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1

5.1 降低化学反应活化能的酶 细胞中的催化剂 问题探讨 意大利科学家斯帕兰扎尼做了以下实验：将肉块放置于小金属笼内，让鹰把肉块连同笼子吞食，一段时间后取出笼子，发现肉块消失了。 思考：为什么把肉块放在金属笼内？ 思考：是什么物质让肉块消失了？ 隔开消化道与肉块，使消化道与肉块无法直接接触 某种物质很可能存在于消化液中发挥作用，分解了肉块 问题探讨 后来人们发现：胃液的主要成分是盐酸 肉块+盐酸——肉块分解速度很慢 肉块+胃液——肉块分解速度很快 你能推测出什么结论？ 推测：胃液中有一种物质，它和盐酸混合后，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 事实上，细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢 细胞代谢离不开酶 酶在细胞代谢中的作用 酶是一种有机物，是化学反应的催化剂 酶与无机催化剂相比，有什么不一样的地方呢？ 【资料】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加速人体衰老。 2H2O2 2H2O + O2↑ 思考：哪些条件可以加速过氧化氢的分解？ 加热 、加催化剂（如Fecl3)等 思考：细胞内的过氧化氢又是怎样被快速分解的呢？ 新鲜肝脏中含有过氧化氢酶 酶在细胞代谢中的作用 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解 通过比较过氧化氢在不同条件下的分解的快慢，了解过氧化氢酶的作用。 ①实验目的 ②实验原理 2H2O2 2H2O + O2 不同条件 思考：该实验的自变量和因变量是什么？ 自变量：处理条件（如加热、加Fecl3、加过氧化氢酶） 因变量：H2O2分解速率的快慢 怎样比较H2O2的分解速率？ 相同时间内O2产生的多少： 产生气泡的数量（速度）、带火星木条复燃情况等 酶在细胞代谢中的作用 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解 ③实验材料 新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液 质量分数为3.5%的FeCl3溶液 新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液 铁架台、酒精灯、烧杯等装置 怎样进行实验设计呢？ 如果不新鲜，酶的活性可能会严重降低 酶在细胞代谢中的作用 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解 步骤 试管编号 1 2 3 4 一 H2O2 浓度 剂量 二 剂量 结果 气泡产生 小木条燃烧 2ml 2ml 2ml 2ml 3% 3% 3% 3% 常温 90℃ FeCl3 肝脏研磨液 2滴 2滴 反应条件 酶在细胞代谢中的作用 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解 步骤 试管编号 1 2 3 4 一 H2O2 浓度 剂量 二 剂量 结果 气泡产生 小木条燃烧 2ml 2ml 2ml 2ml 3% 3% 3% 3% 常温 90℃ FeCl3 肝脏研磨液 2滴 2滴 反应条件 不明显 少量 较多 大量 复燃 猛烈复燃 不复燃 不复燃 酶在细胞代谢中的作用 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解 问1：比较第1组与第2组试管，你看到了什么？能得到什么结论？ 2号放出的气泡多，说明加热促进过氧化氢的分解，提高反应速率。 思考：加热为什么能加快反应速率？ 因为加热使过氧化氢分子得到能量，从常态转变为容易反应的活跃状态。 