2019_2020学年高中生物5.1降低化学反应活化能的酶学案新人教版必修1

第1节 降低化学反应活化能的酶
课前自主预习案
一、酶的作用和本质
1．酶在细胞代谢中的作用
(1)细胞代谢⎩
⎪⎨⎪⎧ 场所：细胞质实质：各种化学反应的总称 (2)实验——比较过氧化氢在不同条件下的分解。

①实验设计与原理：
H 2O 2＋―――――――――――――→水浴加热/Fe 3＋/过氧化氢酶H 2O ＋O 2
③实验结论：酶具有催化作用，同无机催化剂相比，催化的效率更高。

2．酶的作用原理和概念
(1)作用原理：
①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。

②作用机制：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。

③结果：由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和条件下快速进行。

(2)酶的概念：
酶产生场所活细胞内生理作用催化作用化学本质绝大多数是蛋白质，少数是RNA 。

二、酶的特性
1．酶作为生物催化剂，同样具有一般催化剂的特点
(1)改变化学反应速率，降低反应的活化能。

(2)不改变化学反应的平衡点，反应前后本身并不改变。

2．酶的特性
(1)酶具有高效性，是一般催化剂的107～1013倍。

(2)酶具有高度的专一性。

(3)酶的作用条件温和(对环境条件的改变十分敏感)。

三、影响酶活性的因素
酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。

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，不再恢复活性。

低温可使酶的活性明显下降，但在适宜的条件下活性可以恢复，因此酶适于低温下保存。

1.判断下列有关叙述的正误
(1)酶的作用是为化学反应提供能量( )
(2)同无机催化剂相比，酶催化效率更高的原因是酶降低活化能的作用更显著( )
(3)酶是活细胞产生的，只能在细胞内起作用( )
(4)所有的酶都是在核糖体上合成的( )
(5)酶为化学反应提供了活化能( )
(6)酶是活细胞产生的具有催化作用的蛋白质( )
(7)酶起催化作用后立即被降解( )
(8)无关变量是对实验没有影响的变量( )
答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×(6)×(7)×(8)×
2．酶的特性及原因[连线]
3．阅读教材P81“资料分析”后，把科学家和他们的发现连起来。

4
课堂互动探究案
【课程标准】
说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素(如pH和温度等)的影响
探究酶催化的专一性、高效性及影响酶活性的因素
【素养达成】
1．通过有关实验，分析酶的作用，并在此基础上学会控制自变量、观察和检测因变量，并掌握设置对照实验的基本方法。

(科学探究)
2．通过阅读教材，了解酶的发现历程，加深对酶本质的理解。

(社会责任)
3．分析相关实验，理解酶的高效性和专一性的含义。

(科学探究)
4．通过探究实验，学会归纳温度和pH 变化对酶活性的影响，并能分析有关曲线。

(科学探究)
上海举行的中国国际食品添加剂和配料展上，帝斯曼展出了一系列酶制剂产品，以帮助食品生产厂商节能减排。

该公司推出的Panamore Spring 产品与其他乳化剂相比，能降低生产过程近80%的碳排放量；微生物磷脂酶Cake Zyme 产品能使食品厂商在生产蛋糕等食品中节省20%的鸡蛋用量，延长保质期；高性能酶制剂Rapidase FP Super 能有效避免新鲜水果在经过机械或热处理加工后产生的不良副作用，改善口感。

酶在人们的生活中越来越重要，那么酶具有什么作用？酶的化学本质又是什么呢？
探究点一 酶的本质、作用及高效性实验分析
【师问导学】
细胞代谢离不开酶。

请结合教材实验探讨酶在代谢中的作用。

1．观察下面两个反应，总结细胞代谢的概念。

叶绿体：CO 2＋H 2O ――→光能叶绿体(CH 2O)＋O 2
核糖体：氨基酸――→脱水缩合酶
多肽(蛋白质) (1)对细胞来说，能量的获得和利用都必须通过化学反应，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)从反应式来看，生物体内的化学反应需要酶的参与。

