【素材】必修1-素材-第5章 第一节 降低化学反应活化能的酶

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备课-素材-5.1降低化学反应活化能的酶
一、人教版教材提供的备课素材
1.第78页，展示了酶降低化学反应活化能示意图。



2.第84页，展示了酶活性受温度、pH影响示意图。



3.第84页，一般来说，动物体内的酶最适温度在35~40℃；植物体内的酶最适温度在40~50℃；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有的酶最适温度可高达70℃。动物体内的酶最适pH大多在6.5~8.0，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.5；植物体内的酶最适pH大多为4.5~6.5。
4.第84页，与社会的联系：20世纪60年代以前，医院里用的葡萄糖是用盐酸催化淀粉水解的方法来生产的，生产过程需要在245kPa的高压和140~150℃的高温下进行，并且需要耐酸的设备。60年代以后改用酶法生产。
5.第85页，介绍了酶为生活添姿彩：溶菌酶能够溶解细菌的细胞壁，具有抗菌消炎的作用。在临床上与抗生素混合使用，能增强抗生素的疗效。果胶酶能分解果肉细胞壁中的果胶，提高果汁产量，使果汁变得清亮。加酶洗衣粉比普通洗衣粉有更强的去污能力，能把衣物清洗得更加干净鲜亮。加酶洗衣粉中的酶不是直接来自生物体的，而是经过酶工程改造的产品，比一般的酶稳定性强。残留在牙缝里的食物残渣是细菌的美食，也是导致龋齿的祸根。含酶牙膏可以分解细菌，使我们的牙齿亮洁，口气清新。多酶片中含有多种消化酶，人在消化。不良时可以服用。胰蛋白酶可用于促进伤口愈合和溶解血凝块，还可用于去除坏死组织，抑制污染微生物的繁殖。利用脂肪酶处理废油脂，制造生物柴油，既保护了环境又使其得到合理利用。青霉素酰化酶能将易形成抗药性的青霉素改造成杀菌力更强的氨苄青霉素。自然界中存在的酶并不完全适于在生活和生产上应用。科学家利用酶工程技术对酶进行改造，使之更加符合人们的需要。
二、北师大教材提供的备课素材
1.第89页，展示了催化剂降低化学反应的活化能示意图。



2.第89页，介绍了酶的命名：细胞代谢中几乎所有的反应都是酶促反应，酶促反应中受到酶催化作用的分子称为底物。目前，科学家已经发现了4000多种酶，并根据这些酶催化的反应类型，把它们分为氧化还原酶、水解酶和合成酶等，并赋予了每种酶一个系统名称，名称中明确标明酶的底物及催化反应的性质。例如，催化脂肪水解的酶的名称是“脂肪水解酶”。很多酶还具有习惯名。水解酶往往以其来源和底物为名。例如，唾液腺分泌的催化淀粉水解的酶叫作唾液淀粉酶，胰腺分泌的催化蛋白质水解的酶叫作胰蛋白酶。还有一些酶的习惯名反映其功能。例如，ATP合成酶是催化ATP合成的酶，溶菌酶则是催化细菌细胞壁中肽聚糖水解的酶。
3.第90页，介绍了超级细菌的武器：在现代医疗卫生领域中，抗生素是常用的抗感染药物。青霉素是人类最早发现的抗生素，它能与细菌转肽酶的活性中心结合，特异性抑制转肽酶的活性，阻止细菌形成正常的细胞壁，使其很容易因吸水过多而死亡。早在1940年，就有研究者发现一些细菌含有β-内酰胺酶，能够破坏青霉素分子的结构，使青霉素失去效力。当青霉素首次作为药物使用时，其治疗效果显著。然而由于青霉素的广泛使用杀灭了敏感型细菌，少数含有β-内酰胺酶的抗性细菌存活下来并迅速增殖，导致如今很多致病菌都具有青霉素抗性。万古霉素通过与转肽酶的底物结合从而抑制细菌细胞壁形成，细菌需要获得多种新的酶活性才能抵抗万古霉素，因此万古霉素不容易让细菌产生抗性。遗憾的是，近年来已有多种万古霉素的抗性病原体被发现，它们被称为超级细菌。超级细菌的出现很可能与在动物饲料中广泛使用与万古霉素的作用模式相同的阿沃菌素有关。在与细菌性病原体的对抗中，抗生素是我们最得力的武器，然而由于人类的滥用，这种法宝正在逐渐失去它的力量。滥用抗生素除了引发细菌耐药问题以外，还会破坏人体正常菌群，危害人类健康。因此，我们在临床医疗中应慎用抗生素，在家禽、家畜饲养中也应严格控制添加抗生素的种类和用量。
4.第92页，介绍了“诱导契合假说”：作为生物大分子，酶的体积相对较大，在酶分子中有一个能够与底物结合的部位，叫作活性中心%28activecenter%29。活性中心与底物在形状上互补，能够通过离子键和氢键等与底物发生特异性结合。中国科学家邹承鲁的研究表明，酶的活性部位与整个分子相比更具柔性。酶与底物结合之后，自身也发生微小的构象变化，使活性中心上一些特殊的带电荷的氨基酸R基团作用于底物，促进底物旧键的断裂和新键的形成。底物分子一旦转化成产物，就会与酶脱离，释放到溶液中%28图4-3%29。随之，酶的构象也得以恢复。



