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5.1 降低化学反应活化能的酶学案
【学习目标】
1. 说明酶在细胞代谢中的作用。
2. 说明酶的本质。
3. 阐述活化能的概念，并用图示法表示活化能的本质。
4. 进行有关的实验和探究，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验。
【学习重难点】
重点：
1、酶在细胞代谢中的作用
2、控制变量的科学方法
难点：
1、酶通过降低化学反应活化能，从而提高化学反应速率的作用
2、控制变量的科学方法
【预习新知】
（一）酶在细胞代谢中的作用
1．细胞代谢
(1)场所：活细胞内。
(2)实质：各种化学反应的总称。
(3)意义：细胞生命活动的基础。
2．比较过氧化氢在不同条件下的分解
(1)实验原理：H2O2在水浴加热、FeCl3溶液中的Fe3＋和肝脏研磨液中过氧化氢酶的作用下加速分解。
(2)实验步骤：
编号 步骤　　 1 2 3 4
相同处理 向4支试管中分别加入2_mL过氧化氢溶液并放在试管架上
不同处理 不处理 放入90_℃左右的水浴中加热 滴入2滴FeCl3溶液 滴入2滴肝脏研磨液
观察 试管内产生的气泡数量 试管内卫生香燃烧程度
(3)实验中的相关变量：
②因变量
(4)对照实验：
①含义：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验。
②原则：除了要观察的变量外，其他变量都应当始终保持相同。
（二）酶的本质
1．探索过程
(1)1716年《康熙字典》收录了酶字，并将“酶”解释为“酒母也”。“酒母”就是现在所说的酵母。
(2)巴斯德之前：发酵是纯化学反应，与生命活动无关。
(4)毕希纳(德国)：获得不含酵母细胞的提取液，他将酵母细胞中引起发酵的物质称为酿酶。但未能分离鉴定出酶。
(5)萨姆纳(美国)：1926年用丙酮提取出了刀豆种子中的脲酶，并证明了其化学本质是蛋白质。
(6)切赫和奥特曼(美国)：20世纪80年代，发现少数RNA也具有催化功能。
2．酶的概念
(1)合成场所：活细胞内。
(2)化学本质：具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。
（三）酶具有高效性
(1)含义：与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。
(2)意义：使细胞代谢快速进行。
（四）酶具有专一性
(1)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。
(2)探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
①实验原理：淀粉和蔗糖都是非还原糖。它们在酶的催化作用下都能水解成还原糖。还原糖能够与斐林试剂发生氧化还原反应，生成砖红色的氧化亚铜沉淀。
②目的要求：探究淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。
③设计思路：
④实验步骤(思路一)：a.取两支洁净的试管，编上号，然后按照下列要求操作
b．轻轻振荡两支试管，使试管内的液体混合均匀，然后将试管的下半部浸到60_℃左右的热水中，保温5 min。
c．取出两支试管，各加入2 mL斐林试剂，振荡混匀。
d．将两支试管的下半部放进盛有热水的大烧杯中，用酒精灯加热，煮沸1 min。
e．观察两支试管内的溶液颜色变化。
⑤实验结果：1号试管有砖红色沉淀生成，说明产生了还原糖，淀粉有水解；2号试管不出现砖红色沉淀，说明蔗糖没有水解。
⑥实验结论：淀粉酶只催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解，酶具有专一性。
(3)酶专一性含义：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。例：过氧化氢酶只能催化过氧化氢分解。二肽酶能催化所有二肽水解。
(4)酶专一性意义：使细胞代谢有条不紊地进行。
