高中生物 第5章 第1节 降低化学反应活化能的酶学案 新人教版必修1.docx
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高中生物第5章第1节降低化学反应活化能的酶学案新人教版必修1
第1节 降低化学反应活化能的酶
学习目标
1．说明酶在细胞代谢中的作用、本质和特性。
（重点、难点）
2．通过阅读分析“关于酶本质的探索”的资料，认同科学是在不断的探索和争论中前进的。
3．进行有关的实验和研究，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验。
（难点）,
知识结构
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的化学反应统称为细胞代谢。
（2）特点：
①一般都需要酶催化。
②在水环境中进行。
③反应条件温和。
④一般伴随着能量的释放和储存。
（3）地位：
是细胞生命活动的基础。
（1）从性质上看，细胞代谢包括物质代谢和能量代谢两个方面。
细胞内每时每刻都在进行着化学反应，与此同时伴随着相应的能量变化。
物质是能量的载体，而能量是物质运输的动力。
物质代谢和能量代谢相伴而生，相互依存。
（2）从方向上看，细胞代谢包括同时进行、对立统一的同化作用和异化作用。
同化作用和异化作用相互依存，同化过程中有物质的分解、能量的释放，异化过程中有物质的合成、能量的储存。
同化作用为异化作用的进行提供物质和能量基础，而同化作用进行所需要的能量又靠异化作用来提供。
（3）从实质上看，细胞代谢是生物体活细胞内所进行的有序的、连锁的化学反应。
应特别注意只有活细胞内进行的化学反应才是有序的，死细胞内虽然也进行着化学反应，但是无序的，所以不属于细胞代谢的范畴。
（4）从意义上看，细胞代谢的过程完成了细胞成分的更新，而细胞成分的更新正是生化反应造成的物质转化和能量转变的结果。
在细胞代谢的基础上，生物体既进行新旧细胞的更替，又进行细胞内化学成分的更新，最终表现出生长、发育、生殖等生命活动。
2.实验：
比较过氧化氢在不同条件下的分解
（1）实验原理：
新鲜肝脏中含有过氧化氢酶，Fe3＋是一种无机催化剂。
用一定数量的过氧化氢酶和Fe3＋催化过氧化氢分解成H2O和O2，可比较两者的催化效率。
过氧化氢的分解反应式：
2H2O2
2H2O＋O2；2H2O2
2H2O＋O2
（2）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和意义。
（3）材料用具：
新鲜的质量分数为20%的肝脏（如猪肝、鸡肝）研磨液，量筒，试管，滴管，试管架，卫生香，火柴，酒精灯，大烧杯，石棉网，三脚架，试管夹，温度计，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。
（4）过程及现象
①过程示意图（图511）
②实验过程和结果列表
试管编号
实验设置
实验现象
结果分析
1号（2mLH2O2溶液）
对照组（不做处理）
无明显气泡放出，无助燃性
H2O2的自然分解缓慢
2号（2mLH2O2溶液）
水浴加热（90℃）
有明显气泡放出，有助燃性
加热能促进H2O2的分解
3号（2mLH2O2溶液）
加入质量分数为3.5%的FeCl3溶液2滴
有较多气泡放出，助燃性强
Fe3＋能催化H2O2的分解
4号（2mLH2O2溶液）
加入质量分数为20%的肝脏研磨液2滴
有大量气泡放出，助燃性更强
过氧化氢酶也有催化H2O2分解的作用，且催化效率比Fe3＋高
③实验结论的理论分析
自变量
因变量
无关变量
对照组
实验组
2号：
90℃水浴加热
用产生气泡的多少表示H2O2的分解速率
加入H2O2的量；实验室温度；FeCl3和肝脏研磨液的新鲜程度
1号试管
2、3、4号试管
3号：
加入质量分数为
3.5%的FeCl3溶液2滴
4号：
加入质量分数为20%的肝脏研磨液2滴
（1）实验设计要遵循单一变量原则和等量对照原则严格控制变量。
“单一变量”即指实验中唯一的自变量；“等量对照”是指其他无关变量相等且适宜的情况下，设置对照组与实验组作比较。
