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第1节　降低化学反应活化能的酶　第1课时　酶的作用和本质
高中生物学　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．科学探究：通过比较过氧化氢在不同条件下的分解，分析结果得出结论，并学会在科学探究中控制实验变量和设计对照实验。
2．科学思维：通过模型与建模的方法，说明酶的作用机理。
3．生命观念：通过对酶本质的探索历程的学习，认识酶的化学本质，总结酶的作用。
二、情境导入
细胞内的每时每刻都在进行着许多化学反应，这些反应之所以能在常温常压下高效进行，离不开酶的催化作用。那么，酶到底是什么物质？它又是怎样加快化学反应的？让我们从“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验开始，一步步揭开酶的神秘面纱。
三、自主预学
（一）知识梳理
一、酶在细胞代谢中的作用
1．细胞代谢
(1)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。
(2)条件：需要酶的催化。
(3)意义：细胞代谢是细胞生命活动的基础。
2．酶的作用原理
图1　酶的作用原理（降低化学反应活化能）示意图
二、比较过氧化氢在不同条件下的分解
1．实验原理：2H2O2　→　2H2O＋O2
2．实验目的：通过比较过氧化氢在不同条件下分解的快慢，了解过氧化氢酶的作用。
3．实验设计及现象：
试管编号 1 2 3 4
反应条件 常温 90℃水浴加热 FeCl3溶液 肝脏研磨液
气泡的数量和速度 不明显 少量 较多 大量
卫生香复燃程度 不复燃 不复燃 复燃 迅速复燃
三、酶的本质
1．关于酶本质的探索
图2　酶本质的探索历程示意图
2．酶的本质
(1)产生场所：活细胞。
(2)生理作用：催化作用。
(3)化学本质：蛋白质或RNA。
（二）判断正误
判断下列说法是否正确，正确的填“√”，错误的填“×”。
(1)酶能提高化学反应的活化能，使化学反应顺利进行。________
(2)无关变量是与实验结果无关的变量。________
(3)在一个实验中，一个变量的检测指标往往不是唯一的。________
(4)酶具有催化、调节等多种功能。________
(5)酶的合成场所是核糖体。________
(6)酶是活细胞产生的，能在细胞内、细胞外和体外发挥催化作用。________
四、课堂探究
探究一　比较过氧化氢在不同条件下的分解
[教材情境]阅读教材P77“比较过氧化氢在不同条件下的分解”与P78“控制变量和设计对照实验”的内容，结合下面的实验图示，小组合作，完成以下探究问题。
图3　比较过氧化氢在不同条件下分解的实验装置示意图
1．分析本实验的相关变量。
图4　探究过氧化氢分解速率实验的变量分析示意图
2．通过分析对照实验结果，得出结论。
(1)①号与②号进行对照，结论：加热可以使过氧化氢发生分解。
(2)①号与③号进行对照，结论：FeCl3溶液可催化过氧化氢的分解。
(3)①号与④号进行对照，结论：肝脏研磨液中的过氧化氢酶可催化过氧化氢的分解。
3．②③④号三支试管都有气泡放出，但④号试管放出的气泡最多，说明了什么？
4．实验选材时，为什么要选用新鲜的肝脏作为实验材料？
5．实验时为什么要将肝脏制成研磨液？
6．在滴加肝脏研磨液和FeCl3溶液时，能不能共用一支滴管？为什么？
科学方法　控制变量和设计对照实验
(1)变量：实验过程中的变化因素称为变量。
图5　实验变量的概念示意图
(2)对照实验
①概念：指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。
②对照实验的类型
图6　对照实验的类型示意图
(3)实验设计原则
①对照原则：设计对照实验，既要有对照组又要有实验组。
