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第三章 细胞中能量的转换和利用
第1节 生命活动需要酶和能源物质
第1课时 生物催化剂酶
用舌头舔一下米饭或馒头能感觉到甜味吗？
如果放在口中细细咀嚼呢？
是什么原因让我们感觉到了甜味？
淀粉在唾液淀粉酶的作用下，分解成了麦芽糖。
观察生活中的生物学现象，进行思考并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素（如pH和温度）的影响。
1.酶的功能与特性是由其独特的空间结构决定的。（生命观念）
2.通过分析与综合，总结酶的作用机理及特性。（科学思维）
3.学会设计对照实验，证明酶的作用、探究酶的特性。（科学探究）
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
1．科学家对酶本质的探索历程
一、酶的本质
分析资料，总结各位科学家在“酶的本质”的探索过程中做出了哪些贡献？
思考讨论：
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？
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？
通过阅读并分析教材中的资料，提出问题，体现了科学探究的核心素养。
毕希纳实验
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？
通过阅读并分析教材中的资料，提出问题，体现了科学探究的核心素养。
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
巴斯德之前
巴斯德
李比希
毕希纳
萨姆纳
少数RNA也具有催化功能
能催化生化反应的酶绝大多数是蛋白质，少数RNA也具有生物催化功能。
2．酶的本质
化学本质 绝大多数是蛋白质 少数是RNA
合成原料 氨基酸 核糖核苷酸
合成场所 核糖体 细胞核(主要)
来源 一般活细胞中均能产生
生理功能 在细胞内外均具有生物催化功能
【归纳提升】
对酶进行归纳提升，体现了科学思维的核心素养。
思考：酶被分解的产物是什么？
怎样设计实验证明酶的本质？
针对特定的生物学现象，进行观察、提问并提出如何进行实验设计，体现了科学探究的核心素养。
哺乳动物成熟的红细胞和其他体细胞在结构和功能上有明显不同。
(1)该细胞不能产生酶，原因是什么？
(2)该细胞是否含有酶？请说出判断依据。
提示：(1)该细胞没有细胞核和核糖体等细胞器。
(2)含有。哺乳动物成熟红细胞可以进行细胞代谢 ，细胞中的生化反应需要酶的催化。
对红细胞和体细胞进行观察分析并提出问题，体现了科学探究的核心素养。
【例1】下列有关酶的叙述，正确的是(　　)
A．酶的数量因参与化学反应而减少
B．绝大多数酶的合成与核糖体有关
C．同一生物体内的各种酶的催化反应条件都相同
D．活细胞都能产生酶，酶在细胞内才起催化作用
B
酶作为催化剂，反应前后数量及性质均不发生改变，A错误；绝大多数酶是蛋白质，故其合成与核糖体有关，B正确；同一生物体内的各种酶所需要的最适温度相同，但最适pH可能不同，如人体内的唾液淀粉酶和胃蛋白酶，C错误；酶是活细胞产生的，但酶在细胞内、外均可起催化作用，D错误。
二、酶在细胞代谢中的作用
细胞代谢物的场所：细胞内
细胞代谢的概念：细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。需要酶的催化。
1．酶促反应：由__催化的化学反应称为酶促反应。
2．酶催化作用的实质：____________________。
3．活化能：在一定____下，分子从____转变为容易发生化学反应的______所需的____称为活化能。
酶
降低化学反应的活化能
温度
基态
过渡态
能量
4．活化分子
(1)含义：处于______的分子称为活化分子。
(2)使活化分子增多一般有两种途径
①不使用______，通过____或____等方法，使一部分分子________而成为活化分子。
②使用______降低生化反应所需的______，活化能越__，活化分子就越__。