5.第97页，介绍了影响酶活性的因素：酶促反应通常是在比较温和的条件下进行的，过高的温度、过高或者过低的pH都会破坏蛋白质的空间结构，使酶发生不可逆的活性丧失。低温下酶的空间结构稳定，因此酶溶液往往保存在0～4℃的温度条件下，但是低温条件下反应物分子的能量状态较低，因此反应速率较低。除了温度和pH之外，重金属盐离子等能够影响蛋白质结构的因素都会对酶的活性产生影响。此外，细胞代谢中很多酶的活性受到特定的调节物质的影响。例如，大肠杆菌中以苏氨酸为原料合成异亮氨酸的反应途径分为五步，每一步反应都由特定的酶催化，异亮氨酸可以与其中的酶1发生可逆性结合，降低其活性。如果大肠杆菌产生的异亮氨酸超过了其蛋白质合成的需求，未被利用的异亮氨酸就会积累，对酶1产生显著的抑制作用，从而降低异亮氨酸的产量，避免细胞内物质和能量的浪费%28图4-8%29。活细胞中数以千计的酶促反应组成若干代谢途径，每个代谢途径中都包含多种酶。这些酶往往有序地附着在细胞骨架或者生物膜上，构成多酶体系，体系中前一个酶的催化产物立即作为底物与后一个酶结合，保证了代谢途径的高效运行。在每一个代谢途径中，至少有一个酶的活性受到细胞内信号物质的调节，从而使整个代谢途径的反应速率受到调控。通过对酶活性进行调节，活细胞中的各种代谢途径能够根据细胞的需求按照精确比例进行，从而使活细胞在变化的环境中维持稳态和最大的效益。



三、苏教版教材提供的备课素材
1.第74页，介绍了高效性、活化能等相关内容：由酶催化的化学反应称为酶促反应（enzyme-catalyzedreaction）。1molFe

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+

在1min内能催化6×10

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molH2O2分解。实验表明，在25℃下，1mol过氧化氢酶在1min内可催化5×10

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molH2O2分解。研究表明，酶催化作用的实质是降低化学反应的活化能（activationenergy）。在一定温度下，分子从基态转变为容易发生化学反应的过渡态所需的能量称为活化能。处于过渡态的分子称为活化分子。研究表明，在一个化学反应体系中，活化分子越多，反应速率就越快。因此，设法增加活化分子数量，就能提高反应速率。使活化分子增多一般有两种途径：一种是不使用催化剂，通过加热或光照等方法，使一部分分子获得能量而成为活化分子；另一种是使用催化剂降低生化反应所需的活化能，活化能越低，活化分子就越多（图3-1-2）。酶能降低生化反应所需的活化能，使生化反应在较低能量水平上进行，从而加快生化反应。例如，有人在25℃条件下测定了H2O2的分解情况，发现不使用催化剂时，需要的活化能为75.24kJ/mol;使用无机催化剂胶态钯时，需要的活化能为48.9kJ/mol；使用过氧化氢酶时，需要的活化能下降到8.36kJ/mol以下。


