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第5章 细胞的能量供应和利用
第1节 降低反应活化能的酶第1课时 酶的本质和作用
问题探讨
1773年，意大利科学家斯帕兰扎尼(L.Spallanzani, 1729—1799）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：
1．为什么要将肉块放在金属笼内？
2．是什么物质让肉块消失了？
3．怎样才能证明你的推测？
排除物理性消化对肉块的影响，确定肉块消失过程是否存在化学性消化。
鹰胃里的化学物质。
收集鹰胃里的化学物质，看能否在体外将肉块分解。
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
1.细胞代谢
细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。
有氧呼吸：C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量
酶
线粒体
光合作用：CO2+H2O (CH2O）+氧气
叶绿体
光能、酶
发生在细胞内的化学反应有许多，如：
在工业上或者实验室中我们经常会采取一些措施来加快化学反应的速率，如加热、加入MnO2、FeCl3等催化剂。
思考：那么酶在细胞代谢中究竟起什么作用呢？它也能提高反应速率吗？
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
2.酶在细胞代谢中的作用
细胞代谢是细胞生命活动的基础，但细胞代谢中也会产生代谢废物，甚至会产生对细胞有害的物质。细胞中含有另一种物质，能将过氧化氢及时分解为氧气和水，这种物质就是过氧化氢酶。
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
1.实验目的
2H2O2
2H2O+O2
反应条件
通过比较过氧化氢在不同条件下分解的快慢，了解过氧化氢酶的作用和意义。
2.实验原理
不同
条件
加热是化学反应常见的条件
Fe3+是无机催化剂
新鲜肝脏中含有过氧化氢酶
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
3.材料用具
新鲜的质量分数为20%的肝脏(如猪肝、鸡肝)研磨液
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
（1）材料
（2）用具
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。
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
4.实验设计
实验步骤 试管编号
1 2 3 4
1.加入过氧化氢 浓度 3% 3% 3% 3%
剂量 2ml 2ml 2ml 2ml
2.实验处理处理 反应条件 常温 90℃ FeCl3 鲜肝研磨液
3.结果观察 气泡产生
带火星木条
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
观看视频
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验步骤 试管编号
1 2 3 4
1.加入过氧化氢 浓度 3% 3% 3% 3%
剂量 2ml 2ml 2ml 2ml
2.实验处理处理 反应条件 常温 90℃ FeCl3 鲜肝研磨液
3.结果观察 气泡产生
带火星木条
不明显
少量
较多
大量
不复燃
不复燃
复燃
迅速复燃
4.实验设计
加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。
2.实验结果分析
①与1号试管相比，2号试管产生的气泡多，这一现象说明什么？
②3号和4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明什么？
③3、4号试管对照说明_________________________________________________________________。
④2号、3号、4号试管相比，哪支试管最终产生的氧气最多，为什么？
讨论：
1.如何判断过氧化氢被分解的快慢？
观察单位时间内产生气泡的多少或观察带火星的卫生香的复燃情况。
说明过氧化氢酶比Fe3+的催化效率高得多（酶具有高效性）
