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5.1 降低化学反应活化能的酶
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。细胞代谢离不开酶。
为什么细胞代谢离不开酶？
1.酶能高效的催化化学反应，保证细胞代谢快速进行。
2.酶能在温和条件下进行催化，保证细胞代谢在正常生理状态下进行。
3.酶具有专一性，保证细胞代谢能够按一定顺序进行。
一、酶在细胞代谢中的作用
2.比较过氧化氢在不同条件下的分解
①实验原理
2H2O2
2H2O + O2 ↑
不同条件
②实验设计
通过O2的产生量判断H2O2的分解情况
加热是化学反应的常见条件
Fe3+是无机催化剂
新鲜的肝脏中含有过氧化氢酶
不同条件
2.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%的FeCl3溶液
新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液
a.材料：
b.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
2.比较过氧化氢在不同条件下的分解
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
④实验过程及结果
几乎不分解
对照
少量
促进过氧
化氢
发亮
过氧化氢酶
燃烧猛烈
1与2对照：_______________________________
⑤实验分析
加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。(为反应提供能量)
1与3对照：_______________________________
FeCl3在常温下能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。(催化作用)
1与4对照：_______________________________
过氧化氢酶在常温下能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。(催化作用)
3与4对照：_______________________________
过氧化氢酶比FeCl3的催化效率高。(酶具有高效性)
3.酶催化的机理
(1)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。
图中①表示：
图中②表示：
图中④表示：
无催化剂时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。
不同条件如何提高过氧化氢的分解速率呢？
3.酶催化的机理
(2)酶催化的机理
酶与无机催化剂催化的机理相同，都能降低化学反应的活化能，但是酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高。
③表示：
⑤表示：
无机催化剂降低的活化能
酶降低的活化能
2.分析酶的作用原理曲线
(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
3.酶的催化作用机理
(1)活化能：分子从常态转变为 的活跃状态所需要的能量称为活化能。
(2)酶催化作用的原理： 的活化能。
(3)意义：与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，使细胞代谢能在 条件下快速有序地进行。
容易发生化学反应
降低化学反应
温和
4.控制变量和设计对照实验
实验过程中遵循的原则：
单一变量原则、对照原则。
1)单一变量
a.变量:实验过程中变化的因素称为变量。
b.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。
c.因变量:因自变量改变而变化的变量叫做因变量。
d.无关变量:实验中除自变量外的一些对因变量造成影响的可变因素，叫做无关变量。
