5.1 降低化学反应活化能的酶课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修一

第5章 细胞的能量供应和利用 第1节 降低化学反应活化能的酶 1773年，意大利科学家斯帕兰札尼做了一个巧妙的实验：将肉块放入小巧的金属笼内，然后让鹰把小笼子吞下去。过一段时间后, 他把小笼子取出来，发现笼内的肉块消失了。 讨论: 1、这个实验说明食物的消化作用与什么有关？ 2、为什么要将肉块放在金属笼内？ 3、怎样才能证明你的推测？ 问题探讨 胃内的化学物质 排除物理性消化干扰，同时便于取出肉块。 收集胃内的化学物质，看看这些物质在体外是否也能将肉块分解。 第1节 降低化学反应活化能的酶 后来，科学家发现胃液中含有大量的盐酸，于是推测盐酸是使食物分解的物质。但1835年，德国科学家施旺通过实验发现，胃腺分泌物中有一种物质，将它与盐酸混合后，对肉类的分解能力远远大于盐酸的单独作用，这种物质就是胃蛋白酶。 施旺 事实上，活细胞中存在种类繁多的酶，目前已发现的酶有8000多种，酶是细胞代谢中的一种非常重要的物质，所有的细胞代谢都离不开酶。 细胞代谢是指细胞中每时每刻都进行着的许多化学反应，这些化学反应统称为细胞代谢。 那么酶在细胞代谢中起什么重要作用？酶的化学本质又是什么呢？ 第1节 降低化学反应活化能的酶 （一）酶在细胞代谢中的作用 细胞代谢是细胞生命活动的基础，但细胞代谢中也会产生代谢废物，甚至会产生对细胞有害的物质，如过氧化氢。体内过氧化氢过多会导致皮肤发黄，毛发变白，会加速人体衰老。幸而细胞中含有另一种物质，能将过氧化氢及时分解为氧气和水，这种物质就是过氧化氢酶。 2H2O2 2H2O + O2↑ 过氧化氢酶 一、酶的作用和本质 1、过氧化氢酶 资料：过氧化氢是一种强氧化剂，通过氧化作用能破坏微生物表面蛋白质的结构，因此生活中常用作消毒剂。在一般情况下它会缓慢分解成水和氧气，但分解速度极其慢，但在加热、强酸、强碱和催化剂（FeCl3）等条件下，其反应会明显加快。下面我们就以过氧化氢在不同条件下的分解为例来探究酶在细胞代谢中的作用。 2、实验探究：过氧化氢在不同条件下的分解 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液（肝脏是人体重要的解毒器官，肝细胞内含较多的过氧化氢酶） 质量分数为3.5%的FeCl3溶液 新配制的体积分数为3%的H2O2溶液 量筒、试管、滴管、试管架、试管夹、大烧杯、 三脚架、石棉网、温度计、卫生香、火柴 （1）材料用具 2、实验探究：过氧化氢在不同条件下的分解 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 （2）方法步骤 1.取4支洁净的试管，分别编上序号1、2、3、4，向各试管内分别加入2mL 过氧化氢溶液，按序号依次放置在试管架上。 试管编号 1 2 3 4 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 加入材料 1 2 3 4 2、实验探究：过氧化氢在不同条件下的分解 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 2.将2号试管放在90℃左右的清水中水浴加热，观察气泡冒出的情况，并与1号试管作比较。 试管编号 1 2 3 4 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 加入材料 处理方法 —— 90℃水浴加热 讨论1：与1号试管相比，2号试管出现什么不同的现象？这一现象说明什么？ 2号试管放出的气泡多，说明加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率 讨论2：在细胞内，能通过加热来提高反应速率吗？ 不能 2ml H2O2溶液 1号 2号 2ml H2O2溶液 90℃水浴 3.向3号试管内滴入2滴FeCl3溶液，向4号试管内滴入2滴肝脏研磨液，仔细观察，并记录实验结果。 