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第5章 細胞的能量供應和利用
第1節(jié) 降低化學反應活化能的酶
一　酶的作用和本質
素養(yǎng)導引
1.科學思維:通過模型構建,說明酶的作用及原理。
2.科學探究:通過分析實驗設計,說出變量之間的關系以及實驗設計的基本步驟。
3.社會責任:通過閱讀分析“關于酶本質的探索”的資料,認同科學是在不斷的探索和爭論中前進的,體會科學家不畏挫折的精神。
　　加酶洗衣粉中添加了多種酶制劑,如蛋白酶制劑和脂肪酶制劑等。這些酶制劑不僅可以有效地清除衣物上的污漬,而且對人體沒有毒害作用,并且酶制劑及其分解產物能夠被微生物分解,不會污染環(huán)境。所以,加酶洗衣粉受到了人們的普遍歡迎。
　　很多人認為加酶洗衣粉的好壞可以依據洗衣粉中的有色顆粒的多少進行判斷。觀看視頻《加酶洗衣粉中的有色顆粒》。
　思考:
　(1)加酶洗衣粉中的有色顆粒是酶嗎
　(2)酶的本質是什么 酶有什么作用
一、酶在細胞代謝中的作用
1.細胞代謝:
(1)場所 :細胞中。
(2)實質:許多化學反應的統(tǒng)稱。
(3)意義:細胞代謝是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:
(2)實驗結論:
①酶有催化的作用。
②與無機催化劑相比,酶的催化效率更高。
3.酶的作用機理:
(1)活化能:分子從常態(tài)轉變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需要的能量。
(2)酶的作用機理:通過降低化學反應所需要的活化能從而加快化學反應的進行。
(3)與無機催化劑相比,酶催化效率更高的原因:酶降低活化能的作用更顯著。
　[思考]　加熱、Fe3+和過氧化氫酶都可以促進過氧化氫分解,它們的作用機理相同嗎 為什么
提示:不同,加熱促進過氧化氫分解的作用機理是加熱使過氧化氫分子得到了能量,而Fe3+和過氧化氫酶降低了過氧化氫分解反應的活化能。
二、酶的本質
1.關于酶本質的探索(連線):
2.酶的本質:絕大多數酶是蛋白質,少數酶是RNA。
　[思考]　細胞中合成酶的原料是什么
提示:氨基酸、核糖核苷酸。
　不慎摔倒,擦傷了膝蓋,可用消毒藥水清洗傷口,這種常見的藥水俗稱雙氧水(過氧化氫)。清洗時傷口處會產生大量氣泡。請結合所學知識判斷:
1.傷口處產生的氣泡是過氧化氫分解產生的氧氣。 (√)
2.產生大量氣泡是因為體溫高促進了過氧化氫的分解。 (×)
分析:大量氣泡產生是由于細胞中的過氧化氫酶促進過氧化氫的大量分解。
學習任務一:比較過氧化氫在不同條件下的分解
　請結合過氧化氫在不同條件下的分解的實驗設計探究:
試管編號 1 2 3 4
相同處理 2 mL過氧化氫溶液
不同處理 不處理 90 ℃水浴 2滴FeCl3 2滴肝臟研磨液
觀測指標 無氣泡 氣泡少 氣泡較多 氣泡很多
1.變量分析:
(1)自變量:對過氧化氫溶液的不同處理方法——加熱和催化劑的種類。
(2)因變量:過氧化氫的分解速率。
(3)無關變量:過氧化氫的濃度、反應時間等。
2.對照實驗:
通過分析對照實驗可以得出結論,下列對照實驗的實驗結論如下:
(1)1號與2號對比,結論:加熱可以加快過氧化氫的分解。
(2)1號與3號對比,結論:FeCl3可以催化過氧化氫的分解。
(3)1號與4號對比,結論:過氧化氫酶可以催化過氧化氫的分解。
(4)3號與4號對比,結論:與無機催化劑相比,過氧化氫酶的催化效率更高。
3.實驗的基本原則:
(1)單一變量原則:各組實驗除了自變量不同,其他處理均相同,防止無關變量對實驗結果造成影響。
(2)等量原則:如實驗中的反應物的濃度和反應時間等,處理時各組都要保持相同且適宜。
(3)對照原則:遵循該原則,可通過對實驗結果的比較得出結論。
　[思考探究]　實驗用的肝臟為什么要新鮮
提示:肝臟不新鮮可能會導致酶活性低甚至失去活性。
　　　　　　　【深化探究】簡述驗證過氧化氫酶的催化效率高的實驗設計思路。
提示:取兩支潔凈的試管,分別編號1、2,向兩支試管中各加入等量的過氧化氫溶液。1號試管中加入適量的過氧化氫酶溶液,2號試管中加入等量的FeCl3溶液,觀察并記錄兩支試管的氣泡產生量。
【學習加點料】
1.思維易錯:實驗中能否用滴加過肝臟研磨液的滴管來滴加FeCl3溶液 為什么
