第1节 降低化学反应活化能的酶-2025-2026学年高一上学期生物人教版必修1

人教版高中生物必修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 学校： 教师： 情景导入：笼中肉消失之谜 我们每天都需要摄入食物来满足机体的营养需要，那食物是怎么消化的呢？科学家以鸟为实验对象进行了相关研究。 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？ 问题探讨： 情景导入：笼中肉消失之谜 排除胃的物理性消化 是胃内的化学物质将肉块分解了 收集胃内的化学物质，看看这些化学物质在体外是否也能将肉块分解 斯帕兰扎尼在研究鹰的 消化作用 斯帕兰扎尼的实验说明，食物在胃中的消化，靠的是胃液中的某种物质。 科学家发现胃液中有大量盐酸，推测盐酸是使食物分解的物质。 1835年，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。 这种物质是什么？ 情景导入：笼中肉消失之谜 一、细胞代谢 随着对细胞研究的不断深入，人们认识到，细胞的生活需要物质和能量。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，酶在细胞代谢中有什么作用呢？接下来我们就一起来探究吧！ 细胞代谢是细胞生命活动的基础 1.概念： 2.主要场所： 细胞质 3.意义： 二、酶在细胞代谢中的作用 细胞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 O2 + 2H2O 过氧化氢酶 思考1：过氧化氢在体外快速分解需要什么条件？ 加热、加催化剂（如FeCl3) 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 探究•实践：比较过氧化氢在不同条件下的分解 1.实验目的： 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。 2.实验原理： 在不同条件下，过氧化氢的分解速率不一样。 2H2O2 2H2O + O2 不同条件 1.常温 2.加热 3.加FeCl3 4.加过氧化氢酶 思考2：如何判断过氧化氢分解的快慢？ 1.气泡产生速率； 2.卫生香复燃的程度。 7 二、酶在细胞代谢中的作用 探究•实践：比较过氧化氢在不同条件下的分解 3.实验材料： 新鲜的20%肝脏研磨液、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。 含有过氧化氢酶 4.方法步骤： （1）取4支洁净的试管，分别编号1、2、3、4，向各试管内 分别加入2mL过氧化氢溶液； （2）1号试管不做任何处理，将2号试管放在90 ℃ 左右的水 浴中加热，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； （3）观察并记录各支试管内气泡产生情况，观察记录3号试管 和4号试管卫生香复燃情况。 5.请观看视频，描述各支试管的实验现象。 二、酶在细胞代谢中的作用 组别 1 2 3 4 过氧化氢 浓度 3% 3% 3% 3% 剂量 2mL 2mL 2mL 2mL 反应条件 常温 90℃ 2滴FeCl3 2滴肝脏研磨液 结果 产生气泡 卫生香燃烧情况 无气泡 少量 较多 大量 变亮 复燃 9 6.实验分析： 二、酶在细胞代谢中的作用 1与2对照，说明_______________________________________________ 加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。(为反应提供能量) 1与3对照，说明______________________________________________ FeCl3能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。(催化作用) 1与4对照，说明______________________________________________ 过氧化氢酶能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。(催化作用) 3与4对照，说明___________________________________ 过氧化氢酶比FeCl3的催化效率高。(高效性) 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。 7.实验结论： 控制变量和设计对照实验 二、酶在细胞代谢中的作用 1.变量： 自变量:人为控制的对实验对象进行处理的因素 因变量:因自变量改变而变化的变量 无关变量:除自变量外，一些对因变量造成影响的可变因素 实验过程中的变化因素称为变量 变量 试管编号 步骤 1 2 3 4 一 二 三 观察 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 变亮 复燃 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 变量 相同 适宜 二、酶在细胞代谢中的作用 控制变量和设计对照实验 二、酶在细胞代谢中的作用 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。对照实验一般既要有对照组又要有实验组。 2.