试管编号 1 2 3 4 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 2mL过氧 化氢溶液 加入材料 处理方法 —— 90℃水浴加热 2滴FeCl3溶液 2滴肝脏研磨液 讨论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？ 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。 2ml H2O2溶液 3号 4号 2滴FeCl3溶液 2滴肝脏研磨液 讨论4：3号试管与4号试管相比，哪支试管中的反应速率快？为什么？ 讨论5：已知每滴FeCl3溶液中的Fe3+数大约是每滴研磨液中H2O2酶分子数的25万倍，但4号比3号试管中的反应速率更快,这说明什么？ 过氧化氢酶比Fe3+的催化效率高得多。 讨论6：通过上面分析，你能解释为什么说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要吗？ 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、常压下高效地进行，只有酶能够满足这样的要求，所以说酶对于细胞内的化学反应的顺利进行是至关重要的。 4号试管的反应速率比3号试管快得多，因为4号试管中单位时间内气泡产生的量更多，使带火星的卫生香燃烧的更旺。 3、科学方法：控制变量和设计对照实验 实验过程中的 称为变量。变量有 、 和 。 其中人为控制的对实验对象进行处理的因素叫作 。 变化因素 试管号 体积分数为3%的H2O2溶液 自变量 因变量 卫生香检测 结果分析 处理方法 气泡多少 1 2 mL —— 几乎没有 —— H2O2自然分解缓慢 2 2 mL 90 ℃左右水浴加热 少量 —— 加热能促进H2O2分解 3 2 mL 滴加质量分数为3.5%的FeCl3溶液2滴 较多 复燃性弱 Fe3+能催化H2O2的分解 4 2 mL 滴加质量分数为20%的肝脏研磨液2滴 很多 复燃性强 过氧化氢酶有催化H2O2分解的作用,且效率高 自变量 自变量 因变量 无关变量 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 实验中因自变量改变而变化的变量叫作 。 因变量 试管号 体积分数为3%的H2O2溶液 自变量 因变量 卫生香检测 结果分析 处理方法 气泡多少 1 2 mL —— 几乎没有 —— H2O2自然分解缓慢 2 2 mL 90 ℃左右水浴加热 少量 —— 加热能促进H2O2分解 3 2 mL 滴加质量分数为3.5%的FeCl3溶液2滴 较多 复燃性弱 Fe3+能催化H2O2的分解 4 2 mL 滴加质量分数为20%的肝脏研磨液2滴 很多 复燃性强 过氧化氢酶有催化H2O2分解的作用,且效率高 3、科学方法：控制变量和设计对照实验 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 除自变量外，实验过程中还存在一些对实验结果造成影响的可变因素，叫作 。如 。 试管号 体积分数为3%的H2O2溶液 自变量 因变量 卫生香检测 结果分析 处理方法 气泡多少 1 2 mL —— 几乎没有 —— H2O2自然分解缓慢 2 2 mL 90 ℃左右水浴加热 少量 —— 加热能促进H2O2分解 3 2 mL 滴加质量分数为3.5%的FeCl3溶液2滴 较多 复燃性弱 Fe3+能催化H2O2的分解 4 2 mL 滴加质量分数为20%的肝脏研磨液2滴 很多 复燃性强 过氧化氢酶有催化H2O2分解的作用,且效率高 无关变量 反应物浓度、 反应物体积、 反应时间 3、科学方法：控制变量和设计对照实验 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 试管号 体积分数为3%的H2O2溶液 自变量 因变量 卫生香检测 结果分析 处理方法 气泡多少 1 2 mL —— 几乎没有 —— H2O2自然分解缓慢 2 2 mL 90 ℃左右水浴加热 少量 —— 加热能促进H2O2分解 3 2 mL 滴加质量分数为3.5%的FeCl3溶液2滴 较多 复燃性弱 Fe3+能催化H2O2的分解 4 2 mL 滴加质量分数为20%的肝脏研磨液2滴 很多 复燃性强 过氧化氢酶有催化H2O2分解的作用,且效率高 实验中除自变量外，无关变量都 ，并将结果进行比较的实验叫作 。 