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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
第一课时
1.为什么要将肉块放在金属笼内
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。
是胃内的化学物质将肉块分解了。
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。
斯帕兰札尼在研究鹰的消化作用
1773年，意大利科学家斯帕兰札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。
2.是什么物质使肉块消失了
3.怎样才能证明你的推测
问题探讨
一、酶在细胞代谢中的作用
【任务一】阅读课本76页第一和第二段，概括酶的发现过程，总结细胞代谢的概念和意义。
斯帕兰札尼
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（德）
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。
一、酶在细胞代谢中的作用
【任务一】阅读课本76页第一和第二段，概括酶的发现过程，总结细胞代谢的概念和意义。
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，如过氧化氢。
幸而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。
细胞
代谢
2H2O2 2H2O + O2
细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。
哪种条件下H2O2的分解速率最快？
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。
探究·实践：比较H2O2在不同条件下的分解
一、酶在细胞代谢中的作用
（1）目的要求
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。
（2）实验原理
2H2O2 2H2O + O2
反应条件
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
不同反应条件
通过O2的产生量判断
H2O2的分解情况
单位时间内产生气泡的多少；
带火星的卫生香的复燃情况。
1号
2号
3号
4号
2mLH2O2
90℃
水浴加热
2滴
3.5%FeCl3
2滴
20%肝脏研磨液
常温
（3）实验步骤
不同反应条件
观察产生气泡的多少
观察卫生香的燃烧情况
基本无
少量
较多
大量
复燃
不明显
复燃
明显
（4）实验结果
与1号试管相比，2号试管产生的气泡多，这一现象说明了什么？
3、4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明了什么？
3号试管Fe3+数比4号试管H2O2酶高25万倍，但4号反应速率更快，这说明什么？
加热能促进H2O2的分解,提高反应速率。
FeCl3中的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。
过氧化氢酶比Fe3+ 的催化效率高得多。
（5）实验分析
（6）实验结论
加热、FeCl3溶液中的Fe3+以及新鲜肝脏研磨液中的过氧化氢酶都能加快过氧化氢分解。与无机催化剂Fe3+相比，过氧化氢酶的催化效率更高。
细胞内每时每刻都在进行着成千上万种化学反应，这些化学反应需要在常温、常压下高效率地进行，只有酶能够满足这样的要求，所以说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要。
【任务三】阅读课本78页科学方法“控制变量和设计对照实验”，明确自变量、因变量、无关变量的概念，并对应在本实验中。在本实验中的对照组和实验组分别是什么？
一、酶在细胞代谢中的作用
（1）控制变量
①变量：实验过程中的变化因素。
②自变量：人为控制的对实验对象进行处理的因素（不同条件）。
③因变量：因自变量改变而变化的变量（结果）。
④无关变量：
H2O2分解速率。
H2O2浓度和体积、反应时间等。
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（相同条件）。
一、酶在细胞代谢中的作用
除作为自变量的因素外，其余因素（无关变量）都保持相同且适宜，并将结果进行比较的实验。对照实验一般要设置对照组（未做任何处理）和实验组（做相应处理）。
（2）对照实验
对照实验类型：空白对照、自身对照、相互对照、条件对照。
通过设置对照组既能排除无关变量对实验结果的影响，又能增加实验结果的可信度和说服力。
单一变量原则：在对照实验中，除了要观察的变量发生变化外，其他变量都应保持相同。（无关变量始终相同且适宜）
等量性原则：指除单一变量可以变化外，其他的实验条件应是一样的，如所用试剂量要相同，放在相同条件下培养，取长势相同的植物培养等。
试管编号 变量
步骤 1 2 3 4 一
二
三 观察
实验结论
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
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
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
自变量
因变量
相同 适宜