2．结合教材，通过比较过氧化氢在不同条件下的分解来认识酶在细胞代谢中的作用。

下图是比较过氧化氢在不同条件下的分解实验过程，请据图分析：
(1)在对照实验中，除了要观察的变量(自变量)外，其他变量(无关变量)都应当始终保持相同。

分析上述实验中的自变量、因变量、无关变量、对照组、实验组分别是下列的哪些项？
①加入H 2O 2的量 ②FeCl 3溶液和肝脏研磨液的新鲜程度 ③温度和催化剂 ④实验室的温度 ⑤H 2O 2分解的速率 ⑥1号试管 ⑦2、3、4号试管
(2)2、3、4号三支试管都有气泡放出，但4号试管放出的气泡最多，说明了什么？ 答案：
(1)
(2)
更高。

3．下图是无催化剂和酶的作用机理示意图
(1)没有催化剂时的活化能是多少？有酶催化时的活化能又是多少？(用图中字母表示)
(2)酶能不能为化学反应提供所需要的能量？酶加快反应速率的机理是什么？
(3)下表数据是在20 ℃测得的H2O2分解的活化能，数据说明，酶和无机催化剂相比有什么不同？
答案：
(1)分别是CA、CB。

(2)酶不能为化学反应提供所需要的能量。

酶是通过降低反应的活化能来加快反应速率的。

(3)和无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，即催化效率更高。

【智涂笔记】
[易错警示] 酶和无机催化剂一样，并不改变平衡点的位置，只是改变化学反应的速率，使化学反应更快地达到平衡点。

无机催化剂和酶都能提高反应速率，但是酶的催化效率更高；酶不能为化学反应提供所需要的能量，而是通过降低反应的活化能来加快反应速率。

[特别提醒]
(1)实验原则：实验设计时，除自变量外，其余因素都保持不变的设计为对照实验，对照实验贯彻了三大原则：单因子变量原则；对照原则；等量原则。

(2)实验组与对照组
接受自变量处理的实验为实验组；没接受自变量处理的实验为对照组。

【师说核心】
1．酶的本质及生理功能
2．酶的作用机理
酶和其他催化剂均能降低化学反应的活化能，分析如下：
(1)图中ac 和bc 段分别表示无催化剂和酶催化时反应进行所需要的活化能。

(2)若将酶变为无机催化剂，则b 在纵轴上向上移动。

用加热的方法不能降低活化能，但会提供活化能。

3．“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验分析
(1)实验原理
①2H 2O 2――→加热2H 2O ＋O 2。

②2H 2O 2――→过氧化氢酶2H 2O ＋O 2。

③2H 2O 2――→FeCl 32H 2O ＋O 2。

过氧化氢在自然条件下分解缓慢，用新鲜的肝脏研磨液、Fe 3＋以及加热的方法使过氧化氢
分解，通过观察气泡数目和比较对卫生香的助燃程度可以了解过氧化氢酶的作用和意义。

