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高一生物集体备课-5-1细胞的能量供应和利用

[日期:2012-06-24]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:326[字体: ]

细胞作为最基本的生命系统,具有开放性。这就是说,细胞是一个开放的系统:不仅时刻与周围的环境进行物质交换,而且时刻从周围的环境中获取能量并利用这些能量维持自身的各项生命活动。那么,细胞是怎样从外界获取并利用能量的呢?本模块在介绍了有关细胞对物质的输入和输出内容后,紧接着就引导学生学习有关能量如何输入细胞以及细胞如何利用这些能量的知识。

本章教材分析

一、教学目的要求

知识方面

1.说明酶在代谢中的作用、本质和特性。

2.解释ATP的化学组成和特点以及ATP在能量代谢中的作用。

3.简述线粒体的结构和功能,说明细胞呼吸的方式、原理和实质,探讨细胞呼吸原理的应用。

4.简述叶绿体的结构和功能,说明光合作用的原理和应用以及科学家对光合作用原理的认识过程,研究影响光合作用强度的环境因素。

情感态度与价值观方面

通过研究科学家对酶本质的探索历史以及对光合作用原理的探究历程,认同科学是在不断的观察、实验、探索和争论中前进的;认同科学家不仅要继承前人的科研成果,而且要善于吸收不同意见中的合理成分,还要具有质疑、创新和勇于实践的科学精神与态度。

能力方面

1.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。

2.进行有关的实验和探究,学会提取、分离绿叶中的色素以及检测酒精、二氧化碳等细胞呼吸产物的方法。

3.在有关实验、资料分析、思考与讨论、探究等的问题讨论中,运用语言表达的能力以及分享信息的能力。

二、 教学内容的结构和特点

(一)教学内容的结构

 

(二)教材内容的特点

本章的教材包括章首页、4节课文、2个实验、2个资料分析、3个探究、2个思考与讨论、1个“科学·技术·社会”,以及“本章小结”和本章的“自我检测”。

章的题图是光照下的一片绿叶,绿叶上有能以绿叶为食的蚱蜢,此外,绿叶上还画有叶绿体的亚显微结构模式图和光合作用过程的模式图解,图解突出了光合作用中ATP与ADP的相互转换。章题图右下方的一首诗,形象而贴切地点出了章题图的寓意:动植物的生命活动,全都离不开细胞对能量的获取与利用,而能量的最终来源则是光。题图上方的两段话,简明扼要地概括出了本章的主题。

高中生物必修1教师教学用书第5章细胞的能量供应和利用第1节主要介绍了酶在细胞代谢中的作用、酶的本质以及酶的3个特性。本节在学生学习过初中生物学的基础上,创设了“问题探讨”的情境──200多年前科学家斯帕兰札尼有关探究鹰消化食物原理的著名实验,引导学生分析和讨论,从而进入对酶的作用及本质的学习。

关于酶在细胞代谢中的作用,教材重点安排学生做比较过氧化氢在不同条件下分解速率快慢的实验,引导学生自己得出结论,从而切身体会到酶具有很高的催化速率及其生理意义。在学生获得感性知识的基础上,教材利用卡通式插图、图解和文字叙述,指出酶能够显著降低化学反应所需的活化能。需要强调的是,教材结合这个实验,还要求学生体会什么是自变量、因变量、无关变量以及什么是对照实验。显然,这种编排有助于引导学生学会确认和控制变量,有助于培养学生的科学探究能力。

关于酶的化学本质,教材没有平铺直叙地讲述,而是引导学生对有关资料进行分析。需要指出的是,巴斯德和李比希等科学家的观点都有正确的成分,但限于各种原因又都不够全面、准确。随着科学技术的不断进步,后来的科学家对酶的本质不断获得新的研究成果。教材引导学生分析这些资料,这在培养学生继承、创新、实事求是和大胆实践等科学精神和态度方面,都具有重要的教育价值。至于酶的定义,教材要求学生在分析资料后自己进行归纳、总结和完善。这体现出教材在促进学生积极改变学习方式,力求培养学生主动建构知识的编写意图。本节资料分析后面的一段短文,同样是意在结合本节的有关知识,培养学生具备正确的科学精神和态度。

