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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
你在哪里听到过“酶”？
蛋白质的功能
细胞中的化学反应离不开酶的催化，绝大多数酶都是蛋白质。
线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所
线粒体基质中存在与有氧呼吸有关的酶
叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所
叶绿体基质中存在与光合作用有关的酶
【问题探讨】
斯帕兰扎尼在研究鹰的消化作用实验（视频）
1773年，意大利科学家斯帕兰札尼（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
3.怎样才能证明你的推测？
1.为什么要将肉块放在金属笼内？
2.是什么物质使肉块消失了？
便于取出实验材料(肉块)；排除物理性消化，确定有化学性消化。
胃内的化学物质将肉块分解了。
收集胃内的化学物质，在体外是否发挥作用。
4、鹰胃里的化学物质是什么呢？
【问题探讨】
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，科学家发现胃液含有大量盐酸，推测：
盐酸是使食物分解的物质。
1835年，德国科学家施旺发现：
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远大于盐酸的单独作用，这种物质就是胃蛋白酶。
施旺
德国生理学家
CO2+H2O （CH2O)+O2
光能
酶
C6H12O6+6H2O+O2 6CO2+12H2O+能量
酶
氨基酸 多肽
酶
脱水缩合
叶绿体
线粒体
核糖体
酶
酶
酶
一、酶在代谢中作用
细胞代谢：
细胞中每时每刻都进行着许多化学反应的统称。
（有氧呼吸、光合作用、蛋白质的合成等）
细胞代谢离不开酶
主要场所：细胞质基质（活细胞中）
实质：细胞内各种化学反应的统称。
意义：是细胞生命活动的基础
酶又叫做生物催化剂
2H2O2
2H2O + O2↑
加热 加催化剂（如FeCl3)
1、细胞内的过氧化氢又是怎样被快速分解的呢？
过氧化氢酶
2、过氧化氢在体外分解需要什么条件？
催化剂：在化学反应里能改变其它物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有变化的物质。
【探究实践】比较H2O2在不同条件下的分解
资料一：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。
1、常温 → 2ml过氧化氢+试管1
2、加热 → 2ml过氧化氢+试管2+90℃水浴加热
3、加FeCl3 → 2ml过氧化氢+试管3+FeCl3 溶液
4、过氧化氢酶 → 2ml过氧化氢+试管4+过氧化氢酶
2H2O2 2H2O + O2
反应条件
实验目的
实验原理
实验材料
实验现象
实验用具
实验结果
实验设计
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
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
↑
【探究实践】比较H2O2在不同条件下的分解
实验目的
实验原理
实验材料
实验现象
实验用具
实验结果
实验设计
①新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液
（含较多的过氧化氢酶）
②质量分数为3.5%的FeCI3溶液
③新配制的体积分数为3%的H2O2溶液
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
【探究实践】比较H2O2在不同条件下的分解
经计算，质量数为3.5%的FeCl3溶液和质量分数为20%的肝脏研磨液相比，每滴FeCl3溶液中的Fe3+数，大约是每滴研磨液中过氧化氢酶分子数的25万倍。
【探究实践】比较H2O2在不同条件下的分解
【视频】
实验目的
实验原理
实验材料
实验现象
实验用具
实验结果
实验设计
Fe3+做催化剂
过氧化氢酶
1
2
3
4
3
4
空白对照组
未施加实验处理
实验组
施加了实验处理
【探究实践】比较H2O2在不同条件下的分解
实验目的
实验原理
实验材料
实验现象
实验用具
实验结果
实验设计
组别 对照组 实验组
1 2 3 4
过氧化氢 H2O2浓度 3% 3% 3% 3%
H2O2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 气泡产生情况
卫生香燃烧情况
不明显
少量
较多
大量
不复燃
不复燃
变亮
复燃
【探究实践】比较H2O2在不同条件下的分解
12
Fe3+做催化剂
过氧化氢酶
1与2对照：____________________________________________________________
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。
1.加热、FeCl3、过氧化氢酶都能加快化学反应速率；
2.与无机催化剂相比，过氧化氢酶的催化效率更高；
3.过氧化氢酶在细胞外(或体外)也能发挥作用。
实验结论
结果分析
科学探究的一般步骤
提出问题、作出假设、设计实验、进行实验、分析结果，得出结论、表达交流、进一步探究
完整的实验设计包括
实验课题、实验目的、实验原理、实验对象、材料和仪器、试剂和条件、实验步骤及现象、结果假设和预期、实验结果分析与结论
实验设计的基本原则
科学性原则
单一变量原则
变量：自变量、因变量、无关变量
变量的控制 ：自变量的确定和控制
无关变量的确定和控制
对照性原则 对照实验：对照组、实验组
平行重复原则
②自变量：
③因变量：
④无关变量：
除自变量外，实验中还存在的一些也可对实验结果造成影响的其它变量
随着自变量的变化而变化的变量
人为改变的变量
①变量：
实验中可以变化的因素
单一变量原则：实验组与对照组相比只能有一个变量。且无关变量在对照组和实验组中均要保持一致且适宜
科学方法
(1)控制变量
(不同条件)
(结果)
(相同条件)
控制变量和设计对照实验
一个严谨的实验该如何来设计？有哪些因素是我们必须要考虑的？
试管编号
1 2 3 4
一
二
2滴清水
剂量
2滴清水
三 观察
2ml
2ml
2ml
2ml
3%
3%
3%
