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参与翻译: Void_Yuan (6), dingo (6)

引言

你有没有想过人吃进去的所有东西是如何被消化的?除了胃酸,人体内还有许多被称之为酶的小分子也有助于食物分解。酶是一种特殊的能够催化化学反应的蛋白质,它可以加快胃中食物的消化。事实上,人体内有成千上万种不同的酶在昼夜不停的工作,从而保证机体的健康和活力。在接下来的科学探索活动中,你将和我们一起去研究其中一种称为氧化氢酶的酶,探索它是如何保护我们的机体免受损害的。

第 1 段(可获 1.31 积分)

背景知识

酶对我们的生存至关重要。这些由人体细胞产生的蛋白质,将作为一种催化剂来催化体内化学物质的转化。催化剂通过加快反应速度,使得化学反应得以发生并且发生得更快;相反,离开了催化剂的作用,化学反应有可能根本不会发生,或者反应速度很慢。但是,催化剂本身不参与化学反应,那么它是如何工作的呢? 每个化学反应的发生都需要称为“活化能”的最低能量:反应所需的“活化能”越低,反应的速度越快;如果所需的“活化能”过高,那么反应根本就不会发生。

第 2 段(可获 1.45 积分)

酶可以通过与反应物(参与反应的化学物)相互作用来降低化学反应的活化能。每个酶都有个活性位点,即反应发生的地方。活性位点就像个特殊的口袋,能够与化学分子相结合。与酶相互作用的化合物或分子被称为底物。酶的口袋有一种特殊的形状,因此只有一种特定的底物可与之结合,这就像一把钥匙对应一个特定的锁。一旦分子与酶结合,就会发生化学反应。随后,口袋会释放出反应产物,接着,酶可再与另一个底物分子重新开始反应。

第 3 段(可获 1.59 积分)

过氧化氢酶是一种非常普遍的酶,存在于几乎所有暴露于氧气中的生物体中。过氧化氢酶在活细胞中的作用是保护细胞免受氧化损伤。当体内的细胞或分子与氧化性物质接触时,可造成氧化损伤。这种损伤是细胞内代谢反应的自然结果,这包括了反应副产物,如对身体有损害的过氧化氢,正如一堆绚烂的篝火能产生令你咳嗽、熏眼睛的烟雾。 过氧化氢酶可通过将过氧化氢(H2O2)分解成无害的水和氧气来清除这些反应副产物,从而避免氧化损伤。你想看看催化酶是如何作用的吗?在下面的实验过程中,你可以看到过氧化氢被酵母过氧化氢酶清除。

第 4 段(可获 1.84 积分)

材料

  • 安全眼镜或防护眼镜
  • 五茶匙的肥皂
  • 一包干酵母
  • 3%过氧化氢(至少100毫升)
  • 三个汤匙
  • 一个茶匙
  • 五个16盎司的一次性塑料杯
  • 自来水
  • 量杯
  • 永久性记号笔
  • 纸巾
  • 可以弄湿的工作区(并且不会被泄漏的过氧化氢或含食用色素的水所破坏)
  • 食用色素(可选)

准备

  • 拿一个杯子,将干酵母溶解于约1/2杯温自来水中。水不能太热,需接近体温(37摄氏度)。让溶解的酵母在水中停留至少五分钟。
  • 用永久性记号笔将剩余杯子标为1到4号。
  • 在所有带记号的杯子中加入一茶匙肥皂。
  • 此时,杯1不再加入添加物。
  • 在使用过氧化氢之前,戴上护目镜来保护你的双眼。万一过氧化氢溅到护目镜,就用湿纸巾清洁。如果弄在皮肤上了,一定要用大量的水冲洗患处。
  • 向杯2中加入1汤匙的3%过氧化氢溶液。用个干净的勺子取过氧化氢。
  • 杯3,加入2汤匙的过氧化氢。
  • 杯4,加入3汤匙的过氧化氢。
  • 可选的一步是,你可以在每个有标记的杯子中加入一滴食用色素。(可在每个杯子中加入不同颜色的色素,这样易于识别)
第 5 段(可获 3.15 积分)

