2022年秋高中生物 第五章 細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用第1節(jié) 降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶學(xué)案 新人教版必修1
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1、2022年秋高中生物 第五章 細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用 第1節(jié) 降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶學(xué)案 新人教版必修1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.舉例說明酶在細(xì)胞代謝中的作用、本質(zhì)。(重點(diǎn)) 2.通過閱讀分析“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”資料,認(rèn)同科學(xué)是在不斷探索和爭(zhēng)論中前進(jìn)的。 3.闡述酶的特性。(重點(diǎn)) 4.學(xué)會(huì)分析實(shí)驗(yàn)中的自變量、因變量、無關(guān)變量等。(難點(diǎn)) 核心概念 細(xì)胞代謝 酶 活化能 高效性 專一性 一、酶在細(xì)胞代謝中的應(yīng)用 1.細(xì)胞代謝 2.實(shí)驗(yàn):比較過氧化氫在不同條件下的分解 (1)實(shí)驗(yàn)原理:H2O2在 水浴加熱 、 FeCl3溶液 和肝臟研磨液中 過氧化氫酶
2、 的作用下加速分解。 (2)實(shí)驗(yàn)步驟: 編號(hào) 步驟 1 2 3 4 相同 處理 向4支試管中分別加入 2 mL過氧化氫溶液 ,并放在試管架上 不同 處理 不處理 放入 90℃ 左右的 水浴 中加熱 滴入 2滴 FeCl3溶液 滴入2滴 肝臟研磨液 觀察 試管內(nèi)產(chǎn)生的 氣泡數(shù)量 試管內(nèi)衛(wèi)生香 燃燒程度 (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果: 4號(hào)試管產(chǎn)生的氣泡最多,衛(wèi)生香燃燒猛烈 。 (4)實(shí)驗(yàn)結(jié)論: 酶 在常溫常壓下,可
3、以高效地完成對(duì)化學(xué)反應(yīng)的 催化 。 二、酶的本質(zhì)和作用原理 三、酶的特性 1.高效性 2.專一性: 3.溫度和pH對(duì)酶活性影響及曲線 (1)溫度對(duì)酶活性的影響及曲線: ①T0表示酶促反應(yīng)的 最適溫度 ,此時(shí)酶活性 最高 。 ②溫度 偏高或偏低 ,酶活性降低。 ③溫度 過高 ,酶會(huì)失活。 (2)pH對(duì)酶活性的影響及曲線: ①P表示酶促反應(yīng)的 最適pH ,此時(shí)酶活性 最高 。 ②pH 偏高或偏低 ,酶活性降低。 ③pH 過高或過低 ,酶會(huì)失
4、活。 ?思考 1.我們吃芹菜時(shí),無論咀嚼多長(zhǎng)時(shí)間,都感覺不到甜,而吃饅頭時(shí),咀嚼時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)有甜味,你知道是什么原因嗎? 提示:芹菜中含大量纖維素,饅頭中主要成分為淀粉,人的唾液中含淀粉酶而不含纖維素酶,而酶具有專一性,淀粉酶可將淀粉分解為具有甜味的麥芽糖,卻不能將纖維素分解 。 2.酶是否只能在活細(xì)胞內(nèi)起作用?舉例說明。 提示:不是,酶既可以在細(xì)胞內(nèi)起作用,也可以在細(xì)胞外起作用,如消化酶等。 3.人體口腔內(nèi)的唾液淀粉酶進(jìn)入胃之后還能繼續(xù)發(fā)揮作用嗎?為什么? 提示:不能。因?yàn)槲竷?nèi)pH很低,導(dǎo)致唾液淀粉酶失活。 H 判斷題 1.酶既可以作為催化劑,也可以作為另一個(gè)反應(yīng)的底