对照实验： （1）对照的类型： 空白对照、自身对照、相互对照、条件对照、 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。 1 2 3 4 1号试管为对照组。 2，3，4号试管为实验组。 且1号试管为典型的空白对照。 ②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。实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象状况为实验组。 探究植物细胞的吸水和失水： 控制变量和设计对照实验 第一次对照 滴加蔗糖溶液 滴加清水 第二次对照 ③相互对照：不单独设对照组，而是几个实验组相互对比对照，其中每一组既是实验组也是其他级别的对照组。 3 4 3 4 3号试管和4号试管形成相互对照。 控制变量和设计对照实验 ④条件对照：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。条件对照的目的是通过对比得出相对立的结论，以验证实验结论的正确性。 —验证甲状腺激素促进幼小动物发育— 控制变量和设计对照实验 （2）对照实验遵循的原则： 对照原则：在实验中，设置对照组和实验组。通过对照，使实验结果更加可信。 单一变量原则：在实验中，保持所有相关变量相同，仅改变一个实验变量（即自变量），以观察该变量对实验结果的影响。 等量原则：在实验中，除了要研究的变量（自变量）外，所有其他可能影响结果的变量（无关变量）都应保持一致。 原则 平行重复原则：尽可能地多观察较多的实验对象，使实验结果不是由于偶然的原因而呈现的特例。 控制变量和设计对照实验 （3）对照实验设计的一般步骤： 控制变量和设计对照实验 对照实验的目的是排除无关变量的干扰，从而确定自变量与因变量的关系。 自变量 因变量 无关变量 (相同且适宜) (设置) (检测) 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。 一般步骤： 第一步：选材、分组编号，统一处理； 第二步：分组施加自变量 第三步：一段时间后，检测因变量 取4支洁净的试管，分别编号1、2、3、4，向各试管内分别加入2mL过氧化氢溶液； 第一步：选材、分组编号，统一处理 将2号试管放在90 ℃ 的水浴中加热，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； 第二步：分组施加自变量 观察并记录各支试管内气泡产生情况，观察记录3号试管和4号试管卫生香燃烧情况。 第三步：一段时间后，检测因变量 控制变量和设计对照实验 实例：比较过氧化氢在不同条件下的分解 思考2：为什么加热、FeCl3、H2O2酶能加快化学反应呢？ 它们的作用原理一样吗？ 二、酶在细胞代谢中的作用 活化能的概念： 分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需的能量称为活化能。 催化剂的作用机理：降低化学反应的活化能，不能提供能量。 酶具有高效性：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。 加热机理：为分子提供能量，使其达到活跃状态。 (4)酶促反应所需活化能： ______,酶降低的活化能： ______. 不使用催化剂曲线：_______ 无机催化剂曲线：________ 使用酶作催化剂曲线：________ 曲线B 曲线A E2—E3 练习1：下图所示为酶催化反应的机理与过程，图中E1、E2、E3都是活化能，请据图回答： A B C (1)请将这三种活化能分别与不使用催化剂、使用无机催化剂、使用酶作催化剂三种条件进行对应。 曲线C E3 (3)无机催化剂催化反应所需活化能：___, 无机催化剂降低的活化能：______ E2—E1 E1 (2)不使用催化剂反应所需活化能： ______. E2 二、酶在细胞代谢中的作用 思考3： 酶能增加产物的生成量吗？ 催化剂的性质： 二、酶在细胞代谢中的作用 未加催化剂 无机催化剂 酶催化 时间 产物量 （1）加快化学反应速率，并不改变化学反应的方向和平衡点。 （2）只能催化原本就能发生的化学反应。 （3）在反应前后数量和性质不变。 不能，产物的生成量取决于反应物的量 三、酶的本质 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，随着酿酒中发酵过程的深入研究，科学家才揭开酶的“面纱”。 发酵是纯化学反应，与生命活动无关 巴斯德(微生物学家） 发酵与活细胞有关，发酵是整个细胞而不是细胞中某些物质起作用 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 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 脲酶是蛋白质 李比希（化学家） 切赫、奥尔特曼 少数RNA也具有生物催化功能 其他科学家 胃蛋白酶、胰蛋白酶等都是蛋白质 三、酶的本质 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？ 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？ 巴斯德是认为发酵与活细胞有关，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。 