（2）实验中必须用新鲜的刚从活动物体内取出的肝脏作实验材料。
肝脏要研磨充分，以加大肝细胞内过氧化氢酶与试管中H2O2的接触面积，从而加速H2O2的分解。
（3）H2O2具有一定的腐蚀性，使用时不要让其接触皮肤。
（5）实验结论
①酶同无机催化剂一样具有加快化学反应速率的作用，因此酶具有催化性。
②酶同无机催化剂相比，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（如图512所示）。
（2）酶是一种生物催化剂，能改变反应途径，其作用是降低化学反应的活化能。
（3）酶在代谢中仅起催化作用，本身化学性质和质量均不发生变化。
酶在进行催化作用时，首先与底物（即反应物）结合，形成不稳定的中间产物，中间产物再分解成酶和产物，因此可反复起催化作用。
（1）在一个化学反应体系中，只有反应物获得能量变为活跃状态，反应才可以进行，所以处于活跃状态的分子越多，反应速率越快。
（2）酶的作用仅是催化化学反应的进行，并不为反应提供物质和能量，不改变化学反应的方向，也不改变化学反应平衡点。
教材第78～79页参考答案
问题探讨
1．这个实验要解决的问题是：
鸟类的胃是否只有物理性消化，没有化学性消化。
2．是胃内的化学物质——酶将肉块分解了。
3．收集胃内的化学物质，将肉块放入该物质中，看这些物质在体外是否也能将肉块分解。
实验
1．2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。
2．不能。
3．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。
4．4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。
【例1】 在比较过氧化氢酶和Fe3＋催化H2O2分解的实验中，对实验结果分析正确的是（ ）
A．在过氧化氢酶的作用下，过氧化氢的分解最快，是因为质量分数为20%的肝脏研磨液的浓度高于质量分数为3.5%的FeCl3溶液
B．质量分数为3.5%的FeCl3溶液对过氧化氢分解速率慢，是因为其分子的物质的量浓度过高，影响了活性的正常发挥
C．肝脏研磨液中过氧化氢分解速率快，是因为酶的催化效率比一般无机催化剂催化效率高
D．如果将四支试管都放在90℃水浴中，第4支试管（加肝脏研磨液的试管）反应速率仍最快
解析：
质量分数为20%的肝脏研磨液中含酶的数量并不大，远低于质量分数为3.5%的FeCl3溶液中溶质的分子数；催化剂浓度大不会影响活性的正常发挥；酶降低化学反应所需活化能的作用要比无机催化剂效果更显著，催化效率更高；过氧化氢酶的化学本质是蛋白质，在90℃水浴中，将会变性失去催化能力，Fe3＋却仍可以起催化作用。
答案：
C
点拨：
酶比无机催化剂的催化效率更高，但在高温时会变性失活，而无机催化剂高温时仍有催化作用。
酶的本质
1．酶的概念
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质。
2．关于酶本质的探索
发现者
发现过程及结论
19世纪，酿酒业在欧洲经济中占有重要地位，受葡萄酒经常莫名其妙地变酸的困扰，科学界非常重视对发酵过程的研究
巴斯德
1857年，法国微生物学家巴斯德通过显微镜观察，提出酿酒中的发酵是由于酵母细胞的存在
李比希
坚持认为引起发酵的是酵母细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用
毕希纳
从细胞中获得了含酶的提取液，并将酵母细胞中引起发酵的物质称为酿酶
萨姆纳
认为酶是蛋白质。
1917年，萨姆纳决定从刀豆种子中提取纯酶；1926年，他提取到脲酶结晶，并用多种方法证明了脲酶是蛋白质
许多科学家
提取了多种酶的蛋白质结晶，证明酶是一类具有生物催化作用的蛋白质
切赫和奥特曼
20世纪80年代，发现少数RNA也具有生物催化功能
3.酶的本质
酶与激素、蛋白质的关系
（1）凡是活细胞都可产生酶（哺乳动物的成熟红细胞等除外），只有内分泌细胞才可产生激素，所以能产生酶的细胞不一定能产生激素，但能产生激素的细胞一定能
