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主讲老师：
§5-1 降低化学反应活化能的酶
高中生物必修一
为什么要将肉块放在金属笼内？
是什么物质使肉块消失了？
怎样才能证明你的推测？
1773年，意大利科学家斯帕兰礼尼（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
是胃内的化学物质将肉块分解了。
便于取出实验材料（肉块），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。
问题探讨
提示：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。
斯帕兰礼尼在研究鹰的消化作用
胃蛋白酶的发现
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。然而这种物质是什么，他始终未能得出结论。
后来，科学家发现胃液中含有大量的盐酸，于是推测盐酸是使食物分解的物质。
1835年，德国科学家施旺通过实验发现，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。
随着对细胞研究的不断深入，人们认识到，细胞的生活需要物质和能量。能量的释放、储存和利用，都必须通过化学反应来实现。
细胞代谢
含义
细胞中进行的化学反应，统称为细胞代谢。
意义
细胞代谢是细胞生命活动的基础，细胞生活需要的物质和能量以及能量的释放、储存和利用，都必须通过化学反应（代谢）来实现。
条件
细胞代谢离不开酶。
酶的作用
H2O2
(有害物质)
H2O
O2
H2O2酶
代谢产生
含有
危害
细胞
以过氧化氢在不同条件下的分解为例，探究酶的作用。
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验原理
新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶。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。
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。
材料用具
实验材料：新鲜的质量分数为20%的肝脏（如猪肝、鸡肝）研磨液。
实验器材：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。
实验药品：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。
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
方法步骤
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验现象
气泡数量最少
卫生香燃烧
卫生香
燃烧猛烈
气泡数量较少
气泡数量较多
气泡数量最多
气泡数量
卫生香燃烧
讨论
与1号试管相比，2号试管放出的气泡多。这一现象说明了什么？
这一现象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的分解，提高反应速率呢？
思考
Thinking
酶的作用
反应过程
能量
没有催化剂
酶降低化学反应活化能示意图
活跃状态
常态
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。
酶的作用
加热使过氧化氢分子得到了能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。
如果把化学反应比做驾车翻越一座高山，“加热”相当于给汽车加大油门。
讨论
在细胞内，能通过加热来提高反应速率吗？
不能
3号与4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明了什么？
说明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。
酶的作用
反应过程
能量
没有催化剂
有无机
催化剂催化
有酶催化
酶使活化能降低
酶降低化学反应活化能示意图
活跃状态
常态
活化能
Fe3+和过氧化氢酶没有给过氧化氢提供能量，而是降低了分解反应的活化能。
细胞代谢
如果把化学反应比做驾车翻越一座高山，“加热”相当于给汽车加大油门。用催化剂则相当于帮司机找到穿山的隧道。
讨论
3号试管与4号试管相比，哪支试管反应速率快？这说明什么？为什么说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要？
4号试管的反应速率比3号试管快得多。
说明过氧化氢酶比Fe3+的催化效率高得多。
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。
【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解
实验结论
1号和2号试管对比（温度的改变），说明加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。
1号和3号、1号和4号对比（是否有催化剂），说明酶具有催化作用。
3号和4号相比，酶比无机催化剂的催化效率高很多。
酶的作用
使细胞代谢在温和条件下快速有序地进行。
酶的催化作用对于细胞代谢有什么意义呢？
思考
Thinking
【科学方法】控制变量和设计对照实验