5．酶能降低生化反应所需的______，使生化反应在____能量水平上进行，从而____生化反应。
过渡态
催化剂
加热
光照
获得能量
催化剂
活化能
低
多
活化能
较低
加快
为什么在酶的催化作用下,过氧化氢的分解速度加快了呢？
通过对比，产生疑问，体现了科学探究的核心素养。
酶作用机制：同无机催化相比，酶能更显著地降低化学反应的活化能，催化效率更高。
1.图中ac和bc段分别表示无催化剂催化和有酶催化时反应进行所需要的活化能。
2.若将酶变为无机催化剂，则b在纵轴上向上移动。用加热的方法不能降低活化能，但会提供活化能。
【易错提醒】
1.酶作为催化剂，降低了化学反应的活化能，本身并不被消耗，并不为化学反应提供能量，不改变化学反应的方向和生成物的量。
2.用加热的方法不能降低化学反应的活化能，但可以增加反应物分子的内能，从而增加活化分子数。
对酶的易错点进行归纳与概括，体现了科学思维的核心素养。
【例2】下图中,①表示有酶催化的反应曲线,②表示没有酶催化的反应曲线,E表示酶降低的活化能。下列图解正确的是(　　)
C
酶能够降低反应的活化能,因此有酶催化时所需能量较无酶催化时要少,二者的差值表示酶降低的活化能。
1．在____的条件下，酶有很高的________，能使生物体内的化学反应快速进行，即酶的催化作用具有______。
2．一种酶只能催化____或____生化反应，这是酶催化作用的______。
3．酶的催化作用通常是在____、____下进行的。酶是由______产生的，一般在细胞______均具有催化活性。
适宜
催化效率
高效性
一种
一类
专一性
常温
常压
活细胞
内、外
三、酶的特性
4．酶活性
(1)含义：酶催化生化反应的能力。
(2)衡量指标：酶催化生化反应的速率。
(3)酶催化生化反应的速率的影响因素：
①反应体系中的______和________等。
②多种环境因素如____、____等。
酶浓度
底物浓度
温度
pH
③环境中pH对酶活性的影响
a．酶的适宜pH一般在______之间。
b．酶活性______的pH称为酶的最适pH。
c．在____或____的条件下，酶活性一般会明显降低，甚至会________。
6～8
最大时
过酸
过碱
变性失活
④环境中温度对酶活性的影响
a．在一定的__________，酶活性随着温度的升高而____，超过一定温度后，酶活性________。
b．酶活性最高时的温度称为酶的________。
c．适当升高温度，能____生化反应速率，但温度过高会使酶________，从而____生化反应速率。
d．适当降低温度，可以____酶活性，____生化反应速率，但一般____使酶失活。
温度范围内
上升
反而下降
最适温度
加快
变性失活
降低
抑制
降低
不会
1.实验原理：不同条件，会影响过氧化氢酶分解为水和氧气的速率。
2.实验结论：实验中的不同条件都能加快过氧化氢的分解，与无机催化剂相比，酶的催化效率要高得多。
步骤 试管编号 说明
1 2 3 4
一 H2O2 浓度
剂量
二
剂量
结果 气泡产生
卫生香燃烧
结论
比较过氧化氢在不同条件下的分解
2mL
2mL
2mL
2mL
3%
3%
3%
3%
常温
90℃
FeCl3
肝脏研磨液
2滴清水
2滴清水
2滴
2滴
不明显
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
反应条件
自变量
因变量
无关变量
y=k·x
变量
对照组
实验组
对照实验
思考讨论：
1、与1号试管相比，2号试管出现什么不同现象？这一现象说明什么？
2、在细胞内，能通过加热来提高反应速率吗？
提示：2号试管放出的气泡多。这一现象说明加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。
提示：不能
3、3号和4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明什么？
提示：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。
通过观察实验，根据实验现象，提出问题，体现了科学探究的核心素养。
