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        “酶的化學(xué)組成和活性”知識拓展

        2021-10-11 07:43:58周炳渠
        求學(xué)·理科版 2021年10期

        周炳渠

        在內(nèi)外因素影響下,細胞和生物體需要通過代謝調(diào)節(jié)適應(yīng)發(fā)生了變化的外部環(huán)境,并使內(nèi)部環(huán)境保持相對穩(wěn)定。細胞和生物體的代謝調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)是酶促反應(yīng)速率,主要是通過酶的合成調(diào)節(jié)和活性調(diào)節(jié)。下面,筆者就酶的化學(xué)組成和活性調(diào)節(jié)這部分內(nèi)容,在高中教材基礎(chǔ)上進行拓展分析。

        一、酶的化學(xué)組成

        酶的化學(xué)本質(zhì),極少數(shù)是RNA(即核酶),絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)(下文提及的酶,沒有特別說明時不包括核酶)。從化學(xué)組成來看,有的酶為單純蛋白質(zhì),如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和RNA酶等,有的酶除了蛋白質(zhì),還需要結(jié)合輔因子才具有催化功能,即全酶=蛋白質(zhì)+輔因子。很多維生素就是輔因子的組成成分。

        根據(jù)酶蛋白分子的特點,酶可以分為三類。①一般由1條肽鏈組成,有的由多條肽鏈組成,肽鏈間通過二硫鍵(-S-S-)相連構(gòu)成一個整體,稱為單體酶。②由2個或2個以上亞基組成,亞基間易分開,分開的亞基沒有催化活性,聚合后才具有催化活性,這類酶往往可調(diào)控代謝,稱為寡聚酶。③由幾種酶彼此嵌合形成多酶復(fù)合體,形成一個結(jié)構(gòu)和功能上保持統(tǒng)一的整體,并具有連續(xù)催化生理功能上密切相關(guān)的一組反應(yīng)的能力。如脂肪酸合成酶復(fù)合體是由7種酶和1種蛋白質(zhì)構(gòu)成的,能有序地催化7步反應(yīng)。

        打個比方,單體酶是工廠中那些結(jié)構(gòu)簡單的小型工具,寡聚酶是需要多個零件相互配合的大型器械,多酶復(fù)合體就是應(yīng)用了小型工具和大型器械的整個生產(chǎn)流水線。

        【例1】(浙江省2021年1月選考第30題節(jié)選)1897年德國科學(xué)家畢希納發(fā)現(xiàn),利用無細胞的酵母汁可以進行乙醇發(fā)酵;還有研究發(fā)現(xiàn),乙醇發(fā)酵的酶發(fā)揮催化作用需要小分子和離子輔助。某研究小組為驗證上述結(jié)論,利用下列材料和試劑進行了實驗。

        材料和試劑:酵母菌、酵母汁、A溶液(含有酵母汁中的各類生物大分子)、B溶液(含有酵母汁中的各類小分子和離子)、葡萄糖溶液、無菌水。

        回答下列問題:

        (1)除表中4組外,其他2組的實驗處理分別是:; 。本實驗中,這些起輔助作用的小分子和離子存在于酵母菌、 。(2)若為了研究B溶液中離子M對乙醇發(fā)酵是否是必需的,可增加一組實驗,該組的處理是 。(3)制備無細胞的酵母汁,酵母菌細胞破碎處理時需加入緩沖液,緩沖液的作用是 ,以確保酶的活性。

        【解析】本試題的命制以酶的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史為背景,以全酶的化學(xué)組成為隱含知識。題中B溶液含有酵母汁中的各類小分子和離子,存在著各種全酶的多種輔因子。制備無細胞的酵母汁,酵母菌細胞中的很多物質(zhì)會由于分布改變(物質(zhì)間直接接觸)、pH改變等導(dǎo)致酶的結(jié)構(gòu)被改變,因而在破碎處理時需加入緩沖液。

        【答案】(1)葡萄糖溶液+酵母汁 葡萄糖溶液+A溶液+B溶液 酵母汁和B溶液 (2)葡萄糖溶液+A溶液+去除了離子M的B溶液 (3)保護酶分子空間結(jié)構(gòu)和提供酶促反應(yīng)的適宜pH