对照组
实验组
思考·讨论
1.为什么加热后H2O2能分解？
2.FeCl3中Fe3+和猪肝研磨液的H2O2酶都能加快H2O2分解的原因与2号试管的相同吗？
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。
Fe3+和过氧化氢酶促使过氧化氢分解，但它们并未供给过氧化氢能量，而是降低了过氧化氢分解的活化能。
穿山隧道
加热加压相当于给汽车加大油门。
提供能量
二、酶的作用机理
酶的作用机理
（1）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。
（2）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。
降低化学反应的活化能。
【任务四】阅读课本78页第1-3段，结合图5-1，说出活化能的概念，总结酶的作用机理和特点。
二、酶的作用机理
思考·讨论
二、酶的作用机理
1.酶：更显著地降低化学反应的活化能（作用机理）。
想一想：如何表示？
无催化剂曲线：______
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： ______
曲线B
曲线A
E2
E3—E2
E3
二、酶的作用机理
2.加热为什么能使H2O2分解？
因为加热使H2O2分子得到能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。
3.在常温常压下Fe3+和H2O2酶并未供给H2O2能量，为什么H2O2也能分解？
它们降低了H2O2分解反应的活化能。
4.酶能增加产物的生成量吗？
酶和无机催化剂一样能催化化学反应的进行，降低反应的活化能，但本身并不被消耗，不为化学反应提供物质和能量，不改变化学反应的方向和生成物的量。
思考·讨论
三、酶的本质
【任务五】阅读课本79页和80页，利用流程图总结关于酶本质的探索过程，总结酶的概念。
能够在细胞内温和环境中催化各种生化反应，酶是一种什么样的物质呢？
请思考：
三、酶的本质
19世纪认为发酵是纯化学反应，与生命活动无关
发酵与整个细胞的活动有关
发酵与细胞中某些物质有关
酵母细胞中的某物质能在细胞外起作用
酶是蛋白质
巴斯德（1857年）
李比希
毕希纳
萨姆纳
后来，相继获得胃蛋白酶、胰蛋白酶等许多酶的结晶。
20世纪80年代，切赫和奥尔特曼发现
少数RNA也具有生物催化功能
三、酶的本质
1.巴斯德和李比希的观点各是什么？有什么积极意义？各有什么局限性？
巴斯德认为发酵与适细胞有关，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。
思考·讨论
2.巴斯德和李比希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，特别强调生物体或细胞的作用；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。
三、酶的本质
思考·讨论
3.从毕希纳实验中可以得出什么结论？
4.萨姆纳研究的是哪种酶？你认为他成功的主要原因是什么？
5.切赫和奥特曼有什么新发现？
6.酶的本质是什么？
毕希纳的实验说明，酵母细胞中的某此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。
少数RNA也具有生物催化功能
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。
其中绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA。
三、酶的本质
酶是活细胞产生的具有生物催化作用的有机物。
其中绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA。
酶的来源
真核细胞： 核糖体/细胞核
原核细胞：核糖体/拟核
原料：氨基酸/核糖核苷酸
酶的作用
酶的化学成分
降低
活化能
三、酶的本质
一、概念检测：1.D；2.D；
二、拓展应用
1. 加2滴煮沸过的肝脏研磨液的5号试管，可以与加入新鲜的肝脏研磨液的4号试管作对照；同理加人2滴蒸馏水的6号试管可以作为3号试管和4号试管的对照组。
2. 巴斯德:发酵与活细胞有关，发酵是整个细胞而不是细胞中的某些物质在起作用。
李比希:引起发酵的是细胞中的某些物质，但是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催化作用，就像在活酵母细胞中一样。
萨姆纳:酶是蛋白质。
3.提示:可用第2章中学过的检测蛋白质的方法。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。
练习与应用（教材80页）
酶
概念
作用
本质
酶是活细胞产生的具有生物催化作用的有机物
降低化学反应的活化能
绝大多数是蛋白质，少数是RNA
唾液（淀粉酶）
pH 6.2~7.4
胃液（胃蛋白酶）
pH 0.9~1.5
小肠液（多种酶）
pH 7.6
使用温水30-40℃效果最佳，切勿用60 ℃以上的热水
加酶
背景资料
酶的活性可能受温度、pH值的影响。
阅读上述材料，能得出哪些结论？
酶活性：酶催化特定化学反应的能力。酶活性可以用在一定条件下催化某一化学反应的速率表示。
影响酶活性的条件
探究实验的一般程序：
提出问题
1
作出假设
2
设计实验
3
分析结果，得出结论
5
进行实验
4
表达交流
6
进一步探究
7
探究温度对酶活性的影响
实验原理
淀粉+碘液→_蓝色_
用溶液中是否出现蓝色或蓝色的_深浅来判断淀粉_剩余量__。
