ADP的含量對(duì)ATP的合成速度起直接的調(diào)控作用。細(xì)胞內(nèi)有一系列的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一方面提供細(xì)胞所需的ATP，另一方面使ATP仍能維持相對(duì)恒定的水平，這就是動(dòng)態(tài)平衡。ATP和ADP的相互轉(zhuǎn)化不是可逆的，因?yàn)榉磻?yīng)的酶和能量的形式都不同。例如ATP水解成ADP、Pi的過(guò)程中所釋放的能量可以用于：①機(jī)械能；②電能；③滲透能；④化

3、學(xué)能；⑤光能；⑥熱能。 三、酶的特性 科學(xué)研究表明，所有的酶在適宜的條件下，都能使生物體內(nèi)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)迅速地進(jìn)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(xué)反應(yīng)需要無(wú)機(jī)催化劑才能進(jìn)行，那么，酶與無(wú)機(jī)催比劑相比，具有什么不同的特點(diǎn)呢？酶作為催化劑參加一次化學(xué)反應(yīng)之后，酶分子立即恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，繼續(xù)參加反應(yīng)，所以一定量的酶在短時(shí)間內(nèi)能催化大量的底物發(fā)生反應(yīng)。 1.酶具有高效性 生物體內(nèi)的大多數(shù)反應(yīng)，在沒(méi)有酶的情況下，幾乎是不能進(jìn)行的，即使像CO2與水的合成作用這樣簡(jiǎn)單的反應(yīng)也是通過(guò)體內(nèi)碳酸酐酶催化的。 2.酶具有專(zhuān)一性 唾液淀粉酶只能催化淀粉水解，對(duì)蔗糖則不起催化作用。應(yīng)

4、該說(shuō)明的是，生物體內(nèi)有些酶能夠催化某些分子結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)。這就是說(shuō)，酶的催化作用具有專(zhuān)一性的特點(diǎn)。 一種酶只能作用于某一類(lèi)或某一種特定的物質(zhì)。這就是酶作用的專(zhuān)一性。通常把被酶作用的物質(zhì)稱(chēng)為該酶的底物。所以也可以說(shuō)一種酶只作用于一種或一類(lèi)底物。而一般的無(wú)機(jī)催化劑沒(méi)有這么嚴(yán)格的選擇性。氫離子可以催化淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)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(zhì)的肽鍵的水解，脂肪酶只能催化脂肪酯鍵的水解，而對(duì)其他類(lèi)物質(zhì)則沒(méi)有催化作用。 3.酶需要適宜的條件 酶的化學(xué)本質(zhì)除有催化活性的RNA之外幾乎都是蛋白質(zhì)。到目前為止，被人們分離純化研究的酶已有數(shù)千種，經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)方法的分

5、析，證明了絕大多數(shù)酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。酶是由細(xì)胞產(chǎn)生的生物大分子，凡能使生物大分子變性的因素，如高溫、強(qiáng)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(yīng)往往都是比較溫和的常溫、常壓和接近中性酸堿條件下進(jìn)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(jìn)行，每年可從空氣中將億噸左右的氮固定下來(lái)。而在工業(yè)上合成氨，需要在500℃，幾百個(gè)大氣壓下才能完成。 （1）溫度對(duì)酶活性的影響 大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的速率都和溫度有關(guān)，酶催化的反應(yīng)也不例外。如果在不同溫度條件下進(jìn)行某種酶反應(yīng)，然后將測(cè)得的反應(yīng)速率相對(duì)于溫度作圖，即可得到如右圖所示的鐘罩形曲線(xiàn)。從圖上曲線(xiàn)可以看出，在較低

6、的溫度范圍內(nèi)，酶反應(yīng)速率隨溫度升高而增大，但超過(guò)一定溫度后，反應(yīng)速率反而下降，因此只有在某一溫度下，反應(yīng)速率達(dá)到最大值，這個(gè)通常就稱(chēng)為酶反應(yīng)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(dòng)物細(xì)胞內(nèi)酶的最適溫度在35～40℃，植物細(xì)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(dá)到70℃。 溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是當(dāng)溫度升高時(shí)，與一般化學(xué)反應(yīng)一樣，反應(yīng)速率加快。另一方面由于酶是蛋白質(zhì)，隨著溫度升高，使酶蛋白逐漸變性而失活，引起酶反應(yīng)速率下降。酶所表現(xiàn)的最適溫度是這兩種影響的綜合結(jié)果。酶的活性雖然隨溫度的下

7、降而降低，但低溫一般不會(huì)使酶破壞。溫度回升后，酶又可以恢復(fù)活性。臨床上低溫麻醉便是利用酶的這一性質(zhì)以減慢組織細(xì)胞的代謝速度，提高機(jī)體對(duì)氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏的耐受性，低溫保存菌種也是基于這一原理。 （2）pH對(duì)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(xiàn)最大活力，高于或低于此pH，酶活力降低，通常把表現(xiàn)出酶最大活力的pH稱(chēng)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(gè)常數(shù)，受許多因素影響，隨底物種類(lèi)和濃度，緩沖液種類(lèi)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(gè)方面：①

