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第五章 细胞的能量供应和利用
5.1 降低化学反应活化能的酶
思考： 1773年，意大利科学家斯帕兰礼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。
讨论：
1、这个实验要解决的问题是什么？将肉块放入金属笼内的目的是什么？
2、是什么物质使肉块消失了？
3、怎么证明你的猜测
鹰的胃里是否只有物理性消化，而没有化学性消化。排除鹰胃对肉块物理性消化
化学物质将其分解
收集胃里的物质，看看体外是否也能将肉块进行分解。
合成蛋白质
核糖体： 氨基酸 多肽
酶
脱水缩合
细胞代谢指细胞中每时每刻都进行着许多化学反应的统称。
（多糖的合成、蛋白质的合成等）
细胞内有机化学反应 反应缓慢、反应过程复杂、对反应条件要求高。这时候就需要酶的参与。为什么细胞代谢离不开酶呢？
2H2O2
2H2O + O2↑
讨论1：过氧化氢在体外分解需要什么条件？
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，会加速人体衰老。
加热 加催化剂（如FeCl3)
讨论2：细胞内的过氧化氢又是怎样被快速分解的呢？
一、酶的作用和本质
实验：比较在过氧化氢不同条件下的分解
实验原理
2 H2O2 2 H2O + O2↑
实验目的：
通过比较过氧化氢在不同条件下分解的快慢，了解酶的作用。
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
不同条件
实验材料：
新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液
新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液
质量分数为3.5%的FeCl3溶液。
经计算，质量分数为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。
H2O2
H2O + O2
新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
讨论3：如何判断过氧化氢被分解的快慢？
观察单位时间内产生气泡的多少
观察带火星的卫生香的复燃情况
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
3号
4号
1号
2号
不明显
少量
较多
大量
观察产生气泡的多少
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
变亮
复燃
观察卫生香的燃烧情况
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
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。
实验结论：酶和无机催化剂一样，都能催化化学反应，并且酶的催化效率远高于无机催化的催化效率。
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
分 组 编 号
2号
1号
3号
4号
常温
90℃水浴
2滴FeCl3溶液
2滴肝脏研磨液
不 同 处 理
H2O2溶液（3%）
2mL
2mL
2mL
2mL
气泡产生
不明显
少量
较多
大量
卫生香
复燃
变亮
复燃
①对照原则
② 确定观察指标
③单一变量原则
讨论：通过刚才的探究实验，同学们有没有发现生物学实验设计中特别需要注意的一些因素呢？
自变量：
因变量：
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可变因素
随着自变量的变化而变化的变量
人为改变的变量
变量：
实验中可以变化的因素
控制 ——例如（不同条件X）
单一变量原则：实验设计时只有一个自变量，且无关变量在对照组和实验组中均要保持相同且适宜
检测——例如（结果Y）
相同且适宜
实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
分 组 编 号
2号
1号
3号
4号
常温
90℃水浴
2滴FeCl3溶液
2滴肝脏研磨液
不 同 处 理
H2O2溶液（3%）
2mL
2mL
2mL
2mL
气泡产生
不明显
少量
较多
大量
卫生香
复燃
变亮
复燃
无关变量
自变量
因变量
因变量
对照实验：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。
讨论4：通过刚才的探究实验，同学们有没有发现生物学实验设计中特别需要注意的一些因素呢？
对照组
实验组
空白对照
自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
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。
科学方法：（新教材P一78）控制变量
活化能：
分子从_____转变为_________________的活跃状态所需要的能量。
常态
容易发生化学反应
一、酶的作用和本质
酶的作用机理
常态
终态
活跃状态
活化能
酶并未供给过氧化氢能量，只是降低了过氧化氢分解反应的活化能。
同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更明显，因而催化效率更高。
酶的作用机理
An enzyme that reduces the activation energy of chemical reactions
降低化学反应活化能的酶
活化能
加热
Fe3+
H2O2酶
为过氧化氢分子提供能量
降低化学反应的活化能
显著降低化学反应的活化能
An enzyme that reduces the activation energy of chemical reactions
