核心概念
生物学
生物化学
酶
生理学
化学
引言
你有没有想过你吃的所有食物是如何被消化的？不仅仅是胃里的酸分解你的食物——你体内许多被称为酶的小分子也有助于消化。酶是特殊类型的蛋白质，它们加速化学反应，例如胃中食物的消化。事实上，你的体内有数千种不同的酶，它们昼夜不停地工作，以保持你的健康和活力。在这个科学活动中，你将研究其中一种叫做过氧化氢酶的酶，以了解它是如何帮助保护你的身体免受伤害的。
背景
酶对我们的生存至关重要。这些由我们的细胞产生的蛋白质，有助于转化我们体内的化学物质，充当催化剂。催化剂启动反应并使它们更快发生，通过提高反应速率，否则这些反应可能根本不会发生，或者需要太长时间才能维持生命。然而，催化剂本身并不参与反应——那么这是如何工作的呢？每个化学反应都需要最少的能量才能发生。这种能量被称为活化能。反应的活化能越低，发生的速度就越快。如果活化能太高，反应就不会发生。
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酶能够通过与其反应物（参与反应的化学物质）相互作用来降低化学反应的活化能。每种酶都有一个活性位点，反应发生的地方。这些位点就像特殊的口袋，能够结合化学分子。酶与之反应的化合物或分子被称为其底物。酶口袋具有特殊的形状，因此只有一种特定的底物能够与其结合，就像只有一把钥匙适合特定的锁一样。一旦分子与酶结合，化学反应就会发生。然后，反应产物从口袋中释放出来，酶就可以用另一个底物分子重新开始了。
过氧化氢酶是一种非常常见的酶，几乎存在于所有暴露于氧气的生物体中。过氧化氢酶在活细胞中的作用是保护它们免受氧化损伤，当细胞或体内其他分子与氧化化合物接触时可能会发生氧化损伤。这种损伤是细胞内发生的反应的自然结果。这些反应可能包括诸如过氧化氢之类的副产物，过氧化氢可能对身体有害，就像美好的篝火的副产物可能是不受欢迎的烟雾，会让你咳嗽或刺痛你的眼睛一样。为了防止这种损害，过氧化氢酶通过将过氧化氢 (H2O2) 分解为无害的水和氧气来帮助清除这些化合物。你想看看过氧化氢酶的作用吗？在这个活动中，你将在酵母过氧化氢酶的帮助下解除过氧化氢的武装。
材料
安全护目镜或防护眼镜
五茶匙洗碗液
一包干酵母
过氧化氢，3%（至少 100 毫升）
三汤匙
一茶匙
五个 16 盎司一次性塑料杯
自来水
量杯
永久性记号笔
纸巾
可以被弄湿的工作区域（不会被任何洒出的过氧化氢或有色水损坏）
食用色素（可选）
准备工作
取一个杯子，将干酵母溶解在约半杯温热自来水中。水不应太热，但应接近体温（37 摄氏度）。让溶解的酵母静置至少五分钟。
用永久性记号笔将剩余的四个杯子从一到四标记。
在所有标记的杯子中，加入一茶匙洗碗液。
此时，杯子一中不再添加其他物质。
在使用过氧化氢之前，戴上安全护目镜以保护您的眼睛。如果您洒出过氧化氢，请用湿纸巾擦干净。如果沾到您的皮肤上，请确保用大量的水冲洗受影响的区域。
在杯子二中，加入一汤匙 3% 过氧化氢溶液。使用一个新的勺子盛放过氧化氢。
在杯子三中，加入两汤匙过氧化氢。
在杯子四中，加入三汤匙过氧化氢。
或者，您可以向每个标记的杯子中添加一滴食用色素。（您可以为每个杯子选择不同的颜色，以便于识别）
步骤
拿起一号杯，将其放在您面前的工作区上。用一个干净的汤匙，向杯中加入一汤匙溶解的酵母溶液并稍微搅拌一下。加入酵母后会发生什么？你看到有反应发生吗？