3%
常温
90℃
FeCl3
肝脏研磨液
2滴
2滴
几乎无
少量
较多
大量
不复燃
不复燃
变亮
复燃
反应条件
无关变量
H2O2浓度
H2O2剂量
气泡产生
带火星的卫生香
因变量
相同 适宜
步骤
变量
你能准确找出以上实验中的相关变量吗？
自变量
过氧化氢溶液的浓度、反应时间、肝脏的新鲜程度等
科学方法
控制变量和设计对照实验
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？
等量性原则
单一变量原则
等量性原则
试管编号 1 2 3 4
实验处理 无 90℃水浴加热 2滴FeCl3 2滴肝匀浆
H2O2溶液（3%） 2 mL 2 mL 2 mL 2 mL
检测指标 1. 气泡冒出情况 2. 卫生香复燃情况
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。(一般要设置对照组和实验组)
对照组
实验组
空白对照
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。eg：质壁分离和复原
几种处理（或水平）互为对照
该实验的对照组和实验组分别是什么？
(2)对照实验：
科学方法
控制变量和设计对照实验
讨论：
（1）与1号试管相比，2号试管出现什么不同的现象？这一现象说明什么？
2号试管放出的气泡多，说明加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。
为什么加热能促进过氧化氢分解？
H2O2（常态）
H2O2（活跃状态）
使过氧化氢分子得到能量
容易分解
常态
活跃态
活化能
终态
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。
你能解释加热、无机催化剂，酶在这一过程中的不同作用吗？
酶和无机催化剂并没有给反应物提供活化能，而是降低了化学反应所需要的活化能。
2. 酶的作用原理
A
B
C
无催化剂曲线：______
无机催化剂曲线：______
酶促反应曲线：______
无酶促反应所需活化能：______
酶促反应所需活化能：______
酶降低的活化能：______
无机催化剂降低的活化能：______
曲线A
曲线C
E3
E2—E3
E2
(1)酶作用原理：
(2)酶作用意义：
酶可以显著降低化学反应的活化能，与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高。
使细胞代谢在温和条件下快速有序地进行。
曲线B
E2—E1
（1）降低活化能，使反应速率加快，缩短达到平衡点的时间
（2）反应前后酶本身并不被消耗，并不为化学反应提供物质和能量
（3）只改变化学反应速率，但不改变化学反应的方向和生成物的量
时间
产物浓度
A.加酶
B.加无机催化剂
C.不加催化剂
A、C曲线比较，说明酶具有__________
A、B曲线比较，说明酶具有__________
高效性
催化作用
(3)酶的作用特点：
任务：观看视频，阅读P79的资料，找到以下学者关于酶发现的
核心内容（主要观点）
切赫、奥特曼
二、酶的本质
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
发酵是由酵母菌细
胞的存在所致，
需要活细胞的参与
引起发酵的是酵母菌细胞中的某
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
毕希纳
酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后
继续起到催化作用，就像在活酵母细胞中一样
争论
萨姆纳：从刀豆中提纯脲酶，并证明其化学本质是蛋白质
萨姆纳之后
科学家们获得胃蛋白酶，胰蛋白酶等许多酶
的结晶，并证明这些酶的化学本质是蛋白质。
发现少数RNA具有催化功能，称为核酶。
切赫、奥尔特曼
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？
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？
【思考讨论】
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。
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。
3.从毕希纳的实验可以可以得出什么结论？
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？
5.请给酶下一个比较完整的定义。
【思考讨论】
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。
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。
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。
活细胞
只有催化作用（生物催化剂）
降低化学反应活化能
绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA
细胞内、细胞外、体内、体外
反应前后酶的数量和性质不变
【课堂小结】绘制酶的概念图，给酶下一个完整的定义
酶的概念：
不具有传递信息、调节作用
⑥作用后去向：
⑤作用场所：
④本质：
③作用机理：
②作用：
①产生场所：
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)。
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。
酶化学本质的实验验证
【关于酶的相关总结】
化学本质 绝大多数是_______ 少数是_____
合成原料 _______ ___________
组成元素 C、H、O、N，有的含有S _________________
合成场所 _______ 细胞核(真核生物)
来源 活细胞(哺乳动物成熟红细胞除外)
作用场所 细胞内、细胞外、生物体外
生理功能 _____
作用机理 _____________________
酶的底物 酶促反应的反应物
蛋白质
RNA
氨基酸
核糖核苷酸
C、H、O、N、P
核糖体
催化
降低化学反应的活化能

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