关于酶具有高效性,教材是引导学生回忆上一节的实验现象以及联系自己的生活经验后得出的。关于酶具有专一性,教材是通过举实例和打比喻得出的。关于酶的第三个特性,教材设计了一个探究哪些因素影响酶活性的实验,让学生在探究后得出结论。本探究的实验指导提供了相关的背景知识,目的是便于学生提出所需探究的问题。在学生探究的基础上,教材配合两个曲线图,概括出酶的作用条件较温和的结论。本节的“科学·技术·社会”,通过多个侧面,体现出酶与人类生活的密切关系,从而进一步开阔学生的眼界。

第2节主要介绍了ATP分子的组成和结构特点,ATP具有与ADP相互转化的特性,以及ATP在细胞生命活动中的作用等内容。本节的篇幅不很大,但有关的内容在后续内容中将多次涉及,所以十分重要。

本节的“问题探讨”,先引用了一首唐诗,然后引导学生对萤火虫体内什么物质会发光开展讨论,从而进入本节的学习。这种编排体现了教材激发学生的学习兴趣和渗透热爱自然和生命的情感教育的编写意图。关于ATP分子结构的特点,教材先结合前几章的知识,指出细胞内糖类、脂肪等有机物中都储存有大量的化学能,但是这些能量只有转移到ATP中才能被细胞利用。

关于ATP与ADP的相互转化,课文不仅讲述了ATP水解与合成的过程,讲述了这种相互转化是十分迅速的,而且讲述了这一特点所具有的重要生理意义,从而使学生进一步明确ATP是细胞维持各项生命活动所需能量的直接来源。关于ATP的形成途径,教材从动物和人以及绿色植物这两个方面进行了阐述。实际上,前者指的主要是氧化磷酸化,后者则包括氧化磷酸化和光合磷酸化。

关于ATP的利用,教材要求学生利用以前学过的知识,对图5-7进行补充和完善,以调动学生的学习积极性,培养主动参与的学习态度,培养用准确的科学术语阐述观点和进行合作学习的能力。最后,本节用流通着的“能量货币”──能量“通货”,形象地对ATP进行了比喻,目的是加深学生对ATP的生理功能以及ATP与ADP相互转化特点的认识。

第3节《ATP的主要来源──细胞呼吸》,主要介绍了细胞呼吸的两种方式,它们的原理和大致过程,以及细胞呼吸原理在生活和生产中的应用。本节在学生学习了初中生物学的基础上,创设了拉瓦锡等科学家研究人的呼吸作用的“问题探讨”,引导学生通过分析呼吸作用与物质燃烧的异同点等问题,进入本节的学习。由于学生在初中阶段学习过有关绿色植物和人体的呼吸作用以及细菌、真菌与食品制作的关系等基础知识,所以,教材一开始就将概括性很强的细胞呼吸定义呈现给学生。

细胞呼吸是否全都需要氧的参与呢?教材以酵母菌为材料,设计了一个探究其呼吸方式到底有几种的实验。由于这个探究实验的难度比较大,学生一般对其中某些原理和检测产物的方法不甚了解,所以,教材对提出问题和设计实验这两个步骤提供了必要的参考案例和参考资料。需要说明的,教材通过这个探究实验,还介绍了什么是对比实验。对比实验是科学探究中常用的方法之一。关于有氧呼吸与无氧呼吸的原理和大致过程,教材基本上维持原教材的难易程度。这里需要指出的有三点:一是本节结合有氧呼吸的原理和大致过程,介绍了有关线粒体结构和功能的基础知识;二是以旁栏──“相关信息”的形式,简介了有氧呼吸产生的[H],实际上是指氧化型辅酶Ⅰ(NAD+)转化为还原型辅酶Ⅰ(NADH)的过程,其意图是在不增加学生学习难度的前提下,力求把有关问题叙述得更加清楚;三是图5-9中用三种颜色分别表示有氧呼吸的三个阶段,这样看起来更加一目了然。关于无氧呼吸的定义,教材提出让学生在学习了有关内容后,参照有氧呼吸的定义进行归纳和概括,以加深学生对知识的理解,同时也有助于培养学生主动参与学习的态度和用准确而简明的科学术语进行归纳和概括的能力。

