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本节聚焦:
细胞代谢为什么离不开酶？
酶是什么物质？
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？
必修1/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
第一课时 酶的作用和本质
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
1.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，确定其是否发生了化学消化。
2.是什么物质使肉块消失了？
是胃内的化学物质将肉块分解了。
3.怎样才能证明你的推测？
收集胃内的化学物质，看看这些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。后来，科学家发现胃液中含有大量的盐酸，推测盐酸是使食物分解的物质。
1835年，施旺通过实验发现：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大于盐酸的单独作用，这种物质就是胃蛋白酶。
细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。
细胞代谢：
细胞质基质
细胞内各种化学反应
一般都需要酶催化；在水环境中进行；
反应条件温和；一般伴随着能量的释放、储存和利用。
细胞代谢是细胞生命活动的基础
主要场所:
实质:
特点:
意义:
一.酶在细胞代谢中的作用
细胞代谢是细胞生命活动的基础，但代谢也会产生对细胞有害的物质，如过氧化氢，体内过氧化氢过多会导致皮肤发黄、毛发（包括头发）变白，会加速人体衰老。
2 H2O2 → 2 H2O + O2
讨论：过氧化氢在体外分解需要什么条件？
加热、加催化剂（如Fecl3）
细胞内的过氧化氢又是怎样被快速分解的呢？
细胞内含有另一种物质，能够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。
一.酶在细胞代谢中的作用
比较过氧化氢在不同条件下的分解
2H2O2 2H2O + O2
反应条件
加热；
Fe3+是无机催化剂；
新鲜的肝脏中含有过氧化氢酶。
实验原理
实验目的
通过比较过氧化氢在不同条件下分解的快慢，了解酶的作用和意义。
实验材料
1、新鲜的质量分数20%的肝脏研磨液（含过氧化氢酶）；
2、新配制的体积分数为3%的H2O2溶液；
3、3.5%的FeCl3溶液。
比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验用具
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。
实验设计
试管编号 1 2 3 4
H2O2溶液(3%) 2 mL 2 mL 2 mL 2 mL
实验处理 常温 90℃水浴加热 2滴FeCl3 2滴肝匀浆
检测指标 1.气泡冒出情况； 2.卫生香复燃情况。
比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验现象
试管编号 1 2 3 4
H2O2溶液(3%) 2mL 2mL 2mL 2mL
实验处理 常温 90℃水浴加热 2滴FeCl3 2滴肝匀浆
气泡产生情况
卫生香复燃情况
不明显
少量
较多
大量
变亮
复燃
不复燃
不复燃
过氧化氢在不同条件下的分解速率不一样
比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验现象
比较过氧化氢在不同条件下的分解
结合实验材料、用具、操作步骤及安全性等方面，思考下列问题：
1.实验时，选用新鲜的肝脏作为实验材料的原因。
肝脏如果不新鲜，肝细胞内的H2O2酶等有机物就会在腐生菌的作用下分解，就不能促进H2O2分解成H2O和O2。
2.在实验中，为什么将肝脏研磨成溶液？
研磨肝脏，使过氧化氢酶释放出来，释放出的过氧化氢酶与试管内过氧化氢分子充分接触，加速过氧化氢的分解。
3.在滴加肝脏研磨液和FeCl3溶液时，为什么不能共用一支吸管？
滴加肝脏研磨液和FeCl3溶液时，不能共用一支吸管，否则滴加的FeCl3溶液中会含少量肝脏研磨液，而研磨液中的H2O2酶具有高效性，会使两支试管中产生的气泡差别不大，不易对比观察，从而影响实验结果的准确性。
比较过氧化氢在不同条件下的分解
讨论
1.与1号试管相比，2号试管出现什么不同现象？这一现象说明什么？
与1号试管相比，2号试管产生气泡较多。这一现象说明加热加快反应速率。
2.在细胞内，能够通过加热来提高反应速率吗？
不能；加热会杀死细胞。
说明催化剂有催化作用，加快反应速率。
3.3号和4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明什么？
比较过氧化氢在不同条件下的分解
讨论
4.3号试管与4号试管相比，哪支试管中的反应速率快？这说明什么？为什么说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要？
酶使细胞内化学反应在温和的条件下快速有序地进行。
4号反应速度快；说明酶的催化效率更高；
过氧化氢在不同条件下的分解速率不一样；
酶具有催化作用；
同无机催化剂相比，酶的催化效率更高。
实验结论
控制变量和设计对照实验
生物学实验设计中特别需要注意控制变量和设计对照实验。
控制变量
(2)自变量：
(3)因变量：
(4)无关变量：
(1)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。
随着自变量的改变而变化的变量。
人为控制的对实验对象进行处理的因素。
实验过程中的变化因素。
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。
如：“加热、加Fe3+、加肝脏研磨液”。
如：“H2O2分解速率”
如：“反应物浓度、用量、反应时间”等
控制变量和设计对照实验
控制变量
试管编号 1 2 3 4
H2O2溶液(3%) 2mL 2mL 2mL 2mL
实验处理 常温 90℃水浴加热 2滴FeCl3 2滴肝匀浆
气泡产生情况
卫生香复燃情况
不明显
少量
较多
大量
变亮
复燃
不复燃
不复燃
自变量
无关变量
因变量
