酶的作用和本质:
1.酶的作用:降低活化能。
(1)活化能:分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。
(2)作用机理:酶能降低化学反应所需的活化能,使一个原本在较温和条件下不能进行的反应可以高效快速地进行。
2.酶的本质及实验验证
(1)酶本质的探索
时间 |
发现者 |
实验过程及现象 |
实验结论 |
1773年 |
意大利科学家斯帕兰札尼 |
将装有肉块的小金属笼子让鹰吞下,一段时间后取出,发现笼内的肉块不见了 |
说明胃具有化学性消化的作用 |
1836年 |
德国科学家施旺 |
从胃液中提取出了消化蛋白质的物质 |
这就是胃蛋白酶 |
1926年 |
美国科学家萨姆纳 |
从刀豆种子中提取出脲酶的结晶,并进行了证明脲酶是蛋白质的化学实验 |
证明脲酶是一种蛋白质 |
20世纪30年代 |
许多科学家 |
提取多种酶的蛋白质结晶 |
酶是一类具有生物催化作用的蛋白质 |
20世纪 80年代 |
美国科学家切赫和奥特曼 |
少数RNA也具有生物催化功能 |
少数的酶是RNA |
(2)酶的本质
化学本质 |
绝大多数是蛋白质 |
少数是RNA |
合成原料 |
氨基酸 |
核糖核苷酸 |
合成场所 |
核糖体 |
细胞核(真核生物)(主要) |
来源 |
一般来说,活细胞都能产生酶 |
(3)酶化学本质的实验验证
①证明某种酶是蛋白质
实验组:待测酶液+双缩脲试剂一—是否出现紫色反应。
对照组:标准蛋白质溶液+双缩脲试剂——出现紫色反应。
②证明某种酶是RNA
实验组:待测酶液+吡罗红染液——是否呈现红色。
对照组:标准RNA溶液+吡罗红染液——出现红色。
酶的特性及应用:
1、酶的特性
(1)高效性:酶的催化效率是无机催化剂的107~ 103倍,这说明酶具有高效性的特点。
(2)专一性:每一种酶只能催化一种化合物或一类化合物的化学反应,这说明酶的催化作用具有专一性的特点,酶的专一性的解释常用“锁和钥匙学说”。
(3)温和性:绝高温都能使蛋白质其他化学键的断裂永久失活。但低温酶活性可以恢复。
2、酶的特性在生产生活中的应用
(1)人在发烧时,不想吃东西,其原因是温度过高导致消化酶的活性降低。
(2)唾液淀粉酶随食物进入胃内,不能继续将淀粉分解为麦芽糖。原因是唾液淀粉酶的最适pH在7左
(3)胰岛素制剂是治疗糖尿病的有效药物,只能注射,不能口服,其原因是胰岛素是一种蛋白质,若口服会被蛋白酶水解。
1、酶的作用和特性的实验探究:
1.酶的催化作用实验探究对照组:反应物+清水检测反应物不被分解;实验组:反应物+等量的相应酶溶液检测反应物被分解。
2.酶的专一性实验搽究此实验中的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
实验组:反应物+相应酶溶液检测反应物被分解;
对照组:另一反应物+等量相同酶溶液检测反应物不被分解。
(2)设计思路二:换酶不换反应物
实验组:反应物+相应酶溶液检测反应物被分解;
对照组:相同反应物+等量另一种酶溶液检测反应物不被分解。
3.酶的高效性实验探究
对照组:反应物+无机催化剂检测底物分解速率;
实验组:反应物+等量酶溶液检测底物分解速率。
实验中自变量是无机催化剂和酶,因变量是底物分解速率。
4.酶作用的适宜条件的探究
(1)最适温度的探究实验原理
①淀粉+淀粉酶——麦芽糖;麦芽糖+斐林试剂—一产生砖红色沉淀;淀粉+碘——蓝色。
②温度影响淀粉酶活性,从而影响淀粉的分解,滴加碘液后,根据蓝色深浅来判断淀粉分解状况,进而推断出酶活性变化。
(2)最适pH的探究实验原理
①2H202+过氧化氢酶——2H2O+O2