最终产生的氧气一样多；因为几支试管的过氧化氢溶液的体积和浓度都相同。
FeCl3中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。
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
为什么说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要？
细胞内外是常温常压的水溶液环境，pH接近中性，只有酶能够满足这样的要求，使细胞内成千上万种化学反应得以顺利、高效地进行。
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
①酶具有催化作用。
同无机催化剂一样都可加快化学反应速率。
②酶具有高效性。
同无机催化剂相比，酶的催化效率更高。
5.实验结论
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
不能； 因为滴入的肝脏研磨液中会含有少量氯化铁溶液而影响实验结果的准确性。
（1）一定要选用新鲜的肝脏，为什么
（2）将肝脏制成研磨液有何意义？
（3）滴入FeC13溶液和肝脏研磨液时，能否共用一个吸管？为什么
肝脏如果不新鲜，肝细胞内的过氧化氢酶就会被微生物分解，失去作用。
将肝脏研磨可使肝细胞中过氧化氢酶充分释放，从而增大与过氧化氢的接触机会，以加速过氧化氢分解。
6.注意事项
科学方法
控制变量和设计对照实验
新知探究
一、酶在细胞代谢中的作用
实验步骤 试管编号
1 2 3 4
1.加入过氧化氢 浓度 3% 3% 3% 3%
剂量 2ml 2ml 2ml 2ml
2.实验处理处理 反应条件 常温 90℃ FeCl3 鲜肝研磨液
3.结果观察 气泡产生
带火星木条
不明显
少量
较多
大量
不复燃
不复燃
复燃
迅速复燃
温度
催化剂种类
过氧化氢的分解速率
自变量：人为改变的变量。
因变量：随自变量的变化而变化的变量。
科学方法
控制变量和设计对照实验
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一、酶在细胞代谢中的作用
1.变量
自 变 量：
因 变 量：
无关变量：
实验过程中的变化因素成为变量。
人为控制的对实验对象进行处理的因素叫作自变量。
除自变量外，实验过程中还存在一些对实验结果造成影响的可变因素，这些变量称为无关变量。
因自变量改变而变化的变量叫作因变量。
无关是指与研究目的无关，无关变量改变会影响实验结果。
科学方法
控制变量和设计对照实验
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一、酶在细胞代谢中的作用
2.对照实验
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；对照实验一般要设置对照组和实验组。
对照组：对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组。
(1号试管)
空白对照：不做任何实验处理的对照组。（如上述实验1号试管）
实验组：是接受实验变量处理的对象组。
（如上述实验2、3、4号试管）
设置空白对照的意义：排除无关变量的影响，增加实验结果的可信度和说服力。
思考：实验中1号和2号管现象的比较，我们可知加热会促进过氧化氢的分解，提高反应速率，这是为什么呢？
常温下反应速率较慢，这是因为反应物分子的能量较低，温度升高后，部分分子获得了能量，所以较易发生反应。2号管就是因为加热使H2O2分子获得了能量，所以容易分解产生氧气。
分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需的能量称为活化能。
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一、酶在细胞代谢中的作用
H2O2
(活跃状态)
H2O2
(常态)
能量
加热
活化能
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一、酶在细胞代谢中的作用
2.酶在细胞代谢中的作用
思考：3号、4号试管没有加热，为什么也有大量气泡产生？
Fe3+和过氧化氢酶虽然没有给过氧化氢分子提供能量，但却降低了化学反应的活化能。
同无机催化相比，酶能更显著地降低化学反应的活化能，因而催化效率更高。