(2)实验材料：新鲜的肝脏研磨液。

(3)比较过氧化氢在不同条件下的分解实验。

①本实验中的自变量是什么？哪组是对照组？
提示：自变量是对实验材料的不同处理，即90 ℃加热、加FeCl 3溶液、加肝脏研磨液。

1号试管是对照组。

②本实验的因变量是什么？是如何检测的？
提示：因变量是H 2O 2的分解速率。

通过观察气泡产生速率进行检测。

(4)酶能否增加化学反应中产物的总量？
提示：不能。

(5)对于该实验来说，实验设计应遵循什么原则？
提示：实验设计要遵循单一变量原则、等量原则和对照原则。

(6)实验中应注意的问题
①实验时要选用新鲜的肝脏。

肝脏如果不新鲜，肝细胞内的过氧化氢酶等有机物就会在腐生菌的作用下被分解，过氧化氢就不能被分解成水和氧气。

②肝脏要制成研磨液。

因为研磨碎的肝脏能与试管中的过氧化氢充分接触，使其中的酶能正常发挥其催化特性，从而加速过氧化氢的分解。

③滴入肝脏研磨液和FeCl 3溶液时，不能共用一个吸管，否则滴入的FeCl 3溶液中会含少量肝脏研磨液而影响实验结果的准确性。

④检测试管内产生的气体。

将点燃的卫生香(无火焰)插入试管时，不要碰触到气泡或插
入液面以下，以免卫生香潮湿而熄灭。

⑤H2O2有腐蚀性，使用时要小心，不要触及皮肤。

【检测反馈】
1．下列有关酶的叙述正确的是( )
①是有分泌功能的细胞产生的②有的从食物中获得，有的在体内转化而来③凡是活细胞，一般都能产生酶④酶都是蛋白质⑤有的酶不是蛋白质⑥酶在代谢中有多种功能⑦在新陈代谢和生长发育中起调控作用⑧酶只是起催化作用
A．①②⑤B．①⑤⑧
C．③⑤⑧ D．①③⑤
解析：酶是由活细胞产生的，具有生物催化作用的有机物。

就酶的化学本质而言，主要是蛋白质，少数是RNA，④错误，⑤正确；就酶作用的场所而言，有胞内酶和胞外酶，活细胞一般都能产生胞内酶，①错误，③正确；代谢是细胞内全部有序化学变化的总称，在这一过程中，需要酶的催化，⑥⑦错误，⑧正确；酶是由活细胞产生的，不能来源于食物，②错误。

答案：C
2．下图表示“比较过氧化氢在不同条件下的分解实验”。

相关分析合理的是( )
A．本实验的因变量是不同的催化剂
B．本实验的无关变量有温度和酶的用量等
C．1号与3号、1号与4号可分别构成对照实验
D．分析1号、2号试管的实验结果可知加热能降低反应的活化能
解析：本实验的因变量是气泡的产生速率，即过氧化氢的分解速率。

温度是自变量，酶的用量是无关变量。

1号与3号、1号与4号中只有一个实验变量不同，可分别构成对照实验。

2号在高温下出现气泡的原因是加热使过氧化氢分子得到能量，从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态。

答案：C
3．下列各图中，①表示有酶催化的反应曲线，②表示没有酶催化的反应曲线，E表示酶降低的活化能。

其中正确的图解是( )
解析：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。

酶可以降低活化能，使反应更容易进行。

答案：C
探究点二 酶的特性及相关实验分析
【师问导学】
1．淀粉和蔗糖不是还原糖，但淀粉水解后会生成麦芽糖，蔗糖水解后会产生葡萄糖和果糖，它们都是还原糖。

下表为比较新鲜唾液(唾液淀粉酶)对淀粉和蔗糖的催化作用实验，请分析：
(1)1
(2)上述实验说明了什么？
(3)肽酶能催化多种多肽水解为氨基酸，是否说明肽酶没有专一性？
答案：
(1)1号试管中淀粉被水解，2号试管中蔗糖没有被水解。

(2)淀粉酶只催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解，酶的催化作用具有专一性。

(3)不是。

酶的专一性是指每一种酶只能催化一种或一类化学反应，肽酶催化的是一类反应，也说明其具有专一性。

2．下图分别表示酶高效性和专一性的曲线，请分析：
(1)根据图1，酶和无机催化剂相比，有什么共同点和不同点？
(2)根据图2分析：在A 反应物中加入酶A ，反应速率较未加酶时明显加快，而加入酶B ，反应速率和未加酶时相同，这说明什么？
答案：
(1)酶和无机催化剂都只能缩短达到化学平衡所需要的时间，不能改变化学反应的平衡点。

与无机催化剂相比，酶的催化效率更高。

(2)
酶A 能催化反应物A 反应，酶B 不能催化反应物A 反应，酶的作用具有专一性。

3．酶的活性受到温度和pH 的影响，我们可以设计实验来探究影响酶活性这两个条件，总的设计思路是：
⎭
⎪⎬⎪⎫底物＋t 1或pH 1＋酶液
底物＋t 2或pH 2
＋酶液… … …
底物＋t n 或pH n ＋酶液――→检测底物分解速率或产物的形成速率 请结合下列两个实验进行分析：
(1)
(2)能否在反应后加入新配制的斐林试剂观察是否有砖红色沉淀生成，来判断试管中的淀粉是否水解了？
(3)能否用过氧化氢和过氧化氢酶来做这个实验？
答案：
(1)1号试管中的淀粉被完全水解了，2、3号试管中的淀粉没有被水解。