对照实验 对照组 实 验 组 对照实验主要有空白对照、自身对照、相互对照和条件对照这四种类型。 空白对照是指不给对照组做任何实验处理，对实验组所要研究的实验因素给予空白。通常加入等量的清水、蒸馏水或生理盐水来进行处理。 自身对照是指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不另设对照组。通过自身实验前与实验后的变化来研究。 相互对照是指不另设对照组，而是几个实验组之间互相对照，其中每一组既是实验组也是其他组的对照组。通常用于不清楚探究的实验因素对实验结果有没有明确影响的情况。如：探究酵母菌细胞的呼吸方式。 条件对照是指对对照组施加某种实验因素的处理，但这种处理是作为对照因素的，不是所要研究的实验因素。如：验证甲状腺激素促进幼小动物发育的实验中的条件对照组饲喂甲状腺抑制剂。 保持一致 对照实验一般要设置对照组和实验组。 3、科学方法：控制变量和设计对照实验 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 试管号 体积分数为3%的H2O2溶液 自变量 因变量 卫生香检测 结果分析 处理方法 气泡多少 1 2 mL —— 几乎没有 —— H2O2自然分解缓慢 2 2 mL 90 ℃左右水浴加热 少量 —— 加热能促进H2O2分解 3 2 mL 滴加质量分数为3.5%的FeCl3溶液2滴 较多 复燃性弱 Fe3+能催化H2O2的分解 4 2 mL 滴加质量分数为20%的肝脏研磨液2滴 很多 复燃性强 过氧化氢酶有催化H2O2分解的作用,且效率高 对照组 实 验 组 讨论：1和2、1和3、1和4属于 对照，2和3、2和4、3和4属于 对照。 相互 空白 3、科学方法：控制变量和设计对照实验 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 思考：科学探究中设置对照实验的意义是什么？ 便于排除无关变量(如反应物浓度、反应物体积、反应时间等）对实验结果的干扰，使实验更具有说服力。 注意：对照实验的无关变量一定要控制相同且适宜，而不仅仅是相同。如该实验中若用30%的过氧化氢溶液行吗？如果反应时间过长行吗？为什么？ 都不行，如果反应物过氧化氢浓度过高，试管3和试管4的过氧化氢的分解速率都很大，那么实验现象会无明显差异；如果反应时间过长，那么试管3和4中过氧化氢都将完全分解，两试管中氧气产生量完全相同，卫生香复燃效果也会完全相同。 3、科学方法：控制变量和设计对照实验 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 拓展应用 在本节“探究·实践”中，有同学在原有实验的基础上增加了5号和6号试管，向其中分别加入2mL过氧化氢溶液后，再向5号试管内加入2滴煮沸过的肝脏研磨液，向6号试管内加入2滴蒸馏水。这样做的目的是 ： 编号 加入材料 处理方法 1 2mL过氧化氢溶液 —— 2 2mL过氧化氢溶液 90 ℃水浴加热 3 2mL过氧化氢溶液 2滴FeCl3溶液 4 2mL过氧化氢溶液 2滴肝脏研磨液 5 2mL过氧化氢溶液 6 2mL过氧化氢溶液 2滴煮沸过肝脏研磨液 2滴蒸馏水 相互对照，说明肝脏研磨液的新鲜度对实验影响很大。 空白对照，比试管1设计更严谨，排除了试剂量对实验的影响。 增加实验的对照组别，增强实验的说服力。 3、科学方法：控制变量和设计对照实验 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 通过实验发现，加热、FeCl3和过氧化氢酶都能促进过氧化氢分解，但发生的反应速率却差别很大，这是什么原因？它们之间又有什么不同呢？ 加热使过氧化氢分子得到了能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。 活 化 能 常态分子 活跃状态分子 4、酶在细胞代谢中的作用 活化能是指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。 