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，使科学研究更加的有的放矢。 讨论： 三、酶的本质 讨论： 3.从毕希纳的实验可以得出什么结论？ 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？ 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。 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。 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。 三、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。 酶的化学成分 酶的来源 酶的功能 2.酶的本质： 绝大多数酶是蛋白质，少数酶为RNA 3.作用场所： 细胞内外 三、酶的本质 项目 酶 化学本质 合成原料 合成场所 来源 作用 作用原理 作用场所 绝大多数为蛋白质 氨基酸 核糖体 活细胞(哺乳动物成熟红细胞除外) 酶只起催化作用 可在细胞内、细胞外、体外发挥作用 降低化学反应的活化能 少数为RNA 核糖核苷酸 主要在细胞核内 关于酶的相关总结 三、酶的本质 设计实验：探究某种酶的化学本质 某种酶 + 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 某种酶 + 双缩脲试剂 出现紫色→该酶是蛋白质 不出现紫色→该酶是RNA 方案1 方案2 （5）酶的合成场所只有核糖体（ ） （6）酶有催化、调节等多种功能（ ） （7）酶只在细胞内发挥作用（ ） （8）酶不能重复利用（ ） 正误辨析 （1）酶的本质是蛋白质（ ） （2）具有分泌功能的细胞才能产生酶（ ） （3）有的酶可来源于食物等（ ） （4）酶的合成原料只有氨基酸（ ） （9）化学反应结束后，酶的数量减少，活性降低甚至丧失（ ） （10）酶在反应中不能作为反应物（ ） 酶可以被蛋白酶或RNA酶催化水解，所以酶在某些反应中可作为反应物 绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA 一般活细胞都能产生酶（哺乳动物成熟的红细胞除外） 酶在生物体内合成，不可能来自食物 氨基酸或核糖核苷酸 核糖体、细胞核等 酶只起催化作用、无调节功能 酶可以在细胞内、细胞外或生物体外发挥作用 酶作为催化剂，反应前后化学性质和数量不变，可以重复利用。 四、酶的特性 1.酶具有高效性 酶的催化效率是无机催化剂的107－1013 倍 （1）概念：与无机催化剂相比，酶的催化效率更高 思考4：酶的催化作用与无机催化剂相比有什么不同呢？ （2）意义： 保证了细胞代谢快速有效地进行 3 4 3 4 过氧化氢酶比FeCl3的催化效率高 酶具有高效性的曲线 四、酶的特性 无机催化剂催化的化学反应范围比较广。例如，酸既能催化蛋白质水解，也能催化脂肪水解，还能催化淀粉水解。 思考5：酶能像无机催化剂一样，催化多种化学反应吗？ 探究•实践：淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 实验目的： 探究淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。 实验原理： ①淀粉和蔗糖都是非还原糖。 ②淀粉和蔗糖在酶的催化作用下都能水解成还原糖。 ③通过斐林试剂鉴定溶液中是否有还原糖，确定底物是否被水解。 淀粉（非还原糖） 麦芽糖（还原糖） 水解 蔗糖（非还原糖） 葡萄糖（还原糖）+果糖（还原糖） 水解 实验步骤 序号 项目 试管1 试管2 1 注入可溶性淀粉溶液 2mL — 2 注入蔗糖溶液 — 2mL 3 注入新鲜的淀粉酶溶液 2mL 2mL 4 震荡两支试管，并使试管内液体混匀，将试管下半部沉浸在60℃左右热水中，保温5min 5 取出试管，各加入5mL斐林试剂，轻轻震荡，使物质混合均匀 2mL 淡蓝色 2mL 淡蓝色 6 将两支试管的下半部浸在盛有热水的大烧杯中，煮沸1min，观察颜色变化 能不能将实验中的斐林试剂换成碘液作为实验材料？ 四、酶的特性 有砖红色沉淀 无砖红色沉淀 结论：淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解 四、酶的特性 2.酶具有专一性 （1）概念：每一种酶只能催化一种或一类化学反应 ①A表示酶，B表示被催化的反应物。 ②酶需与反应物分子结合，它们都有特定的结构。 ③反应前后酶的结构和性质不变。 实验设计 ①同一种酶催化不同的底物 步骤 1 淀粉酶＋淀粉 淀粉酶＋蔗糖 2 等量斐林试剂，水浴加热相同时间 现象 出现砖红色沉淀 不出现砖红色沉淀 结论 酶具有专一性 （2）设计实验验证： 思路：①同一种酶催化不同的底物；②不同的酶催化同一种底物。 四、酶的特性 ②不同的酶催化同一种底物 步骤 1 淀粉酶＋淀粉 蔗糖酶＋淀粉 2 等量斐林试剂，水浴加热相同时间 现象 出现砖红色沉淀 不出现砖红色沉淀 结论 酶具有专一性 四、酶的特性 酶专一性的曲线 保证了细胞代谢能够有条不紊地进行 （3）意义： 思考4：酶起催化作用需要怎样的条件呢？ 四、酶的特性 许多无机催化剂能在高温、高压、强酸或强碱条件下催化化学反应。 探究•实践：影响酶活性的条件 酶催化特定化学反应的能力称为酶的活性。 酶的活性： 可用在一定条件下酶所催化某一化学反应的速率表示。 1.在不同的温度下，同一种酶活性是否会受到影响？ 2.