控制变量
变量的定义：实验过程中变化的因素，称为变量。
变量的种类：
自变量：
含义：人为控制的对实验对象进行处理的因素叫作自变量。
举例：该实验的自变量是实验条件的改变，如水浴加热、加FeCl3、加肝脏研磨液。
因变量：
含义：因自变量改变而变化的变量叫作因变量。
举例：因变量是不同条件下H2O2分解的速度，检测方法是观察气泡的数量和卫生香燃烧情况。
无关变量：
含义：除自变量外，实验过程中还存在一些对实验结果造成影响的可变因素，叫作无关变量。
举例：该实验中使用的肝脏要新鲜、滴管不能混用等。
【科学方法】控制变量和设计对照实验
对照实验
定义：除作为自变量的因素外，其余因素（无关变量）都保持一致，并将结果进行比较的实验叫作对照实验。
实验组和对照组：
含义：对照实验一般要设置对照组和实验组。
举例：该实验的1号试管是对照组，2、3、4号试管是实验组。
空白对照：对照组未作任何处理，这样的对照组叫作空白对照。
酶的作用
酶
结合位点
底物(蔗糖)
酶的作用原理
酶变形。
酶与底物结合形成酶——底物复合物。
蔗糖的化学键被水解。
以蔗糖的水解为例：
酶的作用
酶的作用原理
酶变形。
酶与底物结合形成酶——底物复合物。
蔗糖的化学键被水解。
生成一分子的葡萄糖和一分子的果糖。
酶复原，重复同样的反应。
以蔗糖的水解为例：
产物
(葡萄糖)
产物
(果糖)
酶的本质
酶到底是什么物质呢？
我国早在4000多年前的夏禹时代，就掌握了酿酒技术，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。
发酵过程的研究
19世纪
1857年
认为酿酒是让糖类发酵变成酒精和CO2，这是一个纯化学过程
巴斯德：发酵需活酵母细胞参与
探索历程
李比希：引起发酵的是酵母细胞中的某些物质在细胞死亡后释放出来起作用。
争论
毕希纳
从细胞中获得了含有酶的提取液，称作酿酶。
推测
推测
萨姆纳
科学家推测酶是蛋白质。
获得脲酶，证明是蛋白质。
结论：
酶是有机物，大多数酶是蛋白质。
20世纪
80年代
切赫和奥特曼发现：
少数RNA也具有生物催化功能。
证明
其它
科学家
获得胃、胰蛋白等酶结晶，证明是蛋白质。
补充完善
讨论
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？
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？
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。
讨论
从毕希纳的实验可以得出什么结论？
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？
请给酶下一个比较完整的定义。
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。
酶的定义
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物。
作用
产生
化学本质
思考
Thinking
酶的催化作用与无机催化剂有什么不同呢？
酶的特性
酶具有高效性
含义：酶的催化效率是无机催化剂的107～1013倍。
证明： “【探究·实践】比较过氧化氢在不同条件下的分解”：
3号和4号相比，酶比无机催化剂的催化效率高很多。
意义：生物体内的化学反应高效进行。
酶的特性
思考
Thinking
无机催化剂催化的化学反应范围比较广，酶能像无机催化剂一样，催化多种化学反应吗？
【探究·实践】淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
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。在淀粉溶液和蔗糖溶液中分别加入淀粉酶，再用斐林试剂鉴定溶液中有无还原糖，就可以看出淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。
目的要求
探究淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。
材料用具
实验药品：质量分数为2%的新配制的淀粉酶溶液。质量分数为3%的可溶性淀粉溶液，质量分数为3%的蔗糖溶液，斐林试剂，热水。
实验器材：试管，大烧杯，量筒，滴管，温度计，试管夹，三脚架，石棉网，酒精灯，火柴。
【探究·实践】淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
方法步骤和现象
【探究·实践】淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用
实验结论
淀粉酶能够催化淀粉水解，而对蔗糖没有催化作用。因此，淀粉酶只能催化特定的化学反应。这说明：
酶的催化作用具有专一性
酶的特性
酶具有专一性
含义：
每一种酶只能催化一种或一类化学反应。
意义：
使细胞代谢有条不紊地进行。
原理：
如下图。
酶的特性
思考
Thinking
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呢？
酶的特性
酶活性
定义：
酶催化特定化学反应的能力称为酶活性。
表示方法：
可用在一定条件下酶所催化某一化学反应的速率表示。
思考
Thinking
若细胞生活的环境条件发生改变，酶活性会怎样变化呢？
【探究·实践】影响酶活性的条件
在初中做消化酶实验时，需要控制温度等实验条件。
不同消化液的pH不一样。唾液的pH为6.2~7.4，胃液的pH为0.9~1.5，小肠液的pH为7.6。
