【学案】 第5章　第1节　第1课时　酶的作用和本质 生物学人教版（2019） 必修1

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第5章　第1节　降低化学反应活化能的酶　第1课时　酶的作用和本质
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.通过对酶催化作用具体实例的讨论，说明酶在细胞代谢中的作用及酶的本质。2.通过阅读分析“关于酶本质的探索”的资料，认同科学是在不断地探索和争论中前进的，伟大的科学家也会有认识上的局限性。 1.细胞代谢是细胞中化学反应的总称。2.酶是生物催化剂，其催化作用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，少数是RNA。
[主干知识梳理]
一、酶在细胞代谢中的作用
1．细胞代谢
(1)场所：活细胞内。
(2)实质：各种化学反应的总称。
(3)意义：细胞生命活动的基础。
2．比较过氧化氢在不同条件下的分解
(1)实验原理：过氧化氢在水浴加热、FeCl3 溶液中的Fe3＋和肝脏研磨液中过氧化氢酶的作用下加速分解。
(2)实验步骤和实验现象
　　　试管步骤　　　
相同处理 向4支试管中分别加入2 mL过氧化氢溶液
不同处理 不处理 放在90 ℃左右的水浴 中 加 热 滴入2滴FeCl3溶液 滴入2滴肝脏研磨液
现象 气泡 基本无 少 较多 很多
带火星卫生香 无复燃 有复燃 复燃性较强 复燃性很强
(3)实验结论：酶具有催化作用，同无机催化剂相比，催化效率更高。
3．控制变量和对照实验
(1)自变量：人为控制的对实验对象进行处理的因素叫作自变量。
(2)因变量：因自变量改变而变化的变量叫作因变量。
(3)无关变量：除自变量外，实验过程中还存在一些对实验结果造成影响的可变因素，叫作无关变量。
(4)对照实验：除作为自变量的因素外，其余因素(无关变量)都保持一致，并将结果进行比较的实验叫作对照实验。
二、酶的作用原理和本质
1．酶的作用原理
(1)活化能：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。
(2)原理：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)意义：使细胞代谢能在温和条件下快速有序地进行。
2．酶的作用及本质
(1)产生场所：活细胞中。
(2)生理作用：催化作用。
(3)化学本质：绝大多数是蛋白质，少数是RNA。
[边角知识发掘]
1．结合教材P78图5 1及下图分析酶的作用原理：
(1)表示无酶催化时反应进行需要的活化能的是AC段。
(2)表示有酶催化时反应进行所需要的活化能的是BC段。
(3)酶降低的活化能是AB段。
(4)若将酶变为无机催化剂，则B在纵轴上向上移动。
(5)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？
条件 无催化剂催化 FeCl3催化 过氧化氢酶催化
活化能/(kJ·mol－1) 75 54 29
提示：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。
2．美国科学家萨姆纳从刀豆种子中提取到脲酶，并证明了脲酶是蛋白质(教材P79“思考·讨论”)。请说明验证脲酶是蛋白质的实验思路：____________________________
提示：向脲酶溶液和蛋白质溶液中分别加入双缩脲试剂，若都出现紫色反应，则说明脲酶是蛋白质。
[教材问题提示]
思考·讨论(教材P80)
1．巴斯德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菌细胞死亡并裂解后才能发挥作用，是不正确的。
2．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，使科学研究更加有的放矢。
3．毕希纳的实验说明，酵母菌细胞中的某些物质能够在酵母菌细胞破碎后继续起催化作用，就像在活酵母菌细胞中一样。
4．萨姆纳历时9年，用正确的科学方法，依靠坚持不懈、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．酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。
新知探究一　酶在细胞代谢中的作用
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．结合教材P77实验，从材料、用具、操作步骤及安全性等方面，思考下列问题：
(1)实验时，选用新鲜的肝脏作为实验材料的原因是什么？
提示：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分解，就不能促进过氧化氢分解成H2O和O2。
(2)在实验中，为什么将肝脏研磨成溶液？
提示：研磨肝脏，使过氧化氢酶释放出来，释放出的过氧化氢酶与试管内过氧化氢分子充分接触，加速过氧化氢的分解。
(3)在滴加肝脏研磨液和FeCl3溶液时，为什么不能共用一支吸管？
提示：滴加肝脏研磨液和FeCl3溶液时，若共用一支吸管，则滴加的FeCl3溶液中会含少量肝脏研磨液，而研磨液中的过氧化氢酶具有高效性，会使两支试管中产生的气泡差别不大，不易对比观察，从而影响实验结果的准确性。
2．实验过程和实验结果分析：
(1)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？
提示：加热、无机催化剂和酶都能促进过氧化氢的分解，提高反应速率，但是酶的催化效率更高。