降低化学反应活化能的酶
b
a
c
d
反应过程
能量
初态
（反应物）
终态
（产物）
活跃状态
①
②
③
ac______________________________________。
②
①
酶降低的活化能
无催化剂条件下，反应所
需要的活化能
无催化剂
无机催化剂
③
酶
ab 。
无机催化时，反应的活化能
bc 。
随堂练习
In-class practice
发酵与死细胞中的物质有关
发酵与活细胞有关，发酵是整个细胞而不是细胞中某些物质起作用
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
发酵是纯化学反应，与生命活动无关
巴斯德
李比希
毕希纳
VS
切赫和奥尔特曼
其他科学家
萨姆纳
酶的本质
催化作用
酶是 产生的具有 的 的 ，其中绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。
活细胞
有机物
酶的本质
酶的来源
酶的作用
酶的本质
合成场所
合成原料
氨基酸或核糖核苷酸
活细胞产生
催化作用
大多数是蛋白质，少数是RNA
有的在核糖体，有的在细胞核或拟核
习题巩固
1.巴斯德和李比希的观点各有什么积极意义？各有什么局限性？
都认为发酵与酵母菌有关；巴斯德局限于与整个活细胞有关，李比希局限于细胞裂解后才发挥作用。
2.巴斯德和李比希争论的原因是什么？对研究酶的本质起到什么作用？
争论的原因是只提出观点，未进行实验验证；促使后来的科学家用实验去验证，结束争论。
3.从毕希纳的实验可以得出什么结论？
是酵母细胞的产物引起发酵。
4.萨姆纳取得成功靠的是什么样的精神品质？
尝试不同的方法，持之以恒的努力。
习题检测
1.酶对细胞代谢起着非常重要的作用，可以降低化学反应的活化能。下列关于酶的作用特点及本质的叙述，正确的是（ ）
A.酶不能脱离生物体起作用
B.酶只有释放到细胞外才起作用
C.所有的酶都是蛋白质
D.酶是具有催化作用的有机物
D
习题检测
2.酶和无机催化剂都能催化化学反应。与无机催化剂相比，酶具有的特点是( )
A.能为反应物提供能量
B.能降低化学反应的活化能
C.能在温和条件下催化化学反应
D.催化化学反应更高效
D
习题检测
3.在本节“探究·实践”中，有同学在原有实验的基础上增加了5号和6号试管，向其中分别加入2mL过氧化氢溶液后，再向5号试管内加入2滴煮沸过的肝脏研磨液，向6号试管内加入2滴蒸馏水。这样做的目的是:
本小节“探究·实践”涉及的自变量并非只有一个，而是包括温度和催化剂两个变量，1号试管中仅放置了过氧化氢溶液，可以起到对照作用。2号试管与1号试管的区别在于温度，3号试管和4号试管与1号试管的区别在于比1号试管多了催化剂。3号试管与4号试管之间也可以起相互对照作用。加入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，加入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。
二、酶的特性
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：
（1）保证了细胞内化学反应的顺利进行。
（2）保证了细胞内能量供应的稳定 。
（一）高效性
酶高效性的曲线分析
时间
产物浓度
A、加酶
B、加无机催化剂
C、不加催化剂
酶具有催化剂的特点：
①反应前后性质、数量不变；
②能改变反应速率→降低化学反应活化能；
③缩短达到平衡的时间，不改变平衡点（即产物的总量不变）
A、B曲线比较，说明酶具有________
A、C曲线比较，说明酶具有________
高效性
催化作用
探究 淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
淀粉和蔗糖都是非还原糖。
淀粉和蔗糖在酶的作用下都能水解成还原糖。
通过斐林试剂鉴定溶液中是否有还原糖，就可以看出淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。
1. 实验原理
二、酶的特性
（二）专一性
探究 淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
1.实验的自变量、因变量以及无关变量分别是什么？
2. 实验设计
试管 编号 淀粉 溶液 蔗糖 溶液 淀粉酶
溶液
1 2 mL 2 mL
2 2 mL 2 mL
斐林试剂 反应
条件
2 mL 沸水浴
1 min
2 mL 2.在已知淀粉酶能够催化淀粉水解的情况下，本实验设置1号试管还有没有必要 ？
产物鉴定
3.该实验能否用碘液进行鉴定？
不能，碘液无法鉴定蔗糖是否发生水解，反应前后均不变蓝。
方案一：酶相同，底物不同
探究 淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
3. 实验结果
4. 实验结论
淀粉酶只能催化淀粉水解，而不能催化蔗糖水解！
方案二：底物相同，酶不同
试管 编号 淀粉 溶液 蔗糖酶 溶液 淀粉酶
溶液
1 2 mL 2 mL
2 2 mL 2 mL
探究 淀粉酶和蔗糖酶对淀粉的水解作用
斐林试剂 反应
条件
2 mL 沸水浴
1 min
2 mL
产物鉴定
该实验能否用碘液进行鉴定？
能
底物
（反应物）
酶
产物
（生成物）
酶
酶
1.酶具有专一性的模型：锁钥模型
二 酶具有专一性
2.每一种酶只能催化_________________化学反应
如：脲酶——只能催化____________分解。
过氧化氢酶——只能催化___________________分解。
二肽酶——可以催化所有的____________分解。
保证了细胞代谢能够有条不紊地进行。
一种或一类
尿素
过氧化氢
二肽
3.酶具有专一性的意义：
二 酶具有专一性
三 酶的作用条件较温和
探究影响酶活性的条件
酶活性: 酶催化特定化学反应的能力。
