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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
第1课时　酶的作用和本质
课标要求 核心素养
1.通过对酶催化作用具体实例的讨论，说明酶在细胞代谢中的作用及酶的本质和特性。 2．通过阅读分析“关于酶本质的探索”的资料，认同科学是在不断地探索和争论中前进的，伟大的科学家也会有认识上的局限性。 3．通过相关的实验和探究，尝试控制自变量、观察和检测因变量、设置对照组和重复组。 1.生命观念：能量的供应和利用都离不开物质变化，酶能催化生化反应发生物质变化。
2．科学思维：归纳与概括酶的作用机理及特性。
3．科学探究：能够根据实验目的，设计比较过氧化氢在不同条件下的分解实验，分析结果得出结论。
必备知识　自主梳理
?酶在细胞代谢中的作用
1．细胞代谢
(1)场所：__________。
(2)实质：许多____________的统称。
(3)意义：细胞代谢是________________的基础。
细胞中
化学反应
细胞生命活动
2．比较过氧化氢在不同条件下的分解
(1)实验原理
(2)实验结论
①酶具有________作用。
②与无机催化剂相比，酶的____________更高。
催化
催化效率
3．酶的作用机理
(1)活化能：分子从_______转变为容易发生化学反应的___________所需要的能量。
(2)酶的作用机理：通过________化学反应所需要的__________从而加快化学反应的进行。
(3)与无机催化剂相比，酶催化效率更高的原因：酶降低活化能的作用更显著。
常态
活跃状态
降低
活化能
加热、Fe3＋和过氧化氢酶都可以促进过氧化氢分解，它们的作用机理相同吗？为什么？
提示：不同。加热促进过氧化氢分解的作用机理是加热使过氧化氢分子得到了能量，而Fe3＋和过氧化氢酶的作用机理则是降低了过氧化氢分解反应的活化能。
?酶的本质
1．关于酶本质的探索
2．酶的本质
(1)产生场所：__________。
(2)生理作用：____________。
(3)化学本质：__________________。
活细胞
催化作用
蛋白质或RNA
细胞中合成酶的原料是什么？
提示：氨基酸、核糖核苷酸。
(1)酶能提高化学反应的活化能，使化学反应顺利进行。(　 　)
(2)酶能催化H2O2分解，是因为酶使H2O2得到了能量。(　 　)
(3)无关变量是与实验结果无关的变量。(　 　)
(4)在一个实验中，因变量的检测指标往往不是唯一的。(　 　)
(5)酶的基本组成单位是氨基酸。(　 　)
(6)具有分泌功能的细胞才能产生酶。(　 　)
(7)酶是活细胞产生的，只能在细胞内起催化作用。(　 　)
(8)酶在反应完成后立即被降解成氨基酸。(　 　)
(9)酶具有催化、调节等多种功能。(　 　)
×
×
×
√
×
×
×
×
×
【解析】　(1)酶能降低化学反应的活化能，使化学反应更易进行。(2)酶不为化学反应提供能量，而是降低了H2O2分解所需要的活化能。(3)无关变量是实验过程中除自变量外能对实验结果造成影响的可变因素。(5)酶的基本组成单位是氨基酸或核糖核苷酸。(6)并不是具有分泌功能的细胞才能产生酶，活细胞都能产生酶。(7)酶不仅在细胞内发挥作用，适宜条件下，在细胞外和体外都可以发挥作用。(8)酶在化学反应前后性质不变，不会在催化后就被降解。(9)酶具有的功能是催化。
合作探究　能力提升
●情境解读
实验情境：过氧化氢是细胞代谢中产生的代谢废物，对细胞有毒害作用。有矛就有盾，细胞中含有过氧化氢酶，能将过氧化氢及时分解为氧气和水。通过“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，结合题表。