将二号杯放在您面前，再次向杯中加入一汤匙酵母溶液。一旦加入酶，过氧化氢酶会与过氧化氢发生反应吗？你能看到反应产物正在形成吗？
向三号杯加入一汤匙酵母溶液。你看到同样的反应发生吗？与二号杯相比，结果是不同的还是相同的？
最后，向四号杯加入一汤匙酵母溶液。与您之前的实验结果相比，您看到的反应产物更多还是更少？您能解释其中的差异吗？
将所有四个杯子彼此相邻地放在您面前，并观察您的结果。酶促反应是否在所有杯子中都发生，还是存在例外？每个杯子中的结果看起来有什么不同？您认为这是为什么？
现在，拿起一号杯，向杯中加入一汤匙额外的 3% 过氧化氢。稍微搅拌一下杯子以混合溶液。现在发生了什么？纵观您的所有实验结果，您认为您杯子中过氧化氢酶反应的限制因素是什么？
额外：重复此活动，但这次不要向所有反应中添加洗碗液。一旦去除洗碗液，会有什么不同？您仍然看到泡沫形成吗？
额外：到目前为止，您已经观察到底物 (H2O2) 浓度对过氧化氢酶反应的影响。如果保持底物浓度不变但改变酶的浓度会发生什么？尝试向三汤匙过氧化氢中添加不同量的酵母溶液，从一茶匙开始。您观察到任何差异吗，或者过氧化氢酶的浓度在您的反应中是否无关紧要？
额外：如果酶的环境条件发生变化会发生什么？重复过氧化氢酶反应，但这次改变条件，例如通过添加醋（一种酸）或小苏打（一种碱）来改变 pH 值，或者通过在微波炉中加热溶液来改变反应温度。您能确定哪些条件对于过氧化氢酶反应是最佳的吗？是否存在任何消除过氧化氢酶活性的条件？
额外：您能找到可以在此活动中使用的其他过氧化氢酶来源吗？研究哪些其他生物体、植物或细胞含有过氧化氢酶，并尝试将其用于您的反应。它们和酵母的效果一样好吗？
观察和结果
您可能在此活动中看到了大量的气泡和泡沫。是什么让泡沫出现的？当酶过氧化氢酶与其底物过氧化氢接触时，它开始将其分解为水和氧气。氧气是一种气体，因此想要逸出液体。然而，您添加到所有溶液中的洗碗液能够捕获气泡，从而形成稳定的泡沫。只要溶液中存在酶和过氧化氢，反应就会继续，并产生泡沫。一旦其中一种化合物耗尽，产物的形成就会停止。如果您不向反应中添加洗碗液，您会看到产生气泡，但不会形成稳定的泡沫。
如果没有过氧化氢，过氧化氢酶就无法发挥作用，这就是为什么在一号杯中您不应该看到任何气泡或泡沫产生。只有当过氧化氢存在时，过氧化氢酶反应才能发生，正如您可能在其他杯子中观察到的那样。事实上，过氧化氢酶反应依赖于底物浓度。如果您有过量的酶，但底物不足，则该反应将受到底物可用性的限制。一旦您向溶液中添加更多的过氧化氢，反应速率就会增加，因为更多的底物分子可以与酶碰撞，形成更多的产物。结果是随着您增加反应中 H2O2 的量，您的杯子中产生的泡沫量会增加。一旦您向一号杯中添加另一汤匙过氧化氢，您应该会看到产生更多的泡沫，这应该导致与二号杯中相似的泡沫量。然而，在某个时候，您将达到一个底物浓度，在该浓度下，酶会饱和并成为限制因素。在这种情况下，您必须添加更多的酶才能再次加速反应。
许多其他因素也会影响酶的活性。大多数酶仅在最佳环境条件下起作用。如果 pH 值或温度偏离这些条件太多，酶反应会显著减慢或根本不起作用。您可能在执行步骤中的额外步骤时已经注意到这一点。
清理
将所有溶液倒入水槽中，并用温水和洗碗液清洁所有勺子。用湿纸巾擦拭您的工作区域，并用肥皂和水洗手。
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