e.单一变量:实验过程中除自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致。
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 变量 复燃
无关变量
无关变量
自变量
因变量
因变量
分析本实验的变量
(2)实验过程的变量及对照分析
实验对象
温度和催化剂
H2O2分解速率
气泡产生的多少
实验结果
4.控制变量和设计对照实验
自变量控制
a.加法原理
与常态相比，人为增加某种影响因素。
第2组、第3组、第4组就是利用了加法原理。
中的“加法原理”和“减法原理”
4.控制变量和设计对照实验
自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
b.减法原理
与常态相比，人为去除某种影响因素。
肺炎链球菌转化实验
第一组：R型活菌+S型菌的细胞提取物→混合培养
第二组：R型活菌+S型菌的细胞提取物+蛋白酶→混合培养
第三组：R型活菌+S型菌的细胞提取物+RNA酶→混合培养
第四组：R型活菌+S型菌的细胞提取物+酯酶→混合培养
第五组：R型活菌+S型菌的细胞提取物+DNA酶→混合培养
第二~五组就是利用了减法原理。
4.控制变量和设计对照实验
自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
b.减法原理
与常态相比，人为去除某种影响因素。
研究甲状腺激素的功能
第1组：健康的动物不做处理(空白对照)
第2组：健康的动物饲喂一定量的甲状腺激素(加法原理)
第3组：将健康的动物甲状腺摘除(减法原理)
4.控制变量和设计对照实验
实验过程中遵循的原则：
单一变量原则、对照原则。
2)对照原则
a.对照实验：除作为自变量的因素外，无关变量都保持一致，并将结果进行比较的实验。
b.常见对照的类型：
空白对照、自身对照、相互对照
4.控制变量和设计对照实验
对照类型 含义
空白对照 不给对照组做任何实验处理，或用等量生理盐水（ 蒸 馏 水、 清 水等）处理，保持原有状态的实验对象
1号试管即为空白对照
4.控制变量和设计对照实验
对照类型 含义
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)
某植物 → 培养在缺X元素的培养基中 → 一段时间后加入X元素
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
→
→
某动物 → 摘除甲状腺 → 一段时间后注射甲状腺激素
制成装片，
低倍镜观察。
→
4.控制变量和设计对照实验
对照类型 含义
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。
相互对照实验可以称为对比实验。
32P标记DNA的T2噬菌体
35S标记蛋白质的T2噬菌体
→侵染大肠杆菌
→侵染大肠杆菌
①探究DNA还是蛋白质是遗传物质
②探究酵母菌的呼吸方式
有氧条件
→测定酵母的呼吸
无氧条件
→测定酵母的呼吸
4.控制变量和设计对照实验
自变量
因变量
无关变量
(适宜且相等)
对照实验的目的是排除无关变量的干扰，
从而确定自变量与因变量的关系。
(控制)
(检测)
巴斯德和李比希的观点分别是什么？
毕希纳是如何终结上述争论的？他的实验结论是什么？
萨姆纳成功揭示脲酶的化学本质靠的是什么样的精神？
二、酶的本质
1.酶本质的探索历程 看书思考以下问题并在课本划线
20世纪80年代，科学家发现少数RNA也具有催化功能！
酶本质的探究历程(连线)
项目 内容 解释
产生部位 _______内产生 除哺乳动物成熟红细胞等部分细胞外，其他活细胞都能产生酶
作用场所 可在细胞内、细胞外、生物体外发挥作用 可在生物体外发挥作用，但不能来自体外，只能由细胞合成
酶的本质 大多数酶是 ，少数是______ 合成原料是 ，合成场所是 (真核生物)
酶的功能 生物催化剂 酶只起 功能，且反应前后酶的_____和 不变
作用机理 降低化学反应的______ 酶不能提供能量
5.酶的本质和作用
活细胞
蛋白质
RNA
氨基酸或核糖核苷酸
催化
数量
活化能
化学性质
核糖体或细胞核
