2021届高考生物新人教版一轮复习学案：第3单元细胞的能量供应和利用素养加强课1酶的相关实验设计

素养加强课1 酶的相关实验设计

酶相关实验设计中的“酶解法”

某科研小组经研究得知X酶存在于人的肝细胞中，能将糖原分解为还原糖。酶必须保持正常的结构才能发挥催化作用，请利用这一原理设计实验，探究X酶的化学本质究竟是蛋白质还是RNA。简要写出实验思路，并预期实验结果及结论(要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组)。

[审题指导]　(1)据题干可知，X酶的功能是能将糖原分解为还原糖。

(2)联想到蛋白酶可以改变水解蛋白质从而使其失去功能。

(3)RNA酶可以催化RNA发生水解而使其失去功能。

(4)若X酶的化学本质是蛋白质，被蛋白酶处理后，则不能将糖原分解为还原糖。

(5)若X酶的化学本质是RNA，被RNA酶处理后，则不能将糖原分解为还原糖。

(6)题干中要求设计甲、乙两组实验，二者之间要能相互印证，因此联想相互对照。

[解析]　实验设置甲组和乙组，两组实验分别用蛋白酶和RNA酶处理X酶，然后与糖原混合检测两组实验中X酶有无活性。检测X酶是否有活性可用斐林试剂与产物反应是否产生了颜色变化来完成。

[答案]　实验思路：甲组：将X酶用蛋白酶处理，再与糖原溶液混合，在适宜条件下保持一段时间后，检测是否有还原糖产生。乙组：将X酶用RNA酶处理，再与糖原溶液混合，在适宜条件下保持一段时间后，检测是否有还原糖产生。

预期结果及结论：①若甲组有还原糖生成，乙组没有还原糖生成，则说明X酶的化学本质是RNA；②若甲组没有还原糖生成，乙组有还原糖生成，则说明X酶的化学本质是蛋白质。

1．鉴定酶本质的“酶解法”模型

“酶解法”——从酶的化学本质上来讲，绝大多数的酶是蛋白质，少数的酶是RNA。其必须保持正常的空间结构才能发挥催化作用，因此可以分别利用蛋白酶和RNA酶处理某酶，再观察其功能是否受影响来确定该酶的本质。设计如图方案。

2．实验设计中可用酶催化底物分解，根据酶处理后的变化或底物的变化，来证明底物的成分或酶的作用。

1．某校研究性学习小组从芍药中提取出一种酶，为探究该酶催化分解的底物是葡萄糖还是蔗糖，该研究性学习小组的同学们设计并做了如图所示的实验。下列相关叙述正确的是(　　)

甲  乙　　   甲  乙　　　           甲  乙

A．与无机催化剂不同的是，该酶能通过降低活化能来提高化学反应速率

B．图中的斐林试剂是用0.1 g/mL的NaOH溶液和0.01 g/mL的CuSO4溶液配制的

C．若两支试管均出现砖红色沉淀，则说明该酶催化的底物是蔗糖

D．若该酶催化的底物是葡萄糖，则只有一支试管会出现砖红色沉淀

C　[无机催化剂与酶都能通过降低活化能来提高化学反应速率，与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，A项错误；斐林试剂是用0.1 g/mL的NaOH溶液和0.05 g/mL的CuSO4溶液配制的，B项错误；葡萄糖属于还原糖，蔗糖不属于还原糖，若两支试管均出现砖红色沉淀，则说明该酶催化的底物是蔗糖，若两支试管均不出现砖红色沉淀，则说明该酶催化的底物是葡萄糖，C项正确、D项错误。]

2．(2019·广东深圳调研)将甲细菌提取物(含A、B、C、D四种有机物的混合物)和活的乙细菌混合培养一段时间后，从培养基中分离出了活的甲细菌。在无法对上述四种物质进行分离和提纯的前提下，为确定A～D中是哪种物质能使乙细菌转化为甲细菌，请根据题意设计相关实验，要求写出实验设计思路、预期结果及结论。

(1)设计思路：_________________________________________。

(2)预期结果：_________________________________________。

(3)结论：____________________________________________。

[解析]　该实验的目的是探究甲细菌中含有的A、B、C、D四种有机物，哪种化合物可使乙细菌发生转化。由于A、B、C、D四种有机物无法分离和提纯，故只能将其分成4份，再向其中分别加入分解A的酶、分解B的酶、分解C的酶、分解D的酶。再将处理后组别中加入乙细菌，观察其转化情况。若其中某一个组别没有分离出活的甲细菌，表明该物质是促进乙细菌转化为甲细菌的物质。