关于细胞呼吸原理的应用,教材采取了引导学生分析有关资料和通过讨论及补充相关实例的形式,使学生理解其原理在日常生活和工农业生产中的应用,并培养学生根据相关科学原理举一反三地联系实际的能力。

第4节主要介绍了叶绿体内光合色素的种类、分布和作用,叶绿体的结构和功能,光合作用的探究历程,光合作用的过程和应用以及化能合成作用等知识。

一些蔬菜大棚和温室为什么采用的塑料薄膜或日光灯是红色或蓝色的,而不是绿色的?这是一个新奇而有趣的问题。本节教材的“问题探讨”从这里引出话题让学生讨论,可以激发学生的学习热情和想像力,从而很自然地进入本节第一部分教学内容的学习。

关于绿叶中有哪些捕获光能的色素,教材是通过先引导学生做绿叶中色素的提取和分离的实验,然后进行归纳的。无水乙醇对人体没有毒性,而且实验效果与丙酮大致相同,所以,本实验的提取液改用无水乙醇。学生实验后,教材归纳出绿叶中捕获光能的色素有4种。那么,这些光合色素存在于植物细胞中的什么部位呢?教材接着介绍了有关叶绿体的基础知识。这里需要强调的有两点:一是叶绿体并非存在于所有的植物细胞中,而是只存在于植株的叶和嫩茎等绿色器官的一些细胞中;二是教材引导学生通过对有关资料的分析认识到,叶绿体不仅含有捕捉光能的4种色素,而且含有多种与光合作用有关的酶,并且具有在光合作用中释放氧气的特性,可见,叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。

关于光合作用的探究历程,本节在义务教育课程标准初中生物教学的基础上,在简述了普利斯特利的著名实验后,介绍了英格豪斯以及卡尔文等科学家历年来关于光合作用原理的主要研究成果。这有利于培养学生的科学精神和科学态度,有利于为讲述光合作用原理做好知识铺垫。课文还结合鲁宾、卡尔文等科学家的实验,介绍了同位素标记法这一生物科学领域经常使用的研究方法。

关于光合作用的过程,教材基本上维持了原教材的难易程度。这里需要指出的是,教材以旁栏──“相关信息”的形式,简介了水在光下分解成的[H],实际上是指辅酶Ⅱ(NADP+)与电子和质子结合形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)的过程,其意图同样是在不增加学生学习难度的前提下,力求把有关问题叙述得更加清楚。

关于光合作用原理的应用,教材是在讲述了什么是光合作用强度后,通过引导学生做环境因素如何影响光合作用强度的探究实验来认识这一问题的。这个实验所探究的问题对于学生来说可能比较生疏,有一定的难度,教材为此提供了相关的提示和参考案例。

课程标准并没有要求讲述细胞的化能合成作用。教材简述化能合成作用的意图是适当开阔学生的知识面:简要介绍有关自养生物和异养生物的基础知识;让学生知道少数种类的细菌虽然没有叶绿素,但能利用环境中的化学能来制造有机物,它们也属于自养生物,从而对本章章题图中文字叙述的认识更加全面而深刻。

三、与学生经验的联系

学生在初中阶段学习了消化酶;做了探究馒头在口腔中变化的实验;学习了绿色植物的呼吸作用,以及人体内的能量来自细胞中有机物的氧化分解等基础知识;做了观察叶片结构的实验和绿叶在光下制造有机物的实验;观察了光合作用放氧的演示实验,并学习了光合作用及其在农业生产上的应用等基础知识。