5、物。( √ ) 2.酶分子在催化反應(yīng)完成后立即被降解成氨基酸。( × ) 3.酶通過為反應(yīng)物供能和降低活化能來提高化學(xué)反應(yīng)速率。( × ) 4.酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的蛋白質(zhì),酶的催化作用既可發(fā)生在細(xì)胞內(nèi),也可以發(fā)生在細(xì)胞外。( × ) 5.在測(cè)定胃蛋白酶活性時(shí),將溶液的pH由10降到2的過程中,胃蛋白酶的活性將逐漸增強(qiáng)。( × ) 6.酶的基本組成單位是氨基酸和脫氧核糖核苷酸。( × ) 7.高溫、低溫都可使酶活性降低,二者的作用實(shí)質(zhì)不同。( √ ) 8.在做溫度影響酶的活性的實(shí)驗(yàn)中,若某兩支試管的反應(yīng)速率相同,在其他條件均相同的條件下,可判斷這兩支試管所處的環(huán)境溫度也一
6、定是相同的。( × ) 9.如果以淀粉為底物,以淀粉酶為催化劑探究溫度影響酶活性的實(shí)驗(yàn),則酶促反應(yīng)的速率既可以通過碘液檢測(cè)淀粉的分解速率,也可以通過斐林試劑檢測(cè)淀粉水解產(chǎn)物的生成速率。( × ) 10.每一種酶只能催化一種或一類化學(xué)反應(yīng)。( √ ) 知識(shí)點(diǎn)1 酶的本質(zhì)和作用 Z 1.酶的概念和作用 化學(xué)本質(zhì) 絕大多數(shù)是蛋白質(zhì) 少數(shù)是RNA 合成原料 氨基酸 核糖核苷酸 合成場(chǎng)所 核糖體 細(xì)胞核(主要) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)組 待測(cè)酶液+雙縮脲試劑→是否出現(xiàn)紫色反應(yīng) 待測(cè)酶液+吡羅紅染液→是否出現(xiàn)紅色 對(duì)照組1 蛋白質(zhì)樣液+雙縮脲試劑→出現(xiàn)紫色反應(yīng) RN
7、A樣液+吡羅紅染液→出現(xiàn)紅色 對(duì)照組2 待測(cè)酶液不再具有催化能力 待測(cè)酶液不再具有催化能力 來源 一般活細(xì)胞中均能產(chǎn)生 生理功能 具有生物催化功能 具有特性 專一性、高效性、需要適宜的pH、溫度等 2.酶的作用機(jī)理 分析可知: ①E1這一部分的活化能是指酶所降低的能量; ②E2這一部分的能量是指酶促反應(yīng)過程中所需能量; ③E1+E2=E這一部分的能量是反應(yīng)所需總能量,是指無酶催化的時(shí)候,分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變成活躍狀態(tài)所需的能量,即反應(yīng)活化能。 3.酶作用模式圖 (1)圖示中表示酶的為A,判斷依據(jù):酶只是改變了反應(yīng)的進(jìn)程,在反應(yīng)的前后數(shù)量和性質(zhì)都不改變;反應(yīng)物和
8、生成物分別為B和C、D。 (2)圖示體現(xiàn)了酶的特性:專一性。酶通過特定的空間結(jié)構(gòu)與反應(yīng)物識(shí)別并結(jié)合,進(jìn)而催化反應(yīng)的進(jìn)行。 Y 有關(guān)酶的四個(gè)易錯(cuò)點(diǎn) (1)酶并不都是蛋白質(zhì),有的酶是RNA。 (2)酶不僅在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用,在細(xì)胞外和體外都可以發(fā)揮作用。 (3)酶作用的實(shí)質(zhì)是降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能,不是提供能量。 (4)酶并不是具有分泌功能的細(xì)胞才能產(chǎn)生,活細(xì)胞都能產(chǎn)生酶。 D 典例1 (2018·無錫高一檢測(cè))下列有關(guān)酶的敘述中,正確的是( D ) A.酶的催化效率總是高于無機(jī)催化劑 B.一個(gè)酶分子只起一次作用 C.酶催化反應(yīng)能放出更多的能量 D.催化蛋白質(zhì)水解的酶的