[答案]　(1)取适量的甲细菌的细胞提取物分成4等份，分别放入4支试管并编号，再分别加入可分解A、B、C、D的酶，一段时间后，分别和有乙细菌的培养基混合培养并观察结果

(2)其中有一组混合培养基中没有分离出活的甲细菌

(3)加酶后没有分离出活的甲细菌的实验组中所含对应的有机物为转化物质

酶实验设计中的“对比法”

(2019·衡水金卷)某同学进行了如下有关酶的实验：

甲组：淀粉溶液＋新鲜唾液→加入斐林试剂出现砖红色沉淀

乙组：蔗糖溶液＋新鲜唾液→加入斐林试剂不出现砖红色沉淀

丙组：蔗糖溶液＋蔗糖酶溶液→加入斐林试剂？

下列叙述正确的是(　　)

A．丙组的实验结果是“不出现砖红色沉淀”

B．三组实验中，底物的用量属于自变量

C．该同学的实验目的是验证酶的专一性

D．可用碘液代替斐林试剂进行检测

[审题指导]　(1)根据三组实验条件分析，甲组和乙组形成对照，自变量是底物的种类；乙组和丙组形成对照，自变量是酶的种类。(2)两组对照实验都是利用的实验设计中的“对比法”。(3)唾液中含有淀粉酶，能催化淀粉水解为麦芽糖；蔗糖酶能催化蔗糖水解为葡萄糖和果糖。

C　[蔗糖酶能催化一分子蔗糖水解成一分子果糖和一分子葡萄糖，果糖和葡萄糖是还原糖，加入斐林试剂水浴加热会使还原糖生成砖红色沉淀，A项错误；底物的用量属于无关变量，B项错误；从实验所用的底物和酶的种类分析可知，该实验的目的是验证酶的专一性，C项正确；唾液淀粉酶能催化甲组淀粉水解成还原糖，不能催化蔗糖水解，碘液使淀粉呈现蓝色，不能使还原糖和蔗糖呈现蓝色，使用碘液无法检测乙、丙组的反应，无法得出结论，D项错误。]

1．验证酶的高效性

设计思路：将用酶催化的反应与用无机催化剂催化的反应进行对照，验证酶的催化效率比无机催化剂高。

设计方案示例：

2．验证酶的专一性

设计思路：酶相同，底物不同(或底物相同，酶不同)。

设计方案示例：

结论：淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解，酶具有专一性。

说明：若验证某种具体酶的专一性，设计思路应该是该种酶作用于不同种底物。

1．(2019·成都二诊)“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验如图所示，3号试管滴加两滴质量分数为3.5%的FeCl3溶液，4号试管滴加新鲜的肝脏研磨液，下列分析错误的是(　　)

A．2、4号试管加快反应的原理不同

B．1、4号试管进行对照实验，不能证明酶的高效性

C．该实验可以证明催化剂能通过降低活化能加速反应

D．2、3、4号试管底物反应完毕释放的O2量应相同

C　[本实验可以证明催化剂可以加速反应，但不能证明是通过降低活化能实现的。]

2．(2019·青岛检测)小麦种子中含有α、β两种淀粉酶，某学习小组对这两种淀粉酶活性进行探究实验，步骤如下：

①将等量的α­淀粉酶(70 ℃活性不受影响，100 ℃高温下失活)与β­淀粉酶(70 ℃处理15 min即失活)加适量蒸馏水混合，分为甲、乙、丙三组；

②甲组25 ℃下处理，乙组70 ℃水浴处理15 min后取出，丙组100 ℃下处理15 min后取出；

③甲、乙、丙三组分别在25 ℃条件下加入等量且足量的淀粉溶液；

④一段时间后，测得甲、乙、丙三组淀粉剩余量分别为a、b、c。

请回答下列相关问题：

(1)上述两种酶存在差异的直接原因是_____________________。

(2)三组淀粉剩余量最多的是________组(填“甲”“乙”或“丙”)，原因是________________________________。

(3)利用上述实验结果，如何大致比较25 ℃条件下α­淀粉酶和β­淀粉酶活性的大小？________________________________________

_____________________________________________________。

[解析]　(3)甲组25 ℃下处理，α­淀粉酶和β­淀粉酶均发挥作用。乙组70 ℃水浴处理15 min后，β­淀粉酶失活，只有α­淀粉酶发挥作用，丙组100 ℃下处理15 min，两种淀粉酶均失活。因此，b－a代表β­淀粉酶分解淀粉的量，c－b代表α­淀粉酶分解淀粉的量。

[答案]　(1)氨基酸的种类、数目、排列顺序及肽链的空间结构不同

(2)丙　两种淀粉酶在100 ℃条件下均失去活性，且降到25 ℃活性不能恢复

(3)比较b－a(β­淀粉酶的活性)与c－b(α­淀粉酶的活性)数值的大小

酶实验设计中的“梯度法”