②pH影响酶的活性,从而影响氧气的生成速度,可用点燃但无火焰的卫生香燃烧的情况来检验氧气生成速度的快慢。
(3)实验探究思路
①最适温度的探究思路
②最适pH的探究思路
2、易错点拨:
(1)在酶的最适pH探究实验中,操作时必须先将酶置于不同环境条件下(加清水、加氢氧化钠、加盐酸),然后再加入反应物。不能把酶加入反应物在酶的作用下先发生水解。
(2)在酶的最适温度探究实验中,酶溶液和反应物混合之前,需要把两者先分别放在各自所需温度下保温一段时间。若选择淀粉和淀粉酶来探究酶的最适温度,检测的试剂宜先用碘液,不应该选用斐林试剂。因选用斐林试剂需热水浴加热,而该实验中需严格控制温度。
知识拓展:
1、利用酶的专一性也可探究某种酶的化学本质是蛋白质还是RNA:将某种酶用蛋白酶或核糖核酸酶处理,根据处理后的酶液是否还有催化作用予以判断。
2、一般情况下,加热也能加快化学反应速率,其作用机理是直接供能,使底物分子从常态转变为易发生反应的活跃状态,其过程并不改变活化能的大小。
3、人体消化道各段消化酶的最适pH:
口腔:唾液淀粉酶,最适pH为6.8(中性);
胃:胃蛋白酶,最适pH为1.5-2.2(酸性);
小肠:肠液、胰液中的各种酶,最适pH为8.0~9.0(弱碱性)。
胃液的pH在2左右,唾液淀粉酶在胃中会使失活并以蛋白质的形式被胃蛋白酶水解
4、植物体内的酶最适pH大多在4.5-6.5之间。
例 下列有关酶的反应与作用叙述,正确的是 ( )
A.酶具有催化作用是因为酶可以提高反应的活化能
B.酶的合成原料是氨基酸或脱氧核苷酸
C.所有的酶都在核糖体上合成
D.所有的酶都是有机物
答案D
5、具有专一性的物质归纳
(1)酶:每一种酶只能催化一种或一类化学反应。如限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列,并在特定的切点上切割DNA分子。
(2)载体:某些物质通过细胞膜时需要载体协助,不同物质所需载体不同,载体的专一性是细胞膜选择透过性的基础。
(3)激素:激素特异性地作用于靶细胞、靶器官,其原因在于它的靶细胞膜或胞内存在与该激素特异性结合的受体。
(4)tRNA:tRNA有61种,每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
(5)抗体:一种抗体只能与相应的抗原发生特异性结合。
遗传物质发现的实验及其内容:1、遗传物质:
①概念:能单独传递遗传信息的物质。
②遗传物质的主要载体是染色体。
③作为遗传物质应具备的特点是:
a、分子结构具有相对稳定性;
b、能自我复制,保持上下代连续性;
c、能指导蛋白质合成;
d、能产生可遗传变异。
2、实验:包括肺炎双球菌转化实验、艾弗里证明DNA是遗传物质的实验(肺炎双球菌体外转化实验)、T
2噬菌体侵染细菌的实验(用分别含有放射性同位素
35S和放射性同位素
32P培养基培养大肠杆菌。)、烟草花叶病毒的感染和重建实验。
实验证明DNA是主要的遗传物质,少部分生物的遗传物质是RNA。
(1)肺炎双球菌转化实验:
①肺炎双球菌
|
S型细菌 |
R型细菌 |
菌落 |
光滑 |
粗糙 |
菌体 |
有多糖类荚膜 |
无多糖类荚膜 |
毒性 |
有毒性,使小鼠患败血症死亡 |
无毒性 |
②肺炎双球菌体内转化实验
a、研究者:1928年,英国科学家格里菲思。
b、实验材料:S型和R型肺炎双球菌、小鼠。
c、实验原理:S型肺炎双球菌使小鼠患败血病死亡;R型肺炎双球菌是无毒性的。
d、实验过程:
e、结论:加热杀死的S型细菌体内含有“转化因子”,促使R型细菌转化为S型细菌。
(2)艾弗里证明DNA是遗传物质的实验(肺炎双球菌体外转化实验):
a、研究者:1944年,美国科学家艾弗里等人。