        二、酶活性

        酶活性又稱酶的活力,是指酶催化某一化學(xué)反應(yīng)的能力,可以用在一定條件下所催化的某一化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率來表示,所以測定酶的活性就是測定酶促反應(yīng)的初速率。酶促反應(yīng)的反應(yīng)速率一般用單位時間內(nèi)的生成物的增加量來表示。

        【例2】下列關(guān)于酶的活性測定的敘述中,錯誤的是( )

        A.溫度會影響酶促反應(yīng)的速率

        B.測定酶活性時,酶促反應(yīng)的底物應(yīng)充足

        C.測定酶活性時,反應(yīng)時間越長,測得的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確

        D.與測定生成物的增加量相比,測定底物的減少量相對不準(zhǔn)確

        【解析】溫度會影響酶促反應(yīng)的速率,一方面是因為溫度提高,底物分子活動性增強,另一方面是因為溫度會影響酶活性。酶的催化具有最適溫度范圍,小于或高于最適溫度酶活性就會下降,選項A說法正確。由于底物濃度會影響酶促反應(yīng)的速率,因而在測定酶活性時,應(yīng)保證底物過量,即要有足夠的底物濃度。如果反應(yīng)時間過長,底物減少,酶促反應(yīng)速率會下降,因而測定酶活性時,只測定反應(yīng)的初速率,選項B說法正確,選項C說法錯誤。也正因為測定酶活性時,底物濃度過量,底物濃度的減小幅度很小,所以往往會測不準(zhǔn),選項D說法正確。

        【答案】C

        三、底物影響酶活性

        根據(jù)酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說,酶促反應(yīng)過程中,酶(E)首先與底物(S)結(jié)合形成中間產(chǎn)物,即酶-底物復(fù)合物(ES),然后再生成產(chǎn)物(P),產(chǎn)物與酶分子分離。酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說可用下式表示:E+S→ES→E+P。因而酶促反應(yīng)的速率取決于ES的形成速率。

        【例3】下圖(圖1)實線表示聯(lián)苯水解酶催化反應(yīng)速率與酶濃度的關(guān)系,虛線表示在其他條件不變的情況下,底物濃度增加1倍,反應(yīng)速率與酶濃度的關(guān)系,能正確表示兩者關(guān)系的是( )

        【解析】根據(jù)酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說,酶促反應(yīng)的速率取決于ES的形成速率。當(dāng)酶濃度很低時,可以認為全部的酶都與底物反應(yīng)形成了中間產(chǎn)物ES,即中間產(chǎn)物ES形成速率的限制因素是酶濃度,因而底物增加的影響十分微弱,兩條曲線重合或差距很小;在酶濃度足夠高時,即有足夠數(shù)量的酶沒有與底物相結(jié)合,中間產(chǎn)物ES形成速率與底物濃度成正相關(guān)。故選項B的曲線符合事實。

        【答案】B

        四、產(chǎn)物抑制酶活性

        酶促反應(yīng)的產(chǎn)物,往往會對酶具有抑制作用,這有利于產(chǎn)物的濃度保持相對穩(wěn)定。如下列反應(yīng)中,2,3-二磷酸甘油酸對1,3-二磷酸甘油酸變位酶的活性具有抑制作用,從而實現(xiàn)對這一反應(yīng)的調(diào)節(jié)。

        許多物質(zhì)合成代謝途徑的一連串反應(yīng)中,催化第一步反應(yīng)的酶大多能被全部序列的最終產(chǎn)物反饋抑制。

        【例4】生物體內(nèi)以底物為甲為原料生成終產(chǎn)物戊的反應(yīng)途徑如圖2所示,戊對酶1的活性具有抑制作用。下列分析中不合理的是( )

        A.酶1具有與戊結(jié)合的位點

        B.酶1與戊結(jié)合后不再分離

        C.酶2的活性基本保持穩(wěn)定

        D.戊的含量在生物體內(nèi)保持相對穩(wěn)定

        【解析】戊對酶1的活性具有反饋抑制作用,這有利于戊的含量在生物體內(nèi)保持相對穩(wěn)定。這種抑制作用是通過終產(chǎn)物戊與酶1結(jié)合,改變酶1的結(jié)構(gòu),從而減弱酶1的活性。終產(chǎn)物戊與酶1的結(jié)合和分離是可逆的,否則無法實現(xiàn)對酶活性的調(diào)節(jié)。各步驟的反應(yīng)速率保持相對恒定,酶2、酶3、酶4的活性都保持相對穩(wěn)定。故選項B說法不合理。

        【答案】B

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