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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
细胞代谢：细胞中每时每刻都进行着许多化学反应
有序
高效
条件温和
有序、高效的细胞代谢依赖什么呢？
资料1：药用过氧化氢溶液的说明书上关于过氧化氢的贮藏说明为“密闭、在荫凉处（温度不超过20℃）保存”。
资料2：过氧化氢在储运过程中有特殊的要求，严禁与FeCl3等金属化合物混存混运。
资料3：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。细胞中含有过氧化氢酶能够将过氧化氢及时分解，起到解毒的作用。
哪种条件下H2O2的分解速率最快？
一、酶在细胞代谢中的作用
1.你认为该实验应设计几组？至少需要几只试管？2.该如何控制变量？3.该实验以什么现象作为实验观察的指标？
如何设计实验证明？
实验目的
比较H2O2在不同条件下分解的快慢，了解酶的作用原理和意义
实验原理
2H2O2 2H2O + O2
反应条件
材料用具
①新鲜的质量分数为20%肝脏研磨液；②新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液；
③质量分数为3.5%的FeCl3溶液；用具：量筒、试管、滴管、酒精灯、卫生香等
1.常温2.加热3.Fe3+是无机催化剂
4.新鲜的肝脏中的过氧化氢酶
实验现象
判断H2O2的分解快慢依据：
O2的产生量
①点燃的卫生香的复燃情况
②气泡冒出情况
一、酶在细胞代谢中的作用
组别 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℃ FeCl32滴 肝脏研磨液2滴
结果 气泡数 卫生香复燃情况
实验结论
实验过程
过氧化氢在不同条件下的分解速率不一样
过氧化氢在过氧化氢酶的作用下分解速率最快
1、2对比
1、3对比
1、4对比
3、4对比
一、酶在细胞代谢中的作用
科学方法：控制变量和设计对照实验
人为控制的对实验对象进行处理的因素
自变量
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
对照实验
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
无关变量
因自变量改变而变化的变量
因变量
一、酶在细胞代谢中的作用
步骤 试管编号 变量分析
1 2 3 4
一 H2O2 浓度 3% 3% 3% 3%
剂量 2ml 2ml 2ml 2ml
二 反应条件 常温 90℃ FeCl3 肝脏研磨液
观察 气泡产生
卫生香燃烧
结论
过氧化氢在不同条件下的分解速率不一样
过氧化氢在过氧化氢酶的作用下分解速率最快
无关变量
自变量
因变量
不明显
不复燃
变亮
较多
不复燃
少量
复燃
大量
讨论：无关变量对实验结果没有影响吗？该实验的无关变量还有哪些？
对照组
实验组
讨论：该实验的对照组和实验组分别是什么？
相同 适宜
一、酶在细胞代谢中的作用
加热为什么能加快过氧化氢分解？
3号、4号试管没有加热，为什么也有大量气泡产生？
活化能：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。
加热：为分子提供了能量
Fe3+：降低化学反应的活化能
酶：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。
一、酶在细胞代谢中的作用
一、酶在细胞代谢中的作用
酶降低的活化能
酶催化过程所需的活化能
无酶催化过程下，所需的活化能
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。
AC
BC
AB