实验设计
编号 试管1 试管1′ 试管2 试管2′ 试管3 试管3′
实验步骤 一 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液
二 放入0 ℃冰水中 水浴5 min 放入60 ℃温水中 水浴5 min 放入100 ℃热水中 水浴5 min 三 将1与1′试管内的液体混合后继续在0 ℃冰水内放置10 min 将2与2′试管内的液体混合后继续在60 ℃温水内放置10 min 将3与3′试管内的液体混合后继续在100 ℃热水内放置10 min 四 取出试管各加入两滴碘液，振荡 试管编号 试管1 试管1′ 试管2 试管2′ 试管3 试管3′
实验步骤 一 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液
二 放入0 ℃冰水中 水浴5 min 放入60 ℃温水中 水浴5 min 放入100 ℃热水中 水浴5 min 三 将1与1′试管内的液体混合后继续在0 ℃冰水内放置10 min 将2与2′试管内的液体混合后继续在60 ℃温水内放置10 min 将3与3′试管内的液体混合后继续在100 ℃热水内放置10 min 四 取出试管各加入两滴碘液，振荡 实验现象 实验结论 呈蓝色
无蓝色出现
呈蓝色
淀粉酶在60 ℃时催化淀粉水解，在100 ℃和0 ℃时都不能发挥催化作用。酶的催化作用需要适宜的温度，温度过高或过低都会影响酶的活性
实验结果
A
B
C
AB段：在一定温度范围内，酶促反应速率随温度的升高而加快
B 点：在最适温度时，酶促反应速率最快
BC段：超过最适温度，酶促反应速率随温度升高而减慢，直至酶失活。
低温(如A点)影响酶的活性，但不会使酶的空间结构遭到破坏，温度适当升高后，酶仍能恢复活性。
但高温(如C点)会导致酶的空间结构遭到破坏，使其永久失活。
低温保存酶等蛋白质制品
影响酶活性的因素——温度
(1)取8支洁净的试管并编号,分别加入等量新鲜的肝脏研磨液。
(2)用盐酸或NaOH溶液调整出不同的pH(如5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)。
(3)分别滴加等量的过氧化氢溶液并摇匀。
(4)用点燃但无火焰的卫生香来检测氧气的生成情况。
探究PH对酶活性的影响
H2O2→H2O+O2。不同条件下气泡产生速率反映H2O2的分解速率
实验原理:
酶发挥催化作用需要适宜的pH,pH偏高或偏低都会影响酶的活性。
实验方案
实验结论:
反应速率(酶活性)
V
pH
C
B
A
B点对应的pH表示：
AB段表示：
BC段表示：
酶的最适pH
超过最适pH后，随pH上升，酶活性下降。
在一定pH范围内，随pH上升，酶活性上升。
影响酶活性的因素——pH
在过酸过碱的条件下，都会使酶的空间结构遭到破坏而失去活性。
1.为什么不选择淀粉和淀粉酶做pH影响酶活性的实验
2.如何避免除pH之外的因素对实验结果造成干扰
3.归纳总结:通过以上两个实验可以得出什么结论
思考讨论
酸性溶液会使淀粉分解,影响实验结果;碱性条件下碘与淀粉不会变蓝色。
除自变量pH外,其他的无关变量,在实验过程中必须控制为完全相同且适宜。
酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的,酶促反应需要适宜的温度和pH。
每种酶都有自己的最适温度
一般动物体内的酶最适pH大多：6.5～8.0例外：胰蛋白酶：1.5。
植物体内的酶最适pH大多：4.5～6.5
动物：35～40℃
植物：40～50℃
细菌、真菌体内的酶最适温度差别较大，有的高达70℃
每种酶都有自己的最适pH
1.具有高效性
2.具有专一性
3.作用条件较温和：要有合适的温度、要有合适的pH
比较过氧化氢酶和Fe3＋的催化效率
淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
温度对淀粉酶活性的影响
pH对过氧化氢酶活性的影响
酶的特性
除了前面提到的温度、PH还有酶的浓度、底物的浓度。
在一定浓度范围内，反应速率随浓度的升高而加快；但达到一定浓度后，反应速率不再变化
酶促反应速率
底物浓度
酶量一定
底物浓度
酶促反应速率
酶的浓度
反应速率随酶浓度的升高而加快
酶的浓度
底物足够
酶在生产、生活中的应用
酶在生活中的实例
人发烧时不想吃东西，原因是体温升高导致消化酶活性降低，食物在消化道中消化缓慢。
唾液淀粉酶随食物进入胃内就会失活，原因是唾液淀粉酶的最适pH为6.8，而胃液的pH为0.9～1.5。
胰岛素等蛋白质类或多肽类激素只能注射，不能口服，原因是口服会导致该类激素被蛋白酶和肽酶分解成氨基酸而失效。
固醇类激素(如性激素)和氨基酸衍生物类激素(如甲状腺激素)不会被消化酶分解，既可以注射，也可以口服。
课堂小结
1.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C和D。这个模型可以类比解释酶的专一性。
2.
(1 )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)如果A点时温度升高10 C，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。
(3)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，这时加人少量的酶，会使反应速率加快(图略)。
练习与应用（教材80页）

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