探究酶的作用原理
活动1
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一、酶在细胞代谢中的作用
曲线分析：
①表示无酶催化时反应进行所需要的活化能是 段。
②表示有酶催化时反应进行所需要的活化能是 段。
③表示酶降低的活化能是 段。
④该反应中，若将酶催化改为无机催化剂催化，则b点在纵轴上将 移动。
AC
BC
AB
向上
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一、酶在细胞代谢中的作用
平衡点
时间
加入酶
无机催化剂
未加酶
（1）降低活化能，使反应速率加快。
（2）只改变化学反应速率，本身不被消耗。
（3）只能催化已存在的化学反应。
（4）缩短达到平衡的时间，但不改变化学反应的方向和平衡点。
2.酶在细胞代谢中的作用
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一、酶在细胞代谢中的作用
归纳总结
酶在细胞代谢中的作用
①无催化剂时化学反应所需要的活化能
②无机催化剂催化时化学反应所需要的活化能
③无机催化剂降低的活化能
④酶催化时化学反应所需要的活化能
⑤酶降低的活化能
正是由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和条件下快速有序地进行。
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一、酶在细胞代谢中的作用
随堂检测
1.如图是“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验,下列叙述正确的是(　 　)
A.本实验的自变量是催化剂的种类
B.1号和4号试管比较可以说明酶具有高效性
C.用同一支滴管向4号试管加入肝脏研磨液后再向3号试管加入FeCl3溶液
D.该实验证明了高温和催化剂都会影响过氧化氢的分解
D
【解析】该实验的自变量是反应条件包括催化剂的种类和温度；3号试管和4号试管对照可以说明酶具有高效性，因为酶的高效性是与无机催化剂相比表现的特征；用同一支滴管向4号试管加入肝脏研磨液后再向3号试管加入FeCl3溶液，则不能严格控制自变量，因为酶具有高效性，进而会导致3号试管中反应速率加快；根据实验结果可知，该实验能说明高温和催化剂都会影响过氧化氢的分解。
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一、酶在细胞代谢中的作用
随堂检测
2.如图曲线Ⅰ、Ⅱ分别表示物质M在无催化剂条件和有
酶催化条件下生成物质P所需能量的变化过程。下列
叙述正确的是(　 　)
A.ad段表示无催化剂时,反应所需要的活化能
B.ac段表示有酶催化时,酶降低的活化能
C.若换用无机催化剂,b点将向上移动
D.加热、加压不能使物质M更容易从常态转变为活跃状态
C
【解析】ac段表示在无催化剂的条件下化学反应需要的活化能；bc段表示在酶催化作用下，物质M生成物质P化学反应顺利进行所需要的能量；与无机催化剂相比，酶降低化学反应活化能更显著，若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b点将向上移动；加热、加压通常能使反应物分子获得足够的能量促使反应的进行。
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一、酶在细胞代谢中的作用
随堂检测
3.下列关于人体中酶的叙述正确的是(　 　)
A.有的酶从食物中获得,有的酶在体内转化而来
B.酶只有在细胞内才起作用
C.酶能为反应物提供能量
D.有的酶不是蛋白质
D
【解析】酶是由活细胞合成的，不能从食物中获得；在适宜的条件下，酶可在细胞内、细胞外、体外发挥作用；酶可降低化学反应的活化能，不能为反应物提供能量；绝大部分酶的化学本质是蛋白质，少部分酶是RNA。
4000多年前
1716年
1857年巴斯德
19世纪
李比希
毕希纳
萨姆纳
20世纪80年代
我国早在4000多年前就掌握了酿酒技术，1716年《康熙字典》收录了“酶”字，并将其解释为“酒母”。
有科学家推测酶是蛋白质。美国科学家萨姆纳用多种方法证明脲酶是蛋白质。
角色扮演：像科学家一样思考。阅读P79~80关于酶本质的探索，小组合作模仿科学家陈述自己的主要观点，思考问题。
人们认为酿酒过程是一个纯化学过程过程。
已知酿酒原理：
糖类
