5.1 降低化学反应活化能的酶-CYR

第1节 降低化学反应活化能的酶 第5章　细胞的能量供应和利用 教 公 师 开 课 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。 酶在生活中的应用(教材P85) 1.为什么需要用温水浸泡？ 2. 能否用它来洗羊毛衫？ 加酶洗衣粉 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。 情景导入 1．为什么要将肉块放在金属笼内？ 2．是什么物质让肉块消失了？ 3．怎样才能证明你的推测？ 讨论 排除物理性消化对肉块的影响，确定肉块消失过程是否存在化学性消化 鹰胃里的化学物质 收集鹰胃里的化学物质，看能否在体外将肉块分解 1773年，意大利科学家斯帕兰扎尼(L.Spallanzani, 1729—1799）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。 问题●探讨 3 酶到底是什么物质呢？ 问题●探讨 巴斯德之前 萨姆纳 巴斯德 李比希 毕希纳 切赫和奥特曼 发酵是纯化学反应，与生命活动无关 发酵必需有活细胞参与 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 关于酶本质的探索 （教材P79） 1 一、酶的本质 来源： 功能： 本质： 酶 催化剂 活细胞产生的 绝大多数是蛋白质，少数是RNA 酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物。 酶的本质（教材P81） 2 一、酶的本质 物质和能量 能量的释放、储存和利用，都必须通过化学反应来实现。 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 （脱水缩合、呼吸作用、光合作用等） ？ （教材P76） 二、酶在细胞代谢中的作用 常见化学反应的特点 剧烈条件 细胞内外的环境 温和 常温 常压 水溶液环境 pH接近中性 在细胞较为温和的环境中，各种生化反应如何高效有序的进行呢？ 细胞内化学反应的特点 二、酶在细胞代谢中的作用 2H2O2 2H2O + O2 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。 资料 高温、强酸、强碱、 加无机催化剂（如Fecl3) 细胞中含有过氧化氢酶 过氧化氢在体外分解需要什么条件？ 细胞内的过氧化氢又是怎样被快速分解的呢？ 下面我们就以过氧化氢在不同条件下的分解为例，探究酶的作用 二、酶在细胞代谢中的作用 任务一：比较过氧化氢在不同条件下的分解 2H2O2 2H2O+O2 反应条件 不同反应条件 ①加热 ②加无机催化剂Fecl3 ③加过氧化氢酶 通过比较过氧化氢在不同条件下分解的快慢，了解酶的作用和意义。 ①本实验为什么要用新鲜的肝脏？ ②实验为什么把肝脏制备成研磨液？ 如果不是新鲜的肝脏，肝脏中的过氧化氢酶会被腐生菌分解而减少。 制成肝脏研磨液会增大酶与过氧化氢的接触面积，加快分解速率。 思考: 实验原理 2 1 实验目的 二、酶在细胞代谢中的作用 任务一：比较过氧化氢在不同条件下的分解 2H2O2 2H2O+O2 反应条件 不同条件 加热 加无机催化剂Fecl3 加过氧化氢酶 实验原理 2 1 实验目的 通过比较过氧化氢在不同条件下分解的快慢，了解酶的作用和意义。 1. 你认为该实验应设计几组？至少需要几只试管？ 2. 该如何控制变量？自变量是？因变量是？ 3. 该实验以什么现象作为实验观察的指标？ 思考: 二、酶在细胞代谢中的作用 二、酶在细胞代谢中的作用 试管编号 1 2 3 4 第一步 H2O2浓度 3% 3% 3% 3% 剂量 2 mL 2 mL 2 mL 2 mL 第二步 反应条件 常温 90 ℃ FeCl3溶液 肝脏研磨液 剂量 2滴清水 2滴清水 2滴 2滴 结果 气泡产生         卫生香复燃情况         不明显 少量 较多 大量 不复燃 不复燃 复燃不明显 迅速复燃 实验步骤及结果 3 二、酶在细胞代谢中的作用 ④3号试管和4号试管相比，哪支试管的反应速度快？