b、实验材料:S型和R型肺炎双球菌、细菌培养基等。
c、实验设计思路:把DNA与其他物质分开,单独直接研究各自的遗传功能。
d、实验过程及分析
e、实验分析:①只有S型细菌的DNA能使R型细菌发生转化。 ②DNA被水解后不能使R型细菌发生转化。
d、实验结论:①S型细菌的DNA是“转化因子”,即DNA是遗传物质。 ②同时还直接证明蛋白质等其他物质不是遗传物质。
(3)T
2噬菌体侵染细菌的实验:
a、研究着:1952年,赫尔希和蔡斯。
b、实验材料:T
2噬菌体和大肠杆菌等。
c、实验方法:放射性同位素标记法。
d、实验思路: S是蛋白质的特有元素,DNA分子中含有P,蛋白质中几乎不含有,用放射性同位素
32P和放射性同位素
35S分别标记DNA和蛋白质,直接单独去观察它们的作用。
e、实验过程:标记细菌→标记噬菌体→用标记的噬菌体侵染普通细菌→搅拌离心。
科学家首先用放射性同位素
35S标记了一部分噬菌体的蛋白质,并用放射性同位素
32P标记了另一部分噬菌体的DNA,然后,用被标记的T
2噬菌体分别去侵染细菌(上图),当噬菌体在细菌体内大量增殖时,生物学家对被标记物质进行测试。
f、测试的结果表明,噬菌体的蛋白质并没有进入细菌内部,而是留在细菌的外部,噬菌体的DNA却进入了细菌体内,可见,噬菌体在细菌内的增殖是在噬菌体DNA的作用下完成的。即结论:在噬菌体中,亲代和子代间具有连续性的物质是DNA,即子代噬菌体的各种性状是通过亲代 DNA传给后代的,DNA才是真正的遗传物质。
体内转化实验与体外转化实验的比较:
|
体内转化实验 |
体外转化实验 |
实验者 |
格里菲思 |
艾弗里及同事 |
培养细菌 |
用小鼠(体内) |
用培养基(体外) |
实验原则 |
R型细菌与S型细菌的毒性对照 |
S型细菌各成分作用的相互对照 |
实验结果 |
加热杀死的S型细菌能使R型细细菌转化为S型细菌 |
S型细菌的DNA使R型菌转化为S型细菌 |
实验结论 |
S型细菌体内有“转化因子” |
S型细菌的DNA是遗传 物质 |
两实验联系: |
(1)所用材料相同,都是肺炎双球菌R型和S型 (2)体内转化实验是基础,仅说明S型细菌体内有“转化因子”,体外转化实验进一步证明“转化因子”是DNA (3)两实验都遵循对照原则、单一变量原则 |
肺炎双球菌体外转化实验和噬菌体侵染细菌实验的比较:
1.实验设计思路比较
|
艾弗里实验 |
噬菌体侵染细菌实验 |
思路相同 |
设法将DNA与其他物质分开,单独、直接研究它们各自不同的遗传功能 |
处理方式有区别 |
直接分离:分离S型细菌的DNA、多糖、蛋白质等,分别与R型细菌混合培养 |
同位素标记法:分别标记DNA和蛋白质的特殊元素(32P和35S) |
2.两个实验遵循相同的实验设计原则——对照原则
3.实验结论比较
(1)肺炎双球菌转化实验的结论:证明DNA是遗传物质,蛋白质不是遗传物质。
(2)噬菌体侵染细菌实验的结论:证明DNA是遗传物质,不能证明蛋白质不是遗传物质,因为蛋白质没有进入细菌体内。知识点拨:
1、上清液和沉淀物中都有放射性的原因分析:
①用
32P标记的噬菌体侵染大肠杆菌,上清液中有少量放射性的原因:
a.保温时间过短,部分噬菌体没有侵染到大肠杆菌细胞内,经离心后分布于上清液中,使上清液出现放射陡。
b.保温时间过长,噬菌体在大肠杆菌内增殖后释放子代,经离心后分布于上清液中,也会使上清液的放射性含量升高。
②用
35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌,沉淀物中也有少量放射性的原因:由于搅拌不充分,有少量
35S的噬菌体蛋白质外壳吸附在细菌表面,随细菌离心到沉淀物中,使沉淀物中出现少量的放射性。