（五）酶的作用条件较温和
1．温度对酶活性的影响
(1)曲线分析
①在最适温度条件下，酶的活性最高(如B点)。温度偏高或偏低，酶活性都会明显降低。
②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，使其永久失去活性。
③酶制剂适于在低温下保存。
(2)各类生物的最适温度
动物体内的酶最适温度在35～40_℃之间；植物体内的酶最适温度在40～50_℃之间；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有的酶最适温度可高达70_℃。
2．pH对酶活性的影响
(1)曲线分析
①在最适pH条件下，酶活性最高(如E点)。pH偏高和偏低，酶活性都会明显下降。
②过酸(如D点)、过碱(如F点)都会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。
(2)各类生物的最适pH
动物体内的酶最适pH大多在6.5～8.0之间，但胃蛋白酶比较特殊(最适pH在1.5)；植物体内的酶最适pH大多在4.5～6.5之间。
3．细胞中的各类化学反应之所以有序进行，除了与酶的特性有关还与酶在细胞中的分布有关。
【巩固训练】
1.酶具有极强的催化功能，其原因是( )
A.降低了反应所需温度 B.增加了反应物间的接触面
C.降低了反应的活化能 D.调节了反应所需的pH值
2.据报道，科学家从某深海生物体内提取出一种“冷水酶”，加入这种酶的洗衣粉的去污能力比普通洗衣粉强。这说明酶( )
A.具有专一性的特点 B.具有多样性的特点
C.具有高效性的特点 D.易受酸碱度的影响
3.可溶性酸性蔗糖转化酶存在于植物细胞的液泡中，能够催化蔗糖转化为己糖。为了研究影响该酶活性的因素，进行了如下实验：取适量该酶溶液置于pH为4.5的缓冲液中15min，酶活性丧失50%；再取等量该酶溶液，加入过量的蔗糖后置于pH为4.5的缓冲液中15min，酶活性仅丧失3%。该实验研究的自变量是( )
A.反应时间 B.底物 C.pH D.酶浓度
4.酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，下列关于酶的叙述错误的是( )
A.酶和无机催化剂都能降低化学反应的活化能
B.可利用淀粉、蔗糖、淀粉酶和碘液来验证酶的专一性
C.可利用过氧化氢和过氧化氢酶来探究pH对酶活性的影响
D.同一株植物体的不同组织细胞中合成的酶也可能是相同的
5.生物兴趣小组拟进行“探究温度对淀粉酶活性影响”的实验。下列关于该实验的叙述,正确的是( )
A.各个组别的温度和pH都应该相同且适宜
B.向淀粉溶液中加入酶液后再迅速调节温度
C.可用碘液检测来判断最适温度的大致范围
D.反应结束后的产物总量能够表示酶的活性
6.实验小组为探究温度对蔗糖酶活性的影响，设计了如下实验步骤：①取6支试管，向每支试管中加入1mL一定浓度的蔗糖酶溶液；②向每支试管中加入1mL 0.25%蔗糖溶液，摇匀；③将6支试管分别置于0℃、20℃、30℃，40℃.50℃和70℃水浴中保温10 min；④检测反应速率。下列相关叙述错误的是( )
A.蔗糖水解的产物是单糖
B.各个实验组相互对照，属于对比实验
C.应将酶溶液与底物溶液先分别保温再混合
D.一般用斐林试剂检测反应生成物的含量
7.某同学对蛋白酶TSS的最适催化条件开展研究，结果见下表。下列分析错误的是组别( )
组别 pH CaCl2 温度（℃） 降解率（%）
① 9 + 90 38
② 9 + 70 88
③ 9 - 70 0
④ 7 + 70 58
⑤ 5 + 40 30
注：+/-分别表示有/无添加，反应物为胶原蛋白。
A.结合①②组的相关变量分析，温度为自变量
B.蛋白酶TSS的催化活性依赖于CaCl2
C.若探究该酶是否能水解其他反应物，则还需补充实验
D.该酶催化反应的最适温度为70℃，最适pH为9
8.多酶片为复方制剂，每片多酶片中含有胰酶300mg、胃蛋白酶13mg。简单的说多酶片是一种助消化的药物，主要用于消化不良。胃蛋白酶的化学本质是( )
A.糖类 B.脂质 C.蛋白质 D.核酸