任务一：分析过氧化氢在不同条件下的分解
试管编号 1 2 3 4
相同处理 2 mL过氧化氢溶液
不同处理 不处理 90 ℃水浴 2滴FeCl3 2滴肝脏研磨液
观测指标 无气泡 气泡少 气泡较多 气泡很多
●问题探究
1．本实验的自变量有哪些？
提示：本实验的自变量有温度、催化剂的种类。
2．实验中为什么把肝脏制备成肝脏研磨液？
提示：制成肝脏研磨液目的是使肝细胞中的过氧化氢酶得以充分释放，增大酶与过氧化氢的接触面积，加快过氧化氢分解速率。
3．本实验的因变量是什么？如何表示？
提示：因变量是过氧化氢的分解速率；一定时间内产生气泡的量。
4．本实验的无关变量有哪些？如何控制无关变量？
提示：无关变量有过氧化氢的浓度、反应时间等；无关变量的处理原则是相同且适宜。
5．通过分析对照实验可以得出结论：1号与2号对比，1号与3号对比，1号与4号对比，3号与4号对比，结论分别是什么？
提示：加热可以加快过氧化氢的分解；FeCl3可以催化过氧化氢的分解；过氧化氢酶可以催化过氧化氢的分解；与无机催化剂相比，过氧化氢酶的催化效率更高。
●典例剖析
关于如图所示实验的叙述，错误的是(　　)
A．甲装置是实验组，乙装置是对照组
B．H2O2溶液的浓度属于无关变量
C．乙试管产生气泡的速率比甲试管快
D．两支试管中H2O2溶液的体积应相同
【解析】　本题考查比较H2O2在不同条件下的分解实验的实验原理和变量控制。用新鲜的肝脏研磨液处理的为实验组，加清水的为对照组，A错误；H2O2溶液的浓度和体积等属于无关变量，为保证实验正常进行应遵循等量原则，使两支试管中的H2O2溶液的浓度和体积相同，B、D正确；新鲜的肝脏研磨液中含有过氧化氢酶，有催化作用，可加快H2O2的分解速率，所以乙试管产生气泡的速率比甲试管快，C正确。故选A。
1.在如图所示的实验中，属于无关变量的是(　　)
A．催化剂的种类
B．过氧化氢分解的速率
C．试管中的过氧化氢溶液的量
D．产生气泡量
【解析】　分析实验装置可知，催化剂的种类属于实验的自变量，A不符合题意；过氧化氢分解的速率属于实验的因变量，B不符合题意；试管中的过氧化氢溶液的量属于实验的无关变量，C符合题意；产生气泡量属于实验的因变量，D不符合题意。故选C。
●归纳提升
控制变量和设计对照实验
1．变量：实验过程中的变化因素称为变量。
2．对照实验
(1)含义：除作为自变量的因素外，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)对照实验的类型
3．实验设计原则
(1)对照原则：设计对照实验，既要有对照组又要有实验组。
(2)单一变量原则：实验设计时只有一个自变量，且无关变量在对照组和实验组中均要保持相同且适宜。
(3)等量性原则：指除单一变量可以变化外，其他的实验条件应是一样的，如所用试剂量要相同、放在相同条件下培养、取长势相同的植物培养等。
●情境解读
数学模型：如图所示为酶催化反应的机理与过程，图中E1、E2、E3都是活化能，请据图回答下列问题：
任务二：分析酶的作用原理
●问题探究
1．请将这三种活化能分别与不使用催化剂、使用无机催化剂、使用酶作催化剂三种条件进行对应。
提示：E1——使用无机催化剂，E2——不使用催化剂，E3——使用酶作催化剂。
2．使用酶作催化剂时，酶所降低的化学反应的活化能应该怎么表示？
提示：E2－E3。
3．加热也能加快某些化学反应的进行，这种加快和酶的催化原理相同吗？
提示：不同。加热可以为反应的物质提供能量，从而缩短物质从常态转化为活跃状态的时间，加快化学反应的进行。
●典例剖析
在常温下H2O2溶液几乎不分解，但加入肝脏研磨液(含H2O2酶)后，会快速分解成H2O和O2。反应过程中能量变化如图
所示，其中表示活化能的是(　　)
A．E2 B.E3
