【读课本·生物必修一】5-1.1酶的作用与本质

一酶的作用和本质

斯帕兰札尼的实验说明，食物在胃中的消化，靠的是胃液中的某种物质。然而这种物质是什么，他始终未能得出结论。后来，科学家发现胃液中含有大量的盐酸，于是推测盐酸是使食物分解的物质。1835年，德国科学家施旺通过实验发现，胃腺分泌物中有一种物质，将它与盐酸混合后，对肉类的分解能力远远大于盐酸的单独作用，这种物质就是胃蛋白酶

随着对细胞研究的不断深人，人们认识到，细胞的生活需要物质和能量。能量的释放、储存和利用，都必须通过化学反应来实现。细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢(cellular metabolism）。细胞代谢离不开酶（enzyme）。

酶在细胞代谢中的作用

细胞代谢是细胞生命活动的基础，但细胞代谢中也会产生代谢废物，甚至会产生对细胞有害的物质，如过氧化氢。幸而细胞中含有另一种物质，能将过氧化氢及时分解为氧气和水，这种物质就是过氧化氢酶。下面我们就以过氧化氢在不同条件下的分解为例，探究酶的作用。

探究·实践

比较过氧化氢在不同条件下的分解

新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶。经计算，质量分数为3.5%的FeC1z溶液和质量分数为20%的肝脏研磨液相比，每滴FeC1溶液中的Fe“数，大约是每滴研磨液中过氧化氢酶分子数的25万倍。

目的要求

通过比较过氧化氢在不同条件下分解

的快慢，了解过氧化氢酶的作用。

材料用具

新鲜的质量分数为20%的肝脏（如猪

肝、鸡肝）研磨液。

量筒，试管，滴管，试管架，卫生香，火柴，酒精灯，试管夹，大烧杯，三脚架，石棉网，温度计。

新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶

液，质量分数为3.5%的FeCl，溶液。

方法步骤

1.取4支洁净的试管，分别编上序号1、2、3、4，向各试管内分别加人2mL过氧化氢溶液，按序号依次放置在试管架上。

2.将2号试管放在90℃左右的水浴中加热，观察气泡冒出的情况，并与1号试管作比较。

3.向3号试管内滴入2滴FeCI，溶液，向4号试管内滴入2滴肝脏研磨液，仔细观

察，并记录实验结果。

4.立即将点燃的卫生香分别放人3号和4号试管内液面的上方，仔细观察，并记录实验结果。

科学方法

控制变量和设计对照实验

实验过程中的变化因素称为变量。其中人为控制的对实验对象进行处理的因素叫作自变量，上述实验中加热、加FeCI溶液、加肝脏研磨液，是对过氧化氢溶液的不同处理，温度和催化剂都属于自变量；因自变量改变而变化的变量叫作因变量，上述实验中过氧化氢分解速率就是因变量。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。

如上述实验中反应物的浓度和反应时间等。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。

对照实验一般要设置对照组和实验组，上述实验中的1号试管就是对照组，2号、3号和4号试管是实验组。本实验的对照组未作任何处理，这样的对照组叫作空白对照。想一想，设置这样的对照组有什么意义？

加热能促进过氧化氢分解，是因为加热使过氧化氢分子得到了能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。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称为活化能activation energy

Fe”和过氧化氢酶能促进过氧化氢分解，它们没有给过氧化氢分子提供能量，而是降低了过氧化氢分解反应的活化能。如果把化学反应比作驾车翻越一座高山，“加热”相当于给汽车加大油门，用催化剂则相当于帮司机找到穿山的隧道。与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高（图5-1）。

正是由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和条件下快速有序地进行。

酶的本质

酶到底是什么物质呢？19世纪以前，人们还不知道酶为何物。19世纪以后，随着对酿酒中发酵过程的深入研究，科学家才逐渐揭开了酶的“面纱”。

思考·讨论

关于酶本质的探索

我国早在4000多年前的夏禹时代，就掌握了酿酒技术。1716年《康熙字典》收录了酶字，并将“酶”解释为“酒母也”。“酒母”就是现在所说的酵母。

19世纪，酿酒业在欧洲经济中占有重要地位。但是，酿出的葡萄酒经常莫名其妙地变酸。受这一问题困扰，科学界非常重视对发酵过程的研究。当时人们已经知道，酿酒就是让糖类通过发酵变成酒精和二氧化碳。糖类是怎么变成酒精的呢？许多化学家都相信这是一个纯化学过程，与生命活动无关。

1857年，法国微生物学家巴斯德（L. Pasteur,18221895）通过显微镜观察，提出酿酒中的发酵是由醇母菌细胞的存在所致，没有活细胞的参与，糖类是不可能变成酒精的。德国化学家李比希（J.V.Liebig,1803-1873）却坚持认为引起发酵的是酵母菌细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母菌细胞死亡并裂解后才能发挥作用。两种观点争执不下。

结束这一争论的是德国化学家毕希纳（E. Buchner,1860—1917）。他把酵母菌细胞放在石英砂中用力研磨，加水搅拌，再进行加压过滤，得到不含酵母菌细胞的提取液。在这些汁液中加入葡萄糖，一段时间后就冒出气泡，糖液居然变成了酒。这一结果与糖液中含有活酵母菌细胞是一样的。他将酵母菌细胞中引起发酵的物质称为酿酶。

毕希纳虽然从细胞中获得了含有酶的提取液，但是提取液中还含有许多其他物质，无法直接对酶进行鉴定。有些科学家推测酶是蛋白质，并试图将酶从提取液中分离出来，得到纯酶，但由于技术上的困难都未成功。因此，酶究竞是什么物质，仍然是不解之谜。

美国科学家萨姆纳（J.B.Sumner,1887-1955）也认为酶是蛋白质。1917年，他从资料中得知刀豆种子中脉酶含量相当高（这种酶能使尿素分解成氨和二氧化碳），便决定从刀豆种子中提取纯酶。他尝试了多种方法，历经一次又一次的失败，终于在1926年的一天清晨惊喜地发现，在用丙酮作溶剂的提取液中出现了结晶，这说明提取物达到了一定的纯度。这种结晶溶于水后能够催化尿素分解成氮和二氧化碳。然后他又用多种方法证明脲酶是蛋白质。

后来，科学家又相继获得胃蛋白酶、胰蛋白酶等许多酶的结晶，并证明这些酶都是蛋白质。

20世纪80年代，美国科学家切赫（T.R.Cech,1947一）和奥特曼（S.Altman,1939—）发现少数RNA也具有生物催化功能。

“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”结合本节课的学习，谈谈你对马克思这句话的理解。