第五章

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

1773年，意大利科學家斯帕蘭札尼做了一個巧妙的實驗：將肉塊放入小巧的金屬籠內(nèi)，然后讓鷹把小籠子吞下去。過一段時間后，他把小籠子取出來，發(fā)現(xiàn)籠內(nèi)的肉塊消失了。1、為什么要將肉塊放在金屬籠內(nèi)?2、是什么物質(zhì)使肉塊消失了？3、怎樣才能證明你的推測?問題探討便于取出實驗材料（肉塊），排除物理性消化對肉塊的影響，確定其是否發(fā)生了化學性消化是胃內(nèi)的化學物質(zhì)將肉塊分解了進行體外實驗，設法收集胃內(nèi)的化學物質(zhì)，看看這些物質(zhì)在體外是否也能將肉塊分解，如果可以便可證明胃消化肉塊的是一種化學物質(zhì)，而不是簡單的物理消化。物理性消化：又稱機械性消化，是指食物經(jīng)過口腔的咀嚼，牙齒的磨碎，舌的攪拌、吞咽，胃腸肌肉的活動，將大塊的食物變成碎小的，使消化液充分與食物混合，并推動食團或食糜下移，從口腔推移到肛門的消化過程?；瘜W性消化：指消化腺分泌的消化液對食物進行化學分解，由消化腺所分泌各種消化酶，將復雜的各種營養(yǎng)物質(zhì)分解為腸壁可以吸收的簡單的化合物。如糖類分單糖，蛋白質(zhì)分解為氨基酸，脂類分解為甘油及脂肪酸等。消化分類消化(1)實質(zhì)：細胞內(nèi)各種化學反應的統(tǒng)稱。(2)主要場所(代謝中心)：細胞質(zhì)基質(zhì)。(3)代謝控制中心：細胞核。(4)意義：是細胞生命活動的基礎。①在液體環(huán)境中進行②反應條件溫和③一般伴隨著能量的釋放、儲存和利用④細胞代謝離不開酶(5)特點細胞代謝細胞代謝是細胞生命活動的基礎，但細胞代謝中也會產(chǎn)生代謝廢物，甚至會產(chǎn)生對細胞有害的物質(zhì)，如過氧化氫。1.實驗目的：通過比較過氧化氫在不同條件下分解的快慢，了解過氧化氫酶的作用。2.實驗原理：探究實驗——比較過氧化氫在不同條件下的分解2H2O22H2O+O2反應條件②加熱是化學反應常見的條件③Fe3+是無機催化劑④新鮮肝臟中含有過氧化氫酶不同條件判斷H2O2的分解快慢依據(jù)：①帶火星的衛(wèi)生香的復燃情況②單位時間內(nèi)產(chǎn)生氣泡多少O2的產(chǎn)生量①放在常溫下3.實驗材料：①新鮮的質(zhì)量分數(shù)為20%的肝臟研磨液②質(zhì)量分數(shù)為3.5%的FeCI3溶液③新配制的體積分數(shù)為3%的H2O2溶液探究實驗——比較過氧化氫在不同條件下的分解經(jīng)計算，每滴FeCl3溶液中的Fe3+數(shù)，大約是每滴研磨液中過氧化氫酶分子數(shù)的25萬倍。4.實驗步驟步驟試管編號1234

一H2O2濃度3%3%3%3%劑量2ml2ml2ml2ml二反應條件常溫90℃FeCl3溶液新鮮肝臟研磨液劑量2滴2滴結(jié)果1.氣泡冒出情況2.衛(wèi)生香復燃情況2滴清水2滴清水探究實驗——比較過氧化氫在不同條件下的分解組別1234過氧化氫H2O2濃度3%3%3%3%H2O2劑量2mL2mL2mL2mL反應條件常溫90℃FeCl32滴肝臟研磨液2滴結(jié)果產(chǎn)生氣泡衛(wèi)生香燃燒情況不明顯少量較多大量不復燃不復燃復燃迅速復燃5.實驗結(jié)果探究實驗——比較過氧化氫在不同條件下的分解5.實驗結(jié)果思考與討論與1號試管相比，2號試管產(chǎn)生的氣泡多，這一現(xiàn)象說明什么？在細胞內(nèi)，能通過加熱來提高反應速率嗎？3號和4號試管未經(jīng)加熱，也有大量氣泡產(chǎn)生，這說明什么？3號試管與4號試管相比，哪支試管中的反應速率快？這說明什么？本實驗的實驗結(jié)論是什么？探究實驗——比較過氧化氫在不同條件下的分解②自變量：③因變量：④無關(guān)變量：除自變量外，實驗中還存在的一些也可對實驗結(jié)果造成影響的其它變量隨著自變量的變化而變化的變量人為改變的變量①變