C．E3－E2 D.E2－E1
【解析】　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称为活化能，酶通过降低活化能而使催化效率更高。如图中的E3－E2即表示活化能，C正确，A、B、D错误。故选C。
2.如图表示有酶催化和无酶催化的反应过程中的能量变化。下列叙述正确的是(　　)
A．曲线Ⅰ表示酶促反应过程
B．(a－d)的值表示无酶催化时反应所需的活化能
C．(a－b)的值表示酶催化时降低的反应的活化能
D．曲线I、Ⅱ表示的反应过程所经历的时间相同
【解析】　分析题图，曲线Ⅰ表示无酶催化的反应过程，曲线Ⅱ表示酶促反应过程，A错误；(a－c)的值表示无酶催化时反应所需的活化能，B错误；(a－b)的值表示酶催化时降低的反应的活化能，C正确；酶具有高效性，故曲线Ⅰ、Ⅱ表示的反应过程所经历的时间不相同，曲线Ⅰ表示的反应过程所需时间比曲线Ⅱ的长，D错误。故选C。
●归纳提升
1．酶与加热的作用机理：酶作用的机理是降低化学反应的活化能，不能为反应提供能量。加热不能降低化学反应的活化能，而是为反应提供能量。
2．酶与无机催化剂的共性：降低化学反应的活化能，缩短达到化学反应平衡点的时间。
3．酶的变与不变：酶可以改变化学反应所需的活化能和反应速率，反应前后酶自身的性质和数量不变、酶不能改变反应物与生成物的种类和数量。
●情境解读
生活情境：生活中常遇到这样的现象：切开的苹果、久存的荔枝等表面会变色，此过程称为褐变。此现象是由植物细胞中的多酚氧化酶(PPO)造成的。多酚氧化酶(PPO)是存在于质体(植物细胞特有的结构，由膜包裹)中的含有Cu2＋的蛋白质类酶，其可以催化液泡中的多酚类物质(无色)生成褐色物质，不仅会影响外观，还会导致营养损失。
任务三：分析酶的本质
●问题探究
1．多酚氧化酶(PPO)是由哪个细胞器合成的？写出判断理由。
提示：核糖体。因为多酚氧化酶(PPO)是含有Cu2＋的蛋白质类酶，蛋白质的合成场所是核糖体。
2．依据题中信息简述切开的苹果褐变的过程。
提示：切开的苹果，生物膜系统被破坏，质体中的PPO与液泡中的多酚类物质相遇，催化其形成褐色物质。
3．自然状态下，果蔬没有发生褐变的原因是什么？
提示：因为细胞含有生物膜系统，使多酚氧化酶不能与多酚类物质相遇而产生褐变反应。
●典例剖析
下列有关酶的叙述，正确的是(　　)
①酶是具有分泌功能的细胞产生的　②酶参与生化反应后被消耗　③酶一般是由活细胞产生的　④酶能够为化学反应提供活化能　⑤绝大多数酶是蛋白质，少数酶为RNA　⑥酶在代谢中有多种功能　⑦酶在细胞代谢和生殖发育中起调控作用　⑧酶具有催化作用
A．③⑤⑧ B.③④⑧
C.②⑦⑧ D.③④⑤⑧
【解析】　酶一般是由活细胞产生的，①错误、③正确；酶参与生化反应前后，本身的性质和数量不发生改变，②错误；酶只能降低化学反应的活化能，不能为化学反应提供活化能，④错误；绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA，⑤正确；酶在代谢中只有催化功能，⑥⑦错误、⑧正确。综上分析，③⑤⑧正确。故选A。
3．20世纪80年代，科学家发现了一种酶——RNaseP酶。分析发现，RNaseP酶由20%的蛋白质和80%的RNA组成。研究发现，将这种酶中的蛋白质除去，并提高剩余物质的浓度，留下来的RNA仍然具有与这种酶相同的催化活性。这一研究结果表明(　　)
A．一些RNA具有生物催化作用
B.酶都是由RNA和蛋白质组成的
C．酶的化学本质都是蛋白质
D.酶的化学本质都是RNA
【解析】　一些RNA是酶，具有生物催化作用，符合题意，A正确；酶的本质是RNA或蛋白质，只能是其中的一种，B错误；有些酶是RNA，C错误；有些酶是蛋白质，D错误。故选A。
●归纳提升
1．酶的本质及生理功能