学生在本模块的学习中用高倍显微镜观察了线粒体和叶绿体、尝试过建构真核细胞的三维结构模型,并学习了有关细胞中糖类和脂质等化合物、细胞中的无机物、细胞的基本结构以及细胞的主动运输等基础知识。

学生一般都有栽花种草的生活经验,亲身经历过或看到过做泡菜、做酸奶等与发酵有关的活动。另外,学生通过报刊、杂志、广播、电视以及互联网等媒体,获得许多与本章基础知识有关的信息。对学生来说,所有这些知识、经验和技能都是十分宝贵的,是学好本章内容的重要基础。

四、与其他章的联系

本章在本模块中具有承上启下的重要作用:学生可以进一步理解只有在能量的供应下,细胞膜才能行使主动运输的功能,并且加深理解把叶绿体和线粒体分别比喻为植物细胞的“能量转换站”和所有细胞的“动力车间”的含义;学生便于加深领会活细胞之所以能够经历生长、增殖等生命历程,是与能量的供应和利用分不开的。

生物必修2《遗传与进化》中有关“基因的表达”以及生物必修3《稳态与环境》中有关“动物和人体生命活动的调节”等,实际上都是细胞在得到能量供应的情况下才能进行的生命活动。学习本章的内容,有助于学生对这两个必修模块中相关内容的理解。

此外,生物选修1《生物技术实践》中的专题1和专题2都与本章第3节有密切的关系,专题2和专题4都与本章第1节有密切的关系。生物选修2《生物科学与社会》中的第2章与本章第4节有密切的关系,第3章与本章的第1、3节有密切的关系。生物选修3《现代生物科技专题》中的专题5与本章的第1、3、4节有着密切的关系。
 

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。

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3.5%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/kJ·mol-1

没有催化剂催化
用胶态铂催化
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。

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

1.2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.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。

4.4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。

(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。

3.D。

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

1.B。 2.B。

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。

(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(I. E. C)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

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。

(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。

(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。2 000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J.Gaylussac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,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,酶是蛋白质的属性才普遍被人们所接受,为此Sumner和Northrop于1949年共同获得诺贝尔化学奖。1963年,Hirs、Moore和Stein测定了RNaseA的氨基酸顺序。1965年Phillips首次用X射线衍射技术阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。1969年Merrifield等人工合成了具有酶活性的胰RNase。20世纪80年代初Cech和Altman分别发现了具有催化功能的RNA──核酶,这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念,开辟了酶学研究的新领域,为此Cech和Altman于1989年共同获得诺贝尔化学奖。1986年Schultz与Lerner等人研制成功抗体酶,这一研究成果对酶学研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。Boyer等人阐明了ATP合成酶合成与分解ATP的分子机制,于1997年获得诺贝尔化学奖。近二十年来有不少酶的作用机制被阐明。随着DNA重组技术及聚合酶链式反应(PCR)技术的广泛应用,使酶结构与功能的研究进入新阶段。现已鉴定出4 000 多种酶,数百种酶已得到结晶,而且每年都有新酶发现。

近几十年来酶学研究得到很大的发展,提出了一些新理论和新概念。一方面在酶的分子水平上揭示酶和生命活动的关系,阐明酶在细胞代谢调节和分化过程中的作用,酶生物合成的遗传机制,酶的起源和酶的催化机制等方面取得进展;另一方面酶的应用研究得到迅速发展,酶工程已成为当代生物工程的重要支柱,酶的研究成果用来指导有关医学实践和工农业生产,也必将会给催化剂的设计,药物的设计,疾病的诊断、预防和治疗,农作物品种选育及病虫害的防治等提供理论依据和新思想、新概念。除了酶已普遍适用于食品、发酵、制革、纺织、日用化学及医学保健等方面,酶在生物工程、化学分析、生物传感器及环保方面的应用也日益广泛。
 


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