2、关于噬菌体侵染细菌实验中放射性元素的去向问题
①若用
32P和
35S标记病毒而宿主细胞未被标记,相当于间接地将核酸和蛋白质分开,只在子代病毒的核酸中有
32p标记。
②若用
32p和
35S标记宿主细胞而病毒未被标记,则在子代病毒的核酸和蛋白质外壳中均有标记元素。
③若用C、H、O、N等标记病毒而宿主细胞未被标记,则只在子代病毒的核酸中有标记元素。
④若用C、H、O、N等标记宿主细胞而病毒未被标记,则在子代病毒的核酸和蛋白质外壳中均可找到标记元素。
3、标记噬菌体时应先标记细菌,用噬菌体侵染被标记的细菌,这样来标记噬菌体。因为噬菌体是没有细胞结构的病毒,只能在宿主细胞中繁殖后代,所以在培养基中它是不能繁殖后代的。
4、噬菌体侵染细菌实验只能证明DNA是遗传物质,不能证明蛋白质不是遗传物质,因蛋白质没有进入细菌体内。除此之外,还能证明DNA能进行自我复制,DNA控制蛋白质的合成。
5、两个实验都不能证明DNA是主要的遗传物质。
6、细胞生物(包括原核和真核生物)含有两种核酸(DNA和RNA),遗传物质是DNA;病毒没有细胞结构,只有一种核酸(DNA病毒、RNA病毒)。
7、DNA有四种碱基(AGCT),四种脱氧核苷酸。RNA有四种碱基(AGCU),四种核糖核苷酸。
知识拓展:1、实验设计的基本思路是设法把 DNA和蛋白质分开,单独观察它们的作用。
2、加热杀死的S型细菌,其蛋白质变性失活; DNA在加热过程中,双螺旋解开,氢键被打断,但缓慢冷却时,其结构可恢复。
3、转化因子的实质是S型细菌的DNA片段整合到了R型细菌的DNA中,即实现了基因重组。
4、T
2噬菌体
(1)结构:
(2)T
2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒,它的头部和尾部的外壳都是由蛋白质构成的,头部内含有DNA。T
2噬菌体侵染大肠杆菌后,就会在自身遗传物质的作用下,利用大肠杆菌体内的物质来合成自身的组成成分,进行大量增殖。当噬菌体增殖到一定数量后,大肠杆菌裂解,释放出大量的噬菌体。
5、侵染特点及过程
①进入细菌体内的是噬菌体的DNA,噬菌体的蛋白质外壳留在外面不起作用。
②噬菌体侵染细菌要经过吸附→注入核酸→合成 →组装→释放五个过程。
6、增殖特点:在自身遗传物质的作用下,利用大肠杆菌体内的物质合成自身成分,进行增殖。
动物行为产生的生理基础:
1、激素调节与行为:性行为和幼仔照顾行为。
2、神经调解与行为:分为先天性行为(趋性、非条件反射、本能)和后天性行为(印随、模仿、条件反射)。例:小天鹅的印随行为和黑猩猩的模仿行为
3、激素调节和神经调解共同作用与动物的行为,但神经系统的调节处于主导地位。即动物的行为就是在神经系统、内分泌系统和运动器官共同协调作用下形成的。
生态系统的组成:
1.生态系统的概念与内涵
(1)概念:生态系统是由生物群落与其无机环境相互作用而形成的统一整体。
2.生态系统的成分
成分 |
归类 |
各成分的组成 |
在生态系统中的作用 |
地位 |
非生物的物质和能量 |
无机物、有机物、气候、能源 |
生物群落中的物质和能星的根本来源 |
必需成分 |
生产者 |
自养生物 |
(1)绿色植物(2)光合细菌和蓝藻(3)化能合成细菌,如铁细菌 |
将无机环境中的物质和能量通过光合作用引入生物群落,为消费者、分解者提供物质和能量 |
基石 |
消费者 |
异养生物 |
(1)绝大多数动物(2)寄生生物 |
帮助生产者传粉、传播种子等 |
最活跃的成分 |
分解者 |
异养生物 |
(l)腐生细菌和真菌(2)腐食动物,如蚯蚓、蜣螂等 |
把动植物遗体、排出物和残落物中的有机物分解成简单的无机物 |
