2022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(zhì)和特性。(重點、難點)2通過閱讀分析“關于酶本質(zhì)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：一般都需要酶催化。在水環(huán)境中進行。反應條件溫和。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(zhì)上看，細胞代謝包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個方面。細胞內(nèi)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(zhì)是能量的載體，而能量是物質(zhì)運輸?shù)膭恿ΑＮ镔|(zhì)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(zhì)的分解、能量的釋放，異化過程中有物質(zhì)的合成、能量的儲存。同化作用為異化作用的進行提供物質(zhì)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(zhì)上看，細胞代謝是生物體活細胞內(nèi)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(nèi)進行的化學反應才是有序的，死細胞內(nèi)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(zhì)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(nèi)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：2H2O22H2OO2；2H2O22H2OO2(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(zhì)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(wǎng)，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(zhì)量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液。(4)過程及現(xiàn)象過程示意圖(圖5­1­1)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(zhì)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(zhì)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高實驗結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(chǎn)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(zhì)量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液2滴4號：加入質(zhì)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(nèi)取出的肝臟作實驗材料。肝臟要研磨充分，以加大肝細胞內(nèi)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。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(zhì)和質(zhì)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(chǎn)物，中間產(chǎn)物再分解成酶和產(chǎn)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(zhì)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7879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(nèi)的化學物質(zhì)酶將肉塊分解了。3收集胃內(nèi)的化學物質(zhì)，將肉塊放入該物質(zhì)中，看這些物質(zhì)在體外是否也能將肉塊分解。實驗12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。44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(nèi)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(nèi)化學反應的順利進行至關重要?！纠?】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(zhì)量分數(shù)為20%的肝臟研磨液的濃度高于質(zhì)量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液B質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液中溶質(zhì)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(zhì)是蛋白質(zhì)，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(zhì)1酶的概念酶是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)。2關于酶本質(zhì)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(jīng)濟中占有重要地位，受葡萄酒經(jīng)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(zhì)，但這些物質(zhì)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(zhì)稱為釀酶薩姆納認為酶是蛋白質(zhì)。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(zhì)許多科學家提取了多種酶的蛋白質(zhì)結晶，證明酶是一類具有生物催化作用的蛋白質(zhì)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(zhì)酶與激素、蛋白質(zhì)的關系(1)凡是活細胞都可產(chǎn)生酶(哺乳動物的成熟紅細胞等除外)，只有內(nèi)分泌細胞才可產(chǎn)生激素，所以能產(chǎn)生酶的細胞不一定能產(chǎn)生激素，但能產(chǎn)生激素的細胞一定能產(chǎn)生酶，如圖5­1­3所示。(2)絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，但不是所有的蛋白質(zhì)都是酶，只有具有催化作用的蛋白質(zhì)才是酶?！纠?】下列有關生物體內(nèi)酶的敘述正確的是()是有分泌功能的細胞產(chǎn)生的有的從食物獲得，有的從體內(nèi)轉化而來凡是活細胞，都能產(chǎn)生酶絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，少數(shù)酶是RNA有的酶是蛋白質(zhì)，有的是固醇酶在代謝中有多種功能在新陳代謝和生殖發(fā)育中起調(diào)控作用酶只是起催化作用A BC D解析：有分泌功能的細胞能產(chǎn)生激素，而凡是活細胞均能產(chǎn)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(zhì)(蛋白質(zhì)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(diào)控作用的一般是激素物質(zhì)。答案：C點撥：本題綜合考查酶的產(chǎn)生部位、化學本質(zhì)、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(zhì)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(zhì)是合理的，但是認為這些物質(zhì)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(diào)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(zhì)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(chǎn)生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，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1071013倍。(2)實例1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。一份淀粉酶在適宜條件下可催化100萬份淀粉的水解。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。淀粉酶只能催化淀粉的水解，不能催化蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等的水解。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。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)酶的高效性實驗設計a實驗組：底物生物催化劑(酶)底物分解速率(或產(chǎn)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(chǎn)物形成的速率)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。實例：比較Fe3和過氧化氫酶的催化效率。(2)酶的專一性實驗設計試管號1234567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)作用條件變量分析：實驗中自變量是不同底物或不同酶液，因變量是底物是否被分解。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。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(nèi)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。設計思路變量分析a自變量：溫度(或pH)。b因變量：底物分解速率(現(xiàn)存量)或產(chǎn)物形成速率(產(chǎn)物生成量)。c無關變量：底物濃度、體積、酶濃度、溫度(或pH)。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(chǎn)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(zhì)，強酸、強堿、高溫等劇烈條件都會影響到蛋白質(zhì)的結構，所以酶比較“嬌氣”?！纠?】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(jù)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(zhì)壁分離和質(zhì)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5­1­5A表示酶，B表示被催化的反應物。酶和被催化的反應物分子都有特定的結構。反應前后酶的結構與性質(zhì)不變。(2)表示酶專一性的曲線(如圖5­1­6所示)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。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(nèi)，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(nèi)底物減少量或產(chǎn)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(jù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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0.91.5，腸液中的酶最適宜的pH大于7，為弱堿性。