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2019-2020年高中生物 第5章 第1節(jié) 降低化學反應活化能的酶學案 新人教版必修1 　 學習目標 1．說明酶在細胞代謝中的作用、本質和特性。(重點、難點) 2．通過閱讀分析“關于酶本質的探索”的資料，認同科學是在不斷的探索和爭論中前進的。 3．進行有關的實驗和研究，學會控制自變量，觀察和檢測因變量的變化，以及設置對照組和重復實驗。(難點), 　 知識結構 酶在細胞代謝中的作用 1．細胞代謝 (1)概念：細胞中每時每刻都進行的化學反應統(tǒng)稱為細胞代謝。 (2)特點： ①一般都需要酶催化。 ②在水環(huán)境中進行。 ③反應條件溫和。 ④一般伴隨著能量的釋放和儲存。 (3)地位：是細胞生命活動的基礎。 (1)從性質上看，細胞代謝包括物質代謝和能量代謝兩個方面。 細胞內每時每刻都在進行著化學反應，與此同時伴隨著相應的能量變化。物質是能量的載體，而能量是物質運輸?shù)膭恿?。物質代謝和能量代謝相伴而生，相互依存。 (2)從方向上看，細胞代謝包括同時進行、對立統(tǒng)一的同化作用和異化作用。 同化作用和異化作用相互依存，同化過程中有物質的分解、能量的釋放，異化過程中有物質的合成、能量的儲存。同化作用為異化作用的進行提供物質和能量基礎，而同化作用進行所需要的能量又靠異化作用來提供。 (3)從實質上看，細胞代謝是生物體活細胞內所進行的有序的、連鎖的化學反應。 應特別注意只有活細胞內進行的化學反應才是有序的，死細胞內雖然也進行著化學反應，但是無序的，所以不屬于細胞代謝的范疇。 (4)從意義上看，細胞代謝的過程完成了細胞成分的更新，而細胞成分的更新正是生化反應造成的物質轉化和能量轉變的結果。 在細胞代謝的基礎上，生物體既進行新舊細胞的更替，又進行細胞內化學成分的更新，最終表現(xiàn)出生長、發(fā)育、生殖等生命活動。 2. 實驗：比較過氧化氫在不同條件下的分解 (1)實驗原理：新鮮肝臟中含有過氧化氫酶，F(xiàn)e3＋是一種無機催化劑。用一定數(shù)量的過氧化氫酶和Fe3＋催化過氧化氫分解成H2O和O2，可比較兩者的催化效率。 過氧化氫的分解反應式： 2H2O22H2O＋O2；2H2O22H2O＋O2 (2)目的要求：通過比較過氧化氫在不同條件下分解的快慢，了解過氧化氫酶的作用和意義。 (3)材料用具：新鮮的質量分數(shù)為20%的肝臟(如豬肝、雞肝)研磨液，量筒，試管，滴管，試管架，衛(wèi)生香，火柴，酒精燈，大燒杯，石棉網，三腳架，試管夾，溫度計，新配制的體積分數(shù)為3%的過氧化氫溶液，質量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液。 (4)過程及現(xiàn)象 ①過程示意圖(圖511) ②實驗過程和結果列表 試管編號 實驗設置 實驗現(xiàn)象 結果分析 1號(2 mL H2O2溶液) 對照組(不做處理) 無明顯氣泡放出，無助燃性 H2O2的自然分解緩慢 2號(2 mL H2O2溶液) 水浴加熱(90 ℃) 有明顯氣泡放出，有助燃性 加熱能促進H2O2的分解 3號(2 mL H2O2溶液) 加入質量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液2滴 有較多氣泡放出，助燃性強 Fe3＋能催化H2O2的分解 4號(2 mL H2O2溶液) 加入質量分數(shù)為20%的肝臟研磨液2滴 有大量氣泡放出，助燃性更強 過氧化氫酶也有催化H2O2分解的作用，且催化效率比Fe3＋高 　?