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数酶是蛋白质。
源于必修1 P80“拓展应用”：设计简单的实验验证从大豆种子中提取的脲酶是蛋白质，请说明实验思路。
提示　向脲酶溶液和蛋白质溶液中分别加入双缩脲试剂，若都出现紫色反应，则说明脲酶是蛋白质。
1.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：
拓展 提升科学思维
(1)甲、乙两种酶的化学本质是否相同？说出理由。
提示　不相同。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，则乙酶为蛋白质。
(2)乙酶活性改变的机理是什么？其活性能否恢复？
提示　乙酶被降解的过程中其分子结构会发生改变，从而使其活性丧失，这种活性的改变不可逆转，故无法恢复。
DD
C.肝脏液中的过氧化氢酶、FeCl3都可以降低该反应的活化能
D.左边移液管内红色液体上升的速度比右边慢，最终液面比右边低
突破 强化关键能力
三、酶与催化剂的共性
1.酶与无机催化剂的催化机理相同，都是降低化学反应的活化能。只是酶降低活化能的能力显著。
2.不改变反应的平衡点，只是缩短了到达平衡点的时间。
3.酶和无机催化剂在反应前后数量和性质不发生改变，一段时间内可以重复利用。
关于酶的叙述，正确的是（ ）
A.同一种酶可存在于分化程度不同的活细胞中
B.所有酶的合成都包括转录和翻译两个过程
C.酶通过为反应物供能和降低化学反应的活化能来提高化学反应速度
D.酶既可以作为催化剂，也可以作为另一个化学反应的底物
E.酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸
A、D
典型酶的种类和作用
归纳
总结
酶的名称 酶的作用
淀粉酶 催化淀粉水解为麦芽糖
麦芽糖酶 催化麦芽糖水解为葡萄糖
蛋白酶 催化蛋白质水解为多肽
脂肪酶 催化脂肪水解为脂肪酸和甘油
DNA酶 催化DNA水解为脱氧核苷酸
DNA聚合酶 催化DNA复制产生子代DNA
RNA聚合酶 催化DNA转录产生RNA
典型酶的种类和作用
归纳
总结
纤维素酶 分解纤维素
果胶酶 分解果胶
逆转录酶 催化RNA形成DNA单链
DNA连接酶 将两个DNA片段的黏性末端或平末端连接起来
限制酶 识别DNA中特定的核苷酸序列并使磷酸二酯键断裂
酪氨酸酶 催化酪氨酸合成黑色素
解旋酶 催化DNA复制过程中DNA碱基间氢键的断裂
1.端粒酶由RNA和蛋白质组成，该酶能结合到端粒上，以自身的RNA为模板合成端粒DNA的一条链。下列叙述正确的是（ ）
A.大肠杆菌拟核的DNA中含有端粒
B.端粒酶中的蛋白质为RNA聚合酶
C.正常人细胞的每条染色体两端都含有端粒DNA
D.正常体细胞的端粒DNA随细胞分裂次数增加而变长
C
四、酶的特性
1.高效性
（1)内容：
与无机催化剂相比，酶的催化效率高，是无机催化剂的107~1013倍
（2)意义：
使细胞代谢快速进行
（3)原因：
与无机催化剂相比，酶能显著降低化学反应的活化能
1.酶具有高效性
(1)定义：与 相比，酶降低活化能的作用 ，催化效率更高。
(2)意义：使细胞代谢快速进行。
(3)曲线分析
①曲线分析：酶对应曲线 ，无机催化剂对应曲
线B，未加催化剂对应曲线 (填字母)。
②结论：与无机催化剂相比，酶的催化效率 。
归纳 夯实必备知识
无机催化剂
更显著
A
C
更高
四、酶的特性
1.高效性
（4)实验设计思路
项目 对照组 实验组
材料 等量的同一种底物
试剂 一定量的无机催化剂 等量的底物对应的酶溶液
现象 反应速率慢或反应时间长 反应速率快或反应时间短
结论 酶具有高效性
（5)实验验证
在相同条件下，比较FeCl3和过氧化氢酶对过氧化氢的分解速率。
（6)曲线
2.专一性
（1)内容：
一种酶只能催化一种或一类反应。
（2)意义：
保证了细胞代谢有条不紊的进行
（3)原因：
锁钥学说
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。
四、酶的特性
1.高效性
（3)原因：
诱导契合学说
酶活性部位不是刚性不变的，其形状可在结合底物时有所改变，即底物与酶活性部位结合，会诱导酶发生构象变化，使酶的活性中心变得与底物的结构互补，两者相互契合，从而发挥催化功能