4、3号和4号试管相比，哪支试管反应速率快？ 这说明什么？
提示：4号试管的反应速率比3号试管快得多。　　　
提示：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。
5、为什么说酶对于细胞反应的顺利进行至关重要？
说明过氧化氢酶比Fe3+的催化效率高得多。
实验讨论：
通过观察实验，根据实验现象，提出问题，体现了科学探究的核心素养。
【归纳提升】
1.实验中的相关变量
自变量 因变量 无关变量
1号：加入一定量蒸馏水 用单位时间内产生气泡数量的多少及带火星木条燃烧情况表示H2O2分解速率 H2O2溶液的浓度和体积；酵母菌液和FeCl3溶液的浓度和体积；酵母菌液的新鲜程度；环境中的温度、pH等
2号：加入等量质量分数为5%的FeCl3溶液
3号：加入等量新鲜的酵母菌液
2.对照实验
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）。
3.实验分析
1、3号试管对照，可以说明酶具有催化作用。其中1号为空白对照组，3号为实验组。
1、2、3号试管对照，可以说明酶的催化作用具有高效性。其中1号为空白对照组，2号为条件对照组，3号为实验组。
【例3】下图中的新鲜土豆片与H2O2接触后，产生的现象及推测错误的是(　)
A．若有气体大量产生，可推测新鲜土豆片中含有过氧化氢酶
B．若增加新鲜土豆片的数量，量筒中产生气体的速率可能会加快
C．一段时间后气体量不再增加是因为土豆片的数量有限
D．为保证实验的严谨性，需要控制温度等无关变量
C
土豆片中含有过氧化氢酶，促使H2O2大量分解产生O2，增加新鲜土豆片的数量，H2O2酶的数量增加，会使H2O2分解加快，气体产生速度加快，A、B正确。一段时间后气体量不再增加的原因最有可能是底物H2O2消耗殆尽，C错误；酶的活性受温度影响较大，为保证实验的严谨性需要控制温度等无关变量，D正确。
酶的相关曲线分析
1．酶催化作用的高效性
(1)曲线：
加入酶、无机催化剂和不加催化剂时，化学反应达到平衡点时所需时间不同。
(2)要素解读：
①催化剂可加快化学反应速率，与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。
②酶只能缩短达到化学平衡所需的时间，不改变化学反应的平衡点。
【思维拓展】
2．酶催化作用的专一性
(1)曲线：
分别向蔗糖溶液和麦芽糖溶液中加入麦芽糖酶，底物剩余量不同。
(2)要素解读：
①加入麦芽糖酶，蔗糖剩余量不变，而麦芽糖剩余量减少。
②麦芽糖酶不能催化蔗糖水解，可以催化麦芽糖水解。
3．底物浓度影响酶促反应速率
(1)曲线：
(2)要素解读：
①底物浓度较低时，酶促反应速率与底物浓度成正比，即随底物浓度的增加而增加。
②当底物浓度达到一定值后，再增加底物浓度，酶促反应速率不再增加。
4．酶浓度影响酶促反应速率
(1)曲线：
(2)要素解读：
在有足够底物而又不受其他因素影响的情况下，酶促反应速率与酶浓度成正比。
5．温度和pH共同作用对酶活性的影响
(1)曲线：
(2)要素解读：
①反应溶液中pH的变化不影响酶作用的最适温度。
②反应溶液中温度的变化不影响酶作用的最适pH。
酶浓度和底物浓度对反应速率的影响和温度、pH对反应速率的影响，本质上有什么不同？
提示：温度、pH通过影响酶活性影响反应速率；酶浓度、底物浓度通过影响酶与底物的接触面积影响酶促反应速率。
酶曲线的分析方法
(1)明确横、纵坐标表示的变量。横、纵坐标不同，曲线表示的意义不同。
(2)理解曲线所表示的意义。横坐标是自变量，纵坐标是因变量，曲线表示因变量随自变量的变化而变化。
(3)图中出现多个自变量时，要分析图中某一自变量对因变量的影响，应首先确定其他自变量为一定值。
【归纳提升】
对酶曲线进行归纳提升，体现了科学思维的核心素养。
【例4】如图表示在不同条件下，酶催化反应情况。以下有关叙述不正确的是(　　)
A．图①能用来表示反应物浓度与反应时间的关系
B．图①能用来表示酶活性与pH的关系
C．与实线相比，图②中的虚线能表示酶量增加，其他条件不变时，生成物量与反应时间的关系