这说明什么？ ⑤为什么说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要？ ⑥2号、3号、4号试管相比，哪支试管最终产生的氧气最多？ ②在细胞内，能通过加热提高反应速率吗？ 讨论： ①与1号相比，2号试管出现什么不同的现象？说明什么问题？ 不能 ③3号和4号试管未加热，也有大量气泡产生，这说明什么？ 酶可以在常温、常压下高效催化。 加热能促进H2O2的分解； FeCl3和过氧化氢酶都有催化过氧化氢分解的作用； 过氧化氢酶比FeCl3的催化效率高！ 实验结论 4 二、酶在细胞代谢中的作用 通过刚才的探究实验，说明一个严谨的实验该如何来设计？ 有哪些因素是我们必须要考虑的？ 二、酶在细胞代谢中的作用 1.单一变量原则 ①变量:实验过程中变化的因素 ②自变量:实验过程中，人为控制的对实验对象进行处理的因素 ③因变量:因自变量改变而变化的变量 ④无关变量:实验中除因变量外的一些对因变量造成影响的可变因素 ⑤单一变量:实验过程中除自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致。 科学方法：控制变量和设计对照实验 实验过程中遵循的原则： 2.平行重复原则（减少误差和偶然性） 3.对照原则 4.科学性原则 二、酶在细胞代谢中的作用 3.对照原则 ①对照实验：除作为自变量的因素外，无关变量都保持一致，并将结果进行比较的实验。分为实验组和对照组。 ②对照的类型： 经实验因素处理的人为改变条件的组。 实验组： 对照组： 未经实验因素处理的组。 科学方法：控制变量和设计对照实验 空白对照、自身对照、条件对照、相互对照(对比实验) 二、酶在细胞代谢中的作用 科学方法：控制变量和设计对照实验 (1)空白对照:不给对照组做任何实验处理，这里的”空白”绝不是什么影响因素都不给予，而是针对实验组所要研究的实验因素给与空白。 (2)相互对照:不另设对照组，而是几个实验组之间相互对照，其中的每一组既是实验组也是其他组的对照组（教材P92对比实验 ）。 蝾螈受精卵横缢实验示意图 二、酶在细胞代谢中的作用 紫色洋葱鳞片叶外表皮 滴加3%的蔗糖溶液，低倍镜观察 滴加清水后，低倍镜观察 → → 制成装片， 低倍镜观察。 → 空白对照：幼小蝌蚪饲喂生理盐水 实验组：幼小蝌蚪饲喂甲状腺激素 条件对照组：幼小蝌蚪饲喂甲状腺抑制剂 科学方法：控制变量和设计对照实验 (3)自身对照:对照组和实验组都在同一研究对象上进行。不另设对照组。 (不同处理的前后对照) (4)条件对照:虽给对照组施以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。这种处理不包括实验研究给定的自变量。目的是更有效的比较实验组和对照组的结果。 条件对照就是给对照组施加跟自变量不同程度或反向处理，目的是与实验组形成对照。 二、酶在细胞代谢中的作用 说明 2号 1号 3号 4号 对照组 实 验 组 2mL 过氧化氢溶液 常温 90℃水浴 2滴FeCl3溶液 2滴肝脏研磨液 不明显 少量 较多 大量 变亮 复燃 气泡产生 卫生香复燃 分 组 编 号 相 同 处 理 不 同 处 理 结 论 无关变量 自变量 因变量 空白对照 无关变量在对照组和实验组中均要保持 。 单一变量原则、 （还有平行重复原则……） 实验设计应遵循的原则： 对照原则 相同且适宜 不接受处理的组（接近自然状态） 接受实验变量处理的组 二、酶在细胞代谢中的作用 1号试管 2号试管 3号试管 4号试管 反应物 H2O2浓度 3% 3% 3% 3% H2O2剂量 2ml 2ml 2ml 2ml 施加实验条件 反应条件/加入物质 常温 加热900C FeCl3溶液 肝脏研磨液 剂量 2滴清水 2滴清水 2滴 2滴 实验结果 气泡产生情况 不明显 少量 较多 大量 卫生香燃烧情况 不复燃 不复燃 变亮 复燃 变量 自变量 因变量 无关变量 无关变量 对照实验 对照组 实验组 等量原则 单一变量原则 等量原则 思考：无关变量对实验结果没有影响吗？应该如何处理无关变量？该实验的无关变量还有哪些？ 