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第5章　第1節　降低化學反應活化能的酶　第1課時　酶的作用和本質
學有目標——課標要求必明 記在平時——核心語句必背
1.通過對酶催化作用具體實例的討論，說明酶在細胞代謝中的作用及酶的本質。2.通過閱讀分析“關于酶本質的探索”的資料，認同科學是在不斷地探索和爭論中前進的，偉大的科學家也會有認識上的局限性。 1.細胞代謝是細胞中化學反應的總稱。2.酶是生物催化劑，其催化作用原理是降低化學反應的活化能。3.酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，絕大多數是蛋白質，少數是RNA。
[主干知識梳理]
一、酶在細胞代謝中的作用
1．細胞代謝
(1)場所：活細胞內。
(2)實質：各種化學反應的總稱。
(3)意義：細胞生命活動的基礎。
2．比較過氧化氫在不同條件下的分解
(1)實驗原理：過氧化氫在水浴加熱、FeCl3 溶液中的Fe3＋和肝臟研磨液中過氧化氫酶的作用下加速分解。
(2)實驗步驟和實驗現象
　　　試管步驟　　　
相同處理 向4支試管中分別加入2 mL過氧化氫溶液
不同處理 不處理 放在90 ℃左右的水浴 中 加 熱 滴入2滴FeCl3溶液 滴入2滴肝臟研磨液
現象 氣泡 基本無 少 較多 很多
帶火星衛生香 無復燃 有復燃 復燃性較強 復燃性很強
(3)實驗結論：酶具有催化作用，同無機催化劑相比，催化效率更高。
3．控制變量和對照實驗
(1)自變量：人為控制的對實驗對象進行處理的因素叫作自變量。
(2)因變量：因自變量改變而變化的變量叫作因變量。
(3)無關變量：除自變量外，實驗過程中還存在一些對實驗結果造成影響的可變因素，叫作無關變量。
(4)對照實驗：除作為自變量的因素外，其余因素(無關變量)都保持一致，并將結果進行比較的實驗叫作對照實驗。
二、酶的作用原理和本質
1．酶的作用原理
(1)活化能：指分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量。
(2)原理：同無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，因而催化效率更高。
(3)意義：使細胞代謝能在溫和條件下快速有序地進行。
2．酶的作用及本質
(1)產生場所：活細胞中。
(2)生理作用：催化作用。
(3)化學本質：絕大多數是蛋白質，少數是RNA。
[邊角知識發掘]
1．結合教材P78圖5 1及下圖分析酶的作用原理：
(1)表示無酶催化時反應進行需要的活化能的是AC段。
(2)表示有酶催化時反應進行所需要的活化能的是BC段。
(3)酶降低的活化能是AB段。
(4)若將酶變為無機催化劑，則B在縱軸上向上移動。
(5)下表數據是在20 ℃測得的H2O2分解的活化能，數據說明，酶和無機催化劑相比有什么不同？
條件 無催化劑催化 FeCl3催化 過氧化氫酶催化
活化能/(kJ·mol－1) 75 54 29
提示：和無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，即催化效率更高。
2．美國科學家薩姆納從刀豆種子中提取到脲酶，并證明了脲酶是蛋白質(教材P79“思考·討論”)。請說明驗證脲酶是蛋白質的實驗思路：____________________________
提示：向脲酶溶液和蛋白質溶液中分別加入雙縮脲試劑，若都出現紫色反應，則說明脲酶是蛋白質。
[教材問題提示]
思考·討論(教材P80)
1．巴斯德認為發酵與活細胞有關，是合理的；認為發酵是整個細胞而不是細胞中的某些物質在起作用，是不正確的。李比希認為引起發酵的是細胞中的某些物質，是合理的；認為這些物質只有在酵母菌細胞死亡并裂解后才能發揮作用，是不正確的。
2．巴斯德是微生物學家，特別強調生物體或細胞的作用；李比希是化學家，傾向于從化學的角度考慮問題。他們的爭論促使后人把對酶的研究目標集中在他們爭論的焦點上，使科學研究更加有的放矢。
3．畢希納的實驗說明，酵母菌細胞中的某些物質能夠在酵母菌細胞破碎后繼續起催化作用，就像在活酵母菌細胞中一樣。
4．薩姆納歷時9年，用正確的科學方法，依靠堅持不懈、百折不撓的科學精神，將酶提純出來。成功屬于不畏艱苦的人。