、蹖嶒灲Y論的理論分析 自變量 因變量 無關變量 對照組 實驗組 2號：90 ℃水浴加熱 用產生氣泡的多少表示H2O2的分解速率 加入H2O2的量；實驗室溫度；FeCl3和肝臟研磨液的新鮮程度 1號試管 2、3、4號試管 3號：加入質量分數(shù)為 3.5%的FeCl3溶液2滴 4號：加入質量分數(shù)為20%的肝臟研磨液2滴 (1)實驗設計要遵循單一變量原則和等量對照原則嚴格控制變量?！皢我蛔兞俊奔粗笇嶒炛形ㄒ坏淖宰兞?；“等量對照”是指其他無關變量相等且適宜的情況下，設置對照組與實驗組作比較。 (2)實驗中必須用新鮮的剛從活動物體內取出的肝臟作實驗材料。肝臟要研磨充分，以加大肝細胞內過氧化氫酶與試管中H2O2的接觸面積，從而加速H2O2的分解。 (3)H2O2具有一定的腐蝕性，使用時不要讓其接觸皮膚。 (5)實驗結論 ①酶同無機催化劑一樣具有加快化學反應速率的作用，因此酶具有催化性。 ②酶同無機催化劑相比，催化效率更高，因此酶具有高效性。 3．酶的作用原理 (1)活化能：分子從常態(tài)轉變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需要的能量(如圖512所示)。 (2)酶是一種生物催化劑，能改變反應途徑，其作用是降低化學反應的活化能。 (3)酶在代謝中僅起催化作用，本身化學性質和質量均不發(fā)生變化。酶在進行催化作用時，首先與底物(即反應物)結合，形成不穩(wěn)定的中間產物，中間產物再分解成酶和產物，因此可反復起催化作用。 (1)在一個化學反應體系中，只有反應物獲得能量變?yōu)榛钴S狀態(tài)，反應才可以進行，所以處于活躍狀態(tài)的分子越多，反應速率越快。 (2)酶的作用僅是催化化學反應的進行，并不為反應提供物質和能量，不改變化學反應的方向，也不改變化學反應平衡點。 教材第78～79頁參考答案 問題探討 1．這個實驗要解決的問題是：鳥類的胃是否只有物理性消化，沒有化學性消化。 2．是胃內的化學物質——酶將肉塊分解了。 3．收集胃內的化學物質，將肉塊放入該物質中，看這些物質在體外是否也能將肉塊分解。 實驗 1．2號試管放出的氣泡多。這一現(xiàn)象說明加熱能促進過氧化氫的分解，提高反應速率。 2．不能。 3．說明FeCl3中的Fe3＋和新鮮肝臟中的過氧化氫酶都能加快過氧化氫分解的速率。 4．4號試管的反應速率比3號試管快得多。說明過氧化氫酶比Fe3＋的催化效率高得多，細胞內每時每刻都在進行著成千上萬種化學反應，這些化學反應需要在常溫、常壓下高效率地進行，只有酶能夠滿足這樣的要求，所以說酶對于細胞內化學反應的順利進行至關重要。 【例1】　在比較過氧化氫酶和Fe3＋催化H2O2分解的實驗中，對實驗結果分析正確的是(　　) A．在過氧化氫酶的作用下，過氧化氫的分解最快，是因為質量分數(shù)為20%的肝臟研磨液的濃度高于質量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液 B．質量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液對過氧化氫分解速率慢，是因為其分子的物質的量濃度過高，影響了活性的正常發(fā)揮 C．肝臟研磨液中過氧化氫分解速率快，是因為酶的催化效率比一般無機催化劑催化效率高 D．