设置对照组目的：排除自变量以外因素(无关变量)对实验结果的影响，保证实验结果是由自变量引起的 空白对照 相互对照 二、酶在细胞代谢中的作用 设计对照实验的一般思路: 自变量 因变量 无关变量 (相同且适宜) (控制) (检测) 一般步骤： 第一步：分组编号，取材（统一处理） 第二步：单一变量处理（自变量） 第三步：观察培养记录，检测因变量 根据实验目的和器材，分析实验的自变量，找出主要的无关变量，明确因变量的检测方法。 第四步：分析结果，得出结论 科学方法：控制变量和设计对照实验 对照原则 单一变量原则 等量原则 二、酶在细胞代谢中的作用 1.加热为什么能使过氧化氢分解？ 2.分子从常态转变为容易发生反应的 活跃状态所需要的能量称为什么？ 3.Fe3+和过氧化氢酶加速过氧化氢的分解，也是供给了能量吗？ 4.Fe3+和过氧化氢酶相比，哪个降低活化能的作用更显著？ 活化能 因为加热使过氧化氢分子得到能量，从常态转变成容易分解的活跃状态！ 没有供给能量，只是降低了过氧化氢分解所需的活化能！ 同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。 阅读P78，回答以下问题： 任务二：探究酶的作用机理 二、酶在细胞代谢中的作用 图中①表示： 图中②表示： 图中④表示： 无催化剂时化学反应所需的活化能。 无机催化剂催化时化学反应所需的活化能。 酶催化时化学反应所需的活化能。 图中③表示： 图中⑤表示： 无机催化剂降低的活化能 酶降低的活化能 ⑤＞③说明： 酶的作用机理分析 酶更显著地降低化学反应的活化能 二、酶在细胞代谢中的作用 24 与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用_______，催化效率_____。 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 催化剂能增加产物的生成量吗？ 未加催化剂 无机催化剂 酶催化 时间 产物量 酶只是加快反应速率，并不能增加产物的生成量。 ①催化机理相同，都是降低化学反应的活化能。 ②反应前后性质、数量不变。 ③只改变反应速率，不改变反应平衡点。 蓝与黑比：酶具催化作用 蓝与红比：酶的催化作用具有高效性 二、酶在细胞代谢中的作用 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 关于酶的相关总结 高效性 教材P81 1 注意：是与无机催化剂相比得出 ①原因： 与无机催化剂相比，酶能显著降低化学反应的活化能 ②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。 三、酶的特性 资料一：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。 资料二：蛋白酶只能催化蛋白质水解，但不能催化脂肪、淀粉等的水解。 资料三：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。 由上述资料大胆的提出问题，作出你的假设 酶具有专一性 如何设计实验来证明？ 以淀粉酶为例，探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 实验原理：淀粉和蔗糖都是非还原糖，它们在酶的作用下都能水解成还原糖。在淀粉溶液和蔗糖溶液中分别加入淀粉酶，再用斐林试剂鉴定溶液中有无还原糖，就可以看出淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。 三、酶的特性 步骤 项目 试管1 试管2 1 注入质量分数3%的可溶性淀粉溶液 2 注入质量分数3%的蔗糖溶液 3 注入新鲜的淀粉酶溶液 4 保温 5 加斐林试剂 6 水浴加热 7 观察颜色变化 2mL — — 2mL 2mL 2mL 60℃保温5min 各加入2mL 沸水浴1min 砖红色 无砖红色 视频：两只试管的颜色变化 三、酶的特性 步骤 项目 试管1 试管2 1 注入质量分数3%的可溶性淀粉溶液 2 注入质量分数3%的蔗糖溶液 3 注入新鲜的淀粉酶溶液 4 保温 5 加斐林试剂 6 水浴加热 7 观察颜色变化 思考： 1.