第1节 降低化学反应活化能的酶

1 / 17 第 1 节 降低化学反应活化能的酶 第 1 节降低化学反应活化能的酶 一、教学目标 1.说明酶在细胞代谢中的作用、本质和特性。 2.通过阅读分析 “ 关于酶本质的探索 ” 的资料，认同科学是在不断的探索和争论中前进的。 3.进行有关的实验和探究，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验。 二、教学重点和难点 1.教学重点 酶的作用、本质和特性。 2.教学难点 （ 1）酶降低化学反应活化能的原理。 （ 2）控制变量的科学方法。 三、教学策略 从教材提供的问题探讨 斯帕兰札尼研究鹰的消化作用进入学习情境，是有趣的，并能和学生已有经验 对消化酶的了解结合起来。 要先提出细胞代谢的概念，细胞代谢是课标明确提出的一级主题，细胞代谢过程离不开降低化学反应活化能的酶。 2 / 17 学生对酶的认识有限但对催化剂的作用比较熟悉，教学中可以利用学生对无机催化 剂的知识基础作为切入点，引导学生进入新课学习。可以介绍几种无机催化剂的作用，让学生说出无机催化剂催化的特点和条件，然后让学生思考生命活动是一系列的化学反应，这些化学反应发生的环境条件是什么？学生比较容易想到细胞内的环境是一个常温常压的状态，在这种环境状态下发生的化学反应，应该有适合的生物催化剂 酶，由此引入酶的学习。 既然学生们知道无机催化剂的作用，就让学生通过比较实验来认识酶的催化作用以及与无机催化剂的差别。教师可以给学生一些具体数字，加深学生的印象，在做实验时感悟酶作为催化剂的突出特 点 高效。 质量分数为 20%的 新鲜肝脏研磨液 1 滴 质量分数为 %的 氯化铁溶液 1 滴 生物催化剂：过氧化氢酶所含酶的相对数量： 1 无机催化剂： Fe3+ Fe3+的相对数量： 25万 教师在安排学生做实验时要注意学生对实验的理解，落3 / 17 实好本节课的目标。本节课的实验需要设置实验组和对照组，建议教师利用直观的手段（绘图或电子幻灯等）将实 验的装置特别是实验组和对照组的装置分别向学生展示，以增加学生实验操作和讨论的效率。 本节课大约需要 2 3 课时完成。其中酶的作用和本质需约 1 2 课时，酶的特性需要 1 课时。 关于酶的概念，课程标准要求层次为理解，这就意味着学生能够对酶的概念进行阐述、解释。这就需要教师在将酶的概念阐述清楚的基础之上，通过实验和生活生产实践中的实例让学生体会酶的概念，落实课标的要求。 本节课的标题是 “ 降低化学反应活化能的酶 ” ，针对这一定语，教师可以问问学生对 “ 降低化学反应活化能 ” 有什么认识，教师要充分利用教材上形象、直观的图片和文字说明，让学生明确催化剂可以降低化学反应的活化能，而且与无机催化剂相比较，生物催化剂酶有突出的优越性。 然后让学生带着问题进入本节课的实验。在实验前教师可以搜集一些数据列在黑板上，如下表。 表 12在 20 测得的过氧化氢分解的活化能 条件 活化能 /kjmol -1 没有催化剂催化 用胶态铂催化 4 / 17 用过氧化氢酶催化 75 54 29 在介绍酶的本质时，教材上的资料分析很重要，充分利用资料中酶的发现历史有助于学生加深对酶本质的认识。在资料分析的教学中，教师可以让学生自己阅读资料，但这必须建立在教师精心设置的问题之后，要尽量避免在课堂教学中学生漫无目的、无针对性地阅读。教师也可以利用教材上的资料精心设计教学，带领学生回顾酶的发现历史，挖掘科学家从生活现象中发现问题、不断探究、不断进行实验，最终揭示酶的本质的探索历程，帮助学生理解绝大多数酶是蛋白质的事实。 在学习酶的特性时，学生对于酶已经有了一定的认识基础了，在这个基础上让学生判断酶作为生物催化剂催化化学反应时应具备哪些特点。这里需要提醒学生的是，绝大多数的酶是蛋白质，从蛋白质的特性上去思考酶的特性。通过前面的实验，学生已经对酶的催化效率有了感性认识，让学生接着思考酶催化反应是否应在其分子结构上有特定的活性部位，而这个活性部位恰恰就是酶具有专一性的原因。酶与底物之间具有锁匙关系，一种酶只能催化一种或一类化学反应，这种高度的专一性保证了生命活动有条不紊地进行。 5 / 17 在学习影响酶活性的条件时，教师 要重视教材上提供的探究活动，要让学生亲自获得酶的活性受到温度和酸碱度影响的实验证据，还可以通过定量化的探究实验认识酶活性的范围，当然，这是较高层次的要求。 四、答案和提示 （一）问题探讨 1.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.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。 （二）实验 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.不能。 3.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。 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。 6 / 17 （三）资料分析 1.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.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.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。 （四）旁栏思考题 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 ” 。 （五）第一小节练习 基础题 1.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7 / 17 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、酸碱度适中等温和条件下进行，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。 