如果將四支試管都放在90 ℃水浴中，第4支試管(加肝臟研磨液的試管)反應速率仍最快 解析：質量分數(shù)為20%的肝臟研磨液中含酶的數(shù)量并不大，遠低于質量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液中溶質的分子數(shù)；催化劑濃度大不會影響活性的正常發(fā)揮；酶降低化學反應所需活化能的作用要比無機催化劑效果更顯著，催化效率更高；過氧化氫酶的化學本質是蛋白質，在90 ℃水浴中，將會變性失去催化能力，F(xiàn)e3＋卻仍可以起催化作用。 答案：C 點撥：酶比無機催化劑的催化效率更高，但在高溫時會變性失活，而無機催化劑高溫時仍有催化作用。 酶的本質 1．酶的概念 酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數(shù)酶是蛋白質。 2．關于酶本質的探索 發(fā)現(xiàn)者 發(fā)現(xiàn)過程及結論 19世紀，釀酒業(yè)在歐洲經濟中占有重要地位，受葡萄酒經常莫名其妙地變酸的困擾，科學界非常重視對發(fā)酵過程的研究 巴斯德 1857年，法國微生物學家巴斯德通過顯微鏡觀察，提出釀酒中的發(fā)酵是由于酵母細胞的存在 李比希 堅持認為引起發(fā)酵的是酵母細胞中的某些物質，但這些物質只有在酵母細胞死亡并裂解后才能發(fā)揮作用 畢希納 從細胞中獲得了含酶的提取液，并將酵母細胞中引起發(fā)酵的物質稱為釀酶 薩姆納 認為酶是蛋白質。1917年，薩姆納決定從刀豆種子中提取純酶；1926年，他提取到脲酶結晶，并用多種方法證明了脲酶是蛋白質 許多科學家 提取了多種酶的蛋白質結晶，證明酶是一類具有生物催化作用的蛋白質 切赫和奧特曼 20世紀80年代，發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化功能 　　3.酶的本質 酶與激素、蛋白質的關系 (1)凡是活細胞都可產生酶(哺乳動物的成熟紅細胞等除外)，只有內分泌細胞才可產生激素，所以能產生酶的細胞不一定能產生激素，但能產生激素的細胞一定能 產生酶，如圖513所示。 (2)絕大多數(shù)酶是蛋白質，但不是所有的蛋白質都是酶，只有具有催化作用的蛋白質才是酶。 【例2】　下列有關生物體內酶的敘述正確的是(　　) ①是有分泌功能的細胞產生的?、谟械膹氖澄铽@得，有的從體內轉化而來　③凡是活細胞，都能產生酶　④絕大多數(shù)酶是蛋白質，少數(shù)酶是RNA　⑤有的酶是蛋白質，有的是固醇　⑥酶在代謝中有多種功能?、咴谛玛惔x和生殖發(fā)育中起調控作用　⑧酶只是起催化作用 A．①②⑤ B．②③⑦ C．③④⑧ D．④⑤⑥ 解析：有分泌功能的細胞能產生激素，而凡是活細胞均能產生酶；機體所需的酶無法從食物中獲取，因為新陳代謝的結構單位是細胞，酶是大分子物質(蛋白質或RNA)，外界的酶無法直接進入細胞參與反應；酶所起的作用只是催化作用，降低分子的活化能；對生物體的正常生理活動起調控作用的一般是激素物質。 答案：C 點撥：本題綜合考查酶的產生部位、化學本質、作用，應特別注意比較酶與激素的區(qū)別。 教材第82頁參考答案 資料分析 1．巴斯德認為發(fā)酵與活細胞有關是合理的，但是認為發(fā)酵是整個細胞而不是細胞中的某些物質在起作用是不正確的；李比希認為引起發(fā)酵的是細胞中的某些物質是合理的，但是認為這些物質只有在酵母細胞死亡并裂解后才能發(fā)揮作用是不正確的。 2．巴斯德是微生物學家，特別強調生物體或細胞的作用；李比希是化學家，傾向于從化學的角度考慮問題。