实验结论？ 2.斐林试剂能换成碘液吗？ 3.还有其他方案验证酶的专一性吗？ 思路1：不同底物➕ 同一种酶 思路2：同一种底物➕ 不同的酶 不能 淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解。 酶具有专一性！ 2mL — — 2mL 2mL 2mL 60℃保温5min 各加入2mL 沸水浴1min 砖红色 无砖红色 三、酶的特性 细胞代谢有条不紊地进行，与酶的专一性是分不开的。 底物浓度 反应速率 酶A+底物A 酶A(或不加酶)+ 底物B 分析曲线 专一性 2 ①内容 一种酶只能催化一种或一类反应。 ②意义 ③曲线解读 ④模型解读 时间 底物的剩余量 底物B 底物A 锁钥学说 P85 三、酶的特性 情境资料：多酶片作为药物，我们要从说明书中了解它的注意事项： a.不宜用热水送服 b.不能与碱性食物同服 以上注意事项说明酶起催化作用需要怎样的条件？ 温度影响酶的活性 pH 影响酶的活性 ①如何设计实验来证明？ 酶催化特定化学反应的能力称为 。酶活性可用 表示。 衡量酶活性的指标：用 来表示。 酶活性 在一定条件下酶所催化某一化学反应的速率 探究实验：影响酶活性的条件 单位时间内底物减少量或产物生成量 任务三：阅读材料，总结酶的特性 三、酶的特性 探究·实践 实验1：探究温度对酶活性的影响 阅读课本P82-83，思考： 1.你会选择哪一种酶及底物作实验材料？为什么？ 2.本实验的自变量是？应该设置几组？ 3.本实验的因变量、无关变量分别是什么？ 4.底物和产物分别是什么？如何观察或检测因变量的变化？ 5.选用什么试剂检测？能用斐林试剂吗？为什么？ 淀粉，麦芽糖 碘液 检测淀粉剩余量或麦芽糖生成量 选用淀粉酶和可溶性淀粉溶液； 因为H2O2在加热条件下分解也会加快。 不能 斐林试剂需要水浴加热，会改变自变量 酶活性 pH、酶的用量、底物的用量、反应时间…… 温度，至少三组 6.实验设计思路 底物 酶 各自在所控制的温度下保温处理一段时间 底物与对应温度的酶混合 在各自所控制的温度下保温一段时间 检测因变量的检测指标 思考：能否混合后再控制温度？ 不能！ 探究·实践 实验1：探究温度对酶活性的影响 7.实验流程： 1 1’ 2 2’ 3 3’ 3％可溶性淀粉 2ml 2ml 2ml 2％淀粉酶 1ml 1ml 1ml 温度 加碘液，观察颜色变化 实验现象 实验结论 冰水中(0℃) 60℃水浴 沸水浴(100℃) 放置5min 2滴 2滴 对应编号的试管混合、摇匀，放置反应5min 2滴 变蓝 变蓝 不变蓝 — — — — — — 8.60℃是最适合的温度吗？如何进一步探究淀粉酶的最适温度？ 缩小温度梯度，重复进行上述实验。 不一定！ 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 阅读课本P82-83，思考： 1.你会选择哪一种酶及底物作实验材料？为什么？ 2.本实验的自变量是？应该设置几组？ 3.本实验的因变量、无关变量分别是什么？ 4.底物和产物分别是什么？因变量可用什么来反映？ 5.本实验如何观察和检测？ O2和水 O2的产生量 气泡产生量或卫生香燃烧程度 选用过氧化氢酶和过氧化氢溶液 因为酸也能催化淀粉的水解。 H2O2 探究·实践 实验2：探究pH对酶活性的影响 酶活性 温度、酶的用量、底物的用量、反应时间…… 1 2 3 20％肝脏研磨液 2滴 2滴 pH 3％过氧化氢 2ml 实验现象 实验结论 1mLpH=7的缓冲液 NaOH 1mL HCL 1mL 2滴 轻轻混合震荡 大量气泡 少量气泡 少量气泡 6.实验流程： 探究·实践 实验2：探究pH对酶活性的影响 通过以上两个实验证明： 温度和pH都会影响酶的活性，说明酶的作用条件较温和！ 酶的催化作用需要适宜的pH，pH偏低或偏高都会影响酶的活性 必须先调pH，然后再将反应物与酶混合。 7.PH=7是最适合的PH吗？如何进一步探究淀粉酶的最适PH？ 