2.专一性
四、酶的特性
1.高效性
（4)实验设计思路
项目 方案一 方案二
材料 底物A 底物A 底物A 底物B
试剂 酶B 酶A 酶B 酶B
现象 不发生反应 发生反应 不发生反应 发生反应
结论 酶具有专一性
2.专一性
四、酶的特性
1.高效性
（5)实验验证？
2.专一性
四、酶的特性
1.高效性
淀粉
蔗糖
淀粉酶
如何检测？
底物被分解/有产物产生
适宜温度保温一定时间后
斐林试剂
水浴加热
有砖红色沉淀
无砖红色沉淀
方案一
2.探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用的实验中能否用碘液代替斐林试剂作为鉴定试剂？为什么？验证酶的专一性的另一思路是什么？
提示　不能；碘液只能检测淀粉是否被水解，而蔗糖分子无论是否被水解都不会使碘液变色。可以用同一种底物、不同的酶进行实验验证，如用淀粉酶、蔗糖酶水解淀粉。
（5)实验验证
实验过程与结果
步骤 项目 试管1 试管2
1 注入可溶性淀粉溶液
2 注入蔗糖溶液
3 注入新鲜的淀粉酶溶液
4 保温
5 加斐林试剂
6 水浴加热
7 观察颜色变化
2mL
—
—
2mL
2mL
2mL
60℃保温5min
各加入2mL
沸水浴煮沸1 min
砖红色
无砖红色
2.专一性
四、酶的特性
1.高效性
（6)结论
淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解，酶的作用具有专一性
具有“专一性(特异性)”的五类物质
(1)酶：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。如限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子。
(2)载体蛋白：某些物质通过细胞膜时需要载体蛋白协助，不同物质所需载体不同，载体蛋白的专一性是细胞膜选择透过性的基础。
(3)激素：激素特异性地作用于靶细胞、靶器官，其原因在于它的靶细胞膜或胞内存在与该激素特异性结合的受体。
(4)tRNA：tRNA有61种，每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。
(5)抗体：抗体只能与相应的抗原发生特异性结合。
3.条件温和
（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、某一温度下酶活性最强。
（2)意义
保证细胞代谢能够在温和条件下高效进行。
过酸、过碱、高温，会使酶的空间结构遭到破坏，甚至使酶永久失活，低温使酶的活性抑制，空间结构稳定，在适宜温度下酶的活性会升高。因此，酶制剂适宜在低温下保存。
2.专一性
四、酶的特性
1.高效性
(1)源于必修1 P84“相关信息”：已知胃蛋白酶的最适pH为1.5，小肠液的pH约为7.6，胃蛋白酶随食糜进入小肠后还能发挥作用吗？为什么？
提示　不能。因为没有了适宜的pH，胃蛋白酶活性大大下降甚至失活，不再发挥作用。
(2)源于必修1 P85“科学·技术·社会”：溶菌酶能够溶解细菌的_______，具有抗菌消炎的作用。在临床上与抗生素混合使用，能增强抗生素的疗效。
细胞壁
1.同种酶有时会催化不同的反应，是不是就说明酶不具有专一性？
拓展 提升科学思维
提示　酶的专一性指的是酶可以催化一种或一类化学反应，不同的化学反应可能是同类的化学反应，故仍说明酶具有专一性。
C C
（4)实验探究：影响酶活性的条件
①原理
酶催化特定化学反应的能力称为酶活性。
酶活性可用在一定条件下酶所催化的某一化学反应的速率表示。
3.条件温和
2.专一性
四、酶的特性
1.高效性
②材料用具
③实验设计思路(探究温度对酶活性的影响)
④实验过程与结果(探究温度对酶活性的影响)
操作 1试管 2试管 3试管 4试管 5试管 6试管
0℃
0℃
60℃
60℃
100℃
100℃
加淀粉 2mL — 2mL — 2mL —
加淀粉酶 — 2mL — 2mL — 2mL
保温 在各自温度下保温5min
混合 将2加入1中 将4加入3中 将6加入5中
保温 在各自温度下保温10min
加碘液 2滴 2滴 2滴