概念 酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物
来源 一般来说，活细胞都能产生酶(哺乳动物成熟的红细胞不能产生酶，但含有酶)
生理功能 生物催化功能(反应前后酶的性质和数量不变)
作用机理 降低化学反应的活化能，加快反应速率
酶催化作用实验验证 实验组：底物＋相应酶→底物被分解
对照组：底物＋等量蒸馏水→底物不被分解
注：酶只有催化作用，没有调节功能；酶可作为催化剂，也可作为反应底物。
作用场所 在细胞内(呼吸酶、光合酶等)、细胞外(消化酶等)、体外都能发挥催化作用
化学本质 绝大多数是蛋白质 少数是RNA
合成原料 氨基酸(约21种) 核糖核苷酸(4种)
合成场所 核糖体 细胞核(主要)、线粒体、叶绿体
2．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→是否出现紫色反应。
对照组：已知蛋白液＋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→是否出现红色。
对照组：已知RNA液＋吡罗红染液→出现红色。
课堂达标　巩固训练
1．下图表示“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验。相关分析合理的是(　　)
A．本实验的因变量是不同的催化剂
B．本实验的无关变量有温度和酶的用量等
C．1号与3号、1号与4号可分别构成对照实验
D．分析1号、2号试管的实验结果可知加热能降低反应的活化能
【解析】　本实验的因变量是气泡的产生速率，即过氧化氢的分解速率；温度是自变量，酶的用量是无关变量；1号与3号、1号与4号中只有一个实验变量不同，可分别构成对照实验；2号在高温下出现气泡的原因是加热使过氧化氢分子得到能量，从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态，不是降低反应的活化能。故选C。
2．某核酶是具有催化功能的单链RNA分子，可催化降解特异的RNA序列。下列关于核酶的叙述正确的是(　　)
A．磷脂分子和核酶的元素组成不相同
B．与无机催化剂不同的是核酶能够降低所催化反应的活化能
C．核酶彻底水解的产物是磷酸、4种含氮碱基、核糖
D．核酶可以与双缩脲试剂发生作用，产生紫色反应
【解析】　磷脂分子和核酶的元素组成相同，都含有C、H、O、N、P，A错误；无机催化剂和酶都是催化剂，催化剂的催化原理都是能降低所催化反应的活化能，B错误；核酶的化学本质是RNA，故核酶彻底水解的产物是磷酸、4种含氮碱基(A、U、G、C)、核糖，C正确；核酶不含有肽键，不能与双缩脲试剂发生作用产生紫色反应，D错误。故选C。
3．活化能是指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。如图为酶的作用模型。请据图回答问题：
(1)从图中可以看出，没有酶催化时，发生化学反应需要的活化能____；有酶催化时，发生化学反应需要的活化能_____；a指_________________。因此，酶催化作用的本质是__________________ _______。
(2)酶的化学本质是_________________，酶起作用的部位是_________________。
【解析】　(1)从图中可看出，没有酶催化时，发生化学反应需要的活化能较高；有酶催化时，发生化学反应需要的活化能较低。因此，酶催化作用的实质是降低化学反应的活化能。(2)酶的化学本质是蛋白质或RNA，酶在细胞内外都能起作用。
高
低
酶所降低的活化能
降低化学反应的活
化能
蛋白质或RNA
细胞内或细胞外
课时小结

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