量：實驗中可以變化的因素Y=a+f(x)自變量因變量無關(guān)變量科學方法：控制變量和設計對照實驗步驟試管編號說明1234一二三觀察結(jié)論實驗步驟：

H2O2

濃度3%3%3%3%劑量2ml2ml2ml2ml反應條件常溫90℃FeCl3肝臟研磨液劑量2滴2滴氣泡產(chǎn)生不明顯少量較多大量帶火星的衛(wèi)生香不復燃不復燃變亮復燃變量對照實驗因變量自變量無關(guān)變量變量過氧化氫在不同條件下的分解速率不一樣過氧化氫在過氧化氫酶的作用下分解速率最快2滴清水2滴清水無關(guān)變量實驗組對照組對照實驗對照實驗：除作為自變量的因素外，無關(guān)變量都保持一致，并將結(jié)果進行比較的實驗。對照的類型：空白對照、自身對照、相互對照(對比)、條件對照1號試管即為空白對照空白對照不給對照組做任何實驗處理，這里的”空白”絕不是什么影響因素都不給予，而是針對實驗組所要研究的實驗因素給與空白。紫色洋蔥鱗片葉外表皮滴加3%的蔗糖溶液，低倍鏡觀察滴加清水后，低倍鏡觀察→→制成裝片，低倍鏡觀察?！陨韺φ諏φ战M和實驗組都在同一研究對象上進行。不另設對照組。(不同處理的前后對照)3、4為相互對照。相互對照不另設對照組，而是幾個實驗組之間相互對照，其中的每一組既是實驗組也是其他組的對照組?？瞻讓φ眨河仔◎蝌讲惶幚韺嶒灲M：幼小蝌蚪飼喂甲狀腺激素條件對照組：幼小蝌蚪飼喂甲狀腺抑制劑條件對照就是對照組的基礎上施加一定條件的組。目的是與實驗組形成條件對照。條件對照雖給對照組施以某種實驗因素的處理。但這種處理是作為對照因素的，不是所要研究的實驗因素。這種處理不包括實驗研究給定的的自變量。目的是更有效的比較實驗組和對照組的結(jié)果。實驗：用小蝌蚪來驗證甲狀腺激素的生理功能對照實驗的目的是排除無關(guān)變量的干擾，從而確定自變量與因變量的關(guān)系。自變量因變量無關(guān)變量(適宜且相等)(控制)(檢測)一般步驟：第一步：分組編號，統(tǒng)一處理；第二步：設定自變量，設置好實驗組和對照組；第三步：一段時間后，檢測因變量，觀察記錄實驗結(jié)果。

根據(jù)實驗目的和器材，分析實驗的自變量，找出主要的無關(guān)變量，明確因變量的檢測方法?？茖W方法：控制變量和設計對照實驗實驗設計的基本原則①對照性原則：通過設置對照，排除無關(guān)變量的影響，以驗證實驗目的一個實驗中只能有一個自變量②單一變量原則：③等量性原則：除了自變量之外其他變量即無關(guān)變量均要相同④平行重復原則：做重復實驗，取平均值，用以減少誤差和偶然性⑤科學性原則：不能出現(xiàn)科學性錯誤

分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需要的能量稱為活化能。2H2O2

→2H2O+O2H2O2活躍狀態(tài)酶是如何實現(xiàn)如此高效的催化效率的？加熱Fe3+H2O2酶為過氧化氫分子提供能量降低化學反應的活化能顯著降低化學反應的活化能三種條件使過氧化氫加速分解的原理不同注意：1.酶降低化學反應的活化能，只改變化學反應速率，但不改變化學反應的方向和生成物的量2.反應前后酶本身并不被消耗，不為化學反應提供物質(zhì)和能量酶在細胞代謝中的作用二.酶的作用原理ABC無催化劑曲線：______酶促反應曲線：______無酶促反應所需活化能：______酶促反應所需活化能：______酶降低的活化能：______曲線A曲線CE3E2—E3E2(1)酶作用原理：(2)酶作用意義：酶可以顯著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，催化效率更高。使細胞代謝在溫和條件下快速有序地進行酶到底是什么物質(zhì)？過氧化氫酶巴斯德之前發(fā)酵是純化學反應，與生命活動無關(guān)巴斯德發(fā)酵與