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 加热使过氧化氢分子得到了能量，获得了反应的活化能，从而促进了过氧化氢的分解。但Fe3+和过氧化氢酶并没有给过氧化氢分子提供能量，为何也能促进过氧化氢的分解呢？ 化学反应像驾车翻越一座高山，“加热”相当于给汽车加大油门。 Fe3+和过氧化氢酶等催化剂相当于帮司机找到穿山的隧道。也就是说它们能降低化学反应的活化能。 4、酶在细胞代谢中的作用 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高。 正是由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和条件下快速有序地进行。 4、酶在细胞代谢中的作用 一、酶的作用和本质 （一）酶在细胞代谢中的作用 阅读教材P79-80关于酶本质的探索，思考讨论后面几个问题： 酶到底是什么物质呢？ 19世纪以前，人们还不知道酶为何物。19世纪以后，随着对酿酒中发酵过程的深入研究，科学家才逐渐揭开了酶的“面纱”。 一、酶的作用和本质 （二）酶的本质 问题1 巴斯德和李比希的观点各有什么积极意义？各有什么局限性？ 合理 不正确 巴斯德 李比希 发酵与活细胞有关 发酵是整个细胞而不是细胞中的某些物质在起作用 引起发酵的是细胞中的某些物质 这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用 一、 酶的作用和本质 （二）酶的本质 问题2 在科学发展过程中出现争论是正常的。巴斯德和李比希之间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？ 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目标集中在他们争论的焦点上，使科学研究更加有的放矢。 一、 酶的作用和本质 （二）酶的本质 问题3 从毕希纳的实验可以得出什么结论？ 酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续其催化作用，就像在活酵母细胞中一样。 问题4 萨姆纳历时9年才证明脲酶是蛋白质，并因此荣获诺贝尔化学奖。你认为他取得成功靠的是什么样的精神品质？ 用正确的科学方法，坚持不懈、百折不挠的科学精神，成功属于不畏艰苦的人。 问题5 请给酶下一个比较完整的定义。 一、 酶的作用和本质 （二）酶的本质 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。 马克思 “在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。” 一、 酶的作用和本质 （二）酶的本质 课堂小结 一、 酶的作用和本质 一、概念检测 1.酶对细胞代谢起着非常重要的作用，可以降低化学反应的活化能。下列关于酶的作用特点及本质的叙述，正确的是（ ） A.酶不能脱离生物体起作用 B.酶只有释放到细胞外才起作用 C.所有的酶都是蛋白质 D.酶是具有催化作用的有机物 ✔ 2.酶和无机催化剂都能催化化学反应。与无机催化剂相比，酶具有的特点是（ ） A.能为反应物提供能量 B.能降低化学反应的活化能 C.能在温和条件下催化化学反应 D.催化化学反应更高效 ✔ 3.给你一份某种酶的结晶，你能设计实验检测它是不是蛋白质吗？请简略写出实验步骤。想一想，在萨姆纳之前，为什么很难鉴定酶的本质？ 双缩脲试剂 因为细胞中酶的提取和纯化非常困难。 2.仔细阅读本节的“思考▪讨论”，通过完成下面的图解，体会巴斯德、李比希、毕希纳、萨姆纳的观点之间的逻辑关系；写一篇短文，谈谈对科学发展过程的认识。 巴斯德之前 发酵是纯化学反应，与生命活动无关 巴斯德 李比希 毕希纳 萨姆纳 发酵与活细胞有关，发酵是整个细胞而不是细胞中的某些物质在起作用 引起发酵的是细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用 酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续其催化作用，就像在活酵母细胞中一样 酶是蛋白质 催化剂降低了反应物分子活化时所需的能量 $$