唾液淀粉酶会随唾液流入胃，胃蛋白酶会随食糜进入小肠。
背景知识
在小组内交流每个人想探究的问题，讨论这些问题有没有探究价值，能不能通过探究找到答案。将问题用文字表述出来。如：
温度和对酶的活性是否有影响？
pH对酶的活性是否有影响？
提出问题
针对提出的问题作出假设，并说明作出假设的依据（提示：酶一般是蛋白质），将所作假设记录下来。
作出假设
【探究·实践】影响酶活性的条件
下面列出的材料用具供选用，你可以根据实验方案进行增减。
新配制的质量分数为2%的淀粉酶溶液，新鲜的质量分数为20%的肝脏（如猪肝、鸡肝）研磨液，缓冲液（能在加入少量酸或碱时抵抗pH改变的溶液）。
质量分数为3%的可溶性淀粉溶液，体积分数为3%的过氧化氢溶液。物质的量浓度为0.01molL的盐酸，物质的量浓度为0.01mol/L的NaOH溶液，热水，蒸馏水，冰块，碘液，斐林试剂。
试管，量筒，小烧杯，大烧杯，滴管，试管夹，酒精灯，三脚架，石棉网，温度计，pH试纸，火柴。
材料用具
建议用淀粉酶探究温度对酶活性的影响，用过氧化氢酶探究pH对酶活性的影响。你知道为什么吗？
【探究·实践】影响酶活性的条件
材料的选择：你选择哪一种酶作实验材料？为什么选择这种酶？
变量的设置：
本实验的自变量是什么？如何控制自变量？
如果探究温度对酶活性的影响，你将设定哪几个温度？怎样将溶液的不同温度分别调到设定的数值？怎样排除pH和其他因素对实验结果的干扰？
如果你想探究pH对酶活性的影响，你将设定哪几个pH数值？怎样将不同溶液的pH分别调到设定的数值？怎样排除温度和其他因素对实验结果的干扰？
本实验的因变量是什么？怎样观察或检测因变量？
对照组怎样设置？是否需要进行重复实验？
实验结果的观察：根据自己作出的假设，你预期会看到怎样的实验结果？比如酶活性升高或降低时，会出现什么实验现象？将预期的实验结果写下来。
经讨论，形成小组的实验方案。并列出材料用具清单，设计好记录实验数据的表格。
设计实验
【探究·实践】影响酶活性的条件
步骤 试管1 试管1’ 试管2 试管2’ 试管3 试管3’
1 2mL淀粉溶液 + + +
2mL淀粉酶溶液 + + +
2 分别保温5min 沸水浴 水浴60℃ 冰浴
3 混合 试管1’中的溶液与 试管1中的混合 试管2’中的溶液与 试管2中的混合 试管3’中的溶液与 试管3中的混合
4 分别保温2min 沸水浴 水浴60℃ 冰浴
5 检测观察 加入2滴碘液，观察颜色变化
《探究温度对酶活性的影响》实验方案
【探究·实践】影响酶活性的条件
按实验方案进行操作，仔细观察，认真记录
进行实验
哪支试管中酶的活性最高？你是怎样得出这一结论的？实验结果与你预期的结果一致吗？你做出的假设是否得到了证实？
实验结果
通过这个探究，你们小组得出怎样的结论？
实验结论
【探究·实践】影响酶活性的条件
【探究·实践】影响酶活性的条件
《探究pH对酶活性的影响》实验方案
步骤 试管1 试管2 试管3
第一步 加入2滴肝脏研磨液
第二步 1 mL pH=7的缓冲液 1 mL盐酸溶液 1 mL NaOH溶液
第三步 加入2 mL H2O2溶液
第四步 观察气泡生成速率，或插人卫生香、观察复燃所需时间
【探究·实践】影响酶活性的条件
按实验方案进行操作，仔细观察，认真记录
进行实验
哪支试管中酶的活性最高？你是怎样得出这一结论的？实验结果与你预期的结果一致吗？你做出的假设是否得到了证实？
实验结果
通过这个探究，你们小组得出怎样的结论？
实验结论
【探究·实践】影响酶活性的条件
【探究·实践】影响酶活性的条件
与其他小组交流探究的过程和结论，以及提出的新问题。
听取其他小组的质询，进行必要的答辩、反思和修改。
交流时应当注意具体情况具体分析，如不同酶的最适条件可能是不一样的。
表达交流
不同温度或pH条件下酶的活性差别有多大？感兴趣的话，建议你进行定量实验：用出现同一结果所需的时间来表示酶的活性，并根据实验数据绘制不同条件下酶活性的曲线图。
除温度和pH外，还有哪些条件影响酶的活性？感兴趣的同学，可以查找有关资料。
继续探究
酶的特性
酶的温和性
与无机催化剂相比，酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。
一般来说，动物体内的酶最适温度在35~40℃；植物体内的酶最适温度在40~50℃；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℃。
动物体内的酶最适pH大多在6.5~8.0，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.5；植物体内的酶最适pH大多为4.5~6.5。
相关信息
酶的特性
温度对酶活性的影响
影响：
在最适宜的温度条件下，酶的活性最高。
温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。
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。
图像：
如右图。
应用：
酶制剂适宜在低温下保存。
t/℃
(v/(mmol s 1)
O
酶的特性
pH对酶活性的影响
影响：
在最适宜的pH条件下，酶的活性最高。
pH偏高或偏低，酶活性都会明显降低。
过酸、过碱，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。
图像：
如右图。
pH
(v/(mmol s 1)
O

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