循环的关键成分 |
3生态系统各类成分关系
易错点拨:
1、细菌并不都是分解者,如硝化细菌是自养型生物,属于生产者;寄生细菌属子特殊的消费者。
2、动物并不都是消费者,如蜣螂、蚯蚓、某些原生动物等以植物残体、粪便为食的腐食动物属于分解者。
3、生产者并不都是绿色植物,如蓝藻、硝化细菌等原核生物也是生产者,应该说生产者包括绿色植物。
4、植物并不都是生产者,如菟丝子营寄生生活,属于消费者。
知识拓展:
生态系统各成分的判断:
1.根据双向箭头AD确定两者肯定是非生物的物质和能量、生产者;
2.根据箭头指向判断各成分
(1)A有三个指出,应为生产者;
(2)D有三个指入,为非生物的物质和能量;
(3)B和C一个为消费者,另一个为分解者,A(生产者)和B均指向C,则C为分解者。
DNA重组技术的基本工具:1、基因工程的概念:
基因工程的别名 |
基因拼接技术或DNA重组技术 |
操作环境 |
生物体外 |
操作对象 |
基因 |
操作水平 |
DNA分子水平 |
基本过程 |
剪切→拼接→导入→表达 |
结果 |
人类需要的基因产物 |
2、基本工具:
(1)“分子手术刀”——限制性核酸内切酶(限制酶)
①来源:主要是从原核生物中分离纯化出来的。
②功能:能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开,因此具有专一性。
③结果:经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式:黏性末端和平末端。
即 当限制性内切酶作用于特定的DNA时,把这段序列沿着特定的切点切开的这个过程分两种情况:
a、沿着中轴线切口(即沿着DNA双链中对应的磷酸二酯键)切开,得到的就是两个平末端;
b、在中轴线的两端切口切开,得到的就是两个黏性末端。例如:EcoRⅠ限制性内切酶就可以识别G/AATTC的DNA序列,然后在G和A间切开,得到的就是两个黏性末端(之间可以根据碱基互补配对原则重组)限制酶的切口不都是一长一短的,一长一短的叫黏性末端,一样长的叫平末端。“粘性末端”在高中教材中也作“黏性末端”。如图:
(2)“分子缝合针”——DNA连接酶
种类 |
E·coli-DNA连接酶 |
T4-DNA连接酶 |
来源 |
大肠杆菌 |
T4噬菌体 |
功能特性 |
只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来 |
缝合两种末端,但连接平末端之间的效率较低 |
相同点 |
都缝合磷酸二酯键,如图: |
(3)“分子运输车”——载体
①载体具备的条件:能在受体细胞中复制并稳定保存;具有一至多个限制酶切点,供外源DNA片段插入;具有标记基因,供重组DNA的鉴定和选择。
②最常用的载体是质粒,它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外,并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。
③其它载体:噬菌体的衍生物、动植物病毒
知识点拨:
1、限制酶识别的序列的特点:呈现碱基互补对称,无论是奇数个碱基还是偶数个碱基,都可以找到一条中心轴线,如图,中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如以中心线为轴,两侧碱基互补对称;以为轴,两侧碱基互补对称。
2、获取目的基因和切割载体时使用同种限制酶,目的是产生相同的黏性末端。
3、获取一个目的基因需限制酶剪切两次,共产生 4个黏性末端或平末端。
4、限制酶切割位点的选择必须保证标记基因的完整性,以便于检测。