9、化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì) [解析] 過酸、過堿和高溫都會(huì)改變酶的空間結(jié)構(gòu),使酶失活,因而酶的催化效率不一定高于無機(jī)催化劑,A錯(cuò)誤;酶作為催化劑,在化學(xué)反應(yīng)中可多次起作用,B錯(cuò)誤;酶可以降低化學(xué)反應(yīng)的活化能,加快反應(yīng)的速率,但不能使反應(yīng)放出更多的能量,C錯(cuò)誤;催化蛋白質(zhì)水解的酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì),D正確。 〔變式訓(xùn)練1〕 某一不可逆化學(xué)反應(yīng)(S→P+W)在無酶和有酶催化時(shí)均可以進(jìn)行。當(dāng)該反應(yīng)在無酶條件下進(jìn)行到時(shí)間t時(shí),向反應(yīng)液中加入催化該反應(yīng)的酶。圖中能正確表示加酶后反應(yīng)物濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化趨勢(shì)的曲線是( D ) A.甲 B.乙 C.丙 D.丁 [解析] 本題以曲線圖的形式對(duì)酶催
10、化反應(yīng)的原理進(jìn)行考查。加入酶后,加快反應(yīng)速率,所以反應(yīng)物濃度下降速度增大,由于該反應(yīng)是不可逆反應(yīng),所以最后反應(yīng)物都消耗完。 知識(shí)點(diǎn)2 酶的特性及相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析 Z 1.酶高效性的實(shí)驗(yàn)分析 (1)思路 (2)實(shí)例——“比較過氧化氫在不同條件下的分解” ①步驟與結(jié)果分析: 試管 編號(hào) 3%的H2O2溶液 自變量 因變量 結(jié)果分析 處理方法 氣泡 多少 點(diǎn)燃衛(wèi)生香檢測(cè) 1 2 mL 幾乎沒有 無復(fù)燃 H2O2自然分解緩慢 2 2 mL 90 ℃左右水浴加熱 較少 復(fù)燃 加熱能促進(jìn)H2O2分解 3 2 mL 滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%
11、的FeCl3溶液2滴 較多 復(fù)燃性較強(qiáng) Fe3+能催化H2O2的分解 4 2 mL 滴加新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟研磨液2滴 很多 復(fù)燃性更強(qiáng) 過氧化氫酶有催化H2O2分解的作用,且效率高 ②結(jié)論分析: 2.酶專一性的實(shí)驗(yàn)分析 (1)思路 ① ② (2)實(shí)例 步驟 1 淀粉+淀粉酶 蔗糖+淀粉酶 2 等量斐林試劑,水浴加熱相同時(shí)間 現(xiàn)象 出現(xiàn)磚紅色沉淀 無顏色變化 結(jié)論 酶具有專一性 3.探究溫度、pH對(duì)酶活性的影響 (1)思路 (2)實(shí)例——探究不同溫度對(duì)酶活性的影響 1試管 1′試管 2試管 2′試
12、管 3試管 3′試管 實(shí)驗(yàn)步驟 1 2 mL淀粉溶液 2 mL唾液淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL唾液淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL唾液淀粉酶溶液 2 在冰水中水浴5 min 在37 ℃水中水浴5 min 在沸水中水浴5 min 3 1與1′試管混合搖勻 2與2′試管混合搖勻 3與3′試管混合搖勻 4 冰水中水浴數(shù)分鐘 37 ℃水浴數(shù)分鐘 沸水中水浴數(shù)分鐘 5 取出試管,分別滴加2滴碘液搖勻,觀察現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象 呈藍(lán)色 無藍(lán)色出現(xiàn) 呈藍(lán)色 結(jié)論 ①唾液淀粉酶在37 ℃時(shí)催化淀粉水解,在0 ℃和100 ℃時(shí)不能發(fā)揮催化