②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。
③等量性原则：指除单一变量可以变化外，其他实验条件要相同，如所用试剂的量要相同、放在相同条件下培养、取长势相同的植物培养等。
1．如图装置为探究H2O2在不同条件下的分解，装置甲、乙中的H2O2的浓度和量都相同，实验完成后让反应进行至不再有气泡产生。下列说法正确的是（　　）
图7　比较FeCl3溶液和肝脏研磨液催化效率的装置示意图
A．装置甲中H2O2分解所需要的活化能比装置乙的少
B．该实验的自变量是酶的种类
C．该实验的因变量检测指标是H2O2的分解速率
D．量筒Ⅰ中水的体积等于量筒Ⅱ中水的体积
2．为了比较过氧化氢在不同条件下的分解情况，某实验小组按下表进行了相关实验。下列叙述正确的是（　　）
试管编号 1号 2号 3号 4号
过氧化氢溶液 2 mL 2 mL 2 mL 2 mL
温度 常温 90 ℃ 常温 常温
处理 － － 2滴FeCl3溶液 2滴新鲜肝脏研磨液
卫生香复燃程度 － ＋ ＋＋ ＋＋＋
注：“＋”表示卫生香复燃程度，“＋”越多表示复燃程度越高，“－”表示不复燃。
A．试管1和试管2比较能说明加热可以降低过氧化氢分解反应的活化能
B．若要说明过氧化氢酶的高效性，可用试管1、3和4进行比较
C．试管4中卫生香复燃程度最高，所以该试管最终生成的氧气总量最多
D．该实验也可以说明酶具有专一性和作用条件较温和的特点
探究二　酶的本质及作用机理
[材料情境]资料1：有关酶学研究中的诺贝尔奖（部分）。
年份及获得者 成就
1907年毕希纳 发现无细胞发酵现象
1929年哈登等 糖的发酵和酶在发酵中的作用
1931年瓦尔堡 呼吸酶的性质和作用方式
1946年萨姆纳等 分离出结晶酶并证明酶是蛋白质
1959年科恩伯格等 发现DNA聚合酶
1997年博耶等 ATP合成的酶机制
2009年布莱克本等 发现端粒和端粒酶保护染色体的机制
资料2：如图所示为不同条件下化学反应的机理与过程，图中E1、E2、E3都是活化能。
图8　不同催化条件下化学反应的能量变化示意图
1．阅读资料1，结合教材P79“关于酶本质的探索”，毕希纳通过对无细胞发酵现象的研究得出什么结论？
2．美国科学家萨姆纳证明了脲酶是蛋白质。请提出一种验证脲酶是蛋白质的实验思路。
3．从资料1中诺贝尔奖研究成就的角度分析，你认为酶的研究经历了哪些阶段？
4．资料2中三种活化能表示在无催化剂、无机催化剂、酶作催化剂情况下的活化能，请将三种条件与E1、E2、E3进行对应。
5．在资料2中，使用酶做催化剂时，酶所降低的化学反应的活化能应怎么表示？
6．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，据图判断甲、乙两种酶的化学本质分别是________。
图9　甲乙两种酶活性与处理时间的关系曲线
1．酶的本质及生理功能
概念 酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物
来源 一般来说，活细胞都能产生酶（哺乳动物成熟的红细胞不能产生酶，但含有酶）
化学本质 绝大多数是蛋白质；少数是RNA
合成原料 氨基酸（约21种）；核糖核苷酸（4种）
合成场所 核糖体；细胞核（主要）、线粒体、叶绿体
生理功能 生物催化功能（反应前后酶的性质和数量不变）
作用机理 降低化学反应的活化能，加快反应速率
作用场所 在细胞内（呼吸酶、光合酶等）、细胞外（消化酶等）、体外都能发挥催化作用
2．酶的作用机理模型
图10　酶的作用机理模型（活化能变化曲线）
(1)分析方法：从活化能概念入手，分子从常态转变为活跃状态所需的能量为活化能，如ad段表示没有催化剂时的活化能。各区段分析如表：
区段 含义
ad 无催化剂条件下反应所需的活化能
bd 无机催化剂条件下反应所需的活化能