H2O2 (常态) 能量 H2O2(活跃状态) 活化能 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 酶在细胞代谢中的作用 实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解 问2：在细胞内，能通过加热来提高反应速率吗？ 显然是不能的 问3：3号（FeCl3）和4号（猪肝研磨液）实验组未经加热，也有大量气泡产生，说明了什么？ Fe3+和过氧化氢酶都能加快过氧化氢分解的速率。 问4：3号（FeCl3）和4号（猪肝研磨液）实验组哪个反应速率更快？ 4号更快，说明过氧化氢酶比Fe3+的催化效率高得多。 实验结论： H2O2在不同条件下的分解速率不一样，其中酶的催化效率最高 请思考：无论是FeCl3，还是猪肝研磨液中的过氧化氢酶，它们并没有给过氧化氢分子能量，但却能加快反应速率，从活化能的角度思考原因？ FeCl3和过氧化氢酶能降低化学反应的活化能 作用原理： 过氧化氢酶的催化作用比FeCl3更强，为什么？ 过氧化氢酶降低化学反应的活化能的作用更显著 总结：酶与无机催化剂相比，具有高效性 假设给反应足够的时间，哪一组实验产生氧气总量最多？ 一样多，几支试管的H2O2 溶液的体积和浓度都相同 总结：酶作为催化剂，只影响反应速度，不改变反应结果 活化能 反应过程 没有酶催化 FeCl3催化 有酶催化 酶使细胞代谢在温和的条件下快速有序进行 酶在细胞代谢中的作用 ab: ______________________ bd: ____________________________ ad: ____________________________ 反应过程 能量 b a d e 初态 （反应物） 终态 （产物） 活跃状态 ① ② ③ c 想一想： 没有催化剂的曲线：______ 无机催化剂参与的曲线：______ 酶参与的曲线：______ ② ① ③ 没有催化剂下，所需要的活化能 无机催化剂下，所需要的活化能 无机催化剂降低的活化能 cd: ____________________________ ac: _____________________ 酶催化下，反应所需的活化能 酶降低的活化能 更显著 更高 与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用_______，催化效率_____。 酶在细胞代谢中的作用 控制变量和设计对照实验 1、变量、自变量、因变量、无关变量的概念 2、对照实验、对照组、实验组的概念 酶在细胞代谢中的作用 控制变量和设计对照实验 变量： 实验过程中可以变化的因素称为变量 其中人为控制的变量称做自变量 随着自变量的变化而变化的变量称做因变量 步骤 试管编号 1 2 3 4 一 H2O2 浓度 剂量 二 剂量 结果 气泡产生 小木条燃烧 2ml 2ml 2ml 2ml 3% 3% 3% 3% 常温 90℃ FeCl3 肝脏研磨液 2滴 2滴 反应条件 酶在细胞代谢中的作用 控制变量和设计对照实验 自变量 因变量 无关变量 酶在细胞代谢中的作用 控制变量和设计对照实验 变量： 实验过程中可以变化的因素称为变量 其中人为控制的变量称做自变量 随着自变量的变化而变化的变量称做因变量 除作为自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致，并将结果进行比较的实验叫作对照实验 实验设计的四大原则： 1、单一变量原则(自变量只有一个) 2、等量原则（无关变量要保持一致） 3、对照原则（往往要同时设置对照组与实验组） 4、平行重复原则（排除偶然因素的影响） 酶本质的探索历程 巴斯德之前：发酵是纯化学反应，与生命活动无关。 发酵与活细胞有关，发酵是整个细胞而不是细胞中某种物质起作用。 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起到催化作用，就像在活酵母细胞中一样。 巴斯德 李比希 毕希纳 萨姆纳：从刀豆中提纯脲酶，并证明其化学本质是蛋白质 发现少数RNA具有催化功能。 