。 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。 （六）第二小节练习 基础题 。 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8 / 17 一性结合，催化反应的发生，产生了产物 c 和 D。这个模型揭示了酶的专一性。 拓展题 1.（ 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升高，维持在相对稳定的水平。 （ 2）如果 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（图略）。 五、参考资料 1.什么是活化能？ 在一个化学反应体系中，反应开始时，反应物分子的平均能量水平较低，为 “ 初态 ” 。在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具有了比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为 “ 活化能 ” 。活化能的定义是，在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位是焦摩尔，单位符号是 j/mol。 2.酶催化作用的特点 生物 体内的各种化学反应，几乎都是由酶催化的。酶所9 / 17 催化的反应叫酶促反应。酶促反应中被酶作用的物质叫做底物。经反应生成的物质叫做产物。酶作为生物催化剂，与一般催化剂有相同之处，也有其自身的特点。 相同点：（ 1）改变化学反应速率，本身不被消耗；（ 2）只能催化热力学允许进行的反应；（ 3）加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不改变平衡点；（ 4）降低活化能，使速率加快。 不同点：（ 1）高效性，指催化效率很高，使得反应速率很快；（ 2）专一性，任何一种酶只作用于一种或几种相关的化合物，这就 是酶对底物的专一性；（ 3）多样性，指生物体内具有种类繁多的酶；（ 4）易变性，由于大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏；（ 5）反应条件的温和性，酶促反应在常温、常压、生理 pH 条件下进行；（ 6）酶的催化活性受到调节、控制；（ 7）有些酶的催化活性与辅因子有关。 3.酶的化学本质及其组成 酶的化学本质除了具有催化活性的 RNA 之外几乎都是蛋白质。但是，不能说所有的蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才称为酶。 证明酶的化学本质是蛋白质的证据有以下几条。 （ 1）酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而失活。 10 / 17 （ 2）酶是具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活。 （ 3）酶是两性电解质，在不同 pH值下呈现不同的离子状态，在电场中向某一电极泳动，各自具有特定的等电点。 （ 4）酶和蛋白质一样，具有不能通过半透膜等胶体性质。 （ 5）酶也有蛋白质所具有的化学呈色反应。 （ 6）与蛋白质的分 子量相似，结构相似。 （ 7）在物理、化学因素作用下，也可变性沉淀。 （ 8）做元素分析，与蛋白质的元素含量相似，可以用氨基酸人工合成。 按照酶的化学组成可以将酶分为以下两类。 （ 1）单纯蛋白质酶有些酶只是多肽链，除了氨基酸不含任何其他化学物质，也就是说有些酶是单纯蛋白质，如胰脏的核糖核酸酶、淀粉酶等。 （ 2）结合蛋白质酶有些酶除了蛋白质外，还含有一些对热稳定的非蛋白质类小分子物质或金属离子，即由蛋白质部分和非蛋白质部分组 成。结合蛋白质酶的蛋白质部分称为脱辅酶，非蛋白质部分称为辅因子。脱辅酶与辅因子结合后所形成的复合物称为 “ 全酶 ” ，即全酶 =脱辅酶 +辅因子。在酶催化时，一定要有脱辅酶和辅因子同时存在才起作用，二者各自单独存在时，均无催化作用。脱辅酶部分决定酶催化11 / 17 的专一性，辅酶（辅基）在酶催化中通常是起着电子、原子或某些化学基团的传递作用，大部分辅酶是维生素或维生素的衍生物。 4.酶的简单分类 国际酶学委员会（ )规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类。 （ 1）氧化还原酶类指 催化氧化还原反应的酶类，又可分为氧化酶和脱氢酶两类，如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。 （ 2）转移酶类指催化化合物某些基团的转移，即将一种分子上的某一基团转移到另一种分子上的酶类，如转甲基酶、转氨酶、己糖激酶、磷酸化酶等。 （ 3）水解酶类指催化底物发生水解反应的酶类，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。 （ 4）裂合酶类指催化从底物移去一个基团而形成双键的反应及其逆反应的酶类，如柠檬酸合成酶、醛缩酶等。 （ 5）异构 酶类指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类，如磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。 （ 6）连接酶类指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有 ATP的磷酸键断裂的酶类，如谷氨酰胺合成酶、氨基酸 tRNA 连接酶等。 5.酶的作用机理 12 / 17 酶催化反应的某些独特性质为许多酶促反应所共有，可概括如下。 （ 1）酶反应可分为两类，一类反应仅仅涉及到电子的转移，另一类反应涉及到电子和质子两者或者其他基团的转移，大部分反应属于第二类。 （ 2）酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介的。 （ 3）酶催化反应的最适 pH 范围通常是狭小的。 （ 4）与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。这是因为在大多数情况下，只有活性部位围着底物。此外，一个巨大的酶结构对稳定活性部位的构象是必要的。 （ 5）酶除了具有进行催化反应所必需的活性基团外，还有别的特性，使酶促反应的进行更有利，并使更复杂的多底物反应按一定途径进行，这些已超过了较简单的催化剂的范畴。酶的复杂的折叠结构使这些作用成为 可能。 6.影响酶作用的因素 酶的催化活性的强弱以单位时间（每分）内底物减少量或产物生成量来表示。研究某一因素对酶促反应速率的影响时，应在保持其他因素不变的情况下，单独改变研究的因素。 影响酶促反应的因素常有：酶的浓度、底物浓度、 pH值、温度、抑制剂、激活剂等。其变化规律有以下特点。 13 / 17 （ 1）酶浓度对酶促反应的影响在底物足够，其他条件固定的条件下，反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速率与酶浓度成正比 。 （ 2）底物浓度对酶促反应的影响在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度增加而加快，反应速率与底物浓度近乎成正比；在底物浓度较高时，底物浓度增加，反应速率也随之加快，但不显著；当底物浓度很大，且达到一定限度时，反应速率就达到一个最大值，此时即使再增加底物浓度，反应速率几乎不再改变。 （ 3） pH对酶促反应的影响每一种酶只能在一定限度的pH范围内才表现活性，超过这个范围酶就会失去活性。在一定条件下，每一种酶在某一个 pH 时活力最大，这个 pH称为这种酶的最适 pH。 （ 4）温度对酶促反应的影响酶促反应在一定温度范围内反应速率随温度的升高而加快；但当温度升高到一定限度时，酶促反应速率不仅不再加快反而随着温度的升高而下降。在一定条件下，每一种酶在某一温度时活力最大，这个温度称为这种酶的最适温度。 （ 5）激活剂对酶促反应的影响激活剂可以提高酶活性，但不是酶活性所必需的。激活剂大致分两类：无机离子和小分子化合物。 14 / 17 （ 6）抑制剂对酶促反应的影响抑制剂使酶活性下降，但不使酶变性。抑制剂作用机制分两种：可逆的抑制作用和不可逆的抑制作用。 7.酶研究的历史与现状 新陈代谢是生命活动的基础，是生命活动最重要的特征。而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶催化下进行的。生物的生长发育、繁殖、遗传、运动、神经传导等生命活动都与酶的催化过程紧密相关，可以说，没有酶的参加，生命活动一刻也不能进行。因此，从酶作用的分子水平上研究生命活动的本质及其规律无疑是十分重要的。 人们对酶的认识起源于生产和生活实践。我国人民在八千年以前就开始利用酶。约公元前 21 世纪夏禹时代，人们就会酿酒。公元前 12 世纪周代已能制作饴糖和酱。 2000 多年前，春秋战国时期已知用曲治疗消化不良的疾病。凡此种种情况都说明，虽然我们祖先并不知道酶为何物，也无法了解其性质，但根据生产和生活经验的积累，已把酶利用到相当广泛的程度。西方国家 19 世纪对酿酒发酵过程进行大量研究。 1810 年发现酵母可将糖类转化为酒精。 1857 年微生物学家 Pasteur等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果，他认为只有活的酵母才能进行发酵。 Liebig反对这种观点，他认为发酵现象是由溶解于酵母溶液中的酶引起的。直到15 / 17 1897年， Buchner 兄弟用石英砂磨碎酵 母细胞，制备了不含酵母细胞的提取液，并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖类发酵，说明发酵与细胞的活动无关，发酵是酶在起作用，从而获得了 1911年诺贝尔化学奖。 1833年 Payen和 Persoz从麦芽的水抽提物中，用酒精沉淀得到了一种对热不稳定的物质，它可使淀粉水解为可溶性糖。他们把这种物质称为淀粉酶制剂，其意思是 “ 分离 ” ，表示可以从淀粉中分离出可溶性糖来。尽管当时它还是一个很粗的酶制剂，但由于他们采用了最简单的提纯方法，得到了一个无细胞制剂，并指出了它的催化特性和热不稳定性，涉及到酶的一些本质性问题，所以人 们认为 Payen 和 Persoz 首先发现了酶。 1878 年kuhne才给酶一个统一的名词，叫 Enzyme，这个字来自希腊文，其意思是 “ 在酵母中 ” 。 1835年至 1837年， Berzelius提出了催化作用的概念，该概念的产生对酶学和化学的发展都是十分重要的。可见，对于酶的认识一开始就与它具有催化作用的能力联系在一起。 1894 年 Fisher 提出了酶与底物作用的 “ 锁与钥匙 ” 学说，用以解释酶作用的专一性。 1903年 Henri 提出了酶与底物作用的中间复合物学说。 1913 年michalis 和 menten 根据中间复合物学说， 导出了米氏方程，对酶反应机制的研究是一个重要突破。 1925 年 Briggs 和Handane 对米氏方程作了一个重要修正，提出了稳态学说。1926年美国化学家 Sumner从刀豆提取出了脲酶并获得结晶，16 / 17 证明脲酶具有蛋白质性质。直到 1930 年至 1936 年间，Northrop 和 kunitz 得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并用相应方法证实酶是一种蛋白质后