5．酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數酶是蛋白質，少數酶是RNA。
新知探究一　酶在細胞代謝中的作用
[在探究中學]
[任務驅動]　
1．結合教材P77實驗，從材料、用具、操作步驟及安全性等方面，思考下列問題：
(1)實驗時，選用新鮮的肝臟作為實驗材料的原因是什么？
提示：肝臟如果不新鮮，肝細胞內的過氧化氫酶等有機物就會在腐生菌的作用下分解，就不能促進過氧化氫分解成H2O和O2。
(2)在實驗中，為什么將肝臟研磨成溶液？
提示：研磨肝臟，使過氧化氫酶釋放出來，釋放出的過氧化氫酶與試管內過氧化氫分子充分接觸，加速過氧化氫的分解。
(3)在滴加肝臟研磨液和FeCl3溶液時，為什么不能共用一支吸管？
提示：滴加肝臟研磨液和FeCl3溶液時，若共用一支吸管，則滴加的FeCl3溶液中會含少量肝臟研磨液，而研磨液中的過氧化氫酶具有高效性，會使兩支試管中產生的氣泡差別不大，不易對比觀察，從而影響實驗結果的準確性。
2．實驗過程和實驗結果分析：
(1)2、3、4號三支試管都有氣泡放出，但4號試管放出的氣泡最多，說明了什么？
提示：加熱、無機催化劑和酶都能促進過氧化氫的分解，提高反應速率，但是酶的催化效率更高。
(2)與1號試管相比，2號試管出現什么不同的現象？這一現象說明了什么？
提示：2號試管放出的氣泡多。這一現象說明加熱能促進過氧化氫的分解，提高反應速率。
(2)通過對這個實驗結果的分析，你認為酶在細胞代謝中具有什么作用？
提示：酶在溫和條件下，可以高效地完成對化學反應的催化，即酶具有催化化學反應的作用。
[師說重難]　
1．酶具有催化作用的實驗驗證思路
設計思路 實驗組：底物＋相應酶液底物被分解對照組：底物＋等量蒸餾水底物不被分解
實驗變量 自變量是相應酶液的有無，因變量是底物是否被分解
結果分析 根據底物性質利用相應試劑檢測，若底物被分解，則證明酶具有催化作用，否則不具有催化作用
2．酶的作用機理
酶作用的實質是降低化學反應的活化能。與無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，兩者的比較如圖所示。
圖中各字母代表的含義：a、b、c分別代表無催化劑、使用無機催化劑、使用酶催化的化學反應過程，E1、E2、E3分別代表進行相應化學反應所需的活化能，ΔE代表使用酶后降低的活化能。
[在應用中悟]
[典例1]　(2020·青島質檢)如圖表示“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗。有關分析合理的是(　　)
A．本實驗自變量是催化劑的種類
B．本實驗的無關變量有溫度和過氧化氫的用量等
C．1號和4號試管對比可說明酶具有催化作用
D．3號和4號試管對比可說明酶具有專一性
[解析]　本實驗的自變量是溫度和催化劑的種類；分析題圖可知，溫度是自變量，而不是無關變量，本實驗的無關變量有酶用量、過氧化氫的量等；分析題圖可知，1號與4號對照，其單一變量為是否有酶，可說明酶具有催化作用；3號和4號對照，自變量是催化劑的種類，可說明酶催化作用具有高效性。
[答案]　C
[典例2]　下列關于活化能的敘述，錯誤的是(　　)
A．分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量
B．無機催化劑、水浴加熱都可以降低化學反應的活化能　
C．酶可以降低化學反應的活化能
D．同無機催化劑相比，酶降低活化能的作用效果更顯著　
[解析]　酶和無機催化劑均能降低化學反應的活化能，同無機催化劑相比，酶降低活化能的作用效果更顯著；水浴加熱可以給化學反應提供能量，但不能降低化學反應的活化能。
[答案]　B
[在訓練中評]
1．在過氧化氫酶和Fe3＋的催化效率比較實驗中，把肝臟制成研磨液的目的是(　　)
A．有利于過氧化氫酶的釋放 B．保護過氧化氫酶
C．提高過氧化氫酶的活性 D．以上說法都不對
解析：選A　研磨可破壞肝細胞，使細胞內的過氧化氫酶充分釋放出來，以增大與反應物的接觸面積。
2．下列各圖中，①表示有酶催化的反應曲線，②表示沒有酶催化的反應曲線，E表示酶降低的活化能，其中正確的圖解是(　　)