cd 酶催化条件下反应所需的活化能
ac 酶降低的活化能
(2)催化剂作用：在不同的反应条件下，反应的“常态”是相同的，但“活跃状态”是不同的，因此催化剂只是降低了反应的活化能，而不提供能量。
3．如图为酶催化反应的过程示意图，以数字编号的图形分别表示反应物、酶、生成物等反应要素，其中表示酶的图形编号是（　　）
图11　酶催化反应的过程示意图
A．①　　B．②　　C．③　　D．④
4．（2022·全国乙卷）某种酶P由RNA和蛋白质组成，可催化底物转化为相应的产物。为探究该酶不同组分催化反应所需的条件，某同学进行了下列5组实验（表中“＋”表示有，“－”表示无）。
实验组 ① ② ③ ④ ⑤
底物 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
RNA组分 ＋ ＋ － ＋ －
蛋白质组分 ＋ － ＋ － ＋
低浓度Mg2+ ＋ ＋ ＋ － －
高浓度Mg2+ － － － ＋ ＋
产物 ＋ － － ＋ －
根据实验结果可以得出的结论是（　　）
A．酶P必须在高浓度Mg2+条件下才具有催化活性
B．蛋白质组分的催化活性随Mg2+浓度升高而升高
C．在高浓度Mg2+条件下RNA组分具有催化活性
D．在高浓度Mg2+条件下蛋白质组分具有催化活性
五、分层训练
课后分层练(十五)　酶的作用和本质
（选择题每题5分，非选择题每题15分）
【基础巩固练】
考点一　比较过氧化氢在不同条件下的分解
1．“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，加热、加过氧化氢酶、加FeCl3溶液都能促进过氧化氢分解，促进过氧化氢分解的原理相同的是（　　）
A．过氧化氢酶和加热
B．过氧化氢酶和FeCl3溶液
C．FeCl3溶液和加热
D．加热、过氧化氢酶和FeCl3溶液
2．在如图所示的实验中，属于无关变量的是（　　）
图12　比较FeCl3溶液和肝脏研磨液催化过氧化氢分解的实验操作示意图
A．催化剂的种类
B．过氧化氢分解的速率
C．试管中的过氧化氢溶液的量
D．产生气泡的量
3．下列关于“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验的叙述，正确的是（　　）
A．该实验中新鲜肝脏研磨液是促进过氧化氢快速分解的催化剂
B．实验中温度、催化剂和反应物的浓度是自变量，过氧化氢分解速率是因变量
C．将只加入过氧化氢溶液的试管放在60℃左右的水浴中加热，观察气泡冒出的情况
D．实验中用到的滴管，必须先吸取FeCl3溶液再吸取肝脏研磨液，这样对实验结果影响较小
考点二　酶的本质及作用原理
4．当某种RNA存在时，生物体内的某种化学反应能正常进行；当这种RNA被有关的酶水解后，此种化学反应立即减慢。由此可以说明（　　）
A．RNA是核酸的一种
B．RNA有时也可称为遗传物质
C．RNA主要存在于细胞质中
D．RNA也可作为生物催化剂
5．已知蛋白酶能分解蛋白质，取两支试管分别加入等量的蛋白质溶液编号甲、乙，在甲试管的蛋白质溶液中加入蛋白酶，乙试管中加入等量的清水。一段时间后，再加入双缩脲试剂，其结果是（　　）
A．甲无色，乙紫色
B．甲蓝色，乙紫色
C．甲、乙溶液呈紫色
D．甲、乙溶液呈蓝色
6．下列关于酶本质的探索历程的叙述，错误的是（　　）
A．巴斯德提出酿酒中的发酵是由酵母菌细胞的参与
B．毕希纳通过实验证明了引起发酵的酿酶是蛋白质
C．科学家们相继获得脲酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶的结晶，并证明这些酶都是蛋白质
D．切赫和奥尔特曼发现少数RNA也具有生物催化功能
7．如图所示，①表示有酶催化的反应曲线，②表示没有催化剂的反应曲线，下列图中的E可以表示酶所降低的活化能的是（　　）