降低化学反应活化能
1.关于酶本质的探索
早在4000多年前我国就掌握了酿酒技术。1716年《康熙字典》收录了酶字，并将“酶”解释为“酒母也”。
真正对酶进行科学研究的要从1773年意大利科学家斯帕兰札尼发现化学性消化开始。
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）， 排除物理性消化对肉块的影响，确定其是否发生了化学性消化。
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？
提示：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。
二、酶的本质
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
其他科学家
切赫和奥特曼
发酵与死细胞中的物质有关
发酵与活细胞有关
死细胞中的物质和活细胞都能引起发酵
脲酶是蛋白质
胃蛋白酶等许多酶也是蛋白质
少数酶是RNA
切赫
奥特曼
1.关于酶本质的探索
二、酶的本质
催化剂
功能
本质
活细胞产生的
酶
来源
绝大多数是蛋白质，
少数是RNA
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物。
2.酶的本质
二、酶的本质
发挥作用的场所？
合成原料？
X酶 + 蛋白酶
加入酶的底物
底物没有被催化→该酶是蛋白质
底物被催化→该酶是RNA
A.酶解法
甲酶：核酶，化学本质为RNA
乙酶：化学本质为蛋白质
减法原理
用RNA酶处理甲酶和乙酶，测定该酶的活性，与本实验进行相互对照。
某科研小组经研究得知X酶存在于人的肝细胞中，能将糖原分解为还原糖。酶必须保持正常的结构才能发挥催化作用，请利用这一原理设计实验，探究X酶的化学本质究竟是蛋白质还是RNA。简要写出实验思路，并预期实验结果及结论(要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组)。
3.鉴定酶本质的方法
B.试剂检测法
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。
二、酶的本质
课堂总结
练一练
1．甲、乙两种酶用同一种蛋白酶处理，酶活性(酶催化特定化学反应的能力)与处理时间的关系如图所示。下列分析错误的是（ ）
A.甲酶的化学本质为蛋白质
B.甲酶能够不被该种蛋白酶降解
C.乙酶活性的改变是因为其分子结构的改变
D.甲酶可能是具有催化功能的RNA
A
2．如图表示过氧化氢分解前后的能量变化，其中曲线A、B分别表示没有酶催化和有酶催化时的反应过程。下列叙述错误的是(　　)
A.图中H表示没有酶催化时反应所需的活化能
B.图中h表示酶催化时反应所需的活化能
C.若将过氧化氢酶换为Fe3＋，则H-h值减小
D.在加热时，H和h值都将减小
3.生物体内许多化学反应需要酶的催化,下列关于酶的叙述,正确的是 (　　)
A.酶只有在生物体内才能起催化作用
B.所有酶都含有C、H、O、N四种化学元素
C.人体内的酶进行催化过程中，酶本身不变,所以酶不会发生自我更新
D.酶都在核糖体上合成
B
D
酶的概念：
正确说法 错误说法
来源 具有分泌功能的细胞产生，有的来源于食物
化学本质 蛋白质
合成原料 氨基酸
合成场所 核糖体
作用场所 只在细胞内起催化作用
生理功能 酶具有调节、
催化等多种功能
活细胞都能产生
(人的成熟红细胞除外)
有机物(多数是蛋白质，少数为RNA)
氨基酸或核糖核苷酸
核糖体或细胞核
在细胞内、细胞外，
或生物体外发挥作用
酶只有催化作用
活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物
回顾：酶的作用和本质
成分：酶（蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶等），清洁剂等