在不同的pH下，同一种酶活性是否会改变？ 请设计相关的实验，验证你们的假设。 哪些因素会影响酶活性？ 36 实验设计思路： 探究温度对酶活性的影响 实验目的： 实验材料： 探究温度对酶活性的影响 淀粉、淀粉酶 能不能用H2O2和H2O2酶来探究温度对酶活性的影响？ 不能，H2O2受热易分解，会对实验结果造成干扰 碘液 检测试剂： 能不能用斐林试剂对实验结果进行检测? 不能，用斐林试剂检测时需要水浴加热，会干扰自变量 底物和酶各自在相应温度下处理一段时间后再混合，保证反应一开始就在设定温度下进行 实验材料先处理温度，还是先混合？ 四、酶的特性 步骤 1试管 2试管 3试管 4试管 5试管 6试管 加淀粉 2ml — 2ml — 2ml — 加淀粉酶 — 2ml — 2ml — 2ml 保温 混合 将2加入1中 将4加入3中 保温 0℃冰水保温5min 60℃水浴保温5min 100℃水浴保温5min 加碘液 2滴 2滴 2滴 观察颜色 结论 0℃冰水保温5min 60℃水浴保温5min 100℃水浴保温5min 变蓝 变蓝 不变蓝 温度对酶的活性有影响，温度过高或过低都会降低酶的活性 将6加入5中 如何进一步探究淀粉酶的最适温度？ 缩小温度梯度（梯度要均匀），重复进行上述实验。 探究温度对酶活性的影响 A B C表示反应的趋势如何? 1.AB表示随温度升高，酶活性(催化效率)增强。 2.B点表示酶活性(催化效率)达到最大，此时的温度为催化的最适温度。 3.BC表示随温度升高，酶活性(催化效率)减弱。 高温会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活； 低温使酶活性降低，但酶的空间结构稳定，酶制剂适宜在低温下保存。 动物体内的酶最适温度在35-40℃；植物体内的酶最适温度为40-45℃；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有的酶最适温度可高达70℃。 探究温度对酶活性的影响 酶活性受温度影响示意图： 实验设计思路： 探究pH对酶活性的影响 实验目的： 实验材料： 探究pH对酶活性的影响 H2O2、H2O2酶 能不能用淀粉酶和淀粉来探究pH对酶活性的影响？ 不能，因为酸能促进淀粉水解。 四、酶的特性 实验 步骤 一 取三支试管，编号1、2、3，三支试管都加入各加入2mL过氧化氢溶液 二 1号试管中加入物质的量浓度为0.01 mol/L的盐酸溶液1 mL。 2号试管中加入物质的量浓度为0.01 mol/L的NaOH溶液1 mL 3号试管中加入 蒸馏水1 mL。 三 三支试管都加入2滴新鲜肝脏研磨液，振荡，反应 四 观察并记录气泡产生情况 实验现象 实验结论 产生少量气泡 产生少量气泡 产生大量气泡 过酸、过碱都会影响酶的活性，适宜pH下酶的活性最高。 如何进一步探究过氧化氢酶的最适pH？ 缩小pH梯度（梯度要均匀），重复进行上述实验。 探究PH对酶活性的影响 动物体内的酶最适pH大多在6.5~8.0，胃蛋白酶的最适pH为1.5； 植物体内的酶最适PH大为多4.5~6.5。 在最适pH条件下，酶的活性最高，PH偏高或偏低，酶的活性都会明显降低。 过酸、过碱会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。 酶活性受PH影响示意图： 探究PH对酶活性的影响 通过实验可以看出，溶液的温度和PH都对酶活性有影响。与无机催化剂相比，酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。 四、酶的特性 3.酶的作用条件较温和 在最适宜的温度和pH条件下，酶的活性最高。 温度和pH偏高或偏低，酶的活性都会明显降低。 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。低温使酶的活性抑制，但酶的空间结构稳定，在适宜温度下酶的活性会升高。因此，酶制剂适宜在低温和适宜的pH下保存。 温度 反应速率 最适温度 A B C pH 反应速率 最适pH D E F 五、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 甲 乙 丙 丁 ①图甲中，温度从a降低或升高，酶促反速率均下降，但是下降的原因不同。 4.单因素影响曲线 ②图乙中，pH从b降低或升高，酶促反速率均下降，但是下降的原因相同。 ③图丙中，底物浓度为c时，酶促反应速率达到最大值，因为酶数量的限制。 五、影响酶促反应速率的因素 5.多因素影响曲线 五、影响酶促反应速率的因素 (1)反应溶液中pH的变化不影响酶作用的最适温度。 (2)反应溶液中温度的变化不影响酶作用的最适pH。 1、如图表示酶活性与温度的关系。下列叙述正确的是(　　) A．当反应温度由t2调到最适温度时，酶活性上升 B．当反应温度由t1调到最适温度时，酶活性上升 C．酶活性在t2时比t1时高，故t2时更适合酶的保存 D．酶活性在t1时比t2时低，表明t1时酶的空间结构被破坏得更严重 B 课堂练习 课堂练习 2、如图表示人体内某种酶促反应的反应速率受温度和pH的影响情况，下列解释不正确的是（　　） A．在a点时，将酶的浓度增大一倍，反应速率可能增大 B．在b点时，将酶的浓度增大一倍，反应速率不可能增大 C．在c点时，将酶的浓度增大一倍，反应速率可能增大 D．该图不能反映唾液淀粉酶催化能力的变化特征 B 课堂小结 Thank you! 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