13、作用。 ②酶的催化作用需要適宜的溫度條件,溫度過高或過低都影響其催化效率 Y 有關(guān)酶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩點(diǎn)提醒 (1)探究不同溫度對(duì)酶活性的影響時(shí),在加入酶之前,應(yīng)將底物在各自溫度下處理至少5分鐘,確保試管內(nèi)外溫度一致。 (2)探究不同pH對(duì)酶活性的影響時(shí),可將過氧化氫酶和H2O2溶液分別調(diào)至同一pH,再混合,以保證反應(yīng)一開始便達(dá)到預(yù)設(shè)pH。 D 典例2 (2018·濰坊高一檢測(cè))“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)中,相關(guān)說法錯(cuò)誤的是( D ) A.氯化鐵溶液和肝臟研磨液都屬于自變量 B.過氧化氫分解速率是因變量 C.過氧化氫的濃度屬于無關(guān)變量 D.實(shí)驗(yàn)過程中可以變化
14、的因素即為自變量 [解析] 實(shí)驗(yàn)中可以變化的因素稱為變量,其中人為改變的量稱為自變量,氯化鐵溶液、肝臟研磨液都屬于自變量;隨自變量的變化而改變的量稱為因變量,過氧化氫的分解速率就屬于因變量;實(shí)驗(yàn)過程中還存在一些對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的因素,這些因素稱為無關(guān)變量。 易錯(cuò)提醒:有關(guān)影響酶促反應(yīng)速率的因素的三點(diǎn)提醒 (1)酶催化反應(yīng)時(shí),最適溫度和最適pH不會(huì)相互影響。 (2)酶量的增加會(huì)提高酶促反應(yīng)的速率,但不會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn);適當(dāng)增加反應(yīng)物濃度,既改變了反應(yīng)速率,也改變了反應(yīng)的進(jìn)程。 (3)不同因素影響酶促反應(yīng)的速率的本質(zhì)不同。 ①溫度和pH是通過影響酶的活性而影響酶促反應(yīng)速率的。
15、 ②底物濃度和酶濃度是通過影響酶與底物的接觸而影響酶促反應(yīng)速率,并不影響酶的活性。 〔變式訓(xùn)練2〕 關(guān)于溫度對(duì)酶活性影響的敘述,錯(cuò)誤的是( B ) A.不同酶的最適溫度可能相同 B.隨著溫度降低,酶促反應(yīng)的活化能下降 C.酶活性最高時(shí)的溫度不適合該酶的保存 D.高溫下酶失活是酶空間結(jié)構(gòu)破壞的結(jié)果 [解析] 不同酶的最適溫度可能相同,也可能不同,A正確;在一定的范圍內(nèi)隨著溫度的降低,酶的活性下降,而酶促反應(yīng)的活化能是不會(huì)降低的,B錯(cuò)誤;低溫時(shí),酶的活性降低,但酶的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,因此,酶制劑適于在低溫(0~4 ℃)下保存,C正確;高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿都會(huì)破壞酶的空間結(jié)構(gòu),從而使酶失活,D正
16、確。 與酶有關(guān)的曲線解讀 1.酶高效性的曲線(如圖中甲) (1)催化劑可加快化學(xué)反應(yīng)速率,與無機(jī)催化劑相比,酶的催化效率更高。 (2)酶只能縮短達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡點(diǎn)所需的時(shí)間,不會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)。 (3)酶只能催化已存在的化學(xué)反應(yīng)。 2.酶專一性的曲線(如圖中乙) (1)在A反應(yīng)物中加入酶A,反應(yīng)速率較未加酶時(shí)明顯加快,說明酶A催化A反應(yīng)物參加的反應(yīng)。 (2)在A反應(yīng)物中加入酶B,反應(yīng)速率和未加酶時(shí)相同,說明酶B不催化A反應(yīng)物參加的反應(yīng)。 3.影響酶活性的曲線(如圖) (1)在一定條件下,酶活性最大時(shí)的溫度(或pH)稱為該酶的最適溫度(或pH)。 (2)在