(2)与1号试管相比，2号试管出现什么不同的现象？这一现象说明了什么？
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)通过对这个实验结果的分析，你认为酶在细胞代谢中具有什么作用？
提示：酶在温和条件下，可以高效地完成对化学反应的催化，即酶具有催化化学反应的作用。
[师说重难]　
1．酶具有催化作用的实验验证思路
设计思路 实验组：底物＋相应酶液底物被分解对照组：底物＋等量蒸馏水底物不被分解
实验变量 自变量是相应酶液的有无，因变量是底物是否被分解
结果分析 根据底物性质利用相应试剂检测，若底物被分解，则证明酶具有催化作用，否则不具有催化作用
2．酶的作用机理
酶作用的实质是降低化学反应的活化能。与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，两者的比较如图所示。
图中各字母代表的含义：a、b、c分别代表无催化剂、使用无机催化剂、使用酶催化的化学反应过程，E1、E2、E3分别代表进行相应化学反应所需的活化能，ΔE代表使用酶后降低的活化能。
[在应用中悟]
[典例1]　(2020·青岛质检)如图表示“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验。有关分析合理的是(　　)
A．本实验自变量是催化剂的种类
B．本实验的无关变量有温度和过氧化氢的用量等
C．1号和4号试管对比可说明酶具有催化作用
D．3号和4号试管对比可说明酶具有专一性
[解析]　本实验的自变量是温度和催化剂的种类；分析题图可知，温度是自变量，而不是无关变量，本实验的无关变量有酶用量、过氧化氢的量等；分析题图可知，1号与4号对照，其单一变量为是否有酶，可说明酶具有催化作用；3号和4号对照，自变量是催化剂的种类，可说明酶催化作用具有高效性。
[答案]　C
[典例2]　下列关于活化能的叙述，错误的是(　　)
A．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
B．无机催化剂、水浴加热都可以降低化学反应的活化能　
C．酶可以降低化学反应的活化能
D．同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用效果更显著　
[解析]　酶和无机催化剂均能降低化学反应的活化能，同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用效果更显著；水浴加热可以给化学反应提供能量，但不能降低化学反应的活化能。
[答案]　B
[在训练中评]
1．在过氧化氢酶和Fe3＋的催化效率比较实验中，把肝脏制成研磨液的目的是(　　)
A．有利于过氧化氢酶的释放 B．保护过氧化氢酶
C．提高过氧化氢酶的活性 D．以上说法都不对
解析：选A　研磨可破坏肝细胞，使细胞内的过氧化氢酶充分释放出来，以增大与反应物的接触面积。
2．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：选C　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。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，两曲线最高点的差值就是酶降低的活化能，只有C项图中曲线符合。
新知探究二　酶的本质
[在探究中学]
[任务驱动]　
酶是一种生物催化剂，其化学本质是什么？对此科学家们进行了不懈的研究。
[师说重难]　
1．酶的概念理解
化学本质 大多数是蛋白质 少数是RNA
合成原料 氨基酸 核糖核苷酸
合成场所 核糖体 主要在细胞核
来源 一般活细胞均能产生
生理功能 具有生物催化作用
2．证明某种酶是蛋白质的实验思路
实验组：待测酶液＋双缩脲试剂→是否出现紫色反应。
对照组：已知蛋白液＋双缩脲试剂→出现紫色反应。
[在应用中悟]
[典例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．①②⑤　　　　　　　 B．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，大多数酶是蛋白质，少数酶是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反应的总称，在这一过程中，需要酶的催化，酶只起催化作用，没有调控作用，⑥⑦错误，⑧正确。
[答案]　C
[典例2]　用蛋白酶去除大肠杆菌核糖体的蛋白质，处理后的核糖体仍可催化氨基酸的脱水缩合反应。由此可推测核糖体中能催化该反应的物质是(　　)
A．蛋白质 B．脂肪酶
C．RNA D．淀粉酶
[解析]　核糖体的主要成分是蛋白质和RNA，蛋白酶将核糖体中的蛋白质水解后只剩下RNA，所以发挥催化作用的是RNA。
[答案]　C
[在训练中评]
1．下列关于酶的叙述，正确的是(　　)
A．酶只有在生物体内才能起催化作用
B．酶都有消化作用
C．酶既可以作为催化剂，也可以作为另一个反应的底物
D．所有酶与双缩脲试剂作用均可发生紫色反应
解析：选C　酶虽然是由活细胞产生的，但它的催化作用不一定在生物体内，只要条件适宜，在体内外都可起催化作用。酶的催化作用表现在多方面，有的酶促进物质合成，有的酶促进物质分解，只有消化酶才能促进消化。酶可以作为催化剂，由于酶的成分绝大多数是蛋白质，少数是RNA，当存在蛋白酶或RNA水解酶时，酶也可以作为该催化反应的底物，被催化水解。少数酶是RNA，不能与双缩脲试剂发生紫色反应。
2．当某种RNA存在时，生物体内的某种化学反应能正常进行；当这种RNA被有关的酶水解后，此种化学反应立即减慢。由此可以说明(　　)
A．RNA是核酸的一种