他們的爭論促使后人把對酶的研究的目標集中在他們爭論的焦點上，使科學研究更加有的放矢。 3．畢希納的實驗說明，酵母細胞中的某些物質能夠在酵母細胞破碎后繼續(xù)起催化作用，就像在活酵母細胞中一樣。 4．薩姆納歷時9年用正確的科學方法，將酶提純出來。他有一種堅持不懈、百折不撓的科學精神。成功屬于不畏艱苦的人。 5．酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數(shù)酶是蛋白質，少數(shù)酶是RNA。 酶的特性 1．酶具有高效性 (1)含義：酶的催化效率是無機催化劑的107～1013倍。 (2)實例 ①1個過氧化氫酶分子在25 ℃條件下1 min可催化500萬個過氧化氫分子的分解反應。 ②一份淀粉酶在適宜條件下可催化100萬份淀粉的水解。 ③將唾液稀釋10倍與用唾液原液催化淀粉水解的效果相同。 (3)意義：保證細胞代謝順利進行。 2．酶具有專一性 (1)含義：每一種酶只能催化一種或一類化學反應，這就像一把鑰匙開一把鎖一樣。酶對它所作用的底物有著嚴格的選擇，它只能催化一定結構或者一些結構近似的化合物，使這些化合物發(fā)生生物化學反應。 (2)實例 ①過氧化氫酶只能催化過氧化氫分解，不能催化其他化學反應。 ②淀粉酶只能催化淀粉的水解，不能催化蛋白質和脂質等的水解。 ③脲酶除了催化尿素分解外，對其他化學反應也不起催化作用。 ④麥芽糖酶只能催化麥芽糖水解，將其水解成葡萄糖，而對其他的糖則不起催化作用。 (3)意義：使細胞代謝有序進行。 3．酶的作用條件較溫和 (1)酶在常溫、常壓、適宜的pH等溫和條件下，具有很高的催化效率。酶對化學反應的催化效率也稱為酶的活性。 (2)在最適的溫度和pH條件下，酶的活性最高。 (3)溫度偏高或偏低，pH過酸或過堿，酶的活性都會明顯降低。 (4)0 ℃左右的低溫雖然使酶的活性明顯降低，但酶的空間結構保持穩(wěn)定，在適宜的溫度下酶的活性可以恢復；過酸、過堿或溫度過高，會使酶的空間結構遭到破壞，使酶永久失活。 4．酶的特性實驗探究 (1)酶的高效性 ①實驗設計 a．實驗組：底物＋生物催化劑(酶)底物分解速率(或產物形成的速率) b．對照組：底物＋無機催化劑底物分解速率(或產物形成的速率) ②變量分析：實驗中的自變量是催化劑，因變量是底物分解速率。 ③實例：比較Fe3＋和過氧化氫酶的催化效率。 (2)酶的專一性 ①實驗設計 試管號 1 2 3 4 5 6 7 底物(1 mL) 1%葡萄糖液 1%淀粉液 1%淀粉液 1%淀粉液 2%蔗糖液 2%蔗糖液 2%蔗糖液 實驗處理(1 mL) 蒸餾水 蒸餾水 稀釋的蔗糖酶溶液 稀釋唾液 蒸餾水 稀釋的蔗糖酶溶液 稀釋唾液 反應條件 37 ℃恒溫水浴，保溫10 min 斐林試劑 1滴 1滴 1滴 1滴 1滴 1滴 1滴 鑒定反應 酒精燈上煮沸 顏色 磚紅色 藍色 藍色 磚紅色 藍色 磚紅色 藍色 得出結論 (1)催化范圍；(2)作用條件 　?、谧兞糠治觯簩嶒炛凶宰兞渴遣煌孜锘虿煌敢?，因變量是底物是否被分解。 ③實例 a．探究胃蛋白酶對蛋白塊和淀粉塊的分解作用。 b．探究胃蛋白酶和唾液淀粉酶對蛋白塊的分解作用。 ④結論：酶只對特定的底物有催化功能。 由于酶具有專一性，而細胞內的化學反應極其繁多，不同的反應需要不同的酶來催化，這說明酶具有多樣性。 (3)酶的作用條件較溫和 ①實驗設計共性 在設計酶需要適宜的溫度和pH的實驗中，每一組實驗都必須事先將底物、酶液分別處理到各自所需要控制的溫度和pH，使反應一開始便達到預設溫度和pH，減小實驗誤差。 ②設計思路 ③變量分析 a．自變量：溫度(或pH)。 b．因變量：底物分解速率(現(xiàn)存量)或產物形成速率(產物生成量)。 c．無關變量：底物濃度、體積、酶濃度、溫度(或pH)。 ④設計實例——溫度和pH對酶活性的影響 　　a．變量分析：實驗中自變量是pH、溫度的不同。 b．結論：酶的活性受溫度和pH的影響，它們均有一個最適范圍，低于或高于此范圍，酶的活性都不能達到最佳狀態(tài)，甚至喪失活性。 實驗步驟要有一定的順序，實驗步驟的前后順序一般不能隨意顛倒，否則，實驗自變量的控制就會產生誤差，從而影響實驗結果的準確性。尤其是在研究溫度或pH對酶活性的影響這類實驗中，一定要注意在酶發(fā)揮作用時必須達到實驗要求的溫度或pH。 教材第85頁參考答案 旁欄思考題 絕大多數(shù)酶是蛋白質，強酸、強堿、高溫等劇烈條件都會影響到蛋白質的結構，所以酶比較“嬌氣”。 【例3】　下表是探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用實驗設計及結果。 注：“＋”表示有；“－”表示無。 *：此行“＋”的多少代表顏色的深淺。 根據實驗結果，以下結論正確的是(多選)(　　) A．蔗糖被水解成非還原糖 B．淀粉在淀粉酶的作用下水解成還原糖 C．淀粉酶活性60 ℃比40 ℃時高 D．淀粉酶對蔗糖的水解具有專一性 解析：酶具有專一性，一種酶只能催化一種或一類化學反應，淀粉酶只能催化淀粉水解，而不能催化蔗糖水解，A、D項錯誤；在淀粉溶液的三支試管都出現(xiàn)了磚紅色沉淀，這說明淀粉酶將淀粉水解成了還原糖，故B項正確；同時還可以看出在60 ℃的條件下磚紅色沉淀量比40 ℃條件下多，說明60 ℃條件下的試管中還原糖含量比40 ℃多，證明淀粉酶的活性在60 ℃時比40 ℃時高，C項正確。 答案：BC 點撥：對照實驗常用方法 (1)空白對照：設置兩組實驗，一組給予該實驗的自變量處理，另一組不作任何處理。 (2)自身對照：只設置一組實驗，通過比較實驗對象在實驗前后現(xiàn)象的變化來說明問題，不再另設對照實驗。例如，洋蔥表皮細胞的質壁分離和質壁分離復原實驗就是自身對照實驗。 (3)條件對照：設置兩組實驗，在實驗所要研究的自變量方面，進行不同的處理。例如過氧化氫酶與無機催化劑Fe3＋對過氧化氫的催化效率的比較實驗，一組的自變量是過氧化氫酶，另一組的自變量是Fe3＋。 (4)相互對照：通常設置多組實驗，這些組都給予了自變量處理，只是在處理的量或程度方面有所差別，通過它們之間的相互比較來說明問題。例如溫度對酶活性影響的實驗，設置溫度有三組，分別是0 ℃、60 ℃、100 ℃。 與酶有關的曲線解讀 1．表示酶高效性的曲線(如圖514所示) (1)催化劑可加快化學反應速率，與無機催化劑相比，酶的催化效率更高。 (2)酶只能縮短達到化學平衡所需時間，不改變化學反應的平衡點。 (3)酶只能催化已存在的化學反應。 2．表示酶的專一性曲線 (1)酶的專一性示意圖(如圖515所示) 圖515 ①A表示酶，B表示被催化的反應物。 ②酶和被催化的反應物分子都有特定的結構。 ③反應前后酶的結構與性質不變。 (2)表示酶專一性的曲線(如圖516所示) ①在反應物中加入酶A，反應速率較未加酶時明顯加快，說明酶A催化底物參加反應。 ②在反應物中加入酶B，反應速率和未加酶時相同，說明酶B不催化底物參加反應。 3．酶活性的影響因素曲線(如圖517所示) (1)在一定溫度(pH)范圍內，隨溫度(pH)的升高，酶的催化作用增強，超過這一范圍酶催化作用逐漸減弱。 (2)在最適溫度(pH)時，酶的催化作用最強，高于或低于最適溫度(pH)，酶的催化作用都將減弱。 (3)過酸、過堿、高溫都會使酶失活，而低溫只是抑制酶的活性，酶分子結構未被破壞，溫度升高可恢復活性。 (4)反應溶液酸堿度的變化不影響酶作用的最適溫度。 4．底物濃度和酶濃度對酶促反應的影響曲線(如圖518所示) (1)在其他條件適宜、酶量一定的條件下，酶促反應速率隨底物濃度增加而加快，但當?shù)孜镞_到一定濃度后，受酶數(shù)量和酶活性限制，酶促反應速率不再增加。 (2)在底物充足、其他條件適宜的情況下，酶促反應速率與酶濃度成正比。溫度、pH、底物濃度和酶濃度都可影響酶促反應速率。不同的是溫度和pH是通過影響酶活性而影響酶促反應的，而底物濃度和酶濃度不影響酶活性。 (1)酶的催化活性的強弱以單位時間(每分鐘)內底物減少量或產物生成量來表示。研究某一因素對酶促反應速率的影響時，應在保持其他因素不變的情況下，單獨改變所要研究的因素。 (2)影響酶促反應的因素有酶的濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。 【例4】　如圖519所示，A、B、C三圖依次表示在酶濃度一定時，反應速率和反應物濃度、溫度、pH的關系。請據圖回答下列問題。 (1)圖A中，當反應物達到某一濃度時，反應速率不再上升，其原因是______________________________。 (2)圖B中，A點所對應的溫度稱__________________。 (3)圖B中，A點到B點的曲線急劇下降，其原因是______________________________________。 (4)將裝有酶與反應物的甲、乙兩試管分別放入12 ℃和75 ℃的水浴鍋中，20 min后取出，轉入37 ℃的水浴鍋中保溫，兩試管內的反應分別為：甲______________，乙______________。 (5)圖C表示了________催化反應速率的變化曲線。 A．唾液淀粉酶　　　　　　　B．胃蛋白酶 C．胰蛋白酶 D．植物淀粉酶 解析：(1)圖A中，當反應物在低濃度范圍內增加時，反應速率迅速上升。當反應物達到某一濃度時，反應速率不再上升，這是因為雖然酶具有高效性，但它的催化能力是有一定限度的，當所有的酶都發(fā)揮了最高催化效率后，反應物濃度再增加，反應速率也不會再加快。(2)圖B中，A點對應的酶的催化效率最高，說明它對應的溫度就是酶促反應的最適溫度。(3)從A點到B點，由于溫度逐漸升高，酶的分子結構逐漸被破壞，從而使酶活性降低，反應速率下降。(4)因為甲試管的溫度較低，所以酶的活性較低，反應速率減慢，當轉入37 ℃的水浴鍋中保溫后，其反應速率會迅速增加。乙試管在75 ℃的高溫下，酶的結構被破壞，使酶喪失活性，即使再轉入37 ℃的水浴鍋中保溫，酶的活性也不能恢復，不再發(fā)生催化反應。(5)圖C中，酶的最適pH為弱堿性，唾液淀粉酶和植物淀粉酶的最適pH近于中性，胃蛋白酶的最適pH為強酸性，只有胰蛋白酶的最適pH為弱堿性。 答案：(1)受反應中酶濃度的限制　(2)酶促反應的最適溫度　(3)溫度升高，酶活性降低　(4)反應速率加快　無催化反應　(5)C 點撥：(1)正確解讀與酶相關的曲線圖是解題的關鍵。 (2)人體內的酶促反應的最適溫度為37 ℃左右，不同的消化酶最適宜的pH不同；唾液淀粉酶適宜的pH為7左右，胃液中酶最適宜的pH范圍是0.9～1.5，腸液中的酶最適宜的pH大于7，為弱堿性。