萨姆纳之后 科学家们获得胃蛋白酶，胰蛋白酶等许多酶的结晶，并证明这些酶的化学本质是蛋白质。 切赫、奥尔特曼 总结：绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA 如：组成核糖体的RNA就是催化产生肽键的酶 酶本质的探索历程 小结： 化学本质 合成原料 合成场所 来源 作用部位 生理功能 作用原理 绝大多数是蛋白质 少数是RNA 氨基酸 核糖核苷酸 核糖体 细胞核 降低化学反应的活化能 只起催化作用，无其他作用 活细胞（哺乳动物红细胞除外） 细胞内外、生物体外 补充：实验验证酶的本质 鉴定某种酶的本质是蛋白质还是RNA 还可以直接对着酶溶液加双缩脲试剂，如果溶液变紫色则证明是蛋白质，反之则不是蛋白质。 酶的特性 一、酶具有高效性 酶的催化效率一般是无机催化剂的 倍。 107 ～1013 酶的高效性必须与无机催化剂相比！ 例：酶能够显著降低化学反应的活化能，体现了酶具有高效性 × 意义： 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。 加酶 加无机催化剂 不加催化剂 时间 产物的量 酶的特性 二、酶具有专一性 含义：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。 如： 脲酶——只能催化尿素分解。 过氧化氢酶——只能催化过氧化氢分解 二肽酶——只能催化所有的二肽分解 意义： 保证了每一种细胞代谢能够有序地进行。 思考：如何设计实验证明酶具有专一性呢？ 酶的特性 实验：探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 （1）实验原理 ②淀粉酶可以催化淀粉水解为还原糖， 但不能催化蔗糖水解。 ①淀粉、蔗糖均为非还原糖， 不能与斐林试剂共热产生砖红色沉淀。 淀粉（非还原性） 麦芽糖（有还原性） 淀粉酶 蔗糖（非还原性） 蔗糖（无还原性） 淀粉酶 请明确该实验的自变量与因变量，尝试写出实验设计（5分钟） 酶的特性 实验：探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 试管编号 1 2 注入可溶性淀粉溶液 2 mL － 注入蔗糖溶解 － 2 mL 注入新鲜的淀粉酶溶液 2 mL 2 mL 在60 ℃条件下水浴保温5 min 新配制的斐林试剂 2 mL 2 mL 沸水浴1 min  实验现象 有砖红色沉淀 无砖红色沉淀 斐林试剂显色条件 淀粉酶的最适温度为60℃ 结论：淀粉酶只能催化淀粉水解为还原糖，对蔗糖则不起催化作用，可证明酶具有专一性。 酶的特性 实验：探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 补充与巩固： 请思考：该实验能否用碘液对实验结果进行检测？ 不能！ 因为碘液只能检测淀粉是否被水解，而蔗糖无论是否被水解都不会使碘液变色。 请思考：已知淀粉酶能够催化淀粉水解，设置1号试管还有无必要？ 有必要！ 可排除淀粉酶的活性、浓度等无关变量的影响。 酶的特性 补充与巩固： 酶具有专一性的原因 （1）锁钥学说 酶与底物的结合部位的结构应当严格匹配，高度互补，犹如一把锁与其原装钥匙在结构上的互补与匹配。 事实上，大量实验表明，锁钥学说并不完全正确 酶的特性 补充与巩固： 酶具有专一性的原因 （2）诱导契合学说 酶活性部位不是刚性不变的，底物与酶活性部位结合时，会诱导酶发生构象变化，使酶的活性中心变得与底物的结构互补，两者相互契合，从而发挥催化功能。 酶的特性 三、酶的作用条件较为温和 原理： （1）酶的化学本质大多是蛋白质，在高温、过酸、过碱、重金属盐等作用下会发生变性，导致失去活性。 （2）低温条件下，酶的空间结构不会被破坏，但会使的肽链在低温下会收缩，不易与底物嵌合。 请根据原理尝试画出： 1、酶的活性随温度变化的示意图 2、酶的活性随酸碱度变化的示意图 酶的特性 温度 酶活性 最适温度 a b c 0 温度比最适温度低， 酶活性下降， 酶的空间结构稳定， 若温度升高 可恢复。 