5.1 降低化学反应活化能的酶-【精讲课堂】2024-2025学年高一生物同步教学实用课件（人教版2019必修1）

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 1.为什么要将肉块放在金属笼内? 排除物理性消化对肉块的影响，确定其是否发生了化学性消化。 是胃内的化学物质将肉块分解了。 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。 斯帕兰札尼在研究鹰的消化作用 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。 2.是什么物质使肉块消失了? 3.怎样才能证明你的推测? 问题探讨 1.酶的发现过程 斯帕兰札尼 食物在胃中的消化，靠的是胃液中的某种物质。 后来科学家 发现胃液中含有大量的盐酸，推测盐酸是使食物分解的物质。 1835年施旺（德） 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大于盐酸的单独作用，这种物质就是胃蛋白酶。 一、酶在细胞代谢中的作用 3 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。 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。 细胞 代谢 2H2O2 2H2O + O2 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.细胞代谢的概念和意义 一、酶在细胞代谢中的作用 4 思考：哪种条件下H2O2的分解速率最快？ 资料1：药用过氧化氢溶液的说明书上关于过氧化氢的贮藏说明为“密闭、在荫凉处（温度不超过20℃）保存”。 资料2：过氧化氢在储运过程中有特殊的要求，严禁与FeCl3等金属化合物混存混运。 资料3：细胞代谢是细胞生命活动的基础，但代谢也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（包括头发）变白 ，会加速人体衰老。细胞中含有过氧化氢酶能够将过氧化氢及时分解，起到解毒的作用。 一、酶在细胞代谢中的作用 5 探究·实践：比较H2O2在不同条件下的分解 （1）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。 （2）实验原理 2H2O2 2H2O + O2 反应条件 加热是化学反应的常见条件 Fe3+是无机催化剂 新鲜的肝脏中含有过氧化氢酶 不同反应条件 通过O2的产生量判断 H2O2的分解情况 单位时间内产生气泡的多少； 带火星的卫生香的复燃情况。 一、酶在细胞代谢中的作用 6 1号 2号 3号 4号 2mLH2O2 90℃ 水浴加热 2滴 3.5%FeCl3 2滴 20%肝脏研磨液 常温 （3）实验步骤 不同反应条件 一、酶在细胞代谢中的作用 7 观察产生气泡的多少 观察卫生香的燃烧情况 基本无 少量 较多 大量 复燃 不明显 复燃 明显 （4）实验结果 一、酶在细胞代谢中的作用 8 与1号试管相比，2号试管产生的气泡多，这一现象说明了什么？ 3、4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明了什么？ 3号试管Fe3+数比4号试管H2O2酶高25万倍，但4号反应速率更快，这说明什么？ 加热能促进H2O2的分解,提高反应速率。 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。 过氧化氢酶比Fe3+ 的催化效率高得多。 （5）实验分析 一、酶在细胞代谢中的作用 9 （6）实验结论 加热、FeCl3溶液中的Fe3+以及新鲜肝脏研磨液中的过氧化氢酶都能加快过氧化氢分解。与无机催化剂Fe3+相比，过氧化氢酶的催化效率更高。 一、酶在细胞代谢中的作用 10 阅读课本78页科学方法“控制变量和设计对照实验”，明确自变量、因变量、无关变量的概念，并对应在本实验中。 （1）控制变量 变量：实验过程中的变化因素。 ①自变量：人为控制的对实验对象进行处理的因素（不同条件）。 ②因变量：因自变量改变而变化的变量（结果）。 ③无关变量： H2O2分解速率。 H2O2浓度和体积、反应时间等。 除自变量外，实验中还存在的一些也可对实验结果造成影响的其它变量（相同条件）。 