可用在一定条件下催化某一化学反应的速率表示。
思路:
设置条件对照
1 底物 + 条件1 + 酶
2 底物 + 条件2 + 酶
3 底物 + 条件3 + 酶
…………
一段时间后
检测
底物的减少量
或
产物的生成量
许多无机催化剂能在高温、高压、强酸或强碱条件下，催化化学反应，酶起催化作用需要怎样的条件？
实验1：探究温度对酶活性的影响
【思考】1、能否用H2O2和H2O2酶（猪肝研磨液）探究温度对酶活性的影响？
H2O2本身受热易分解，会对实验结果造成干扰。
3、该实验的原理是？
2、能否用斐林试剂检验是否有还原糖的出现？
不能，使用斐林试剂检验时需要水浴加热，会影响实验结果。
1试管 2试管 3试管 4试管 5试管 6试管
加淀粉 2ml — 2ml — （ ） —
加淀粉酶 — （ ） — 2ml — 2ml
保温 混合 将2加入1中 将4加入3中 保温 0℃冰水保温5min 60℃水浴保温5min 100℃水浴保温5min 加碘液 2滴 2滴 2滴 观察颜色 结论 0℃冰水保温5min
60℃水浴保温5min
100℃水浴保温5min
2ml
2ml
变蓝
变蓝
不变蓝
温度对酶的活性有影响，温度过高或过低都会降低酶的活性
探究温度对酶活性的影响（用淀粉酶）
将6加入5中
自变量
因变量
无关
变量
【思考】
4.为什么要先将底物和酶控制到预设温度，再混合反应？
酶具有高效性，若酶和底物没有在对应温度混合，一混合就已发生反应，降低了实验的说服力。
5.如何进一步探究淀粉酶的最适温度？
缩小温度梯度（梯度要均匀），重复进行上述实验。
υ/mmol. s -1
o
t /
酶活性受温度影响示意图
A
B
C
动物体内酶 35~40℃
植物体内酶 40~50℃
人体内酶 37℃
唾液淀粉酶 37℃
商品淀粉酶 60℃ (从耐热细菌中提取)
①在最适温度时，酶的活性最高。
②温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活，不可恢复。
③在0℃左右时，酶的活性很低，但酶的空间结构稳定，在适宜的温度下酶的活性会升高。
酶制剂适宜在低温下保存。
三、酶的作用条件较温和
【思考】1、能否用淀粉和淀粉酶探究PH对酶活性的影响？
（1）淀粉遇酸水解
（2）碘液在碱性环境下不显色
（3）斐林试剂会与盐酸发生中和反应
2、该实验的原理是？
实验2：探究pH对酶活性的影响
2H2O2 2H2O + O2
反应条件
实验 步骤 一 取三支试管，编号1、2、3。 二 1号试管中加入 _____________ 。 2号试管中加入等量 __________________。 3号试管中加入等量 _________________。
三 三支试管都加入 ______________________ 四 三支试管都加入 ，振荡，反应 实验现象
实验结论 2滴NaOH
2 mLH2O2溶液
产生少量气泡
产生少量气泡
酶的催化作用需要适宜的pH,pH偏高或偏低都会影响酶的活性
2滴新鲜肝脏研磨液
稀盐酸
清水
产生大量气泡
实验2：探究pH对酶活性的影响（用H2O2酶）
自变量
因变量
无关
变量
酶的名称 最适pH
动物体内酶 6.5-8.0
植物体内酶 4.5-6.5
胰蛋白酶 8.0-9.0
胃蛋白酶 1.5-2.2
①在最适pH下，酶的活性最高。
②pH偏高或偏低，酶活性都会明显降低。
③过酸、过碱，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活，不可恢复。
酶的活性受pH的影响
A
B
C
三、酶的作用条件较温和
与社会的联系
高效性
常温压下就可以进行
20世纪60年代以前，医院里用的葡萄糖是用盐酸催化淀粉水解的方法来生产的，生产过程要在245kPa的高压和140-150℃的高温下进行，并且需要耐酸的设备。60年代以后改用酶法生产，想一想，用酶来水解淀粉生产葡萄糖有什么优越性？有哪些产品可以用酶法生产？
影响酶促反应的因素有哪些？
①图甲中，温度从a降低或升高，酶促反应速率 ，下降的原因分别是 。
②图乙中，pH从b降低或升高，酶促反应速率 ，下降的原因是 。
③图丙中，底物浓度为c时，酶促反应速率 ，不再增长的原因是 。
④图丁中， 时， 。
均下降
低温抑制了酶活性，高温使酶的空间结构发生改变
酶的空间结构发生改变
最大
酶的数量有限，已达到饱和
底物充足
酶促反应速率和酶浓度成正比
均下降
(1)不同因素影响酶促反应的速率的本质不同。
(2)酶催化反应时,最适温度和最适pH不会相互影响。
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
科学·技术·社会：酶为生活添姿彩
练习与应用
1.提示: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。这个模型可以类比解释酶的专一性
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？
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。
(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。
(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。
(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℃，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。变化后的曲线如图所示：
(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，这时加入少量的酶，会使反应速率加快。变化后的曲线如图所示：
总结

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