工业淀粉酶的活性受温度的影响。

在60 ℃时活性最高，温度偏高或者偏低，都会影响酶的活性。

(2)不能。

因为这个实验要严格控制温度，而斐林试剂的反应需要水浴加热。

(3)不能。

过氧化氢本身在不同温度下就存在分解速率的差异，会干扰实验结果。

【智涂笔记】
[知识拓展] 酶具有专一性的理论假说
酶具有专一性的主要理论假说有“锁钥学说”和“诱导契合学说”，都强调酶空间结构和底物空间结构的相互吻合，因此酶的空间结构一旦改变或丧失，酶的专一性也就没有了，下图是锁钥学说示意图。

[归纳拓展] 对酶活性最适值的理解
(1)酶催化反应时，酶不同，其最适pH不同，最适温度不同，但特定的酶最适值为定值。

(2)并非在最适的pH或温度下反应就一定能进行；若将温度调至100 ℃，那么，即使在最适pH条件下，多数酶都会丧失其活性，酶促反应无法进行。

[解题技法] “四看法”分析酶促反应曲线
【师说核心】
1．高效性
(1)表示曲线：
(2)实验验证：
①实验组：底物＋生物催化剂(酶)→底物分解速率(或产物形成的速率)。

②对照组：底物＋无机催化剂→底物分解速率(或产物形成的速率)。

2．专一性
(1)物理模型：
①图中A表示酶，B表示被A催化的底物，E、F表示B被分解后产生的物质，C、D表示
不能被A催化的物质。

②酶和被催化的反应物分子都有特定的结构。

(2)曲线模型：
①加入酶B的反应速率和无酶条件下的反应速率相同，说明酶B对此反应无催化作用。

②而加入酶A的反应速率随反应物浓度的增大明显加快，说明酶A可催化该反应，即酶
具有专一性。

(3)实验验证：
①实验组：淀粉＋淀粉酶→麦芽糖
②对照组：蔗糖＋淀粉酶→不分解，仍为蔗糖
③现象：两组中都加入斐林试剂，并水浴加热，只有实验组中出现砖红色沉淀。

3．温度和pH对酶活性的影响
若干组等量底物若干组等量酶液
↓↓
在各自所控制的温度或下处理一段时间
↓
同温度或下的底物与酶液混合
↓
在各自所控制的温度或下处理一段时间
↓
检测并分析结果，得出结论
(3)曲线分析：
在一定温度(或pH)范围内，随温度(或pH)的升高，酶的催化作用增强，超过这一范围，酶的催化作用逐渐减弱。

过酸、过碱、高温都会使酶变性失活，而低温只是抑制了酶的活性，酶分子结构未被破坏，温度升高可恢复其活性。

Ⅱ.探究pH变化对过氧化氢酶催化作用影响的实验
(1)该实验结果说明了酶的活性和pH有什么关系？
(2)该实验中，能否在加入肝脏研磨液后，直接加入3%过氧化氢溶液，然后再调节pH?
(3)本实验能否选用淀粉酶和淀粉作为实验材料？为什么？
答案：
(1)酶的作用需要适宜的pH，pH偏高或偏低都会使酶活性降低。

(2)不能。

因为酶的作用具有高效性，在调节pH之前，试管中已经发生了剧烈反应，会影响到实验结果。

(3)不能。

因为淀粉酶催化的底物淀粉在酸性条件下也会发生水解反应。

【检测反馈】
1．研究表明：一分子过氧化氢酶能在1分钟内使5×105个过氧化氢分子分解成氧和水，相当于Fe3＋催化速率的109倍，但是对糖的水解却不起作用，这个事实说明酶分别具有( ) A．多样性，稳定性B．高效性，多样性
C．高效性，专一性 D．高效性，稳定性
解析：
答案：C
2．甲、乙、丙三图依次表示酶浓度一定时，反应速度和反应物浓度、温度、pH的关系。