9.下列有关酶的叙述，错误的是( )
A.酶的高效性是相对于无机催化剂而言的
B.适合淀粉酶催化反应和保存的温度不相同
C.胃蛋白酶能作为催化剂，也可作为化学反应的反应物
D.蛋白酶可以水解种类繁多的蛋白质，说明蛋白酶不具有专一性
10.在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，有关叙述正确的是( )
A.比较肝脏研磨液和FcCl3溶液的催化效率时，二者可以用同一个滴管
B.过氧化氢酶提供了反应过程中所必需的活化能
C.过氧化氢酶分子在催化反应完成后立即被降解成氨基酸
D.利用H2O2溶液、FeCl3溶液、过氧化氢酶等材料，可以探究酶的高效性
参考答案
1.答案：C
解析：酶的作用机理是降低化学反应的活化能，由于与无机催化剂相比，酶降低化学反应活化能的效果更显著，因此酶具有极强的催化作用。故选：C。
2.答案：C
3.答案：B
解析：由题意“取适量该酶溶液置于pH为4.5的缓冲液中15min，酶活性丧失50%；再取等量该酶溶液，加入过量的蔗糖后置于pH为4.5的缓冲液中15min，酶活性仅丧失3%”可知，该实验的自变量是底物，因变量是酶活性，反应时间、酶浓度及量、蔗糖的浓度及量、pH为4.5的缓冲液等属于无关变量，B正确，ACD错误。
故选B。
4.答案：B
解析：A、酶和无机催化剂都能降低化学反应的活化能，提高化学反应速率，A正确;B、淀粉被淀粉酶分解成还原糖后加碘液不变蓝，而蔗糖不分解时加碘液也不变蓝色，所以不能用碘液来验证酶的专一性，B错误;C、可利用过氧化氢和过氧化氢酶反应探究pH对酶活性的影响，C正确;D、同一株植物体的不同组织细胞中合成的酶也可能是相同的，例如有氧呼吸作用所需的酶，D正确。
5.答案：C
解析：
6.答案：D
解析：A、蔗糖是由葡萄糖和果糖两种单糖脱水缩合形成的，所以水解的产物是葡萄糖和果糖，A正确；
B、本实验没有对照组，都是实验组，各个实验组相互对照，因此属于对比实验，B正确；
C、应将酶溶液与底物溶液先分别保温再混合，避免混合时出现温度误差导致实验结果不准确，C正确；
D、用斐林试剂检测葡萄糖和果糖时，常需要水浴加热，而本实验中温度是自变量，因此不能用斐林试剂检测反应生成物的含量，D错误。
故选D。
7.答案：D
解析：分析①②组变量可知，pH均为9，都添加了CaCl2，温度分别为90℃、70℃，故自变量为温度，A正确；组别③没有添加CaCl2，降解率为0，说明该酶的催化活性依赖于CaCl2，B正确；该实验的反应物为胶原蛋白，要确定该酶能否水解其他反应物还需补充实验才能确定，C正确；②组酶的活性最高，此时pH为9，温度为70℃，但由于分组较少，不能确定其最适温度和最适pH，D错误。
8.答案：C
解析：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，大多数是蛋白质，少数是RNA，胃蛋白酶的化学本质是蛋白质，C正确，ABD错误。
9.答案：D
解析：A、与无机催化剂相比，酶降低反应活化能的作用更明显，因此与无机催化剂相比，酶的催化效率高得多，即酶的高效性是相对于无机催化剂而言的，A正确；
B、淀粉酶催化反应的最适温度在37℃左右，应在低温下进行保存，即适合淀粉酶催化反应和保存的温度不相同，B正确；
C、胃蛋白酶能催化某些化学反应，是这些反应的催化剂，胃蛋白酶被分解时它又作为该反应的反应物，C正确；
D、蛋白酶可以水解种类繁多的蛋白质，说明酶可以水解一类化学反应，体现了酶的专一性，D错误。
故选D。
10.答案：D
解析：A、比较肝脏研磨液和FeCl3溶液的催化效率时，用同一支滴管滴加肝脏研磨液和FcCl3溶液，会引起滴加的量不同，进而影响实验结果，A错误； B、过氧化氢酶降低反应过程中所需的活化能，B错误；
C、过氧化氢酶分子在催化反应完成后结构不变，C错误;
D、要证明酶具有高效性，应该与无机催化剂比较，利用H2O2溶液、FCl3溶液、过氧化氢酶等材料，可以探究酶的高效性，D正确。
故选D。

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