解析：選C　活化能是指分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量。①表示有酶催化的反應曲線，②表示沒有酶催化的反應曲線，兩曲線最高點的差值就是酶降低的活化能，只有C項圖中曲線符合。
新知探究二　酶的本質
[在探究中學]
[任務驅動]　
酶是一種生物催化劑，其化學本質是什么？對此科學家們進行了不懈的研究。
[師說重難]　
1．酶的概念理解
化學本質 大多數是蛋白質 少數是RNA
合成原料 氨基酸 核糖核苷酸
合成場所 核糖體 主要在細胞核
來源 一般活細胞均能產生
生理功能 具有生物催化作用
2．證明某種酶是蛋白質的實驗思路
實驗組：待測酶液＋雙縮脲試劑→是否出現紫色反應。
對照組：已知蛋白液＋雙縮脲試劑→出現紫色反應。
[在應用中悟]
[典例1]　下列有關酶的敘述正確的是(　　)
①是有分泌功能的細胞產生的　②有的從食物中獲得，有的在體內轉化而來　③凡是活細胞，一般都能產生酶　④酶都是蛋白質　⑤有的酶不是蛋白質　⑥酶在代謝中有多種功能　⑦在新陳代謝和生長發育中起調控作用　⑧酶只是起催化作用
A．①②⑤　　　　　　　 B．①⑤⑧
C．③⑤⑧　　　　　　　　 D．①③⑤
[解析]　酶是由活細胞產生的，具有生物催化作用的有機物。就酶的化學本質而言，大多數酶是蛋白質，少數酶是RNA，④錯誤，⑤正確；就酶作用的場所而言，有胞內酶和胞外酶，活細胞一般都能產生胞內酶，①錯誤，③正確；代謝是細胞內全部有序化學反應的總稱，在這一過程中，需要酶的催化，酶只起催化作用，沒有調控作用，⑥⑦錯誤，⑧正確。
[答案]　C
[典例2]　用蛋白酶去除大腸桿菌核糖體的蛋白質，處理后的核糖體仍可催化氨基酸的脫水縮合反應。由此可推測核糖體中能催化該反應的物質是(　　)
A．蛋白質 B．脂肪酶
C．RNA D．淀粉酶
[解析]　核糖體的主要成分是蛋白質和RNA，蛋白酶將核糖體中的蛋白質水解后只剩下RNA，所以發揮催化作用的是RNA。
[答案]　C
[在訓練中評]
1．下列關于酶的敘述，正確的是(　　)
A．酶只有在生物體內才能起催化作用
B．酶都有消化作用
C．酶既可以作為催化劑，也可以作為另一個反應的底物
D．所有酶與雙縮脲試劑作用均可發生紫色反應
解析：選C　酶雖然是由活細胞產生的，但它的催化作用不一定在生物體內，只要條件適宜，在體內外都可起催化作用。酶的催化作用表現在多方面，有的酶促進物質合成，有的酶促進物質分解，只有消化酶才能促進消化。酶可以作為催化劑，由于酶的成分絕大多數是蛋白質，少數是RNA，當存在蛋白酶或RNA水解酶時，酶也可以作為該催化反應的底物，被催化水解。少數酶是RNA，不能與雙縮脲試劑發生紫色反應。
2．當某種RNA存在時，生物體內的某種化學反應能正常進行；當這種RNA被有關的酶水解后，此種化學反應立即減慢。由此可以說明(　　)
A．RNA是核酸的一種
B．RNA有時也可稱為遺傳物質
C．RNA主要存在于細胞質中
D．RNA也可作為生物催化劑
解析：選D　RNA被有關的酶水解后，化學反應立即減慢，說明該RNA屬于酶，可催化此反應的進行，即RNA也具有催化作用，故D正確。A、B、C三項從內容上講均是正確的說法，但無法從題干信息中得出這些結論，故三項均不符合題意。
科學思維——控制變量和設計對照實驗
(一)教材中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗變量分析
自變量 因變量 無關變量 對照組 實驗組
2號：水浴加熱；3號：加FeCl3溶液；4號：加肝臟研磨液 過氧化氫分解速率 反應物的濃度；反應時間；實驗室的溫度；FeCl3溶液濃度和肝臟研磨液的新鮮程度等 1號試管 2、3、4號試管
(二)控制變量的科學方法
(三)對照實驗的類型和對照組、實驗組的判斷
1．空白對照
設置兩組實驗，其中施加實驗變量(要研究的因素)處理的為實驗組，常態或未施加實驗變量(要研究的因素)處理的為對照組。自變量為實驗變量的有無。一般驗證性實驗采用空白對照。
2．相互對照
設置三組以上的實驗，每一組既作為實驗組，同時又是其他組的對照。自變量為實驗變量的不同量度(或類別)。一般“探究××最適(佳)條件”的實驗采用相互對照。
3．自身對照
實驗組、對照組在同一實驗對象上進行，即實驗處理前的為對照組，處理后的為實驗組，自變量為實驗變量的處理與否，如“探究植物細胞的吸水和失水”實驗。
