对一道高考题答案的质疑.doc

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对一道高考题答案的质疑——提高酶的浓度一定能升高酶促反应速率吗？□广东省东莞中学周平凡dgzxzpf@126.com一、酶的浓度、底物浓度与反应速率的关系：（一）、原题：2003年上海市高考生物学科试题第11题：下图纵轴为酶促反应速率，横轴为底物浓度，其中正确表示酶量增加1倍时，底物浓度和反应速率关系的是（）。提供的标准答案：[B]，这道题在之后的许多参考资料和各学校编写的试卷中也被反复选用，而在提供的答案中也都是[B]。许多老师和同学在做这道题时，也都理所当然的选了[B]。解释很简单：从反应物（底物）浓度与反应速率关系来看，应是反应物（底物浓度）从低逐渐升高时，反应速率也随之加快，但当底物达到一定的浓度后，反应速率不再加快而趋于一个定值。从这一层意义来看，反应底物浓度与反应速率关系的曲线应是A或B，但由于问题要求比较酶量相差一倍时的两种关系时，考虑到酶量的增加，反应速率也随之加快，即酶量加倍后，在底物浓度较低时，相同底物浓度情况下，加倍酶量的反应速率也加快，这样，A图错误，B图正确。然而，真的这么简单吗？问题的关键在于提高酶的浓度一定会提高酶促反应速率吗？（二）、别人的质疑：以下引自:《化学教学》2004年1-2期第62-63页，《一个化学老师对生物高考题的质疑》[1]孙红文(上海梅山高级中学,江苏南京210041)：物理化学[2]中有关酶催化反应的知识中介绍,米哈利-们顿、布里格斯、霍尔丹等人研究了酶催化反应动力学,得出反应速度r与酶的总浓度[E0]、底物浓度[S]之间的关系为:当[S]很大时,Km>>[S],r=k2[E0],即反应速度与酶的总浓度成正比而与[S]的浓度无关；当[S]很小时,Km+[S]≈Km,r=k2[E0][S]/Km,反应速度与[S]成线性关系,且与酶的总浓度成正比。B选项中当酶的浓度一定时,底物浓度与反应速度的关系曲线与物理化学的研究是相符的。也就是说,B选项中,每一条曲线的变化趋势都是正确的。但是当酶的总浓度一定且为[E0]时,反应速度与底物浓度的关系为:当酶的总浓度增加一倍为2[E0]时,反应速度与底物浓度的关系为: 在底物浓度相等时,方程(2)的反应速度是方程(1)的反应速度的2倍,所以方程(2)所对应的图像应该是在方程(1)对应图像整体放大1倍,且两条曲线的走势相同。所以,选项B的图像有两点是明显错的:(1)斜线部分当底物浓度很小,且相同时,反应速度没有2倍关系。(2)在由斜线转为水平线时,两条曲线应该在同一个底物浓度时转变。我认为正确的图形如下:（三）、我的观点：（1）对反应速率的理解：当一定浓度的反应底物在适宜的条件下混合后，由反应开始到达反应平衡应是一个过程，在这个过程中由于反应不断进行底物浓度应在不断变化，反应瞬时速率也可能在不断变化。所以题目中提的反应速率应是在反应开始时的瞬时速率。（2）公式只反应了在两个极端情况下，既当底物浓度[S]很大时和当[S]很小时反应速率的变化，那当[S]与Km相差不大时，又如何解释呢？而在题目中的图是要一个[S]连续变化过程中反应速率的变化。（3）米氏方程的推导[3]是建立在两个条件之上的：①反应达到一种恒定状态，ES络合物的生成速率等于ES络合物的分解速率。②若反应体系中的底物浓度极大而使酶完全饱和时，所有的酶都以络合物ES的形式存在时达到最大速率。那么当底物浓度[S]很小的时候而酶又过量时，能否达到以上两个条件呢？我认为是不可能的，那么这时又还能不能用米氏方程来推算当[S]很小时反应速率呢？（4）在许多书本介绍“酶浓度作为酶促反应速率影响因素”时都只提到“当在底物足够过量而其它条件固定的情况下，酶促反应的速率和酶浓度成正比”。实验测定时也是考虑到通常在底物量足够大的时候来测定，因为此时底物减少量相对很少，而产物由无到有，变化较明显，测定起来较灵敏，所以多用产物浓度的增加作为反应速率的量度。那么[S]在由0逐渐增大而数值又很小（即底物量不够而酶过量）时，反应速率与酶的浓度是否还是成正比呢？也就是说题中“酶浓度增加一倍时”的第二条曲线是不是一定就在第一条线之上呢？