酒精+二氧化碳
酵母
巴斯德通过显微镜观察，提出酿酒中的发酵是由酵母菌细胞的存在所致，没有活细胞的参与，糖类是不可能变成酒精的。
德国化学家李比希坚持认为引起发酵的是酵母菌细胞中的某些物质,且只在酵母菌死亡裂解后才发挥作用。
德国化学家毕希纳把酵母菌细胞破碎后获得不含酵母菌细胞的提取物，所得物质（酿酶）的作用和活的酵母细胞一样。
美国科学家切赫和奥尔特慢发现少数RNA也具有生物催化功能。
新知探究
二、酶的本质探索
新知探究
二、酶的本质探索
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1.关于酶本质的探索
新知探究
二、酶的本质探索
讨论：
1.从巴斯德研究的领域来看，他得出结论的出发点主要是什么？
巴斯德是微生物学家，他主要强调生物体或细胞的整体作用。
2.从李比希研究的领域来看，它得出结论的出发点主要是什么？
李比希是化学家，倾向于从化学的角度考虑问题。
3.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。
李比希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后才能发挥作用，是不正确的。
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二、酶的本质探索
4.请尝试分析毕希纳研究的实验思路。
实验思路：酵母细胞研磨加水搅拌加压过滤含酵母细胞的提取液加入葡萄糖。
实验现象：冒出气泡。
实验结论：酵母细胞的提取液和活酵母细胞的作用一样。酵母细胞中引起发酵的物质称为酿酶。
5.你认为毕希纳只凭上面的实验能不能说明酵母细胞的提取液和活酵母细胞的作用一样 那还应怎样改进实验？
不能。
对照实验。将酵母菌分成两等份，一半直接加入葡萄糖，另一半通过研磨、过滤等过程来进行，观察结果是否一样。
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二、酶的本质探索
2.酶的本质
结合以上科学家的探究历程，总结酶的本质及概念。
酶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，少量的是RNA。
酶概念的三要素：
酶 的 来 源：
酶的生理功能：
酶的化学本质：
活细胞产生的。
催化作用。
绝大多数是蛋白质，少数是RNA。
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二、酶的本质探索
归纳总结
酶的本质
化学本质
基本单位
组成元素
合成场所
来源
生理功能
作用原理
作用场所
绝大多数酶是蛋白质
C、H、O、N（S）
氨基酸
核糖核苷酸
核糖体
细胞核
活细胞（哺乳动物成熟的红细胞不能合成）
催化作用
细胞内、细胞外、生物体外
降低化学反应的活化能
少数酶是RNA
C、H、O、N、P
新知探究
二、酶的本质探索
拓展应用
探究酶的本质
1.酶解法
待测酶液
检测所催化的反应是否能够发生
蛋白酶处理
RNA酶处理
【活动】甲、乙两种酶用同一种蛋白酶处理,酶活性与处理时间的关系如图所示,请思考回答问题。
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二、酶的本质探索
拓展应用
探究酶的本质
1.酶解法
【活动】甲、乙两种酶用同一种蛋白酶处理,酶活性与处理时间的关系如图所示,请思考回答下列问题。
问题1:甲、乙两种酶的化学本质是否相同
观察曲线图可知,甲酶的活性始终保持不变,表明甲酶能抵抗该种蛋白酶的降解,则甲酶的化学本质不是蛋白质而是RNA,乙酶能被蛋白酶破坏,活性降低,则乙酶化学本质为蛋白质。
乙酶被降解的过程中其分子结构会发生改变,从而丧失活性。
问题2:乙酶活性改变的机制是什么
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二、酶的本质探索
拓展应用
探究酶的本质
2.试剂检测法
均发生紫色反应
均呈现红色
该酶是蛋白质
该酶是RNA
标准蛋白质样液
待测酶液
标准RNA样液
分别加入 双缩脲试剂
分别加入 吡罗红染液
从酶的化学本质上来讲，绝大多数的酶是蛋白质，少数的酶是RNA。因此可利用双缩脲试剂与蛋白质作用产生紫色反应原理。
新知探究
二、酶的本质探索
【易错提醒】
①加热不能降低化学反应的活化能，但是可以为反应提供能量。
②酶可以重复多次利用，不会立即被降解。