据图判断下列叙述中不正确的是( )
A．甲图表明当反应物浓度超过某一浓度时，反应速率受酶浓度的制约将不再上升
B．乙图中a点以后，随温度升高酶的活性下降
C．丙图可以表示胃蛋白酶催化反应的速率曲线
D．三图说明反应物浓度、温度、pH对反应速率均有影响
解析：胃蛋白酶的最适pH为1.5～2.2，显然丙图曲线不能表示胃蛋白酶催化反应的速率变化。

答案：C
3．某同学为了探究温度对唾液淀粉酶催化作用的影响，设计了下表所示的实验。

其他同
A．1
B．2号试管不必加入2 mL新鲜唾液，而应该加入2 mL蒸馏水
C．2号试管应该保持在37 ℃环境中进行恒温处理
D．1号试管应加入2 mL新鲜唾液，并保持在0 ℃环境中进行恒温处理
解析：实验的自变量是温度，除两试管控制温度不同之外，其他方面都是相同的。

答案：A
【网络建构】
【主干落实】
1．细胞代谢是细胞中化学反应的总称。

2．酶是生物催化剂，其催化原理是降低化学反应的活化能。

3．酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少部分是RNA。

4．酶的特性是高效性、专一性和作用条件的温和性。

5．酶具有高效性的原因是：与无机催化剂相比，酶降低反应活化能的作用更显著。

6．过酸、过碱或温度过高，都会使酶因空间结构被破坏而失活。

7．在一定的低温下，酶的活性低，但空间结构稳定，并未失活，在适宜温度下酶的活性可升高。

►问题探讨·教材P78
1．提示：这个实验要解决的问题是：鸟类的胃是否只有物理性消化，没有化学性消化。

2．提示：是胃内的化学物质将肉块分解了。

3．提示：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。

►实验·教材P78
1．提示：2号试管放出的气泡多，这一现象说明加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。

2．提示：不能。

3．提示：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。

4．提示：4号试管的反应速率比3号试管快得多，说明过氧化氢酶比Fe3＋的催化效率高得多。

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、常压下高效率地进行，只有酶能够满足这样的要求，所以说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要。

►资料分析·教材P81
1．提示：巴斯德认为发酵与活细胞有关是合理的，但是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，但是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。

2．提示：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的目标集中在他们争论的焦点上，使科学研究更加有的放矢。

3．提示：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。

4．提示：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。

5．提示：略
►练习·教材P82
基础题
1．提示：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。

2．提示：
(1)细胞内每时每刻都在进行着成千上万种化学反应，这些化学反应需要高效率地进行，酶的催化效率比无机催化剂高得多。

(2)细胞内的化学反应需要在常温、常压、酸碱度适宜等温和条件下进行，无机催化剂常常需要辅助以高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件才能有较高的催化效率。

3．提示：D 酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物。

A选项酶可以离开生物体发挥作用，如我们在实验室中用淀粉酶催化淀粉水解；B选项绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA；C选项酶的化学本质是有机物，而无机催化剂的化学本质是无机物，另外酶的催化效率要比无机催化剂高得多。

拓展题
1．提示：可用第2章中学过的鉴定蛋白质的方法。

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。

2．提示：(1)如四膜虫的rRNA前体具有催化活性。

(2)目前已有发现具催化活性的DNA的报道。

►旁栏思考题·教材P85
提示：绝大多数酶是蛋白质，强酸、强碱、高温等剧烈条件都会影响到蛋白质的结构，所以酶比较“娇气”。

►练习·教材P86
基础题
1．提示：B 唾液淀粉酶的化学本质是蛋白质，催化蛋白质水解的酶是蛋白酶。

2．提示：B 植物细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，在不损伤细胞的情况下，应使用纤维素酶和果胶酶。

3．提示：这个模型中A代表某类酶，B代表反应底物，C和D代表反应产物。

这个模型的含义是：酶A与底物B专一性结合，催化反应发生，产生了产物C和D。

这个模型揭示了酶的专一性。

拓展题
1．提示：
(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加快，维持在相对稳定的水平。

(2)如果在A点时温度升高10 ℃，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，这时加入少量的酶，会使反应速率加快。

2．提示：略。