提示:不能。滴加過肝臟研磨液的滴管內殘留的肝臟研磨液中的過氧化氫酶,會使滴加FeCl3溶液的試管中也產生大量氣泡,從而影響實驗結果的準確性。
2.教材開發(fā):教材P78[科學方法]拓展
本實驗中,未作任何處理的1號試管為空白對照,想一想,設置這樣的對照組的意義是什么
提示:排除其他因素對實驗結果的影響。
　如圖裝置為探究H2O2在不同條件下的分解,甲、乙裝置中的H2O2的濃度和量都相同①,實驗完成后讓反應進行至不再有氣泡產生②,下列說法正確的是 (　　)
A.裝置甲中H2O2分解所需要的活化能比裝置乙的少
B.該實驗的自變量是酶的種類
C.該實驗的因變量檢測指標是H2O2的分解速率
D.量筒Ⅰ中水的體積等于量筒Ⅱ中水的體積
[解題思維]
提取關鍵點 ①甲、乙裝置中H2O2濃度和量都相同②反應進行至不再有氣泡產生
轉化知識點 對照實驗中,除了自變量,其余因素保持一致;酶與無機催化劑相比,酶的催化效率更高
排除障礙點 量筒中水的體積與O2產生的總量有關,O2的產生總量與H2O2的量有關,與催化效率無關
【解析】選D。酶和無機催化劑相比,酶能顯著降低化學反應的活化能,故裝置甲中H2O2分解所需要的活化能比裝置乙的多,A錯誤;據題干信息和題圖分析,該實驗的自變量是催化劑的種類,因變量是氣體的產生量,實驗中收集到的水的體積代表產生的O2的量,所以檢測指標是試管中水的體積,B、C錯誤;由于兩個裝置中H2O2的濃度和量都相同,因此兩個裝置產生的O2量相等,則量筒Ⅰ中水的體積等于量筒Ⅱ中水的體積,D正確。
　[借題發(fā)揮]　如以“氣泡產生量”為觀測指標,可如何改變實驗裝置
提示:將連通錐形瓶的玻璃管插入廣口瓶液面下,并將量筒Ⅰ、Ⅱ和連通的玻璃管去除。
1.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中,用新鮮肝臟制研磨液的主要目的是 (　　)
A.便于向試管中加入
B.便于將過氧化氫酶釋放出來
C.便于與FeCl3溶液作比較
D.有比較多的過氧化氫酶
【解析】選B。在比較過氧化氫在不同條件下的分解實驗中,用新鮮肝臟制研磨液,目的是使肝細胞中的較多的過氧化氫酶得以充分釋放,有利于過氧化氫酶與試管中過氧化氫充分接觸,從而加速過氧化氫的分解。
2.在如圖所示的實驗中,屬于自變量的是 (　　)
A.催化劑
B.過氧化氫分解的速率
C.產生氣泡量
D.試管中的過氧化氫溶液的量
【解析】選A。由圖示可知,圖中的實驗處理是分別向過氧化氫溶液中加入氯化鐵溶液和過氧化氫酶溶液,Fe3+和過氧化氫酶都能催化過氧化氫分解,因此該實驗的自變量是催化劑種類。
3.如圖表示“比較過氧化氫在不同條件下的分解”的實驗,下列分析合理的是 (　　)
A.本實驗的因變量是不同的催化劑
B.本實驗的無關變量有溫度和酶的用量等
C.1號與3號、1號與4號可分別構成對照實驗
D.分析1號、2號試管的實驗結果可知加熱能降低化學反應的活化能
【解析】選C。本實驗的因變量是氣泡的產生情況,A錯誤;本題的溫度是自變量,不是無關變量,B錯誤;1號與3號、1號與4號的單一變量是有無催化劑,可分別構成對照實驗,C正確;加熱能使過氧化氫分子從常態(tài)轉變成容易反應的活躍狀態(tài),不是降低反應的活化能,D錯誤。
學習任務二:酶的本質及作用機理
1.酶的本質和作用:
化學本質 絕大多數是蛋白質 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 一般來說,所有的活細胞
生理功能 催化作用
　[思考探究]　近幾年突然流行的酵素,其實質就是酶。食用后,酵素是否仍具有酵素的原有功能
提示:酶的本質大多是蛋白質,被人食用后會被消化酶分解而喪失原有功能。
2.酶的作用機理模型:
(1)分析方法:從活化能概念入手,分子從初態(tài)(d)轉變?yōu)榛罨瘧B(tài)(a)所需的能量為活化能,即ad表示沒有催化劑時的活化能。各區(qū)段分析如下:
區(qū)段 含義
ad 無催化劑條件下反應所需的活化能
bd 有無機催化劑條件下反應所需的活化能
cd 有酶催化條件下反應所需的活化能
ac 酶降低的活化能
(2)如圖所示,在不同的反應條件下,反應的“初態(tài)”是相同的,但“活化態(tài)”是不同的,可知催化劑只是降低了反應的活化能,而不提供活化能。
　　　　　　　【拓展歸納】
酶與無機催化劑的比較
(1)相同點:
①只改變化學反應速率,本身幾乎不被消耗;