步骤

  • 将1号塑料杯放置在工作区的最前面。用干净的汤匙取一汤匙溶解的酵母溶液加入到杯子中,并轻轻搅拌。仔细观察加入酵母后发生了什么,是不是有反应发生?
  • 取出2号塑料杯并重复上述步骤。加入了酵母溶液后,其中包含的过氧化氢酶有没有与过氧化氢产生反应?能不能看到生成的反应产物?
  • 取出3号塑料杯并重复上述步骤。能看到与2号杯中一样的反应发生吗?反应产物与2号杯中的一致吗?
  • 最后,取出4号塑料杯并重复上述步骤。与之前的实验结果进行对比,反应产物的量有没有发生变化?你能解释反应产物之间的差异吗?
  • 将所有四个杯子并排放在面前,仔细观察各个杯子中的结果。所有的杯子中都发生了酶化反应吗?有没有例外?每个杯子中的反应结果有何不同?你认为这是为什么呢?
  • 现在,再次取出1号杯子,在其中加入汤匙3%过氧化氢溶液,轻轻搅拌使得杯中溶液混合均匀。现在又发生了什么?仔细分析所有的实验结果,你认为各个杯子中酶化反应能否发生的限制因素是什么呢?
  • 更进一步: 重复上述所有步骤,但是这次每个杯子中不再加入洗洁精。 这次有什么不同?还能看见泡沫的形成吗?
  • 更进一步: 到目前为止,你已经观察到底物(H2O2)浓度的变化对酶化反应的影响。如果保持底物浓度不变,仅改变酶的浓度又会发生什么呢? 可以尝试向三汤匙3%过氧化氢溶液(双氧水)中加入不同剂量的酵母溶液,比如从一茶匙开始。这次你能观察到任何差异吗?又或者过氧化氢酶的浓度变化不会对你的反应产生任何影响?
  • 更进一步: 如果改变酶的环境条件会发生什么?重复上述过氧化氢酶的酶化反应,这次改变反应发生的条件,比如加入醋(酸性)或小苏打(碱性)来改变反应发生的pH值;又比如通过在微波炉中加热溶液来改变反应发生的温度。你能辨别哪些条件是过氧化氢酶的酶化发生的最佳条件吗? 哪些条件能彻底消除过氧化氢酶的活性?
  • 更进一步: 你能找到可以用于我们实验的过氧化氢酶的其他来源吗? 研究其含有过氧化氢酶的生物、植物或者细胞,并在你的反应中利用它们。它们能和酵母一样发挥作用吗?
第 6 段(可获 5.6 积分)

观察与结果

在这个实验中,你可能会看到很多气泡与泡沫。泡沫是如何产生的?当过氧化氢酶与底物过氧化氢相接触时,它便开始将其分解为水和氧气。氧气是一种气体,易从液体中逃逸。然而,你添加到溶液中的洗洁精能捕获气泡,从而形成稳定的泡沫。只要溶液中有酶和过氧化氢的存在,反应就会继续,并且不断有泡沫产生。两种化合物的任意一种一旦被耗尽,反应产物则停止生成。如果你不向反应体系中添加洗洁精,那么你可观察到气泡的生成,但却没有稳定的泡沫。

第 7 段(可获 1.61 积分)

如果没有过氧化氢存在,过氧化氢酶就不能起作用,这就是为什么在杯1中你看不到任何气泡或泡沫产生。只有存在过氧化氢时,过氧化氢酶的催化反应才能发生,正如你在其他杯子中观察到的那样。其实,过氧化氢酶的反应依赖于底物浓度。酶过量而底物不足,反应将受到底物浓度的限制。只要你向溶液中添加更多的过氧化氢,反应速率就会增加,因为有更多的底物能与酶分子碰撞,形成更多的产物。其结果是,杯子里会有越来越多的泡沫产生,因为反应体系的过氧化氢含量增加了。你要是往杯1中加一汤匙的过氧化氢,就能看到和杯2差不多量的泡沫了。然而,当你达到某一底物浓度时,酶会饱和,从而成为反应的限制因素。此时,必须加入更多酶才能让反应加速。

第 8 段(可获 2.44 积分)

许多其他的因素也会影响酶的活性。大多数酶只在最佳环境条件下才起作用。如果pH值或温度偏离适宜条件太多,催化反应会显著减慢,甚至根本不工作。这一点在进行额外步骤时你可能已经注意到了。

清理

将所有溶液倒入水槽,用温水和洗洁精清洁所有的勺子。用湿纸巾擦拭工作区,并用水和肥皂将手洗净。

第 9 段(可获 1.13 积分)

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