产生酶，如图513所示。
（2）绝大多数酶是蛋白质，但不是所有的蛋白质都是酶，只有具有催化作用的蛋白质才是酶。
【例2】 下列有关生物体内酶的叙述正确的是（ ）
①是有分泌功能的细胞产生的 ②有的从食物获得，有的从体内转化而来 ③凡是活细胞，都能产生酶 ④绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA ⑤有的酶是蛋白质，有的是固醇 ⑥酶在代谢中有多种功能 ⑦在新陈代谢和生殖发育中起调控作用 ⑧酶只是起催化作用
A．①②⑤B．②③⑦
C．③④⑧D．④⑤⑥
解析：
有分泌功能的细胞能产生激素，而凡是活细胞均能产生酶；机体所需的酶无法从食物中获取，因为新陈代谢的结构单位是细胞，酶是大分子物质（蛋白质或RNA），外界的酶无法直接进入细胞参与反应；酶所起的作用只是催化作用，降低分子的活化能；对生物体的正常生理活动起调控作用的一般是激素物质。
答案：
C
点拨：
本题综合考查酶的产生部位、化学本质、作用，应特别注意比较酶与激素的区别。
教材第82页参考答案
资料分析
1．巴斯德认为发酵与活细胞有关是合理的，但是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，但是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。
2．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的目标集中在他们争论的焦点上，使科学研究更加有的放矢。
3．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。
4．萨姆纳历时9年用正确的科学方法，将酶提纯出来。
他有一种坚持不懈、百折不挠的科学精神。
成功属于不畏艰苦的人。
5．酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。
酶的特性
1．酶具有高效性
（1）含义：
酶的催化效率是无机催化剂的107～1013倍。
（2）实例
①1个过氧化氢酶分子在25℃条件下1min可催化500万个过氧化氢分子的分解反应。
②一份淀粉酶在适宜条件下可催化100万份淀粉的水解。
③将唾液稀释10倍与用唾液原液催化淀粉水解的效果相同。
（3）意义：
保证细胞代谢顺利进行。
2．酶具有专一性
（1）含义：
每一种酶只能催化一种或一类化学反应，这就像一把钥匙开一把锁一样。
酶对它所作用的底物有着严格的选择，它只能催化一定结构或者一些结构近似的化合物，使这些化合物发生生物化学反应。
（2）实例
①过氧化氢酶只能催化过氧化氢分解，不能催化其他化学反应。
②淀粉酶只能催化淀粉的水解，不能催化蛋白质和脂质等的水解。
③脲酶除了催化尿素分解外，对其他化学反应也不起催化作用。
④麦芽糖酶只能催化麦芽糖水解，将其水解成葡萄糖，而对其他的糖则不起催化作用。
（3）意义：
使细胞代谢有序进行。
3．酶的作用条件较温和
（1）酶在常温、常压、适宜的pH等温和条件下，具有很高的催化效率。
酶对化学反应的催化效率也称为酶的活性。
（2）在最适的温度和pH条件下，酶的活性最高。
（3）温度偏高或偏低，pH过酸或过碱，酶的活性都会明显降低。
（4）0℃左右的低温虽然使酶的活性明显降低，但酶的空间结构保持稳定，在适宜的温度下酶的活性可以恢复；过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。
4．酶的特性实验探究
（1）酶的高效性
①实验设计
a．实验组：
底物＋生物催化剂（酶）
底物分解速率（或产物形成的速率）
b．对照组：
底物＋无机催化剂
底物分解速率（或产物形成的速率）
②变量分析：
实验中的自变量是催化剂，因变量是底物分解速率。
③实例：
比较Fe3＋和过氧化氢酶的催化效率。
（2）酶的专一性
①实验设计
试管号
1
2
3
4
5
6
7
底物（1mL）
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