②只催化已存在的化學反應;都降低活化能。
(2)不同點:酶的催化效率比無機催化劑高。
【學習加點料】
　思維易錯:酶是由活細胞產生的,那么所有的活細胞都能產生酶嗎
提示:不是,例如哺乳動物成熟的紅細胞不產生酶。
　如圖曲線表示在無催化劑和有酶催化條件①下某化學反應的能量變化②過程。下列相關敘述錯誤的是 (　　)
A.沒有催化劑的反應曲線是②
B.AB段的含義是酶降低的化學反應的活化能
C.AC段的含義是在無催化劑的條件下,反應所需要的活化能
D.若將酶改為無機催化劑催化該反應,則B點在縱軸上將向上移動
[解題思維]
提取關鍵點 ①在無催化劑和有酶催化條件下②某化學反應的能量變化過程
轉化知識點 與無催化劑相比,有酶催化的化學反應所需的活化能更低
排除障礙點 酶所降低的活化能為BC,AB段為酶催化反應所需的活化能
【解析】選B。根據題意可知,有催化劑參與的反應所需的活化能會降低,故比較曲線①②可知,曲線②表示無催化劑的反應曲線,A正確;有催化劑時,反應所需的活化能為AB段,無催化劑時,反應所需的活化能為AC段,故酶降低的化學反應的活化能應為BC段,B錯誤,C正確;無機催化劑的催化能力弱于酶的催化能力,但也會使反應速率加快,故無機催化劑降低的活化能會少于酶催化反應,則若將酶改為無機催化劑催化該反應,則B點在縱軸上將向上移動,D正確。
　[借題發(fā)揮]　在反應物量相同的情況下,無催化劑和有酶催化時,生成物的量是否相同 為什么
提示:相同。有酶催化只是降低活化能而使反應快速進行,最終生成物的量不變。
1.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。下列正確的圖解是 (　　)
【解析】選C。酶可以有效降低化學反應所需的活化能,以保證細胞內的反應在常溫、常壓下高效地進行,酶降低的活化能E=②沒有酶催化時化學反應所需的能量-①有酶催化時化學反應所需的能量。
2.在生物體內,酶是具有催化作用的有機物。下列關于酶的敘述,錯誤的是 (　　)
A.過氧化氫酶、脲酶都能與雙縮脲試劑反應呈紫色反應
B.有的酶組成元素為C、H、O、N、P
C.酶催化效率高是因為其提高反應物的量
D.活細胞中產生酶的場所可能是核糖體
【解析】選C。過氧化氫酶、脲酶都屬于蛋白質,蛋白質可與雙縮脲試劑反應呈紫色,A正確;RNA類的酶的組成元素是C、H、O、N、P,B正確;酶能夠降低化學反應活化能,而非提高反應物的量,C錯誤;蛋白質類酶的產生場所是核糖體,D正確。
多酚氧化酶與水果褐變
　　　生活中常遇到這樣的現象:切開的蘋果、久存的荔枝等表面會變色,此過程稱為褐變。此現象是由植物細胞中的多酚氧化酶(PPO)造成的。
　　多酚氧化酶(PPO)是存在于質體(植物細胞特有的結構,由膜包裹)中的含有Cu2+的蛋白質類酶,其可以催化液泡中的多酚類物質(無色)生成褐色物質,不僅會影響外觀,還會導致營養(yǎng)損失。
探究:
(1)自然狀態(tài)下,果蔬沒有發(fā)生褐變是因為細胞含有　　　　　系統(tǒng),使多酚氧化酶不能與多酚類物質相遇而產生褐變反應。多酚氧化酶具有催化作用的機理是酶能夠　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)請依據題中信息,簡述切開的蘋果褐變的過程 　　　　　　 　。
【解析】(1)自然狀態(tài)下,果蔬沒有發(fā)生褐變是因為細胞含有生物膜系統(tǒng),使多酚氧化酶不能與多酚類物質相遇而產生褐變反應。多酚氧化酶可以降低化學反應的活化能,因而具有催化作用。
(2)切開的蘋果,生物膜系統(tǒng)被破壞,質體中的PPO與液泡中的多酚類物質相遇,催化其形成褐色物質。
答案:(1)生物膜　降低化學反應的活化能　(2)切開的蘋果,生物膜系統(tǒng)被破壞,質體中的PPO與液泡中的多酚類物質相遇,催化其形成褐色物質
情境載體 情境類型為生活、學習和實踐情境,突出與生活的聯(lián)系
關鍵能力↓信息轉化 ①多酚氧化酶(PPO)是存在于質體中(由膜包裹)→生物膜系統(tǒng)
②液泡中的多酚類物質,即多酚類物質的釋放需要破壞生物膜
學科素養(yǎng) 培養(yǎng)生命觀念中的結構與功能觀、科學思維中的分析與比較等素養(yǎng)
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