一、酶在细胞代谢中的作用 11 除作为自变量的因素外，其余因素（无关变量）都保持相同且适宜，并将结果进行比较的实验。对照实验一般要设置对照组（未做任何处理）和实验组（做相应处理）。 （2）对照实验 对照实验类型：空白对照、自身对照、相互对照、条件对照。通过设置对照组既能排除无关变量对实验结果的影响，又能增加实验结果的可信度和说服力。 单一变量原则：在对照实验中，除了要观察的变量发生变化外，其他变量都应保持相同。（无关变量始终相同且适宜） 等量性原则：指除单一变量可以变化外，其他的实验条件应是一样的，如所用试剂量要相同，放在相同条件下培养，取长势相同的植物培养等。 一、酶在细胞代谢中的作用 12 试管编号 变量 步骤 1 2 3 4 一 二 三 观察 实验结论 2ml 2ml 2ml 2ml 3% 3% 3% 3% 常温 90℃ FeCl3 肝脏研磨液 2滴 2滴 几乎无 少量 较多 大量 不复燃 不复燃 变亮 复燃 过氧化氢在不同条件下的分解速率不一样 过氧化氢在过氧化氢酶的作用下分解速率最快 反应条件 无关变量 H2O2浓度 H2O2剂量 气泡产生 带火星的卫生香 自变量 因变量 相同 适宜 对照组 实验组 一、酶在细胞代谢中的作用 13 思考·讨论 1.为什么加热后H2O2能分解？ 2.FeCl3中Fe3+和猪肝研磨液的H2O2酶都能加快H2O2分解的原因与2号试管的相同吗？ 二、酶的作用机理 14 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。 Fe3+和过氧化氢酶促使过氧化氢分解，但它们并未供给过氧化氢能量，而是降低了过氧化氢分解的活化能。 穿山隧道 加热加压相当于给汽车加大油门。 提供能量 二、酶的作用机理 15 酶的作用机理 （1）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。 （2）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。 降低化学反应的活化能。 二、酶的作用机理 1.酶：更显著地降低化学反应的活化能（作用机理） 反应物的平均能量 终产物的平均能量 容易发生化学反应的活跃状态分子的平均能量（无催化剂） 容易发生化学反应的活跃状的分子的平均能量（＋无机催化剂） 容易发生化学反应的活跃状态分子的平均能量（＋酶） 能量 反应历程 E1 E2 E3 H2O2 H2O＋1/2O2 无机催化剂降低的活化能: 酶降低的活化能: E1—E2 E1—E3 二、酶的作用机理 2.加热为什么能使H2O2分解？ 因为加热使H2O2分子得到能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。 3.在常温常压下Fe3+和H2O2酶并未供给H2O2能量，为什么H2O2也能分解？ 它们降低了H2O2分解反应的活化能。 4.酶能增加产物的生成量吗？ 酶和无机催化剂一样能催化化学反应的进行，降低反应的活化能，但本身并不被消耗，不为化学反应提供物质和能量，不改变化学反应的方向和生成物的量。 思考·讨论 二、酶的作用机理 能够在细胞内温和环境中催化各种生化反应，酶是一种什么样的物质呢？ 请思考： 三、酶的本质 巴斯德之前 萨姆纳 巴斯德 李比希 毕希纳 切赫和奥尔特曼 发酵是纯化学反应，与生命活动无关 发酵必须有活细胞参与 引起发酵的是酵母菌细胞中的某些物质,且只在酵母菌死亡裂解后才发挥作用 活细胞粉碎后所得物质（酿酶）的作用和活的酵母细胞一样 证明脲酶是蛋白质 证明少量RNA也具有生物催化功能 切赫 奥尔特曼 三、酶的本质 20 1.巴斯德和李比希的观点各是什么？有什么积极意义？各有什么局限性？ 巴斯德认为发酵与适细胞有关，是合理的；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；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。 思考·讨论 三、酶的本质 21 2.巴斯德和李比希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。 思考·讨论 三、酶的本质 3.从毕希纳实验中可以得出什么结论？ 4.萨姆纳研究的是哪种酶？你认为他成功的主要原因是什么？ 5.切赫和奥尔特曼有什么新发现？ 6.酶的本质是什么？ 毕希纳的实验说明，酵母细胞中的某此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。 