有關(guān)，發(fā)酵是整個細胞而不是細胞中某些物質(zhì)起作用引起發(fā)酵的是細胞中的

，但這些物質(zhì)只有在酵母細胞

并裂解后才能發(fā)揮作用畢希納薩姆納李比希酵母細胞中的

能夠在酵母細胞破碎后繼續(xù)起催化作用，就像在活酵母細胞中一樣脲酶是切赫、奧爾特曼少數(shù)

也具有生物催化功能關(guān)于酶本質(zhì)的探索活細胞某些物質(zhì)死亡某些物質(zhì)蛋白質(zhì)RNA酶是活細胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機物酶來源功能化學本質(zhì)活細胞產(chǎn)生的催化作用有機物：絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA。給酶下一個較完整的定義：設計實驗，探究某種酶的化學本質(zhì)某種酶+蛋白酶加入酶的底物底物沒有被催化→該酶是蛋白質(zhì)底物被催化→該酶是RNA某種酶+雙縮脲試劑出現(xiàn)紫色→該酶是蛋白質(zhì)不出現(xiàn)紫色→該酶是RNA方案1方案2例1、下圖表示“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，下列有關(guān)分析合理的是(

)A．本實驗的自變量只是催化劑的不同B．本實驗的無關(guān)變量有溫度和酶的用量等C．1號與2號、1號與4號可分別構(gòu)成對照實驗D．分析1號、2號試管的實驗結(jié)果可知加熱能降低反應的活化能C例2、如圖所示，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，正確的圖解是(

)C5.1降低化學反應活化能的酶——酶的特性酶的特性1、高效性實驗數(shù)據(jù)表明，酶的催化效率是無機催化劑的107~1013倍。保證了細胞內(nèi)化學反應的順利進行，保證了細胞內(nèi)能量供應穩(wěn)定與無機催化劑相比，酶能顯著降低化學反應的活化能。①內(nèi)容②意義③原因④曲線表示1、無機催化劑既能催化蛋白質(zhì)的水解，也能催化脂肪、淀粉水解。2、蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)水解，但不能催化脂肪、淀粉等的水解。3、口腔里有唾液淀粉酶，可塞進牙縫里的肉絲兩天后還沒被消化。由上述資料大膽的提出問題，作出你的假設。酶的特性-專一性一種酶是否只催化一種或一類化學反應？酶的特性-專一性探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用

現(xiàn)有實驗材料：淀粉酶溶液

淀粉溶液

蔗糖溶液1.如何設計實驗探究淀粉酶催化哪一種糖分解？2.如何確定淀粉酶催化了淀粉的水解呢？實施實驗，得出結(jié)果：步驟項目試管1試管21注入可溶性淀粉溶液2注入蔗糖溶液3注入新鮮的淀粉酶溶液4加入斐林試劑5水浴加熱6觀察顏色變化2mL——2mL2mL2mL60℃，保溫5min2mL磚紅色無磚紅色思考：能否用碘液對實驗結(jié)果進行檢測？不能，因為碘液無法檢測蔗糖是否發(fā)生水解。實驗結(jié)論：淀粉酶只能催化淀粉水解，對蔗糖則不起催化作用。2、專一性每一種酶只能催化一種或一類反應。保證了細胞代謝能夠有條不紊地進行。鎖鑰學說(P85)①內(nèi)容②意義③原因

酶有一定的空間結(jié)構(gòu)，酶在反應中與底物的關(guān)系就像鑰匙和鎖的關(guān)系，它們的空間結(jié)構(gòu)必須相互結(jié)合形成復合物才能發(fā)生反應。反應前后酶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不變

為什么加酶洗衣粉需要用溫水浸泡？1.在不同的溫度下，同一種酶活性是否會受到影響？2.在不同的pH下，同一種酶活性是否會改變？請設計相關(guān)的實驗，驗證你們的假設。酶活性怎么看？酶催化特定化學反應的能力稱為酶活性。