2.第76页，展示了酶促反应过程示意图。



3.第78页，介绍了酶活性及影响酶活性的因素：酶活性是指酶催化生化反应的能力，酶催化作用的效率可以通过酶催化生化反应的速率来衡量。研究表明，酶活性不仅与反应体系中的酶浓度和底物浓度等有密切关系，还受多种环境因素如温度、pH等的影响。
4.第78页，介绍了酶与疾病：现代医学研究发现，如果遗传因素或环境因素影响了酶活性，就可能引发疾病，甚至危及生命。许多遗传病的发生与酶有关（表3-1-2）。某些有机磷农药，如敌百虫、敌敌畏，能与神经组织中胆碱酯酶的活性中心结合，使酶的活性中心不能与底物互相结合，导致人体出现肌肉震颤、瞳孔缩小、心跳减慢等病理症状。



酶作为药物已经用于多种疾病的治疗。例如，淀粉酶、蛋白酶用于帮助消化，胰蛋白酶用于化脓性伤口的净化，纤溶酶和尿激酶在血栓治疗中具有重要作用。当人体患病时，某些酶的活性会出现异常。这些异常又成为疾病诊断的依据之一。例如，佝偻病患者血清中碱性磷酸酶的活性增高；癌细胞转移扩散时，血清中乳酸脱氢酶的活性增高；甲型病毒性肝炎患者血清中氨基转移酶的活性增高。
四、浙科版教材提供的备课素材
1.第70页，展示了酶与底物结合示意图。



2.第71页，介绍了辅酶：辅酶是辅助酶起作用的分子，它们不是蛋白质。单独的辅酶是没有催化活性的，它只有和相关的酶组合成“全酶”，才能发挥作用。辅酶是维生素或由维生素衍生而成的，如转氨酶的辅酶是维生素B6的衍生物。辅酶像酶一样，可以反复起作用，所以辅酶的需要量极少。有些辅酶只是暂时与酶结合，改变酶的局部结构，使之更适合与底物分子结合。有些辅酶牢固结合在蛋白质分子上，帮助酶催化底物分子发生化学反应。
3.第74页，展示了pH对酶作用的影响。



4.第75页，展示了探究pH影响过氧化氢酶活性的实验装置。



5.第75页，介绍了温度对酶活性的影响：温度也是影响酶促反应速率的重要因素。酶促反应都有一个最适温度，在此温度以上或以下，酶活性均会下降（图3-8）。这是因为温度对酶促反应的影响有两个方面：其一，温度升高，反应物分子具有的能量增加，反应速度加快（图3-8中a）。其二，酶是蛋白质，酶分子本身会随温度的升高而发生空间结构改变，导致热变性。温度升得越高，酶变性的速率越快，升到一定温度，酶将完全失去活性（图3-8中b）。这两个作用叠加在一起，使得酶所催化的反应表现出最适温度（图3-8中c）。在0～40℃内，一般酶的活性随温度的升高而升高。低温会使酶的活性降低，但不会破坏酶的分子结构，当温度适宜时，酶的催化作用可以恢复。所以，酶一般在较低温度条件下保存。



6.第76页，介绍了几种学说：中间产物学说是在1913年提出来的，这个学说又被称为酶-底物复合物学说。该学说认为，在酶促反应中，底物（以S表示）首先与酶（以E表示）结合形成不稳定的中间产物SE，这个中间产物进一步分解，形成产物（以P表示），并释放出酶。这个反应所需要的活化能少，反应速度快。酶促反应可以表示为：S＋E→SE（中间产物）→E＋P。中间产物学说已经被许多实验证明，可以用一定的方法证明中间产物的存在。锁钥学说是化学家费舍尔（HansFischer，1881—1945）提出的，它是对酶反应机制的一种描述。费舍尔认为酶是蛋白质，而蛋白质有一定的空间结构，酶在化学反应中与底物的关系就像钥匙和锁的关系一样，它们的空间结构必须相互结合形成复合体后才能发生反应（图3-9）。这个学说可以用来解释酶催化作用的专一性。诱导契合学说是在锁钥学说的基础上提出的一个学说，这个学说对锁钥学说的不足做了修订。这个学说认为，酶的活性部位不是刚性不变的，其活性部位的形状可在结合底物时有所改变，即底物与酶活性部位结合，会诱导酶发生构象变化，使酶的活性中心变得与底物的结构互补，两者相互契合，从而发挥催化功能（图3-10）。酶与底物的动态识别过程被称为诱导契合。这个理论已得到实验上的证实。