17、一定溫度(或pH)范圍內(nèi),隨溫度(或pH)的升高,酶的活性增強(qiáng);當(dāng)溫度(或pH)升高到一定限度時(shí),酶活性會(huì)隨溫度(或pH)的升高而減弱。 (3)過酸、過堿、高溫會(huì)破壞酶的空間結(jié)構(gòu),導(dǎo)致酶永久失活,而低溫時(shí)酶的活性降低,不會(huì)失活。 4.酶和反應(yīng)物的濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系曲線(如圖) (1)反應(yīng)速率與酶濃度的關(guān)系:在反應(yīng)物充足,其他條件均適宜的情況下,反應(yīng)速率與酶濃度成正比(如圖中甲)。 (2)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系:在酶量一定的條件下,在一定范圍內(nèi),反應(yīng)速率會(huì)隨著反應(yīng)物濃度的增加而增大,但當(dāng)反應(yīng)物濃度達(dá)到一定值后,由于受酶數(shù)量或酶活性的限制,反應(yīng)速率不再增大(如圖中乙)。 5.反
18、應(yīng)時(shí)間對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響(如圖) (1)甲、乙、丙三圖中的時(shí)間t0、t1、和t2是一致的。 (2)隨著反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)物因被消耗而減少,生成物因生成而增多。 (3)t0~t1段,因?yàn)榉磻?yīng)物較充足,所以反應(yīng)速率較快,反應(yīng)物消耗較快,生成物生成速度較快。t1~t2段,因?yàn)榉磻?yīng)物的量減少,所以反應(yīng)速率降低,反應(yīng)物消耗較慢,生成物生成速率較慢。t2時(shí),反應(yīng)物被耗盡,生成物也不再增加,此時(shí)反應(yīng)速率為0。 典例3 某同學(xué)研究溫度和pH對(duì)某酶促反應(yīng)速率的影響,得到如圖所示的曲線。下列分析正確的是( A ) A.該酶催化反應(yīng)的最適溫度為35℃左右,最適pH為8 B.當(dāng)pH為8時(shí),影響
19、酶促反應(yīng)速率的主要因素是底物濃度和酶濃度 C.隨pH升高,該酶催化反應(yīng)的最適溫度隨之改變 D.當(dāng)pH為任何一固定值時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果都可以證明溫度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響 [解析] 本題考查溫度和pH對(duì)酶活性的影響及解讀曲線的能力。分析曲線可知,當(dāng)溫度為35 ℃、pH為8時(shí),酶促反應(yīng)速率相對(duì)較快,當(dāng)溫度為35 ℃、pH大于或小于8時(shí),酶促反應(yīng)速率均下降,所以該酶的最適溫度為35 ℃左右、最適pH為8;當(dāng)pH為8時(shí),不同溫度下酶促反應(yīng)速率不同,此時(shí)溫度是影響酶促反應(yīng)速率的主要因素;在一定范圍內(nèi),隨pH的升高或降低,該酶催化反應(yīng)的最適溫度均為35 ℃左右;當(dāng)pH過高或過低時(shí),不同溫度下的反應(yīng)速率可能相
20、同,此時(shí)溫度已不再是酶促反應(yīng)速率的影響因素。 典例4 圖甲是過氧化氫酶活性(v)受pH影響的曲線,圖乙表示在最適溫度下,pH=b時(shí)過氧化氫分解產(chǎn)生的O2量隨時(shí)間(t)的變化。若該酶促反應(yīng)過程中改變某一初始條件,以下改變正確的是( B ) A.pH=a時(shí),e點(diǎn)下移,d點(diǎn)左移 B.適當(dāng)降低溫度,e點(diǎn)不移,d點(diǎn)右移 C.pH=c時(shí),e點(diǎn)為0 D.過氧化氫量增加,e點(diǎn)不移,d點(diǎn)左移 [解析] pH由b→a時(shí),酶的活性降低,化學(xué)反應(yīng)速率減慢,到達(dá)化學(xué)反應(yīng)平衡所需的時(shí)間延長(zhǎng),但pH改變不會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn),故e點(diǎn)不移,d點(diǎn)右移,A項(xiàng)錯(cuò)誤;圖乙是在最適溫度下繪制的,若溫度降低,則酶活
