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光合作用
第5章 细胞的能量供应和利用
第1节 降低化学反应活化能的酶
主讲教师：ZEG
聚焦
1
细胞代谢为什么离不开酶？
2
酶是什么物质？
3
通过对酶本质的探索过程的分析，
你对科学是怎样发展的有哪些领悟？
问题探讨
1773年，意大利科学家斯帕兰扎尼做了一个巧妙的实验：将肉块放入小巧的金属笼内，然后让鹰把小笼子吞下去。过一段时间后，他把小笼子取出来，发现笼内的肉块消失了。
讨论：为什么要将肉块放在金属笼内？
便于取出实验材料(肉块)，排除物理消化对肉块的影响。
斯帕兰扎尼在研究鹰的
消化作用
问题探讨
讨论：是什么物质让肉块消失了？
消化道内的化学物质将肉块分解了。
斯帕兰扎尼在研究鹰的
消化作用
讨论：怎样才能证明你的推测？
提取消化道内的化学物质，看看这些化学物质在体外是否也能将肉块分解。
斯帕兰札尼的实验说明：
食物在胃中的消化，靠的是胃液中的某种物质。
斯帕兰扎尼在研究鹰的
消化作用
但我不知是什么物质...emo...
后来，科学家发现胃液含有大量盐酸，推测：
盐酸是使食物分解的物质。
1835年，德国科学家施旺发现：
胃腺分泌物中有一种物质，将它与盐酸混合后，对肉类的分解能力远远大于盐酸的单独作用，这种物质就是胃蛋白酶。
施旺
德国生理学家
1
酶的作用和本质
细胞代谢：细胞中每时每刻发生的化学反应，统称为细胞代谢。
意义：是细胞生命活动的基础。
与酶的关系：细胞代谢离不开酶。代谢产生的废物，有害物质，比如过氧化氢，也需酶的分解。
1.1 酶在细胞代谢中的作用
光合作用
比较过氧化氢在不同条件下的分解
探究·实践
探究·实践
实验原理：新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶。质量分数为3.5%的FeCl3溶液和质量分数为20%的肝脏研磨液相比，每滴FeCl3溶液中Fe3+ 的数，大约是每滴研磨液中分子数的25万倍。
实验目的：通过比较过氧化氢在不同条件下的分解的快慢，了解过氧化氢酶的作用。
2H2O2
2H2O + O2 ↑
水浴加热/Fe3+
1.常温
2.加热
3.加FeCl3
4.加过氧化氢酶
2H2O2
2H2O + O2 ↑
不同条件
探究·实践
材料用具
实验材料：新鲜的质量分数为20%的肝脏(如猪肝、鸡肝)研磨液。
实验仪器：量筒、试管、滴管、试管架、卫生香、火柴、酒精灯、试管夹、大烧杯、三脚架、石棉网、温度计。
实验试剂：质量分数为3.5%的FeCl3溶液；新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液。
探究·实践
实验方法及结果
还原糖是指具有还原性的糖，包括葡萄糖、果糖和麦芽糖等
探究·实践
还原糖是指具有还原性的糖，包括葡萄糖、果糖和麦芽糖等
组别 对照组 实验组 1 2 3 4
过氧化氢 浓度 3% 3% 3% 3%
剂量 2mL 2mL 2mL 2mL
反应条件 常温 90℃ FeCl3 2滴 肝脏研磨液2滴
结果 产生气泡 无气泡 少量 较多 大量
卫生香 燃烧情况 不复燃 不复燃 变亮 复燃
探究·实践
讨论
还原糖是指具有还原性的糖，包括葡萄糖、果糖和麦芽糖等
1. 与1号试管相比，2号试管出现了什么不同的现象？这一现象说明什么？
2号试管放出的气泡多，这一现象说明加热促进过氧化氢的分解，提高反应速率。
2. 在细胞内，能通过加热来提高反应速率吗？
不能。
3. 3号和4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明了什么？
说明FeCl3中的Fe3+和新鲜肝脏中的过氧化氢酶都能加快过氧化氢分解的速率。
探究·实践
讨论
还原糖是指具有还原性的糖，包括葡萄糖、果糖和麦芽糖等
4. 3号试管与4号试管相比，哪支试管中反应速率快？这说明什么？为什么说酶对细胞内化学反应的顺利进行至关重要？
4号试管的反应速率比3号试管快得多。说明过氧化氢比Fe3+的催化效率高得多。
细胞内每时每刻都在进行成千上万种化学反应，这些化学反应需要在常温、常压下高效地进行，只有酶能够满足这样的要求，所以酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要。
探究·实践
实验结论
还原糖是指具有还原性的糖，包括葡萄糖、果糖和麦芽糖等
结论：酶和无机催化剂一样，都能催化化学反应，
并且酶的催化效率远高于无机催化的催化效率。
科学方法
控制变量和设计对照实验
①变量：实验过程中变化的因素称为变量。
②自变量：实验过程中，人为控制的对实验对象进行处理的因素叫做自变量。
③因变量：因自变量改变而变化的变量叫做因变量。
④无关变量：除自变量外，实验中还存在的一些对实验结果造成影响的可变因素，叫做无关变量。