③检验蛋白酶对蛋白质的水解时应选用蛋白块，通过观察其消失情况得出结论，因蛋白酶本身也是蛋白质，不能用双缩脲试剂鉴定。
④酶既可以作为催化剂，又可以作为另一个化学反应的底物。　　　
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二、酶的本质探索
3.酶在生活中的应用
多酶片
多酶片中含有多种消化酶，人在消化不良时可以服用。
加酶洗衣粉
果胶酶
分解果肉内细胞壁中的果胶，提高果汁产量，使果汁变得澄清。
溶酶菌
溶菌酶能够溶解细菌的细胞壁,具有抗菌消炎的作用。
加酶洗衣粉比普通洗衣粉有更强的去污能力,能把衣物清洗得更加干净鲜亮。
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二、酶的本质探索
1.(2024·河北卷，2)下列关于酶的叙述，正确的是(　　)
A.作为生物催化剂，酶作用的反应物都是有机物
B.胃蛋白酶应在酸性、37 ℃条件下保存
C.醋酸杆菌中与发酵产酸相关的酶，分布于其线粒体内膜上
D.从成年牛、羊等草食类动物的肠道内容物中可获得纤维素酶
D
【解析】作为生物催化剂，酶作用的反应物可以是无机物，A错误；应在低温和最适pH条件下保存酶，B错误；醋酸杆菌为原核生物，无线粒体，C错误；牛、羊等草食类动物的肠道中含有能产生纤维素酶的微生物，能将纤维素分解成葡萄糖，供草食类动物吸收，因此，从成年牛、羊等草食类动物的肠道内容物中可获得纤维素酶，D正确。
2.胃黏膜主细胞能分泌胃蛋白酶原，胃蛋白酶原经胃酸刺激后形成胃蛋白酶，胃蛋白酶能催化食物中的蛋白质水解产生多肽片段。下列叙述正确的是(　　)
A.胃蛋白酶的化学本质是蛋白质或RNA
B.胃蛋白酶原的分泌过程可能不需要消耗能量
C.胃酸可能使胃蛋白酶原的空间结构发生改变，从而形成有活性的胃蛋白酶
D.胃蛋白酶会提高蛋白质水解所需的活化能，产生更多的多肽片段
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二、酶的本质探索
C
【解析】胃蛋白酶的化学本质是蛋白质，A错误；根据题干“胃黏膜主细胞能分泌胃蛋白酶原”，则胃蛋白酶原为分泌蛋白，分泌蛋白通过胞吐分泌至细胞外，需要消耗能量，B错误；蛋白质的结构决定功能，结合题干“胃蛋白酶原经胃酸刺激后形成胃蛋白酶，胃蛋白酶能催化食物中的蛋白质水解产生多肽片段”可知，胃酸可能使胃蛋白酶原的空间结构发生改变，从而形成有活性的胃蛋白酶，C正确；酶起催化作用的机理是降低化学反应所需的活化能，D错误。
随堂检测
新知探究
二、酶的本质探索
3.下列关于人体内的酶的叙述有几项是正确的(　　)
①是有分泌功能的细胞产生的 ②有的从食物中获得，有的在体内转化而来 ③凡是活细胞都能产生酶 ④酶只能在核糖体上合成
⑤酶的水解产物都是氨基酸 ⑥酶只是起催化作用，其催化作用的实质是为化学反应提供活化能
A.0项 B.1项 C.2项 D.3项
A
【解析】不具有分泌功能的细胞也可以产生酶，①错误；
酶是大分子物质，人体不能从食物中获取酶，②错误；
大多活细胞都能产生酶，但哺乳动物成熟的红细胞不能产生酶，③错误；
酶的化学本质是蛋白质或RNA，可以在核糖体或细胞核中合成，④错误；
酶的水解产物是氨基酸或核糖核苷酸，⑤错误；
酶只是起催化作用，其催化作用的实质是降低化学反应所需的活化能，⑥错误。
4.欲判断某种酶的化学本质是蛋白质还是RNA，下列方案不可行的是(　 　)
A.与双缩脲试剂反应，观察是否出现紫色
B.用蛋白酶处理，检测其活性是否丧失
C.用RNA水解酶处理，检测其活性是否丧失
D.与斐林试剂反应，观察是否出现砖红色沉淀
随堂检测
新知探究
二、酶的本质探索
D
【解析】酶的本质绝大多数是蛋白质,少数为RNA。蛋白质可以与双缩脲试剂发生紫色反应,因此可用双缩脲试剂鉴定酶的本质。若酶的本质是蛋白质,用蛋白酶处理可使其失活,失去催化作用;若酶的本质为RNA,用RNA水解酶处理可使其失活,失去催化能力,故可用蛋白酶和RNA水解酶鉴定酶的本质。斐林试剂可用来检测还原糖,但酶的本质不是还原糖。
探究实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
酶的作用和本质
酶在细胞代谢中的作用
酶的本质：
绝大多数是蛋白质，少数是RNA。
自变量
原理：降低化学反应活化能
因变量
无关变量
课堂小结

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