温度比最适温度高， 酶活性下降， 空间结构遭到破坏， 温度降低时 不可恢复。 低温保存 高温变性 温度不同，酶活性可能相同，如a、c。 图1：温度对酶活性的影响 低温时活性降低但不为0，温度过高导致酶完全失活，活性会降到0！ 酶的特性 图2：酸碱度对酶活性的影响 随着pH降低， 酶活性下降， 若pH重新升高 不可恢复。 随着pH升高，酶活性下降，pH重新降低时 不可恢复。 强酸、强碱会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。（两边都会降到0） pH 酶活性 最适pH a b c 0 注意：最适pH不一定是7，如胃蛋白酶（存在于胃液中），最适pH约为1.5 实验：探究影响酶活性的条件 酶的特性 实验一、探究温度对酶活性的影响 1.实验原理 淀粉遇碘变蓝，根据不同温度下，经相同时间内反应后的溶液是否出现蓝色以及蓝色的深浅可以判断淀粉被水解的量，从而判断不同温度下酶的活性。 碘液 淀粉酶 碘液 淀粉 蓝色 小分子糖 无蓝色出现 如何进行实验设计？ 1、如何确保酶处于设定的温度？ 2、先加酶再调温度or先调温度再加酶，为什么？ 操作 1号试管 2号试管 3号试管 4号试管 5号试管 6号试管 0℃ 0℃ 50℃ 50℃ 100℃ 100℃ 加淀粉 2mL — 2mL — 2mL — 加淀粉酶 — 2mL — 2mL — 2mL 保温 在各自温度下保温5min 混合 将2号加入1号中 将4号加入3号中 将6号加入5号中 保温 在各自温度下保温5min 加碘液 2滴 2滴 2滴 观察颜色 变蓝 不变蓝 变蓝 1、酶的催化作用需要适宜的温度， 2、温度过低或过高都会影响酶的活性。 实验结论： 实验：探究影响酶活性的条件 酶的特性 实验一、探究温度对酶活性的影响 是先加酶再调温度，还是先调温度再加酶，为什么？ 必须先调好温度再加酶，因为酶一旦接触到底物会立刻发生反应，再改温度就来不及了！ 该实验（温度对酶的影响）使用的酶能不能换成过氧化氢酶，为什么？ 不可以！因为温度本身就会影响过氧化氢分解的速度，此时无法确定过氧化氢的分解是高温的作用还是酶的作用！ 实验：探究影响酶活性的条件 酶的特性 实验二、探究酸碱度对酶活性的影响 1.实验原理 过氧化氢可在过氧化氢酶的作用下分解产生氧气和水，根据不同pH下气泡产生的快慢可判断过氧化氢酶的活性。 2.实验设计思路 先调pH再混合 实验 步骤 一 取三支试管，编号1、2、3。 二 三支试管都三支试管都加入5mLH2O2溶液，振荡，反应 三 1号试管中加入1mL蒸馏水 2号试管中加入等量1mL盐酸溶液 3号试管中加入等量1mLNaOH溶液 四 三支试管都加入2滴新鲜肝脏研磨液，振荡，反应 实验现象 产生少量气泡 产生少量气泡 产生大量气泡 酶的催化作用需要适宜的pH，pH偏高或偏低都会影响酶的活性。 结论 实验：探究影响酶活性的条件 酶的特性 实验二、探究酸碱度对酶活性的影响 该实验（酸碱度对酶的影响）使用的酶能不能换成淀粉酶，为什么？ 不可以！因为淀粉在酸性条件下会加速自身水解，此时无法确定淀粉的分解是酸碱度的作用还是酶的作用！ 酶的特性 总结： 1.高效性 2.专一性 3.作用条件较温和 酶的催化效率是无机催化剂的107 ～1013倍。 每一种酶只能催化一种或一类化学反应。 在适宜的温度、适宜的pH下活性较高。 酶的特性 补充： （1）反映酶的活性的另一种图像： 当反应条件越适合，酶的活性越高，化学反应进行速度越快，则反应物的剩余量越低 在此图中， 酶的最适pH为： 酶的最适温度为： 约为8 约为35℃ 酶的特性 补充： （2）条件适宜，酶的量有限，底物越来越充足的图像： （3）条件适宜，底物足够充足，酶的量越来越多的图像： 2.果胶酶：溶解细胞壁中的果胶 3.加酶洗衣粉：去污力更强 4.含酶牙膏： 分解细菌，清新口气 5.多酶片： 治疗消化不良 1.溶解细菌的细胞壁： 抗菌消炎 酶的应用 $$