用法：洗涤前先将衣物浸于加有适量洗衣粉的水内一段时间，使用温水30~40℃效果最佳，切勿用60 ℃以上的热水。
注意：切勿用于丝质及羊毛衣料；用后须彻底清洗双手。
【思考】
洗衣粉为什么要加酶？
加了哪些酶，各有什么作用？
温水30~40℃效果最佳的原因？
三、酶的特性
试管编号
3 4
3% 3%
2ml 2ml
FeCl3 肝脏研磨液
2滴 2滴
较多 大量
变亮 复燃
酶(有机催化剂)VS无机催化剂
相同点：
不同点：
酶的催化效率是无机催化剂的107-1013 倍。
酶具有高效性的意义：
保证了细胞内化学反应的顺利进行。
保证了细胞内能量供应的稳定。
都能催化化学反应，
提高化学反应速率，缩短反应时间。
三、酶的特性
酶具有高效性
1.高效性
【任务】以时间为横坐标，产物的量为纵坐标
请画出在“加酶、加无机催化剂、未加催化剂”三种条件下的化学反应速率曲线
酶具有催化剂的特点：
缩短达到平衡的时间，不改变平衡点（即产物的总量不变）
能改变反应速率→降低化学反应活化能。
三、酶的特性
1.高效性
单击添加标题
请尝试分析生活现象：
口腔里有唾液淀粉酶，而塞进牙缝里的肉丝很长时间还没被消化，可能原因是什么？
唾液淀粉酶不会催化蛋白质水解。一种酶只能催化一种或一类化学反应，
即酶具有专一性
无机催化剂催化的化学反应范围比较广。例如，酸既能催化蛋白质水解，也能催化脂肪水解，还能催化淀粉水解。酶是否也有这样的特点？
如何证明酶具有专一性？
三、酶的特性
2.实验1：探究酶具有专一性
提出问题：
酶具有专一性吗？
作出假设：
酶具有专一性。
设计实验，预期结果：
分小组，用所给的材料、用具讨论出实验方案。
材料：淀粉溶液，蔗糖溶液，淀粉酶溶液，蔗糖酶溶液，斐林试剂，碘液
用具：试管、大烧杯、量筒、滴管、温度计、试管夹、三脚架、石棉网、酒精灯、火柴等
三、酶的特性
方案一
酶相同、底物不同
实验步骤 一
二
三
四
实验现象
结论
加入淀粉酶溶液2滴，振荡，试管下半部分浸入60℃的水浴中，反应5min。
2号试管中加入2mL蔗糖溶液
加入斐林试剂
振荡
60℃水浴2min
1号试管中加入2mL淀粉溶液
无变化
砖红色沉淀
淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解。
取两支试管，编号1、2
不选碘液鉴定的原因是什么？
无法鉴定蔗糖是否反应
注
2.实验1：探究酶具有专一性
三、酶的特性
实验步骤 一
二
三
四
实验现象
结论
1号试管加入2滴淀粉酶溶液
向两支试管中各加入2mL淀粉溶液
变蓝
不变蓝
淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解。
取两支试管，编号1、2
方案二
底物相同、酶不同
2号试管加入2滴蔗糖酶溶液
反应5min后，向两支试管中加入等量的碘液
注
能不能用斐林试剂鉴定？？
（可以）
2.实验1：探究酶具有专一性
三、酶的特性
方案一
总结：酶专一性的实验设计思路
方案二
底物相同、酶不同
酶相同、底物不同
实验组：底物1 + 相应酶液
对照组：等量底物2 + 等量相同酶溶液
检测
底物被分解
检测
底物没被分解
实验组：底物 + 酶溶液1
对照组：等量相同底物 + 等量酶溶液2
检测
底物被分解
检测
底物没被分解
2.实验1：探究酶具有专一性
三、酶的特性
2.专一性
每一种酶只能催化一种或一类反应。
保证了细胞代谢能够有条不紊地进行。
①内容
②意义
③原因
酶有一定的空间结构，酶在反应中与底物的关系就像钥匙和锁的关系，它们的空间结构必须相互结合形成复合物才能发生反应。
2.实验1：探究酶具有专一性
三、酶的特性
资料一:实验证明用加酶洗衣粉时，温水的洗涤效果要比冷水好。
资料二: 唾液的PH为6.2—7.4
胃液的PH为0.9—1.5