B．RNA有时也可称为遗传物质
C．RNA主要存在于细胞质中
D．RNA也可作为生物催化剂
解析：选D　RNA被有关的酶水解后，化学反应立即减慢，说明该RNA属于酶，可催化此反应的进行，即RNA也具有催化作用，故D正确。A、B、C三项从内容上讲均是正确的说法，但无法从题干信息中得出这些结论，故三项均不符合题意。
科学思维——控制变量和设计对照实验
(一)教材中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验变量分析
自变量 因变量 无关变量 对照组 实验组
2号：水浴加热；3号：加FeCl3溶液；4号：加肝脏研磨液 过氧化氢分解速率 反应物的浓度；反应时间；实验室的温度；FeCl3溶液浓度和肝脏研磨液的新鲜程度等 1号试管 2、3、4号试管
(二)控制变量的科学方法
(三)对照实验的类型和对照组、实验组的判断
1．空白对照
设置两组实验，其中施加实验变量(要研究的因素)处理的为实验组，常态或未施加实验变量(要研究的因素)处理的为对照组。自变量为实验变量的有无。一般验证性实验采用空白对照。
2．相互对照
设置三组以上的实验，每一组既作为实验组，同时又是其他组的对照。自变量为实验变量的不同量度(或类别)。一般“探究××最适(佳)条件”的实验采用相互对照。
3．自身对照
实验组、对照组在同一实验对象上进行，即实验处理前的为对照组，处理后的为实验组，自变量为实验变量的处理与否，如“探究植物细胞的吸水和失水”实验。
4．条件对照
增设了与实验变量无关的一组实验。常结合空白对照进行，具有反证或加强作用。如“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中：以蝌蚪为实验材料，甲组(实验组)饲喂甲状腺激素；乙组(条件对照组)饲喂甲状腺抑制剂；丙组(空白对照组)对蝌蚪不做任何处理。通过比较、对照更能充分说明实验变量——甲状腺激素有促进动物生长发育的作用。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。
[素养评价]
1．关于生物学实验中的变量，下列说法错误的是(　　)
A．任何生物学实验中都需要设置变量
B．对照实验中应遵循单一变量原则
C．对照实验中一定存在自变量
D．无关变量并不是与实验结果没有关系
解析：选A　只有对照实验中才需设置变量，纯粹的观察实验(如用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动)则无需设置变量。
2．过氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性没食子酸呈橙红色。为探究白菜梗中是否存在过氧化物酶，设计实验如下表。下列相关叙述正确的是(　　)
管号 1%焦性没食子酸/mL 2%H2O2/mL 缓冲液/mL 过氧化物酶溶液/mL 白菜梗提取液/mL 煮沸冷却后的白菜梗提取液/mL
1 2 2 2 － － －
2 2 2 － 2 － －
3 2 2 － － 2 －
4 2 2 － － － 2
A．1号管为对照组，其余不都是实验组
B．2号管为对照组，其余都为实验组
C．若3号管显橙红色，无需对照就能证明白菜梗中存在过氧化物酶
D．若4号管不显橙红色，可证明白菜梗中无过氧化物酶
解析：选A　根据实验目的“探究白菜梗中是否存在过氧化物酶”，可确定加入白菜梗提取液的3号管为实验组，1号、2号和4号管都为对照组；若3号管显橙红色，还需要与2号管、4号管对照才能证明白菜梗中存在过氧化物酶；若4号管不显橙红色，可能是因为高温使过氧化物酶变性失活，而不能证明白菜梗中不存在过氧化物酶。
3．在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中，对实验的处理如表所示。
试管组别 实验处理
加入3%过氧化氢/mL 温度 加入试剂
试管1 2 常温 －
试管2 2 90 ℃ －
试管3 2 常温 2滴3.5%FeCl3溶液
试管4 2 常温 2滴20%肝脏研磨液
(1)在上表的实验处理中，研究了哪些自变量？________________________，写出一种无关变量：____________________________________________________。
(2)该实验用的肝脏要求是新鲜的，原因是_________________________________。
(3)若要研究生物催化剂与无机催化剂的差别，可选用的实验组合是____________________。
(4)若试管1和试管2组成对照实验，能说明的问题是
____________________________________________________。
解析：(1)由表中的实验处理可知，本实验的自变量是温度和催化剂，过氧化氢溶液、FeCl3溶液、肝脏研磨液的用量和溶液的pH等都属于无关变量。(2)若肝脏放置时间太久，会被微生物破坏，其中含有的过氧化氢酶被破坏，从而影响实验效果。(3)若要研究生物催化剂和无机催化剂的差别，实验的自变量是催化剂种类，因此可选用表格中的试管3和试管4。(4)试管1和试管2的实验处理不同的是温度，二者比较可以说明温度对过氧化氢分解具有促进作用，其作用原理是加热使过氧化氢分子得到能量，促使其分解。
答案：(1)温度、催化剂　过氧化氢溶液的用量、FeCl3溶液的用量、肝脏研磨液的用量、溶液的pH(写出一种即可)　(2)若肝脏放置时间太长，过氧化氢酶会被破坏，影响实验效果　(3)试管3和试管4　(4)加热使过氧化氢分子得到能量，促使过氧化氢分解
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