　37 ℃时，测量不同pH条件下人体两种消化酶的活性，结果如表所示。下列有关叙述正确的是(　　)

A.该实验的自变量是淀粉酶活性和蛋白酶活性

B．为进一步确定该淀粉酶的最适pH，应该在4.0到6.0间细化梯度

C．由表可知不同酶的最适pH不同

D．表中蛋白酶活性可以表示胰蛋白酶的活性

[审题指导]　(1)实验探究的内容是37 ℃条件下，pH对两种消化酶活性的影响，自变量是pH及酶的种类。(2)要在适宜温度和利用“梯度法”设置的不同pH下分别测定酶的活性。(3)根据pH梯度设置下的酶活性的测定结果判断淀粉酶的适宜pH在5.0～7.0之间，蛋白酶的适宜pH在1.0～3.0之间。(4)胃蛋白酶的适宜pH为1.5左右。

C　[根据表格分析，该实验的自变量是pH和酶的种类，因变量是淀粉酶活性和蛋白酶活性，A项错误；为进一步确定该淀粉酶的最适pH，应该在5.0到7.0间细化梯度，B项错误；表格显示，两种酶活性最高对应的pH不同，说明不同酶的最适pH不同，C项正确；表格中蛋白酶的活性最适宜pH在2.0左右，可以代表胃蛋白酶，而胰蛋白酶的最适宜pH是偏碱性的，D项错误。]

1．探究酶的最适温度

(1)设计思路

(2)设计方案

2．探究酶的最适pH

(1)设计思路

(2)设计方案

1．如图表示酶X的活性与温度的关系示意图。下列有关分析错误的是(　　)

A．在实际生产中，酶X制剂几乎在所有的季节都能使用

B．酶X的化学本质是有机物，具有高效性和专一性的特点

C．测定酶X的活性时，实验对pH、底物量和酶量没有要求

D．在20～40 ℃范围内设置更小的温度梯度，可进一步探究酶X的最适温度

C　[据图可知，酶X在10～70 ℃条件下的活性都较高，由此可推知在实际生产中，酶X制剂几乎在所有的季节都能使用，A项正确；酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，酶具有高效性和专一性的特点，B项正确；本题研究的是酶X的活性与温度的关系，自变量是温度，pH、底物量和酶量均属于无关变量，所以测定酶X的活性时，pH、底物量和酶量都应保持相同且适宜，C项错误；本实验可确定酶X的最适温度在20～40 ℃之间，但由于温度梯度较大，所以要进一步探究酶X的最适温度，可在20～40 ℃范围内设置更小的温度梯度，D项正确。]

2．普通淀粉酶的最适温度在40～60 ℃之间，而极端耐热淀粉酶在100 ℃仍能保持较高的活性，因此在生产上具有更为广泛的应用前景。请回答有关问题：

(1)要鉴定该酶的化学本质，可将该酶液与________混合，若反应液呈________色，则该酶的化学本质为蛋白质。

(2)测定淀粉酶活性时，应选择________作为该酶作用的底物，反应液中应加入________溶液以维持其酸碱度稳定。

(3)设计实验测定极端耐热淀粉酶起催化作用的最适温度。

①此实验中除自变量和因变量外，还需要考虑_____________(答出两点即可)等因素。

②结合题目信息，简要写出测定该酶催化作用最适温度的实验思路：______________________________________________________

______________________________________________________。

[解析]　(1)酶大多数是蛋白质，少数是RNA，要鉴定该酶的化学本质，可将该酶液与双缩脲试剂混合，若反应液呈紫色，则该酶的化学本质为蛋白质。(2)测定淀粉酶活性时，根据酶的专一性，应选择淀粉作为该酶作用的底物，反应液中应加入(酸碱)缓冲溶液以维持其酸碱度稳定。(3)①此实验中除自变量和因变量外，无关变量需要保持相同且适宜，因此还需要考虑底物淀粉溶液的浓度和用量、pH及添加试剂的量、实验操作顺序等因素。②测定该酶催化作用最适温度的实验思路：在40 ℃和100 ℃之间每隔一定温度设置一个实验组，其他实验条件适宜且保持一致。以反应液和碘液发生颜色反应的程度为指标确定最适温度。

[答案]　(1)双缩脲试剂　紫

(2)淀粉　(酸碱)缓冲

(3)①底物淀粉溶液的浓度和用量、pH及添加试剂的量、实验操作顺序　②在40 ℃和100 ℃之间每隔一定温度设置一个实验组，其他实验条件适宜且保持一致。以反应液和碘液发生颜色反应的程度为指标确定最适温度