少数RNA也具有生物催化功能 萨姆纳历时9年，用正确的科学方法，坚持不懈、百折不挠的科学精神，将酶提纯出来。成功属于不畏艰苦的人。 其中绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA。 三、酶的本质 酶是活细胞产生的具有生物催化作用的有机物。 其中绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA。 酶的来源 真核细胞： 核糖体/细胞核 原核细胞：核糖体/拟核 原料：氨基酸/核糖核苷酸 酶的作用 酶的化学成分 作用机理：降低活化能 三、酶的本质 化学本质 绝大多数是_______ 少数是_____ 合成原料 _______ ___________ 组成元素 C、H、O、N，有的含有S _________________ 合成场所 _______ 细胞核(真核生物) 来源 活细胞(哺乳动物成熟红细胞除外) 作用场所 细胞内、细胞外、生物体外 生理功能 _____ 作用机理 _________________________ 酶的底物 酶促反应的反应物 蛋白质 RNA 氨基酸 核糖核苷酸 C、H、O、N、P 核糖体 催化 降低化学反应的活化能 三、酶的本质 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 练习与应用（教材80页） D D 三、酶的本质 二、拓展应用 1. 加2滴煮沸过的肝脏研磨液的5号试管，可以与加入新鲜的肝脏研磨液的4号试管作对照；同理加人2滴蒸馏水的6号试管可以作为3号试管和4号试管的对照组。 2. 巴斯德: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。 李比希:引起发酵的是细胞中的某些物质，但是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: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。 萨姆纳:酶是蛋白质。 3.提示:可用第2章中学过的检测蛋白质的方法。在萨姆纳之前，之所以很难鉴定酶的本质，主要是因为细胞中酶的提取和纯化非常困难。 练习与应用（教材80页） 三、酶的本质 酶 概念 作用 本质 酶是活细胞产生的具有生物催化作用的有机物 降低化学反应的活化能 绝大多数是蛋白质，少数是RNA 三、酶的本质 酶在生活中的应用 多酶片 多酶片中含有多种消化酶，人在消化不良时可以服用。 1.为什么需要用温水浸泡？ 加酶洗衣粉 果胶酶 分解果肉内细胞壁中的果胶，提高果汁产量，使果汁变得澄清。 四、酶的特性 酶的催化机理 酶促反应：由酶催化的化学反应称为酶促反应。 底物: 受酶催化而发生化学反应的分子叫底物（反应物）。 四、酶的特性 30 1.酶具有高效性 Fe3+做催化剂 过氧化氢酶 实验结论：酶和无机催化剂一样，都能催化化学反应，并且酶的催化效率远高于无机催化剂的催化效率。酶的催化效率一般是无机催化剂的107～1013倍。 四、酶的特性 31 酶没有改变产物的生成量，即不能改变化学反应的平衡点，只能缩短达到化学平衡所需的时间。 如图曲线表示一定量的过氧化氢溶液在不加催化剂自然分解时，产物的量随时间的变化，尝试画出加入三氯化铁和过氧化氢酶时的曲线。 图中如何看出酶具有高效性？ 四、酶的特性 酶具有高效性有什么意义呢？ 无机催化剂催化的化学反应的范围比较广，比如酸既能催化蛋白质的水解，也能催化脂肪水解，还能催化淀粉的水解。酶也可以吗？ 1 保证了细胞代谢快速有效地进行。 2 保证了细胞内能量供应的稳定。 你在踢球或奔跑时，肌细胞需要大量的能量供应。如果供能的化学反应慢悠悠地进行。你还能跑那么快吗?化学反应要酶来催化，酶的催化效率要高，你才能健步如飞。 四、酶的特性 资料：口腔里有唾液淀粉酶，可塞进牙缝里的肉丝两天后还没被消化?脲酶——只能催化尿素分解。过氧化氢酶——只能使过氧化氢分解。 根据上述资料，你能得出什么结论？ 2.酶具有专一性 酶具有专一性 意义:保证细胞代谢能够有条不紊地进行。 四、酶的特性 34 活动：验证酶的专一性 请思考讨论选择合适的试剂，并设计实验方案来验证酶的专一性。 试剂：淀粉溶液、蔗糖溶液、淀粉酶溶液、蔗糖酶溶液 1 号试管 2 号试管 步 骤 一 2ml 淀粉溶液 2ml 蔗糖溶液 二 加入 2ml 新鲜的淀粉酶溶液，振荡，约 60℃ 保温 5min 三 加入 2ml 斐林试剂，水浴加热 1min 能不能将实验中的斐林试剂换成碘液作为实验材料？ 