理论上推测：在底物浓度较低时，只有一部分酶与底物形成中间络合物ES（酶已经是过量），此时若增加底物浓度，则有更多的ES络合物生成，因而反应速率就随之增加。但若此时增加的是酶，则对反应速率没有帮助，因为酶已经是过量的了，再增加也还是过量。打个比方，只有一块砖头时，安排一个工人去搬运与安排10个工人去搬运，甚至安排100个工人去搬运，它的速率有何差别呢？（5）综合以上叙述，我觉得选A会更恰当一些。在底物浓度较低时，增加酶的浓度不会增加反应速率。[E0]=aV1V2[E0]=2aAB ①由0到A点，底物浓度[S]过低，酶[E0]=a都已呈过量状态，此时增加酶到[E0]=2a也不能增加反应的速率。②在A点浓度下，所有酶[E0]=a刚好达到饱和状态，但相对于酶[E0]=2a则还是酶过量。③由A点到B点，底物浓度增加，在酶[E0]=a时，反应速率已达到了最大值，所以基本不变，但对于酶[E0]=2a来说，酶还是过量的，所以反应速率还可以继续增加。④B点以后，对于酶浓度[E0]=2a也达到饱和，反应速率不再增加。（四）、类似问题的延伸：如果说在底物有限且量一定的情况下，纵轴为酶促反应速率，横轴为酶浓度，其中正确表示底物量增加1倍时，酶浓度和反应速率关系的是（）我觉得也应选A，[S]=bV1V2[S]=2bAB①由0到A点，底物浓度[S]无论是等于b还是2b都应是过量，而酶是不足的，所以随着酶的增加反应速率也增加。此时符合在底物充足时,酶促反应速度与酶的浓度成正比而与底物浓度无关。②在A点浓度下，所有酶与底物刚好达到饱和状态，但相对于底物浓度[S]=2b则还是底物过量。③由A点到B点，酶浓度增加，在底物[S]=b时，底物的量已是有限了，所以反应速率不能增加，但对于底物浓度[S]=2b来说，底物还是过量的，所以反应速率还可以继续增加。④B点以后，对于底物浓度[S]=2b也达到饱和，继续加酶，反应速率不再增加。二、在酶的量或底物浓度改变情况下产物与时间的关系：（一）原题：2006年广州一模第41题:某研究性学习小组的同学们准备用下图甲所示的装置，探究反应物的浓度与酶的催化反应速率有何关系。请你协助他们完成实验设计。 材料用具：注射器、密封橡胶帽、大小相同的新鲜马铃薯小圆片(新鲜马铃薯含有过氧化氢酶)、体积分数为5％的过氧化氢溶液、蒸馏水、量筒、烧杯、秒表等(以上材料的数量均足够使用)。（1）该探究实验的原理是。（2）实验步骤：。（3）如果这个实验装置的容量足够大，反应的时间足够长，请在下面的坐标图(图乙)中分别画出你所预测的高、低两种不同浓度反应物的实验结果。提供的答案：（1）（2）略（3）如图：解析：反应物（过氧化氢）浓度高时，反应速率加快，产生的氧气体积要比反应物浓度低的情况下多。（二）我的质疑：此题很明确强调“装置的容量足够大，反应的时间足够长”，也就是说可以理解为底物浓度无论高低两种情况下都是足够大的，刚开始反应时酶是达到饱和的。根据前面所说，当酶达到饱和以后，增加底物浓度并不能增加反应速度，那无论是底物浓度高还是低，开始的一段就应该是以相同的速率（都达到最大速度）反应的，图象中应明确表示出刚开始时两条曲线是重叠的，而且在这一段中产物氧气的量与时间成正比，图象中表示为直线。所以我认为此题的答案应这样画：高浓度低浓度（三）此题若改变问法：（3）如果这个实验装置的容量足够大，反应的时间足够长，请在下面的坐标图(图乙)中分别画出你所预测的高、低两种不同浓度酶（即土豆片数量多、少两种不同情况下）的实验结果。我的解析：因为底物浓度是足够大的，所以反应速度与酶的浓度成正比，那在土豆片多的情况下先催化分解完过氧化氢，达到产物的最高点。而土豆片少的情况下，反应速度较慢，后分解完底物过氧化氢，时间上稍后达到产物的最高点。由于底物的量是一定的，反以最后达到的产物最高点是一样的。如图：低浓度高浓度 【参考资料】[1]孙红文，一个化学老师对生物高考题的质疑，《化学教学》2004年1-2期，第62页-63页[2]南京大学物理化学教研室，《物理化学》(第四版下册)，高等教育出版社，1989，第862-第866页[3]聂剑初等，《生物化学简明教程》（第二版），高等教育出版社，1986，第92页-第95页