观察颜色
⑤实验结论
温度过低或过高酶的活性都较低。
呈蓝色
无蓝色
呈蓝色
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.是否可用斐林试剂对实验结果进行检测为什么？
不可，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。
下列有关酶的实验设计思路，正确的是(　　)
A.利用过氧化氢和过氧化氢酶探究温度对酶活性的影响
B.利用淀粉、蔗糖、淀粉酶和碘液验证酶的专一性
C.利用过氧化氢、新鲜的猪肝研磨液和氯化铁溶液研究酶的高效性
D.利用胃蛋白酶、蛋清和pH分别为3、7、11的缓冲液验证pH对酶活性的影响
C
探究酶的高效性自变量是？
探究酶的专一性方案设计？如何检测？
探究温度对酶活性影响用何种酶和底物？实验操作的大致流程？
如下图所示的新鲜土豆片与H2O2接触后，产生的现象及推测错误的是(　　)
A.若有气体大量产生，可推测新鲜土豆片中含有过氧化氢酶
B.若增加新鲜土豆片的数量，量筒中产生气体的速率加快
C.一段时间后气体量不再增加是因为土豆片的数量有限
D.为保证实验的严谨性，需要控制温度等无关变量
C
③实验设计思路(探究pH对酶活性的影响)
试管编号 试管1 试管2 试管3
实验 步骤 一 2滴过氧化氢酶溶液
二 1 mL蒸馏水 1 mL物质的量浓度为0.01 mol/L的盐酸 1 mL物质的量浓度为0.01 mol/L的NaOH溶液
三 2 mL质量分数为3%的过氧化氢溶液
实验现象 有大量气泡产生 _______________ _______________
④探究pH对酶活性的影响实验过程
无明显气泡产生
无明显气泡产生
将带火星的卫生香插入试管内(液面的上方) 燃烧剧烈 燃烧较弱 燃烧较弱
实验结论 pH会影响酶的活性，酶的活性有适宜的pH范围
为什么不用淀粉酶和淀粉来探究pH对酶活性的影响？
因为酸性条件促进淀粉水解。
4.影响酶促反应速率的因素的曲线分析
(1)温度和pH对酶促反应速率的影响
①在最适宜的温度(B)和pH(E)条件下，酶的活性 。温度和pH偏高(BC和EF)或偏低(AB和DE)，酶活性都会明显 。
②过酸(D)、过碱(F)或温度过高(C)，都会使 遭到破坏，使酶 ；而在低温(A)下，酶的活性明显降低，但酶的 稳定，在适宜的温度下酶的活性可以 。因此，酶可以在 下保存。
最高
降低
酶的空间结构
永久失活
空间结构
升高
低温
据图可知，不同pH条件下，酶最适温度 ；不同温度条件下，酶最适pH ，即反应溶液pH(温度)的变化不影响酶作用的最适温度(pH)。
不变
也不变
五、影响酶促反应的因素
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：
多酚氧化酶(PPO)催化的酶促反应是储运过程中引起果蔬褐变和品质劣变的主因，果蔬运输过程中加入适量的柠檬酸能延长保鲜时间。抑制剂与酶结合引起酶活性降低或丧失的过程称为失活作用。根据抑制剂与底物的关系可分为竞争性抑制和非竞争性抑制，图甲为两种抑制剂的作用机理模型，图乙为相同酶溶液在无抑制剂、添加不同
抑制剂的条件下，酶促反
应速率随底物浓度变化的
曲线，柠檬酸对PPO活性
的影响为曲线c对应情况。
拓展 提升科学思维
(1)竞争性抑制剂引起酶活性降低的原因是什么？
提示　竞争性抑制剂的分子结构与底物的非常相近，可以与底物竞争酶活性部位来影响催化效果。
(2)非竞争性抑制剂引起酶活性降低的原因是什么？
提示　非竞争性抑制剂与酶结合后，诱导酶的空间结构发生改变，使酶失去活性。
(3)据图乙分析柠檬酸属于哪种酶抑制剂？其与高温等因素对酶的影响是否相似？
提示　非竞争性抑制剂；相似。
3.影响酶促反应速率的因素：
①图甲，在其他条件适宜、酶量一定的条件下，酶促反应速率随底物浓度增加而 ，但当底物达到一定浓度后，受 限制，酶促反应速率不再增加。
②图乙，在底物充足、其他条件适宜的情况下，酶促反应速率与酶浓度成 。
加快
酶数量
正比
(3)酶促反应产物浓度与反应时间的关系曲线
酶
反应物
C D
CBCDC

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