图13　酶促反应能量变化曲线（A选项）
图14　酶促反应能量变化曲线（B、C、D选项）
【综合提升练】
8．某兴趣小组采用两种途径处理鸡蛋清溶液，过程如图所示。下列有关叙述错误的是（　　）
图15　蛋白质盐析和变性处理过程示意图
A．过程①既没有破坏蛋白质的空间结构，也没有破坏其中的肽键
B．向过程④结束后的反应体系中加入双缩脲试剂不会再产生紫色反应
C．过程②会破坏蛋白质的空间结构，导致蛋白质失去其生理功能
D．图中①②两种处理方法都没有改变鸡蛋清中蛋白质的氨基酸数量
9．反应物A在无酶催化条件和有酶催化条件下生成产物P所需的能量变化如图，下列有关叙述不正确的是（　　）
图16　有无酶催化的反应能量变化曲线
A．加热、加压可使反应物分子更容易从初态转变为活化态
B．b－c表示在有酶催化的条件下，反应物A生成产物P所需要的活化能
C．若仅增加反应物A的量，则图中曲线的原有形状不发生改变
D．曲线Ⅱ可表示最适酶促条件下的曲线，该反应只能在细胞内进行
10．在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中，对实验的处理如表所示。
试管组别 加入体积分数为3%的过氧化氢溶液 温度 加入试剂
试管1 2 mL 常温 －
试管2 2 mL 90 ℃ －
试管3 2 mL 常温 2滴质量分数为3.5%的FeCl3溶液
试管4 2 mL 常温 2滴质量分数为20%的肝脏研磨液
(1)在上表的实验处理中，研究的自变量有________，写出一种无关变量________。
(2)该实验用的肝脏要求新鲜，原因是________。
(3)若要研究生物催化剂与无机催化剂的差别，可选用的实验组合是________。
(4)若试管1和试管2组成对照实验，能说明的问题是________。
(5)除了(4)小题的对照实验，请再找出一组对照实验：________，该对照实验说明的问题是________。
(6)上述实验中的________是实验组，________是对照组。
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）×　（2）×　（3）√　（4）×　（5）×　（6）√
解析：（1）酶催化作用的实质是降低化学反应的活化能，使化学反应顺利进行。（2）无关变量会对实验结果造成影响，对无关变量的处理要求是相同且适宜。（4）酶具有的功能是催化。（5）酶的化学本质是蛋白质或RNA，合成场所不全是核糖体，RNA主要在细胞核内合成。
（二）课堂探究·探究一（比较过氧化氢在不同条件下的分解）
探究3　加热、FeCl3溶液（无机催化剂）和过氧化氢酶都能催化过氧化氢的分解，但过氧化氢酶的催化效率更高。
探究4　若肝脏不新鲜，过氧化氢酶会在腐生菌的作用下被分解，无法保证过氧化氢酶的数量和活性，影响实验结果。
探究5　使肝细胞破裂从而释放出过氧化氢酶，增大酶与过氧化氢的接触面积，加速过氧化氢的分解。
探究6　不能。共用一支滴管会导致后滴加的液体中混有先滴加的液体，从而影响实验结果，无法得出正确结论。
对练1　D
解析：与无机催化剂相比，酶能更显著地降低化学反应的活化能，故装置甲中H2O2分解所需的活化能比装置乙的多，A错误；该实验的自变量是催化剂的种类，因变量是单位时间内气体的产生量，实验收集到的水的体积代表产生的O2的量，B、C错误；两个装置中H2O2的浓度和量都相同，故产生的O2总量相等，即量筒Ⅰ中水的体积等于量筒Ⅱ中水的体积，D正确。
对练2　B
解析：试管2加热使过氧化氢加快分解，是因为加热为分解反应提供能量，而不是降低反应的活化能，A错误；用试管1、3、4进行比较，可以说明过氧化氢酶具有高效性，B正确；试管4中卫生香复燃程度最高，是因为酶催化作用下产生氧气的速率最快，但四支试管初始过氧化氢总量相同，最终生成的氧气总量相同，C错误；该实验不能说明酶具有专一性和作用条件较温和的特点，D错误。