五、沪教版教材提供的备课素材
1.第90页，提供了根瘤菌相关素材：氮是植物生长必不可少的元素，大气中约含78%的氮气，但不能被农作物直接利用，因此，种植农作物一般都需要施用氮肥。目前，世界上大约有10%的能源用于工业固氮，因为工业固氮需要在20~50MPa、500℃的条件下，使用无机催化剂将氮气和氢气合成氨。而与豆科植物共生的根瘤菌却在常温常压下就能够固氮（图4-10）。我国豆田生物固氮量约为100kg/hm

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，相当于每年节约了10多万吨标准煤。根瘤菌轻松固氮的“法宝”是细胞中的生物催化剂——酶（enzyme）。


2.第93页，展示了温度、pH对酶活性的影响。



3.第94页，展示了胃蛋白酶的分子结构示意图。



六、沪科技版教材提供的备课素材
1.第77页，介绍了核酶：1981年，科学家发现四膜虫的核糖体RNA（rRNA）的前体具有自我剪接功能，表明RNA也具有催化功能。随后，在细菌的一种核糖核酸酶（RNaseP）中也发现了具有酶活性的RNA组分。具有催化功能的RNA称为核酶，存在于各类生物中。核酶的发现丰富和发展了酶的概念。
2.第78页，展示了酶催化底物水解示意图。



3.第78页，介绍了酶抑制剂：有一些物质会对酶产生抑制作用，引起酶的活性降低或丧失，这类物质统称为酶抑制剂。常见的抑制形式有：抑制剂与底物竞争酶的活性中心，减少底物与酶的有效结合（图4-13A）；抑制剂与酶的其他部位结合，改变了酶的空间结构，使酶的活性中心不能与底物有效结合（图4-13B）。许多农药和药物是依据这种机理设计的，如除草剂草甘膦、镇痛的布洛芬以及多种抗癌药物等。一些外源性的毒素也是通过酶活性抑制途径对生物体产生毒性的。



4.第78页，介绍了影响酶活性的因素：任何影响底物与酶结合的环境因素都会影响酶活性。其中，温度、pH是最常见的影响因素。



5.第80页，展示了温度对酶活性影响示意图。



6.第80页，介绍了酶与美食：随着生活水平的提高，人们不仅要吃得饱，更追求吃得好。因此，食品的营养、外观、口感、风味等品质越来越受到重视。在改善食品品质方面，食品添加剂不再是唯一的选择，作为生物化学反应的高效催化剂，酶在食品风味提升方面也发挥着独特的作用。肉制品中的应用:在肉制品中添加谷氨酰胺转氨酶，可催化肌肉中蛋白质分子之间形成一种共价键，能使蛋白质分子更紧密地结合在一起，增加肉制品弹性，改善其质地、外观和口感。面制品中的应用:面制品的制作过程中，用脂肪酶可催化面粉中的脂肪水解，使溶于脂肪中的色素更容易氧化褪色，提高馒头等面制品表面的光亮度和白度，实现生物方法增白。而且，脂肪酶水解脂肪产生甘油二酯等表面活性剂，具有增筋作用，改善口感。啤酒中的应用:在啤酒生产过程中，添加葡萄糖氧化酶可以有效防止啤酒老化，明显降低啤酒浊度，改善啤酒的风味，延长啤酒的保质期。人们通过人工合成或从生物培养中制取酶，除了在食品加工中的运用外，还用于制药、工农业生产等领域。

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