4．條件對照
增設了與實驗變量無關的一組實驗。常結合空白對照進行，具有反證或加強作用。如“驗證甲狀腺激素促進幼小動物發育”的實驗中：以蝌蚪為實驗材料，甲組(實驗組)飼喂甲狀腺激素；乙組(條件對照組)飼喂甲狀腺抑制劑；丙組(空白對照組)對蝌蚪不做任何處理。通過比較、對照更能充分說明實驗變量——甲狀腺激素有促進動物生長發育的作用。條件對照的目的是通過對比得出相對立的結論，以驗證實驗結論的正確性。
[素養評價]
1．關于生物學實驗中的變量，下列說法錯誤的是(　　)
A．任何生物學實驗中都需要設置變量
B．對照實驗中應遵循單一變量原則
C．對照實驗中一定存在自變量
D．無關變量并不是與實驗結果沒有關系
解析：選A　只有對照實驗中才需設置變量，純粹的觀察實驗(如用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細胞質的流動)則無需設置變量。
2．過氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性沒食子酸呈橙紅色。為探究白菜梗中是否存在過氧化物酶，設計實驗如下表。下列相關敘述正確的是(　　)
管號 1%焦性沒食子酸/mL 2%H2O2/mL 緩沖液/mL 過氧化物酶溶液/mL 白菜梗提取液/mL 煮沸冷卻后的白菜梗提取液/mL
1 2 2 2 － － －
2 2 2 － 2 － －
3 2 2 － － 2 －
4 2 2 － － － 2
A．1號管為對照組，其余不都是實驗組
B．2號管為對照組，其余都為實驗組
C．若3號管顯橙紅色，無需對照就能證明白菜梗中存在過氧化物酶
D．若4號管不顯橙紅色，可證明白菜梗中無過氧化物酶
解析：選A　根據實驗目的“探究白菜梗中是否存在過氧化物酶”，可確定加入白菜梗提取液的3號管為實驗組，1號、2號和4號管都為對照組；若3號管顯橙紅色，還需要與2號管、4號管對照才能證明白菜梗中存在過氧化物酶；若4號管不顯橙紅色，可能是因為高溫使過氧化物酶變性失活，而不能證明白菜梗中不存在過氧化物酶。
3．在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的實驗中，對實驗的處理如表所示。
試管組別 實驗處理
加入3%過氧化氫/mL 溫度 加入試劑
試管1 2 常溫 －
試管2 2 90 ℃ －
試管3 2 常溫 2滴3.5%FeCl3溶液
試管4 2 常溫 2滴20%肝臟研磨液
(1)在上表的實驗處理中，研究了哪些自變量？________________________，寫出一種無關變量：____________________________________________________。
(2)該實驗用的肝臟要求是新鮮的，原因是_________________________________。
(3)若要研究生物催化劑與無機催化劑的差別，可選用的實驗組合是____________________。
(4)若試管1和試管2組成對照實驗，能說明的問題是
____________________________________________________。
解析：(1)由表中的實驗處理可知，本實驗的自變量是溫度和催化劑，過氧化氫溶液、FeCl3溶液、肝臟研磨液的用量和溶液的pH等都屬于無關變量。(2)若肝臟放置時間太久，會被微生物破壞，其中含有的過氧化氫酶被破壞，從而影響實驗效果。(3)若要研究生物催化劑和無機催化劑的差別，實驗的自變量是催化劑種類，因此可選用表格中的試管3和試管4。(4)試管1和試管2的實驗處理不同的是溫度，二者比較可以說明溫度對過氧化氫分解具有促進作用，其作用原理是加熱使過氧化氫分子得到能量，促使其分解。
答案：(1)溫度、催化劑　過氧化氫溶液的用量、FeCl3溶液的用量、肝臟研磨液的用量、溶液的pH(寫出一種即可)　(2)若肝臟放置時間太長，過氧化氫酶會被破壞，影響實驗效果　(3)試管3和試管4　(4)加熱使過氧化氫分子得到能量，促使過氧化氫分解
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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