实验处理（1mL）
蒸馏水
蒸馏水
稀释的蔗糖酶溶液
稀释唾液
蒸馏水
稀释的蔗糖酶溶液
稀释唾液
反应条件
37℃恒温水浴，保温10min
斐林试剂
1滴
1滴
1滴
1滴
1滴
1滴
1滴
鉴定反应
酒精灯上煮沸
颜色
砖红色
蓝色
蓝色
砖红色
蓝色
砖红色
蓝色
得出结论
（1）催化范围；
（2）作用条件
②变量分析：
实验中自变量是不同底物或不同酶液，因变量是底物是否被分解。
③实例
a．探究胃蛋白酶对蛋白块和淀粉块的分解作用。
b．探究胃蛋白酶和唾液淀粉酶对蛋白块的分解作用。
④结论：
酶只对特定的底物有催化功能。
由于酶具有专一性，而细胞内的化学反应极其繁多，不同的反应需要不同的酶来催化，这说明酶具有多样性。
（3）酶的作用条件较温和
①实验设计共性
在设计酶需要适宜的温度和pH的实验中，每一组实验都必须事先将底物、酶液分别处理到各自所需要控制的温度和pH，使反应一开始便达到预设温度和pH，减小实验误差。
②设计思路
③变量分析
a．自变量：
温度（或pH）。
b．因变量：
底物分解速率（现存量）或产物形成速率（产物生成量）。
c．无关变量：
底物浓度、体积、酶浓度、温度（或pH）。
④设计实例——温度和pH对酶活性的影响
a．变量分析：
实验中自变量是pH、温度的不同。
b．结论：
酶的活性受温度和pH的影响，它们均有一个最适范围，低于或高于此范围，酶的活性都不能达到最佳状态，甚至丧失活性。
实验步骤要有一定的顺序，实验步骤的前后顺序一般不能随意颠倒，否则，实验自变量的控制就会产生误差，从而影响实验结果的准确性。
尤其是在研究温度或pH对酶活性的影响这类实验中，一定要注意在酶发挥作用时必须达到实验要求的温度或pH。
教材第85页参考答案
旁栏思考题
绝大多数酶是蛋白质，强酸、强碱、高温等剧烈条件都会影响到蛋白质的结构，所以酶比较“娇气”。
【例3】 下表是探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用实验设计及结果。
注：
“＋”表示有；“－”表示无。
*：
此行“＋”的多少代表颜色的深浅。
根据实验结果，以下结论正确的是（多选）（ ）
A．蔗糖被水解成非还原糖
B．淀粉在淀粉酶的作用下水解成还原糖
C．淀粉酶活性60℃比40℃时高
D．淀粉酶对蔗糖的水解具有专一性
解析：
酶具有专一性，一种酶只能催化一种或一类化学反应，淀粉酶只能催化淀粉水解，而不能催化蔗糖水解，A、D项错误；在淀粉溶液的三支试管都出现了砖红色沉淀，这说明淀粉酶将淀粉水解成了还原糖，故B项正确；同时还可以看出在60℃的条件下砖红色沉淀量比40℃条件下多，说明60℃条件下的试管中还原糖含量比40℃多，证明淀粉酶的活性在60℃时比40℃时高，C项正确。
答案：
BC
点拨：
对照实验常用方法
（1）空白对照：
设置两组实验，一组给予该实验的自变量处理，另一组不作任何处理。
（2）自身对照：
只设置一组实验，通过比较实验对象在实验前后现象的变化来说明问题，不再另设对照实验。
例如，洋葱表皮细胞的质壁分离和质壁分离复原实验就是自身对照实验。
（3）条件对照：
设置两组实验，在实验所要研究的自变量方面，进行不同的处理。
例如过氧化氢酶与无机催化剂Fe3＋对过氧化氢的催化效率的比较实验，一组的自变量是过氧化氢酶，另一组的自变量是Fe3＋。
（4）相互对照：
通常设置多组实验，这些组都给予了自变量处理，只是在处理的量或程度方面有所差别，通过它们之间的相互比较来说明问题。
例如温度对酶活性影响的实验，设置温度有三组，分别是0℃、60℃、100℃。
与酶有关的曲线解读
1．表示酶高效性的曲线（如图514所示）
（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时间，不改变化学反应的平衡点。
（3）酶只能催化已存在的化学反应。
2．表示酶的专一性曲线
（1）酶的专一性示意图（如图515所示）
图515
①A表示酶，B表示被催化的反应物。
②酶和被催化的反应物分子都有特定的结构。
③反应前后酶的结构与性质不变。