21、性降低,化學(xué)反應(yīng)速率減慢,到達(dá)化學(xué)反應(yīng)平衡所需的時(shí)間延長(zhǎng),但溫度降低不會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn),故d點(diǎn)右移,e點(diǎn)不移,B項(xiàng)正確;pH=c時(shí),過堿條件破壞酶的空間結(jié)構(gòu)使酶失活、不能催化過氧化氫水解,但過氧化氫在常溫下也能分解,所以e點(diǎn)不為0,C項(xiàng)錯(cuò)誤;過氧化氫量增加時(shí),達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡所需時(shí)間延長(zhǎng),且化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)升高,即e點(diǎn)上移,d點(diǎn)右移,D項(xiàng)錯(cuò)誤。 【解題探究】 (1)酶促反應(yīng)的結(jié)果是改變了達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡所需的 時(shí)間 ,即改變了 反應(yīng)速率 ,但不影響反應(yīng)的平衡點(diǎn),即不影響 生成物 的量。 (2)最適條件下改變影響酶活性的因素,會(huì)導(dǎo)致達(dá)到化學(xué)
22、反應(yīng)平衡所需的時(shí)間 延長(zhǎng) ,但不影響反應(yīng)的平衡點(diǎn)。 【互動(dòng)探究】 (1)若圖乙曲線為pH=a條件下繪制,當(dāng)pH=b時(shí),d點(diǎn)和e點(diǎn)如何移動(dòng)? 提示:pH升高,酶活性增強(qiáng),化學(xué)反應(yīng)速率加快,達(dá)到反應(yīng)平衡的時(shí)間縮短,但不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn),故d點(diǎn)左移、e點(diǎn)不移。 (2)若增加酶的濃度,圖乙曲線中d點(diǎn)和e點(diǎn)如何移動(dòng)? 提示:增加酶的濃度,反應(yīng)速率加快,但不影響化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn),故d點(diǎn)左移、e點(diǎn)不移。 【方法規(guī)律】 分析影響酶促反應(yīng)速率因素的曲線圖的一般方法 (1)識(shí)標(biāo):理解圖中縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的含義,一般橫坐標(biāo)表示溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間等
23、,縱坐標(biāo)表示反應(yīng)速率等。 (2)明點(diǎn):分析圖中起止點(diǎn)和最高點(diǎn)的含義,一般起點(diǎn)為零,最高點(diǎn)表示最適溫度或pH,酶的活性最大,止點(diǎn)表示酶的活性為零或生成物的量最大。 (3)析圖:根據(jù)相關(guān)原理判斷曲線的變化情況,具體看曲線是上升還是下降,從而確定酶促反應(yīng)速率的變化趨勢(shì)。 1.細(xì)胞代謝的概念:細(xì)胞內(nèi)每時(shí)每刻都進(jìn)行著許多化學(xué)反應(yīng),統(tǒng)稱為細(xì)胞代謝。 2.酶的概念:酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機(jī)物,其中絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì),少數(shù)酶是RNA。 3.酶的特性:專一性、高效性、作用條件較溫和。 4.酶的作用原理:降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。 5.影響酶活性的主要因素:溫度、pH等。 酶的 作用 和本 質(zhì)
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