小肠液的PH为7.6
1.酶的催化效率可能受温度影响。
2.酶的催化效率可能受PH值的影响。并且不同的酶需要不同的pH。
阅读上述材料，
你能得出什么结论？
哪些因素会影响酶活性呢？
酶活性：指酶催化特定化学反应的能力。可以用单位时间内反应物的剩余量或产物的生成量表示。
三、酶的特性
4.实验2：探究温度对淀粉酶活性的影响
提出问题：
温度会影响酶的活性吗？
作出假设：
温度会影响酶的活性。
设计实验，预期结果：
分小组，根据所给的材料、用具讨论出实验方案
材料：淀粉，淀粉酶（工业淀粉酶，最适温度60℃），碘液，斐林试剂； H2O2 溶液，新鲜的肝脏研磨液; 热水，冰块
用具：试管、量筒、小烧杯、大烧杯、滴管、试管夹、酒精灯等
三、酶的特性
实 验 步 骤 一
二
三
四
五
六
实验现象
结论
加入0 ℃保温的淀粉酶2滴
蓝色
在各自的温度条件下反应约5min
各加入两滴碘液
振荡
不变蓝
温度对酶的活性有影响，温度偏低或偏高都会降低酶活性
蓝色
各加入2mL淀粉溶液
1号
2号
3号
0 ℃保温
60 ℃保温
100 ℃保温
加入60 ℃保温的淀粉酶2滴
加入100 ℃保温的淀粉酶2滴
1.实验是如何保温的？为什么要这样操作？
先将酶和底物放到相应温度中一段时间后再混合，再在各自控制的温度下保温一段时间。确保反应在预设温度下进行
4.实验2：探究温度对淀粉酶活性的影响
三、酶的特性
思考·讨论
1.如何进一步探究淀粉酶的最适温度？
缩小温度梯度，重复进行上述实验。
2.为什么不能用斐林试剂对实验结果进行检测？
该实验的自变量是温度，用斐林试剂检测时需要水浴加热，
这样会干扰自变量。
3.为什么不能用过氧化氢酶和过氧化氢来探究温度对酶活性的影响？
因为过氧化氢本身受热易分解，会对实验结果造成干扰。
4.实验2：探究温度对淀粉酶活性的影响
三、酶的特性
低温使酶活性受抑制，但酶的空间结构稳定，温度恢复，酶活性可恢复。（低温保存）
高温使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。(高温变性)
1.酶的活性最高，催化效率最高的温度称为酶的最适温度。
2.在低于最适温度的范围内,酶的活性随着温度的升高而升高。
3.当超过最适温度，酶的活性随着温度的升高而降低，甚至失活。
失活
抑制
t/℃
最适温度
酶促反应速率
构建数学模型：绘制温度影响酶活性的曲线，并描述温度变化与酶活性的关系。
4.实验2：探究温度对淀粉酶活性的影响
三、酶的特性
1.探究酶专一性实验的实验思路？实验中自变量和因变量分别是？
2.探究温度对酶活性影响的实验（淀粉酶）中
（1）自变量是什么？如何控制自变量？
（2）因变量是什么？如何检测？
（3）无关变量有哪些？如何排除无关变量对实验结果的干扰
3.本实验为何不选用过氧化氢酶？
4.简述温度对酶活性的影响（低温、高温、最适温度）
课前三分钟
5.实验3：探究pH对淀粉酶活性的影响
提出问题：
pH会影响酶的活性吗？
作出假设：
pH会影响酶的活性。
设计实验，预期结果：
分小组，根据所给的材料、用具讨论出实验方案
材料： 肝脏研磨液，H2O2溶液；淀粉，淀粉酶； HCl溶液，NaOH溶液，蒸馏水等
用具： 试管、量筒、滴管，pH试纸等
三、酶的特性
实 验 步 骤 一
二
三
四
五
实验现象
结论
各加入3%过氧化氢2mL
几乎无气泡
反应约5min，记录气泡产生情况
较多气泡
几乎无气泡
各加入肝脏研磨液2滴
1号
2号
3号
加蒸馏水1mL
等量的 HCl溶液
等量的 NaOH溶液
过酸、过碱会影响酶的活性，适宜pH下酶的催化效率最高
1.为什么选肝脏研磨液，而不选淀粉酶？
酸性条件下淀粉会分解
2.步骤三、四能否颠倒？为什么？
若颠倒，在达到相应的pH环境之前过氧化氢就已开始分解，导致实验失败。
5.实验3：探究pH对淀粉酶活性的影响
三、酶的特性