（2）表示酶专一性的曲线（如图516所示）
①在反应物中加入酶A，反应速率较未加酶时明显加快，说明酶A催化底物参加反应。
②在反应物中加入酶B，反应速率和未加酶时相同，说明酶B不催化底物参加反应。
3．酶活性的影响因素曲线（如图517所示）
（1）在一定温度（pH）范围内，随温度（pH）的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围酶催化作用逐渐减弱。
（2）在最适温度（pH）时，酶的催化作用最强，高于或低于最适温度（pH），酶的催化作用都将减弱。
（3）过酸、过碱、高温都会使酶失活，而低温只是抑制酶的活性，酶分子结构未被破坏，温度升高可恢复活性。
（4）反应溶液酸碱度的变化不影响酶作用的最适温度。
4．底物浓度和酶浓度对酶促反应的影响曲线（如图518所示）
（1）在其他条件适宜、酶量一定的条件下，酶促反应速率随底物浓度增加而加快，但当底物达到一定浓度后，受酶数量和酶活性限制，酶促反应速率不再增加。
（2）在底物充足、其他条件适宜的情况下，酶促反应速率与酶浓度成正比。
温度、pH、底物浓度和酶浓度都可影响酶促反应速率。
不同的是温度和pH是通过影响酶活性而影响酶促反应的，而底物浓度和酶浓度不影响酶活性。
（1）酶的催化活性的强弱以单位时间（每分钟）内底物减少量或产物生成量来表示。
研究某一因素对酶促反应速率的影响时，应在保持其他因素不变的情况下，单独改变所要研究的因素。
（2）影响酶促反应的因素有酶的浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。
【例4】 如图519所示，A、B、C三图依次表示在酶浓度一定时，反应速率和反应物浓度、温度、pH的关系。
请据图回答下列问题。
（1）图A中，当反应物达到某一浓度时，反应速率不再上升，其原因是______________________________。
（2）图B中，A点所对应的温度称__________________。
（3）图B中，A点到B点的曲线急剧下降，其原因是______________________________________。
（4）将装有酶与反应物的甲、乙两试管分别放入12℃和75℃的水浴锅中，20min后取出，转入37℃的水浴锅中保温，两试管内的反应分别为：
甲______________，乙______________。
（5）图C表示了________催化反应速率的变化曲线。
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）图A中，当反应物在低浓度范围内增加时，反应速率迅速上升。
当反应物达到某一浓度时，反应速率不再上升，这是因为虽然酶具有高效性，但它的催化能力是有一定限度的，当所有的酶都发挥了最高催化效率后，反应物浓度再增加，反应速率也不会再加快。
（2）图B中，A点对应的酶的催化效率最高，说明它对应的温度就是酶促反应的最适温度。
（3）从A点到B点，由于温度逐渐升高，酶的分子结构逐渐被破坏，从而使酶活性降低，反应速率下降。
（4）因为甲试管的温度较低，所以酶的活性较低，反应速率减慢，当转入37℃的水浴锅中保温后，其反应速率会迅速增加。
乙试管在75℃的高温下，酶的结构被破坏，使酶丧失活性，即使再转入37℃的水浴锅中保温，酶的活性也不能恢复，不再发生催化反应。
（5）图C中，酶的最适pH为弱碱性，唾液淀粉酶和植物淀粉酶的最适pH近于中性，胃蛋白酶的最适pH为强酸性，只有胰蛋白酶的最适pH为弱碱性。
答案：
（1）受反应中酶浓度的限制
（2）酶促反应的最适温度 （3）温度升高，酶活性降低 （4）反应速率加快 无催化反应 （5）C
点拨：
（1）正确解读与酶相关的曲线图是解题的关键。
（2）人体内的酶促反应的最适温度为37℃左右，不同的消化酶最适宜的pH不同；唾液淀粉酶适宜的pH为7左右，胃液中酶最适宜的pH范围是0.9～1.5，肠液中的酶最适宜的pH大于7，为弱碱性。
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