D．若图②中的实线表示Fe3＋对H2O2分解的催化效率，则虚线可表示过氧化氢酶的催化效率
随着反应时间的延长，反应物剩余量降低，A正确；由pH对酶活性的影响可知，B错误；酶量增加后，反应达到平衡所需时间减少，C正确；与无机催化剂相比，酶具有高效性，D正确。
B
酶
发现
作用
本质
蛋白质或RNA
催化作用：降低化学反应的活化能
高效性、专一性、作用条件温和（实验验证）
特性
酶的探究历程
曲线分析
1.(2024·河北高考)下列关于酶的叙述,正确的是 (　　)
A.作为生物催化剂,酶作用的反应物都是有机物
B.胃蛋白酶应在酸性、37 ℃条件下保存
C.醋酸杆菌中与发酵产酸相关的酶,分布于其线粒体内膜上
D.从成年牛、羊等草食类动物的肠道内容物中可获得纤维素酶
D
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,但其作用的反应物不一定是有机物,如过氧化氢酶作用的反应物过氧化氢是无机物,A错误;胃蛋白酶应在酸性、低温(此条件下酶空间结构稳定)条件下保存,B错误;醋酸杆菌是细菌,无线粒体结构,C错误;成年牛、羊等草食类动物肠道中存在可分解纤维素的微生物,故从其肠道内容物中可获得纤维素酶,D正确。
2.下图为H2O2在不同条件下分解的曲线图，图中①②③④表示的条件分别是(　　)
A.H2O2酶催化　FeCl3催化　加热　自然条件
B.加热　自然条件　H2O2酶催化　FeCl3催化
C.加热　FeCl3催化　自然条件　H2O2酶催化
D.自然条件　加热　FeCl3催化　H2O2酶催化
D
由乙图曲线①②③④可以看出④的反应速率快于①②③，活化能比较低，故④可能是加入的H2O2酶催化、①表示在自然条件下的反应过程；②和③比较，③的活化能比②低，故③为加入了无机催化剂，②为较高温度下。故④自然条件、③加热、②FeCl3催化、①H2O2酶催化，D符合题意。
3.甲、乙两种酶用同一种蛋白酶处理，酶活性与处理时间的关系如图所示。下列分析错误的是(　　)
A．甲酶能够抵抗该种蛋白酶降解
B．甲酶不可能是具有催化功能的RNA
C．乙酶的化学本质为蛋白质
D．乙酶活性的改变是因为其分子结构的改变
B
分析曲线可知：甲酶在蛋白酶的作用下，酶活性不改变，说明甲酶能够抵抗该种蛋白酶降解，其化学本质不是蛋白质，应是RNA；乙酶在蛋白酶的作用下，酶活性降低，说明该种蛋白酶能改变其分子结构，所以乙酶的化学本质是蛋白质。
4.（多选）为研究Cu2+和Cl-对唾液淀粉酶活性的影响,某小组设计了如下操作顺序的实验方案。
甲组:CuSO4溶液→缓冲液→淀粉酶溶液→淀粉溶液→保温→检测
乙组:NaCl溶液→缓冲液→淀粉酶溶液→淀粉溶液→保温→检测
丙组:蒸馏水→缓冲液→淀粉酶溶液→淀粉溶液→保温→检测
各组试剂量均适宜,下列对该实验方案的评价,不合理的是(　　)
A.缓冲液的pH应控制为最适pH B.设置的对照实验能达成实验目的
C.宜选用斐林试剂来检测淀粉的剩余量 D.保温的温度应控制在37 ℃左右
BC
缓冲液的作用是维持溶液pH的稳定,本实验中pH、温度都是无关变量,为了避免二者对实验的干扰,温度和pH都应该设置到最适,A、D正确;甲、乙两组实验中除了有Cu2+和Cl-,还有S和Na+,需要排除二者对实验的干扰,因此对照组还需要再设置一组排除S和Na+干扰的对照实验,本实验中设置的对照实验只有一组,不能达成实验目的,B错误;本实验的因变量是淀粉的剩余量,根据碘遇淀粉变蓝可以检测实验中淀粉是否有剩余,C错误。
5.下图曲线表示在无酶催化条件和有酶催化条件下某化学反应的能量变化过程。
(1)没有酶催化的反应曲线是 。
(2)有酶催化的反应曲线是 。
(3)AC段的含义是__________________________________。
(4)BC段的含义是 。
(5)若将酶催化改为无机催化剂催化该反应,则B点在纵轴上将向 移动,即反
应需要的活化能要 。
②
①
在无催化剂的条件下,反应所需要的活化能
酶降低的活化能
上
增大
快乐源自心态：知足常乐，摆脱烦恼；自得其乐，消除痛苦；苦中作乐，寻求开心；偷着找乐，化解忧愁。

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