影響酶活性的條件探究溫度對酶活性的影響實驗設計思路：各自在所控制的溫度下處理一段時間淀粉淀粉酶淀粉與相應溫度的淀粉酶混合并保溫一段時間滴加碘液，觀察顏色變化淀粉t1溫度+淀粉酶t1溫度淀粉t2溫度+淀粉酶t2溫度淀粉tn溫度+淀粉酶tn溫度……實驗過程與結(jié)果(探究溫度對酶活性的影響)操作1號試管2號試管3號試管4號試管5號試管6號試管0℃0℃50℃50℃100℃100℃加淀粉2mL—2mL—2mL—加淀粉酶—2mL—2mL—2mL保溫在各自溫度下保溫5min混合將2號加入1號中將4號加入3號中將6號加入5號中保溫在各自溫度下保溫5min加碘液2滴2滴2滴觀察顏色實驗結(jié)論溫度過低或過高酶活性都較低。變藍不變藍變藍思考·討論1.如何進一步探究淀粉酶的最適溫度？縮小溫度梯度，重復進行上述實驗。2.為什么不能用斐林試劑對實驗結(jié)果進行檢測？

該實驗的自變量是溫度，用斐林試劑檢測時需要水浴加熱，這樣會干擾自變量。3.為什么不能用過氧化氫酶和過氧化氫來探究溫度對酶活性的影響？因為過氧化氫本身受熱易分解，會對實驗結(jié)果造成干擾。探究溫度對酶活性的影響0最適溫度υ/mmol.s-1酶活性受溫度影響示意圖t/℃1.在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，酶的活性逐漸增強；2.達到最適溫度時，酶的活性最高；3.超過最適溫度時，隨著溫度的繼續(xù)升高，酶的活性逐漸下降。4.溫度過高會使酶的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，使酶永久失活實驗設計思路(探究pH對酶活性的影響)探究pH對過氧化氫酶活性的影響實驗步驟一二三實驗現(xiàn)象結(jié)論2號試管3號試管試管各加入2mL過氧化氫溶液，一段時間后將點燃的衛(wèi)生香分別放入試管中無明顯變化蒸餾水1mL2-3min5%NaOH溶液1mL2-3min5%HCL溶液1mL

2-3min加入等量的過氧化氫酶溶液在適合的pH下酶的催化效率最好復燃無明顯變化1號試管思考討論為什么不用淀粉酶和淀粉來探究pH對酶活性的影響？因為酸性條件促進淀粉水解。υ/mmol.s-1最適pH0pH酶活性受pH影響示意圖1.在一定范圍內(nèi)，隨著pH的升高，酶的活性逐漸增強；2.達到最適pH時，酶的活性最高；3.超過最適pH時，隨著pH的繼續(xù)升高，酶的活性逐漸下降。4.過酸、過堿會都使酶的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，使酶永久失活探究pH對過氧化氫酶活性的影響3、酶的作用條件較溫和①含義

酶通常在一定pH范圍和一定溫度范圍內(nèi)才能起作用，而且在某一pH、某一溫度下作用最強。②意義保證細胞代謝能夠在溫和條件下高效進行。③原因

過酸、過堿或溫度過高，會使酶的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，使酶永久失活。低溫使酶的活性抑制，但酶的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在適宜溫度下酶的活性會升高。因此，酶制劑適宜在低溫和適宜的pH下保存。酶的特性小結(jié)酶的高效性酶的專一性每一種酶只能催化一種化合物或一類化合物的化學反應酶的催化效率是無機催化劑的107~1013倍酶的作用條件較溫和需要適宜的溫度和pH三、影響酶促反應速率的因素1.酶促反應：由酶催化的化學反應，生物體內(nèi)的化學反應絕大多數(shù)屬于酶促反應。2.酶促反應速率：單位時間內(nèi)反應物或生成物濃度的改變量。3.影響酶促反應速率的因素：pH溫度抑制劑激活劑活性濃度底物濃度酶酶促反應速率甲乙丙?、賵D甲中，溫度從a降低或升高，酶促反速率均下降，但是下降的原因不同。1.溫度、pH、底物濃度、酶濃度②圖乙中，pH從b降低或升高，酶促反速率均下降，但是下降的原因相同。③圖丙中，底物濃度為c時，酶促反應速率達到最大值，因為底物被酶飽和。2.抑制劑①競爭性抑制劑抑制劑與底物競爭酶由于競爭性抑制劑與底物競爭酶，因此，增大底物濃度，就是使抑制劑與酶結(jié)合的減少，從而減小抑制作用。因此，競爭性抑制劑的抑制作用可以通過增大底物的濃度來抵消其抑制作用。②非競爭性抑制劑由于非競爭性抑制劑不與底物競爭，因