变 量
等量原则
单一变量原则
注意：多组相同装置在相同条件下同一时间进行实验，将数据取平均值，减少偶然性。
平行重复原则
控制变量和设计对照实验
对照实验
除作为自变量的因素外，其余无关变量都保持一致，并将结果进行比较的实验叫对照实验。(一般要设置对照组和实验组)
(1)空白对照：
(2)自身对照：
(3)相互对照：
对照组不施加任何处理因素。
对照组与实验组在同一受试对象上进行。
几种处理（或水平）互为对照。
试管编号 1 2 3 4
H2O2溶液(3%) 2mL 2mL 2mL 2mL
实验处理 常温 90℃水浴加热 2滴FeCl3 2滴肝匀浆
气泡产生情况
卫生香复燃情况
控制变量和设计对照实验
对照实验
对照组
实验组
空白对照
不明显
少量
较多
大量
变亮
复燃
不复燃
不复燃
自变量
无关变量
因变量
变 量
等量原则
单一变量原则
对照原则
注意：多组相同装置在相同条件下同一时间进行实验，将数据取平均值，减少偶然性。
平行重复原则
(1)活化能:
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。
使细胞代谢能在温和条件下快速有序地进行。
(2)原理：
同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。
(3)意义：
一.酶在细胞代谢中的作用
根据下图分析酶的作用原理：
归纳小结
(1)表示无酶催化时反应进行需要的活化能的是______段。
(2)表示有酶催化时反应进行所需要的活化能的是______段。
(3)酶降低的活化能是______段。
AC
BC
AB
(4)酶和无机催化剂一样，并不改变平衡点的位置，只是改变化学反应的速率，使化学反应更快地达到平衡点。酶在反应前后的数量和性质不变。
(5)无机催化剂和酶都能提高反应速率，但是酶的催化效率更高；酶不能为化学反应提供所需要的能量，而是通过降低反应的活化能来加快反应速率。
(6)酶只能催化原本能进行的反应，而不能催化原本不能进行的反应。
酶到底是什么物质呢？
关于酶本质的探索
我国早在4000多年前的夏禹时代，就掌握了酿酒技术。“酒母”就是现在所说的酵母。
4000多年前夏禹时代
19世纪的
欧洲
当时人们已经知道，酿酒就是让糖类通过发酵变成酒精和二氧化碳。但许多化学家认为这是一个纯化学反应，与生命活动无关。
1857年
法国
德国
巴斯德：通过显微镜观察，提出酿酒需活的酵母参与。
李比希：酿酒是酵母死亡后释放的物质引起的。
二.酶的本质
关于酶本质的探索
德国化学家
毕希纳
他将酵母细胞经“研磨、加水搅拌、过滤、加葡萄糖”，一段时间后有气泡冒出，糖液变成了酒。他将活酵母细胞产生能引起发酵的物质称为“酿酶”。
萨姆纳：他认为酶是蛋白质，并从刀豆种子中提取了脲酶，然后用多种方法证明脲酶是蛋白质。
美国科学家
萨姆纳
大量的酶是蛋白质，酿酒酶为蛋白质。
切赫和奥特曼：发现少数RNA也具有酶活性。
其它实验
20世纪
80年代
关于酶本质的探索
讨论
1.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。
2.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？
巴斯德是微生物学家，特别强调生物体和细胞的作用；
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。
关于酶本质的探索
讨论
3.从毕希纳的实验可以可以得出什么结论？
毕希纳的实验说明，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。
4.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？
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。
5.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，其中绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA。
归纳酶的本质及生理功能
化学本质 绝大多数是________ 少数是_____
元素
合成原料
合成场所
来源
生理功能
作用原理
蛋白质
RNA
氨基酸
核糖核苷酸
核糖体
细胞核（核仁）
降低化学反应的活化能
生物催化作用
活细胞
C、H、O、N
C、H、O、N、P
一、概念检测
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
一、概念检测
练习与应用
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
二、拓展应用
练习与应用
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 2 mL 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。这样做的目是_______________________________________________。
可以作为3 号试管和4 号试管的对照组
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。
二、拓展应用
练习与应用
巴斯德之前
发酵是纯化学反应，与生命活动无关
巴斯德
李比希
毕希纳
萨姆纳
切赫和奥特曼
发酵与活细胞有关，发酵是整个细胞而不是细胞中某些物质起作用。
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催化作用，就像在活酵母细胞中一样。
酶是蛋白质
少数RNA也具有催化功能
二、拓展应用
练习与应用
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？
在萨姆纳之前，之所以很难鉴定酶的本质主，要是因为细胞中酶的提取和纯化非常困难。
可将该酶结晶制备成酶溶液，在试管中注入2 mL酶溶液，然后向2支试管中各加入2mL双缩脲试剂A液，振荡，再向试管中加入3～4滴双缩脲试剂B液，振荡。如果试管出现紫色则说明酶是蛋白质，如果试管中不出现紫色说明酶不是蛋白质；

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