不能 淀粉完全分解+碘液→无现象 蔗糖分解/不分解+碘液→无现象 1 2 四、酶的特性 探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 探究淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。 实验目的 实验原理 淀粉和蔗糖都是非还原糖。 淀粉和蔗糖在酶的作用下都能水解成还原糖。 通过斐林试剂鉴定溶液中是否有还原糖，确定酶促反应产物。 实验设计 1 号试管 2 号试管 步 骤 一 2ml 淀粉溶液 2ml 蔗糖溶液 二 加入 2ml 新鲜的淀粉酶溶液，振荡，约 60℃ 保温 5min 三 加入 2ml 斐林试剂，水浴加热 1min 现象 四、酶的特性 四、酶的特性 37 实验结果 1 号试管 2 号试管 步 骤 一 2ml 淀粉溶液 2ml 蔗糖溶液 二 加入 2ml 新鲜的淀粉酶溶液，振荡，约 60℃ 保温 5min 三 加入 2ml 斐林试剂，水浴加热 1min 现象 砖红色沉淀 无砖红色沉淀 酶具有专一性，即一种酶只能催化一种或一类反应 实验结论 淀粉酶只能催化淀粉水解，而不能催化蔗糖水解 四、酶的特性 38 1 底物A+酶溶液 等量底物B+等量相同酶溶液 方案一：酶相同，底物不同 底物+酶溶液1 等量相同底物+等量酶溶液2 2 1 2 方案二：底物相同，酶不同 淀粉酶+淀粉 淀粉酶+蔗糖 淀粉酶+淀粉 蔗糖酶+淀粉 斐林试剂 斐林试剂/碘液 四、酶的特性 唾液（淀粉酶） pH 6.2~7.4 胃液（胃蛋白酶） pH 0.9~1.5 小肠液（多种酶） pH 7.6 使用温水30-40℃效果最佳，切勿用60 ℃以上的热水 加酶 背景资料 酶的活性可能受温度、pH值的影响。 阅读上述材料，能得出哪些结论？ 酶活性：酶催化特定化学反应的能力。酶活性可以用在一定条件下催化某一化学反应的速率表示。 四、酶的特性 影响酶活性的条件 探究实验的一般程序： 提出问题 1 作出假设 2 设计实验 3 分析结果，得出结论 5 进行实验 4 表达交流 6 进一步探究 7 四、酶的特性 探究温度对酶活性的影响 实验原理 淀粉+碘液→_蓝色_ 用溶液中是否出现蓝色或蓝色的_深浅来判断淀粉_剩余量__。 实验设计 编号 试管1 试管1′ 试管2 试管2′ 试管3 试管3′ 实验步骤 一 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 二 放入0 ℃冰水中 水浴5 min 放入60 ℃温水中 水浴5 min 放入100 ℃热水中 水浴5 min 三 将1与1′试管内的液体混合后继续在0 ℃冰水内放置10 min 将2与2′试管内的液体混合后继续在60 ℃温水内放置10 min 将3与3′试管内的液体混合后继续在100 ℃热水内放置10 min 四 取出试管各加入两滴碘液，振荡 四、酶的特性 试管编号 试管1 试管1′ 试管2 试管2′ 试管3 试管3′ 实验步骤 一 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 2 mL淀粉酶溶液 2 mL淀粉溶液 二 放入0 ℃冰水中 水浴5 min 放入60 ℃温水中 水浴5 min 放入100 ℃热水中 水浴5 min 三 将1与1′试管内的液体混合后继续在0 ℃冰水内放置10 min 将2与2′试管内的液体混合后继续在60 ℃温水内放置10 min 将3与3′试管内的液体混合后继续在100 ℃热水内放置10 min 四 取出试管各加入两滴碘液，振荡 实验现象 实验结论 呈蓝色 无蓝色出现 呈蓝色 淀粉酶在60 ℃时催化淀粉水解，在100 ℃和0 ℃时都不能发挥催化作用。酶的催化作用需要适宜的温度，温度过高或过低都会影响酶的活性 实验结果 四、酶的特性 A B C AB段：在一定温度范围内，酶促反应速率随温度的升高而加快 B 点：在最适温度时，酶促反应速率最快 BC段：超过最适温度，酶促反应速率随温度升高而减慢，直至酶失活。 低温(如A点)影响酶的活性，但不会使酶的空间结构遭到破坏，温度适当升高后，酶仍能恢复活性。 但高温(如C点)会导致酶的空间结构遭到破坏，使其永久失活。 低温保存酶等蛋白质制品 影响酶活性的因素——温度 四、酶的特性 (1)取8支洁净的试管并编号,分别加入等量新鲜的肝脏研磨液。 (2)用盐酸或NaOH溶液调整出不同的pH(如5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0)。 (3)分别滴加等量的过氧化氢溶液并摇匀。 (4)用点燃但无火焰的卫生香来检测氧气的生成情况。 探究PH对酶活性的影响 H2O2→H2O+O2。不同条件下气泡产生速率反映H2O2的分解速率 实验原理: 酶发挥催化作用需要适宜的pH,pH偏高或偏低都会影响酶的活性。 实验方案 实验结论: 四、酶的特性 C B A B点对应的pH表示： AB段表示： BC段表示： 酶的最适pH 超过最适pH后，随pH上升，酶活性下降。 在一定pH范围内，随pH上升，酶活性上升。 影响酶活性的因素——pH 在过酸过碱的条件下，都会使酶的空间结构遭到破坏而失去活性。 四、酶的特性 1.为什么不选择淀粉和淀粉酶做pH影响酶活性的实验? 2.如何避免除pH之外的因素对实验结果造成干扰? 3.归纳总结:通过以上两个实验可以得出什么结论? 酸性溶液会使淀粉分解,影响实验结果; 碱性条件下碘与淀粉不会变蓝色。 除自变量pH外,其他的无关变量,在实验过程中必须控制为完全相同且适宜。 酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的,酶促反应需要适宜的温度和pH。 四、酶的特性 47 每种酶都有自己的最适温度 一般动物体内的酶最适pH大多：6.5～8.0例外：胰蛋白酶：1.5。 植物体内的酶最适pH大多：4.5～6.5 动物：35～40℃ 植物：40～50℃ 细菌、真菌体内的酶最适温度差别较大，有的高达70℃ 每种酶都有自己的最适pH 四、酶的特性 除了前面提到的温度、PH还有酶的浓度、底物的浓度。 在一定浓度范围内，反应速率随浓度的升高而加快；但达到一定浓度后，反应速率不再变化 酶促反应速率 底物浓度 酶量一定 底物浓度 酶促反应速率 酶的浓度 反应速率随酶浓度的升高而加快 酶的浓度 底物足够 四、酶的特性 1.具有高效性 2.具有专一性 3.作用条件较温和：要有合适的温度、要有合适的pH 比较过氧化氢酶和Fe3＋的催化效率 淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 温度对淀粉酶活性的影响 pH对过氧化氢酶活性的影响 酶的特性 四、酶的特性 人发烧时不想吃东西，原因是体温升高导致消化酶活性降低，食物在消化道中消化缓慢。 唾液淀粉酶随食物进入胃内就会失活，原因是唾液淀粉酶的最适pH为6.8，而胃液的pH为0.9～1.5。 胰岛素等蛋白质类或多肽类激素只能注射，不能口服，原因是口服会导致该类激素被蛋白酶和肽酶分解成氨基酸而失效。 固醇类激素(如性激素)和氨基酸衍生物类激素(如甲状腺激素)不会被消化酶分解，既可以注射，也可以口服。 酶在生活中的实例 51 课堂小结 1. 嫩肉粉的主要作用是利用其中的酶对肌肉组织中的有机物进行分解，使肉类制品口感鲜嫩。由此可推测嫩肉粉中能起分解作用的酶是 （ ） A. 纤维素酶 B. 淀粉酶 C. 脂肪酶 D. 蛋白酶 2. 能够促使唾液淀粉酶水解的酶是 （ ） A. 淀粉酶 B. 蛋白酶C. 脂肪酶 D. 麦芽糖酶 3. 将刚采摘的新鲜糯玉米立即放入 85 ℃水中热烫处理 2 min，可较好地保持甜味。这是因为加热会 （ ） A. 提高淀粉酶的活性 B. 改变可溶性糖分子的结构 C. 破坏淀粉酶的活性 D. 破坏将可溶性糖转化为淀粉的酶的活性 练习与应用（教材80页） D B D 1.这个模型中A代表某类酶，B代表底物，C和D代表产物。这个模型的含义是:酶A与底物B专一性结合，催化反应的发生，产生了C和D。这个模型可以类比解释酶的专一性。 2. (1 )A点:随着反应底物浓度的增加，反应速率加快。B点:反应速率在此时达到最高。C点:反应速率不再随反应底物浓度的增加而升高，维持在相对稳定的水平。 (2)如果A点时温度升高10 C，曲线上升的幅度变小。因为图中原曲线表示在最适温度下催化速率随底物浓度的变化。温度高于或低于最适温度，反应速率都会变慢。 (3)该曲线表明，B点的反应底物的浓度足够大，是酶的数量限制了反应速率的提高，这时加人少量的酶，会使反应速率加快(图略)。 练习与应用（教材80页） FormatFactory : www.pcfreetime.com Lavf58.48.100 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.51(gap_fixed:False) $$