实验中变量的控制：
组别 对照组 实验组 变量
1 2 3 4 过氧化氢 浓度 3% 3% 3% 3%
剂量 2mL 2mL 2mL 2mL
反应条件 常温 90℃ FeCl3 2滴 肝脏研磨液2滴
结果 产生气泡 无气泡 少量 较多 大量
卫生香燃烧 情况 不复燃 不复燃 变亮 复燃
无关变量
无关变量
自变量
因变量
因变量
科学方法
科学方法
控制变量和设计对照实验
① 除自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致，并将结果进行比较的实验。
② 对照实验 对照组和实验组。
遵循单一变量原则。
遵循对照原则。
对照实验：
控制变量和设计对照实验
对照实验类型：空白对照、自身对照、条件对照、相互对照。
1号试管即为空白对照
① 空白对照：不给对照组做任何实验处理，这里的”空白”绝不是什么影响因素都不给予，而是针对实验组所要研究的实验因素给与空白。
紫色洋葱鳞片叶外表皮
滴加3%的蔗糖溶液，低倍镜观察
滴加清水后，低倍镜观察
→
→
制成装片，
低倍镜观察。
→
② 自身对照：对照组和实验组都在同一研究对象上进行。不另设对照组。(不同处理的前后对照)
③ 条件对照：虽给对照组施以某种实验因素的处理。但这种处理是作为对照因素的，不是所要研究的实验因素。这种处理不包括实验研究给定的的自变量。目的是更有效的比较实验组和对照组的结果。
条件对照是指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，给定的处理因素正是为了保证实验中对照组与实验组相比只是少了实验变量的影响，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。通常施以条件因素的对象组为对照组，施以实验因素的对象组为实验组。例如，在艾弗里证明DNA是遗传物质的实验中，实验组是“R型活细菌+S型细菌的DNA混合培养”，条件对照组是“R型或细菌+S型细菌的DNA和DNA酶混合培养”。再如，“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，采用等组实验法，其实验设计方案是:以蝌蚪为实验材料，甲组(实验组)饲喂甲状腺激素:乙组(条件对照组)饲喂甲状腺抑制剂;丙组(空白对照组)对蝌蚪不做任何处理。通过比较、对照、更能充分说明实验变量一甲状腺激素有促进动物生长发育的作用，条件对照的目的是通过对比得出相对立的结论，以验证实验结论的正确性。
④ 相互对照：不另设对照组，而是几个实验组之间相互对照，其中的每一组既是实验组也是其他组的对照组。
④ 相互对照：不另设对照组，而是几个实验组之间相互对照，其中的每一组既是实验组也是其他组的对照组。
蝾螈受精卵横缢实验示意图
本实验既有相互对照，又有自身前后对照
2、3、4为相互对照；自变量：不同条件
④ 相互对照：不另设对照组，而是几个实验组之间相互对照，其中的每一组既是实验组也是其他组的对照组。
本实验既有相互对照，又有自身前后对照
1.2 酶的作用原理
思考以下问题，展示学习成果：
酶的作用原理是什么？
什么是活化能？
催化剂和加热对于常态分子转变为发生化学反应时活跃状态的作用有何区别？
1.2 酶的作用原理
活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃态所需要的能量。
活化能
常态
能量
活跃状态
化学反应像驾车翻越一座高山
“加热”相当于给汽车加大油门
催化剂相当于帮司机找到穿山的隧道
1.2 酶的作用原理
催化剂作用：Fe3+和过氧化氢酶能促进过氧化氢分解，它们没有给过氧化氢分子提供能量，而是降低了过氧化氢分解反应的活化能。
1.2 酶的作用原理
酶作用原理：与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著。
酶降低化学反应活化能示意图
酶作用意义：使细胞代谢在温和条件下快速有序地进行。
1.2 酶的作用原理
①
②
④
H2O2
H2O＋1/2O2
⑤
③表示：
⑤表示：
无机催化剂降低的活化能
酶降低的活化能
①表示：
②表示：
④表示：
化学反应所需的活化能。
无机催化剂催化时化学反应
所需的活化能。
酶催化时化学反应所需的
活化能。
③
反应过程
能量
1.2 酶的作用原理
酶作用特征：与无机催化剂一样，本身并不被消耗，也不改变反应的方向和生成物的量。只是改变了化学反应速率。
时间
O2
量
无催化剂
加Fe 3+
加过氧
化氢酶
1.3 酶的本质
思考以下问题，展示学习成果：
酶的本质是什么？
巴斯德之前：酿酒发酵是纯化学反应，与生命活动无关。
发酵与活细胞有关，发酵是整个细胞而不是细胞中某种物质其作用。
引起发酵的是细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用。
酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续起到催化作用，就像在活酵母细胞中一样。
巴斯德
李比希
毕希纳
①对酵母菌发酵的探索
发现了起催化作用的物质——酶
②对酶本质的探索
萨姆纳：从刀豆中提纯脲酶，并证明其化学本质是蛋白质
发现少数RNA具有催化功能，称为核酶。
萨姆纳之后
科学家们获得胃蛋白酶，胰蛋白酶等许多酶的结晶，并证明这些酶的化学本质是蛋白质。
切赫、奥尔特曼
发现了绝大多数酶是蛋白质，少数RNA。
思考讨论以下问题，展示学习成果：
巴斯德和李比希的观点各有什么积极的意义？各有什么局限性？
在科学发展过程中出现争论是正常的。巴斯德和李比希之间出现争论的原因是什么？这一争论对后人进一步研究酶的本质起到了什么作用？
讨论以下问题，展示学习成果：
萨姆纳历时9年才证明脲酶是蛋白质，并因此荣获诺贝尔化学奖。你认为他取得成功靠的是什么样的精神品质？
请给酶下一个比较完整的定义。
巴斯德和李比希的观点各有什么积极的意义？各有什么局限性？？
巴斯德认为发酵与活细胞有关，是合理的；认为发酵是整个细胞而不是细胞中的某些物质在起作用，是不正确的。
毕希纳认为引起发酵的是细胞中的某些物质，是合理的；认为这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解才能发挥作用，是不正确的。
巴斯德是微生物学家，特别强调生物体或细胞的作用；李比希是化学家，倾向于从化学的角度考虑问题。
他们的争论促使后人把对酶的研究目标集中在他们争论的焦点上，使科学研究更加有的放矢。
在科学发展过程中出现争论是正常的。巴斯德和李比希之间出现争论的原因是什么？这一争论对后人进一步研究酶的本质起到了什么作用？
萨姆纳历时9年，用正确的科学方法，坚持不懈、百折不挠的科学精神，将酶提纯出来。成功属于不畏艰苦的人。
萨姆纳历时9年才证明脲酶是蛋白质，并因此荣获诺贝尔化学奖。你认为他取得成功靠的是什么样的精神品质？
请给酶下一个比较完整的定义。
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物。
1.3 酶的本质
酶的本质：是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。
（1）在细胞内、细胞外、生物体内、生物体外都能起催化作用。
（2）酶本身在反应前后其数量和性质都不改变。
1
练习与应用
.
1. 酶对细胞代谢起着非常重要的作用，可以降低化学反应的活化能。下列关于酶的作用特点及本质的叙述，正确的是 （ ）
A.酶不能脱离生物体起作用
B.酶只有释放到细胞外才起作用
C.所有的酶都是蛋白质
D.酶是具有催化作用的有机物
D
2.1 概念检测
.
2. 酶和无机催化剂都能催化化学反应。与无机催化剂相比，酶具有的特点是 （ ）
A.能为反应物提供能量
B.能降低化学反应的活化能
C.能在温和条件下催化化学反应
D.催化化学反应更高效
D
2.1 概念检测
.
2.2 拓展应用
1.在本节“探究·实践”中，有同学在原有实验的基础上增加了5号和6号试管，向其中分别加入2mL过氧化氢溶液后，再向5号试管内加入2滴煮沸过的肝脏研磨液，向6号试管内加入2滴蒸馏水。这样做的目的是什么？
本小节“探究·实践”涉及的自变量并非只有 个,而是包括温度和催化剂两个变量,1号试管中仅放置了过氧化氢溶液,可以起到对照作用。2号试管与 1 号试管的区别在于温度,3号试管和4号试管与 1 号试管的区别在于多了催化剂 。3号试管与 4号试管之间也可以起相互对照作用。加入 2 滴煮沸过的肝脏研磨液的 5号试管,可以与加入新鲜的肝脏研磨液的 4号试管做对照;同理,加入 2 滴蒸馏水的 6 号试管可以作为 3 号试管和 4 号试管的对照组。
4.2 拓展应用
2.仔细阅读本节的“思考·讨论”，通过完成下面的图解，体会巴斯德、李比希、毕希纳、萨姆纳的观点之间的逻辑关系；写一篇短文，谈谈对科学发展过程的认识。
巴斯德:发酵与活细胞有关,发酵是整个细胞而不是细胞中的某些物质在起作用。
李比希:引起发酵的是细胞中的某些物质,但是这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用。
毕希纳:酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续起催化作用,就像在活酵母细胞中一样。
萨姆纳:酶是蛋白质
.
2.2 拓展应用
3.给你一份某种酶的结晶，你能设计实验检测它是不是蛋白质吗？请简略写出实验步骤。想一想，在萨姆纳之前，为什么很难鉴定酶的本质？
双缩脲试剂
因为细胞中酶的提取和纯化非常困难

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