8、過(guò)酸或過(guò)堿可以使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，引起酶構(gòu)象的改變，酶活性喪失。②當(dāng)pH改變范圍不很大時(shí)，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(jié)合，或者結(jié)合后不能生成產(chǎn)物，pH影響酶分子活性部位上有關(guān)基因的解離，從而影響與底物的結(jié)合或催化，使酶活性降低，也可能影響到中間絡(luò)合物ES的解離狀態(tài)，不利于催化生成產(chǎn)物。 （3）酶促反應(yīng) 由酶催化的化學(xué)反應(yīng)稱(chēng)為酶促反應(yīng)。 四、邊做邊學(xué) 實(shí)驗(yàn)一：討論 答案：新鮮酵母菌液中含有過(guò)氧化氫酶，與蒸餾水形成對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明過(guò)氧化氫酶能催化過(guò)氧化氫分解。 實(shí)驗(yàn)二：討論 1.答案：能確定 生成麥芽糖 2.答案：專(zhuān)一性

9、 知識(shí)閱讀 新奇的生物催化劑 1982年美國(guó)生物化學(xué)家西卡在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表一篇論文，他宣布自己已發(fā)現(xiàn)生物催化劑的新成員。這個(gè)消息像長(zhǎng)了翅膀一樣傳遍了世界，被稱(chēng)為一項(xiàng)激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。 什么是生物催化劑？ 任何生物的生存，每時(shí)每刻都要進(jìn)行一系列的化學(xué)變化，這些化學(xué)變化的總稱(chēng)叫做新陳代謝。雖然，生物體內(nèi)的化學(xué)變化既多又復(fù)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?dú)夤潭ㄏ聛?lái)，使之成為植物需要的含氮化合物，而人們要做到這一點(diǎn)，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(lǐng)呢？ 原來(lái)，生物體內(nèi)廣泛存在一種特殊催化劑——酶，它

10、能有效地降低參加化學(xué)反應(yīng)的各分子的活化能，使生物能夠快速高效地完成各種復(fù)雜反應(yīng)，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(wú)一不是在酶參加下發(fā)生和完成的，因此長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家把酶稱(chēng)為生物催化劑，它算得上一個(gè)老牌生物催化劑了。 酶是蛋白質(zhì)，廣泛存在于生物體內(nèi)，至今人類(lèi)已發(fā)現(xiàn)2000多種酶，其中被提純、結(jié)晶的有100種，作為商品生產(chǎn)的有120種，已在工業(yè)上應(yīng)用的有60多種。所以長(zhǎng)期以來(lái)人們總以為生物催化劑只有酶這一“家”，別無(wú)分號(hào)。 西卡的新發(fā)現(xiàn) 1982年的春天，西卡在研究一種名叫嗜熱四膜蟲(chóng)的單細(xì)胞微生物中，發(fā)現(xiàn)這種微生物的核糖體中的前面一段核糖核酸（西卡稱(chēng)之為“前

11、體核糖核酸”），能夠自我拼接，也可以環(huán)化斷鍵。開(kāi)始西卡以為一定有酶在幫助核糖核酸反應(yīng)，但是他經(jīng)過(guò)多次分析，把一切現(xiàn)代化辦法都用上，還是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何蛋白質(zhì)存在，這使西卡想到，難道生物體內(nèi)還存在一種非酶生物催化劑嗎？ 經(jīng)過(guò)一番細(xì)致研究后，他發(fā)現(xiàn)這種前體核糖核酸（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jià)鍵破裂和再生；它有很大選擇性，在核糖核酸130個(gè)部位中只使兩個(gè)特定部位斷鍵；它對(duì)溫度和溶液的酸堿度十分敏感，在高溫和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿下往往會(huì)失去活性。西卡的這一系列發(fā)現(xiàn)，都說(shuō)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(diǎn)上有很多相似之處。主要相同的地方是都有嚴(yán)格的專(zhuān)一性，一般來(lái)說(shuō)，它們只能促進(jìn)少數(shù)同類(lèi)物甚至僅一種物質(zhì)、一個(gè)部位的化學(xué)變化，有時(shí)對(duì)被催化物質(zhì)的空間構(gòu)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(diǎn)相似的地方，是兩者都是十分敏感的物質(zhì)，例如溫度和溶液酸堿度，對(duì)它們催化活性影響很大，一般超過(guò)一定溫度就失去活性，而且某些金屬的鹽和某些負(fù)離子往往會(huì)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(méi)有不同之處呢？ 有的，它們的組成不一樣，酶都是蛋白質(zhì)，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(fù)。而前體核糖核酸發(fā)揮催化作用后就會(huì)失去活力，而催化后本身組成往往也改變了，并且不能恢復(fù)。 前途無(wú)量 西卡發(fā)現(xiàn)新的生物催化劑的意義是很大的，這不僅打破了認(rèn)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(xiàn)給生命的起源和演變提供了一個(gè)新的線(xiàn)索。可以想象在地球原始海洋里，當(dāng)形成核酸后，它就可能催化自身變化，這對(duì)揭開(kāi)生命的秘密，又得到一把“金鑰匙”。同時(shí)它也給人們一個(gè)啟示，核酸類(lèi)催化劑，能否也像酶那樣有幾百甚至幾千種呢？