38 υ/mmol. s-1 0 pH 酶活性受pH影响示意图 曲线分析： 最适pH υ/mmol. s-1 酶活性受温度影响示意图 t/℃ 0 最适温度 酶的作用条件较温和 3 ①一定的范围内，随温度（或pH）的升高，酶活性______； 在最适的温度（或pH）条件下，酶活性 ； 当超过最适温度（或pH）后，酶活性_____________。 增强 最高 减弱最终失活 三、酶的特性 υ/mmol. s-1 0 pH 酶活性受pH影响示意图 最适pH υ/mmol. s-1 酶活性受温度影响示意图 t/℃ 0 最适温度 ②不同种类、不同生物的酶，最适温度（或pH）______。 不同 ③高温、低温、过酸和过碱对酶活性的影响其本质相同吗？ 抑制 失活 失活 失活 ④酶应该如何保存？ 低温、适宜PH ⑤将唾液淀粉酶至于100℃水中一段时间，再缓慢降低水的温度直至到0℃，这个过程酶的活性如何变？从0℃升至100℃呢？换做PH是否情况一样呢？ 三、酶的特性 pH（温度）的变化不影响酶作用的最适温度（pH） 补充多因子影响曲线 三、酶的特性 pH 温度 活性 浓度 底物浓度 酶 酶促反应速率 酶促反应速率 酶的浓度 酶促反应速率 底物浓度 酶数量限制 底物充足 四、影响酶促反应速率的因素 1.酶促反应： 由酶催化的化学反应，生物体内的化学反应绝大多数属于酶促反应。 2.酶促反应速率： 单位时间内反应物或生成物浓度的改变量。 3.影响酶促反应速率的因素： pH 温度 抑制剂 激活剂 活性 浓度 底物浓度 酶 酶促反应速率 四、影响酶促反应速率的因素 甲 乙 丙 丁 温度、pH、底物浓度、酶浓度 酶数量限制 四、影响酶促反应速率的因素 抑制剂与底物竞争酶 影响酶活性的其它条件——酶的抑制剂 ②非竞争性抑制剂 ①竞争性抑制剂 核心●归纳 2.下图表示最适温度下反应物浓度对酶所催化的化学反应速率的影响。 (1)请解释在A、B、C三点时该化学反应的状况。 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。 教材P85 练习与应用 (2)如果从A点开始温度升高10℃，曲线会发生什么变化?为什么? 请画出变化后的曲线。 (3)如果在B点时向反应混合物中加入少量同样的酶，曲线会发生什么变化?为什么?请画出相应的曲线。 与生活的联系 多酶片的样子 《多酶片说明书》 功效：用于消化不良、食欲缺乏 成分：每片含胃蛋白酶13mg和胰酶0.3g(包括胰脂肪酶、胰淀粉酶和胰蛋白酶) 注意事项：不宜用热水送服；不能与碱性食物同服；不宜搅碎服用或加水捣烂服用。 药品性状：本品为肠溶衣与糖衣的双层包衣片，内层为胰酶，外层为胃蛋白酶。 0 唾液(淀粉酶) pH 6.2～ 7.4 胃液(胃蛋白酶) pH 0.9～1.5 小肠液（含多种酶）pH 7.6 X酶 + 蛋白酶 加入酶的底物 底物没有被催化→该酶是蛋白质 底物被催化→该酶是RNA A.酶解法 甲酶：核酶，化学本质为RNA 乙酶：化学本质为蛋白质 用RNA酶处理甲酶和乙酶，测定该酶的活性，与本实验进行相互对照。 某科研小组经研究得知X酶存在于人的肝细胞中，能将糖原分解为还原糖。酶必须保持正常的结构才能发挥催化作用，请利用这一原理设计实验，探究X酶的化学本质究竟是蛋白质还是RNA。简要写出实验思路，并预期实验结果及结论(要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组)。 鉴定酶本质的方法 B.试剂检测法 从酶的化学本质上来讲，绝大多数的酶是蛋白质，少数的酶是RNA。因此可利用双缩脲试剂与蛋白质作用产生紫色反应原理。 问题●探讨 实验材料：3%可溶性淀粉溶液、3%蔗糖溶液、2%淀粉酶溶液、2%淀粉酶溶液、试管、斐林试剂、碘液、热水 自变量： 因变量： 无关变量： 反应底物（淀粉、蔗糖溶液）酶的种类 底物是否被水解 反应底物的浓度、剂量 淀粉酶的剂量 温度、PH…… 思路1：不同底物➕ 同一种酶 思路2：同一种底物➕ 不同的酶 思路1：淀粉/蔗糖➕ 淀粉酶 思路2：淀粉➕ 淀粉酶/蔗糖酶 探究酶的特异性方法 问题●探讨 Lavf57.25.100 FormatFactory : www.pcfreetime.com FormatFactory : 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