酶的活性最强，催化效率最高的pH称为酶的最适pH。
在低于最适pH的范围内,酶的活性随着pH的升高而升高。
当超过最适pH，酶的活性随着PH的升高而降低，甚至失活。
PH
最适PH
强酸、强碱会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。(蛋白质变性)
酶促反应速率
5.实验3：探究pH对淀粉酶活性的影响
三、酶的特性
6.酶的作用条件较温和
①含义
酶通常在一定pH范围和一定温度范围内才能起作用，而且在某一pH、某一温度下作用最强。
②意义
保证细胞代谢能够在温和条件下高效进行。
③原因
过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。低温使酶的活性抑制，但酶的空间结构稳定，在适宜温度下酶的活性会升高。因此，酶制剂适宜在低温和适宜的pH下保存。
三、酶的特性
小结：影响酶促反应速率的因素
1.酶促反应：
由酶催化的化学反应，生物体内的化学反应绝大多数属于酶促反应。
2.酶促反应速率：
单位时间内反应物或生成物浓度的改变量。
3.影响酶促反应速率的因素：
pH
温度
抑制剂
激活剂
活性
浓度
底物浓度
酶
酶促反应速率
三、酶的特性
甲
乙
丙
丁
①图甲中，温度从a降低或升高，酶促反速率均下降，但是下降的原因不同。
②图乙中，pH从b降低或升高，酶促反速率均下降，但是下降的原因相同。
③图丙中，底物浓度为c时，酶促反应速率达到最大值，因为底物被酶饱和。
三、酶的特性
常见曲线分析
温度的变化不会影响酶的最适pH
pH的变化不会影响酶的最适温度
思考：分析下图能得出什么结论？
三、酶的特性
常见曲线分析
下图是研究物质A和物质B对某种酶活性影响的变化曲线，下列叙述正确的是(　　)
A．物质A能提高该化学反
应的活化能
B．物质B能提高该种酶的
催化活性
C．减小底物浓度可以消除
物质A对该种酶的影响
D．增大底物浓度可以消除物质B对该种酶的影响
5.激活剂和抑制剂
D
三、酶的特性
2
3
4
5
6
酶的应用
溶菌酶溶解细菌的细胞壁
含酶牙膏
多酶片
胰蛋白酶
加酶洗衣粉
果胶酶
1
课堂小结
一、概念检测
3.将刚采摘的新鲜糯玉米立即放入85℃水中热烫处理2min，可较好地保持甜味。这是因为加热会（ ）
A.提高淀粉酶的活性
B.改变可溶性糖分子的结构
C.破坏淀粉酶的活性
D.破坏将可溶性糖转化为淀粉的酶的活性
D
二、拓展应用
1.下图表示的是某类酶作用的模型。尝试用文字描述这个模型。这个模型能解释酶的什么特性？
这个模型中 A 代表某类酶,B 代表底物，C 和 D 代表产物。这个模型的含义是：酶 A与底物 B 专一性结合,催化反应的发生,产生了产物 C 和 D。这个模型可以解释酶的专一性。
2.下图表示最适温度下反应物浓度对酶所催化的化学反应速率的影响。
(1)请解释在A、B、C三点时该化学反应的状况。
A点：随着反应底物浓度的增加，反应速率加快。
B点：反应速率在此时达到最高 。
C点：反应速率不再随反应底物浓度的增加而升高,维持在相对稳定的水平。
2.下图表示最适温度下反应物浓度对酶所催化的化学反应速率的影响。
(2)如果从A点开始温度升高10℃，曲线会发生什么变化 为什么 请画出变化后的曲线。
如果 A 点时温度升高 10℃，曲线上升的幅度变小，
因为图中原曲线表示在最适温度下催化速率随底物浓度的变化。温度高于或低于最适温度，反应速率都会变慢。
2.下图表示最适温度下反应物浓度对酶所催化的化学反应速率的影响。
(3)如果在B点时向反应混合物中加入少量同样的酶，曲线会发生什么变化 为什么 请画出相应的曲线。
该曲线表明，B 点的反应底物的浓度足够大,是酶的数量限制了反应速率的提高，这时加入少量的酶，会使反应速率加快。

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