（三）课堂探究·探究二（酶的本质及作用机理）
探究1　酵母菌细胞中的某些物质能够在酵母菌细胞破碎后继续起催化作用，就像在活酵母菌细胞中一样。
探究2　向脲酶溶液和蛋白质溶液中分别加入双缩脲试剂，若都出现紫色反应，则说明脲酶是蛋白质。
探究3　认知酶的存在→探究酶的本质→发现多种酶→研究酶的具体作用机制。
探究4　E1——使用无机催化剂，E2——不使用催化剂，E3——使用酶作催化剂。
探究5　E2－E3。
对练3　A
解析：图中图形①参与催化反应，并在反应前后能保持结构和性质不变，故图形①应为酶。
对练4　C
解析：实验组①中，酶P在低浓度Mg2+条件下有产物生成，说明酶P在该条件下具有催化活性，A错误；实验组③和⑤只有酶P的蛋白质组分，自变量是Mg2+浓度，两组均没有产物生成，说明蛋白质组分无催化活性，B、D错误；实验组②和④只有酶P的RNA组分，实验组④在高浓度Mg2+条件下有产物生成，实验组②在低浓度Mg2+条件下没有产物生成，说明在高浓度Mg2+条件下RNA组分具有催化活性，C正确。
（四）课后分层练(十五)
1　B
解析：过氧化氢酶和FeCl3溶液都能降低化学反应所需的活化能，两者原理相同，加热能为反应提供能量，与另外两个原理不同，选B。
2　C
解析：催化剂的种类属于实验的自变量，过氧化氢分解的速率和产生气泡量属于因变量，试管中的过氧化氢溶液的量属于无关变量，选C。
3　A
解析：新鲜肝脏研磨液中含有过氧化氢酶，是促进过氧化氢快速分解的生物催化剂，A正确；自变量是反应条件，即温度、催化剂种类，反应物的浓度是无关变量，B错误；应将试管放在90℃左右的水浴中加热，C错误；滴管不能混用，否则交叉污染影响实验结果，D错误。
4　D
解析：RNA被有关的酶水解后，化学反应立即减慢，说明RNA具有催化作用，选D。
5　C
解析：甲试管中蛋白酶、乙试管中蛋白质都是蛋白质，加入双缩脲试剂后均呈现紫色，选C。
6　B
解析：巴斯德认为发酵与活细胞有关，起发酵作用的是整个酵母菌细胞，A正确；毕希纳将酵母菌细胞中引起发酵的物质称为酿酶，萨姆纳证明了脲酶是蛋白质，B错误；科学家相继获得脲酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等许多酶的结晶并证明它们都是蛋白质，C正确；切赫和奥尔特曼发现少数RNA具有生物催化功能，D正确。
7　B
解析：酶降低的活化能＝没有催化剂时所需的能量②－有酶催化时所需的能量①，B正确。
8　B
解析：过程①为蛋白质的盐析，没有破坏空间结构和肽键，A正确；过程④经蛋白酶水解后形成多肽和氨基酸，多肽中仍含肽键，且蛋白酶本身也是蛋白质，加入双缩脲试剂仍会出现紫色，B错误；过程②加热使蛋白质变性，破坏空间结构，失去生理功能，C正确；①盐析和②加热变性都没有改变氨基酸数量，D正确。
9　D
解析：加热、加压可使反应物分子获得能量，从初态变为活化态，A正确；b－c表示有酶催化时所需的活化能，B正确；仅增加反应物A的量，酶活性不变，曲线原有形状不变，C正确；酶在细胞内和细胞外都能催化反应，D错误。
10（1）　温度、催化剂种类；过氧化氢溶液的用量、FeCl3溶液的用量、肝脏研磨液的用量、溶液的pH（任答一种即可）
10（2）　肝脏放置时间长，过氧化氢酶会被破坏，影响实验结果
10（3）　试管3和试管4
10（4）　加热促使过氧化氢分解
10（5）　试管1和试管3　FeCl3溶液能催化过氧化氢的分解（或试管1和试管4对照，说明肝脏研磨液中的过氧化氢酶能催化过氧化氢的分解；或试管1、试管3和试管4对照，说明FeCl3溶液和肝脏研磨液中的过氧化氢酶能催化过氧化氢的分解，且过氧化氢酶的催化效率高于FeCl3溶液）
10（6）　试管2、试管3和试管4　试管1

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