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第1節(jié) 降低化學反應活化能的酶

●從容說
該節(jié)主要介紹了酶在細胞代謝中的作用、酶的本質以及酶的3個特性。本節(jié)在學生學習過初中生物學的基礎上，創(chuàng)設了“問題探討”的情境——200多年前科學家斯帕蘭札尼有關探究鷹消化食物原理的著名實驗，引導學生分析和討論，明確在這個實驗過程中酶起了重要作用。那么酶在細胞代謝中有何作用？教材安排了實驗比較過氧化氫在不同條下分解速率快慢的實驗，引導學生自己得出結論，從而切身體會到酶具有很高的催化速率，該實驗還介紹了生物實驗的常用方法，所以要特別注意理解掌握設計對照實驗的原則——單一變量原則（只有一個實驗條不同，其他的實驗條都相同），從而確定實驗結果的不同就是有該不同的條造成的。在學生獲得感性知識的基礎上，教材利用卡通式插圖、圖解和字敘述，指出酶能夠顯著降低化學反應所需的活化能。這種編排有助于引導學生學會確認和控制變量，有助于培養(yǎng)學生的科學探究能力。
關于酶的化學本質，教材沒有平鋪直敘地講述，而是引導學生對有關資料進行分析。需要指出的是，巴斯德和李比希等科學家的觀點都有正確的成分，但限于各種原因又都不夠全面、準確。隨著科學技術的不斷進步，后的科學家對酶的本質不斷獲得新的研究成果。教材引導學生分析這些資料，這在培養(yǎng)學生繼承、創(chuàng)新、實事求是和大膽實踐等科學精神和態(tài)度方面，都具有重要的教育價值。至于酶的定義，教材要求學生在分析資料后自己進行歸納、總結和完善。這體現出教材在促進學生積極改變學習方式，力求培養(yǎng)學生主動建構知識的編寫意圖。本節(jié)資料分析后面的一段短，同樣是意在結合本節(jié)的有關知識，培養(yǎng)學生具備正確的科學精神和態(tài)度。
關于酶具有高效性，教材是引導學生回憶上一節(jié)的實驗現象以及聯系自己的生活經驗后得出的。關于酶具有專一性，教材是通過舉實例和打比喻得出的。關于酶的第三個特性，教材設計了一個探究哪些因素影響酶活性的實驗，讓學生在探究后得出結論。本探究的實驗指導提供了相關的背景知識，目的是便于學生提出所需探究的問題。在學生探究的基礎上，教材配合兩個曲線圖，概括出酶的作用條較溫和的結論。本節(jié)的“科學•技術•社會”，通過多個側面，體現出酶與人類生活的密切關系，從而進一步開闊學生的眼界。
●三維目標
1.知識與技能
（1）細胞代謝的概念。
（2）酶的作用和本質。
（3）酶的特性。
（4）提高學生觀察、分析、判斷的思維能力，提高學生的實驗操作能力。
2.過程與方法
（1）通過本節(jié)，讓學生進行有關的實驗和探索，學會控制自變量，觀察和檢測因變量的變化，以及設置對照組和重復實驗。
（2）通過讓學生了解酶的發(fā)現過程，使學生體會實驗在生物學研究中的作用地位；通過討論酶在生產、生活中的應用，使學生認識到生物科學技術與社會生產、生活的關系；體會科學、技術、社會之間相互促進的關系，進而體會研究生命科學價值。
（3）在實驗能力提高的基礎上，提高學生運用語言表達的能力和分享信息、分享實驗成果的能力。
3.情感態(tài)度與價值觀
（1）通過學習生物學家研究酶的本質的過程，激勵學生學習科學家實事求是的科學態(tài)度和勇于探索的科學精神。
（2）通過實驗探究影響酶活性的條，培養(yǎng)學生的探索精神、創(chuàng)新精神和合作精神。
●重點
1.比較過氧化氫酶在不同條下分解速率快慢的實驗，并引導學生得出結論——酶的高效催化作用（酶的作用）。
2.酶的本質。
3.酶的特性。
●教學難點
1.酶的活化能降低的原理。
2.實驗中控制變量的科學方法。
●教具準備
酶活性受溫度、pH影響的示意圖。
●時安排
3時

第一時 酶的作用

●教學過程
［前準備］
教師準備實驗器材，并設計好觀察記錄表；學生預習實驗，掌握實驗的原理并設計好實驗的過程。
［情境創(chuàng)設］
人不吃飯行嗎？食物進入人體內發(fā)生了怎樣的變化？這些問題在現在說都已經十分清楚了。這些變化過程在其他生物中有沒有呢？早在二百多年前科學家就對此進行了探索。
實驗介紹：1783年意大利科學家斯帕蘭札尼將肉塊放在小巧的金屬籠中，然后讓鷹吞下，過了一段時間，將籠子取出，肉塊不見了。
［師生互動］
問：（1）為何要將肉塊放在籠子中？
答：排除了胃對肉塊的物理性消化。
問：（2）對肉起消化作用的是什么物質？
答：一定是某些物質進入到金屬籠中，使肉分解�，F在已經知道這個能讓肉分解的物質就是——酶。
問：（3）進行肉類消化的過程的條是怎樣的？
答：進行分解肉的反應是在一種極溫和的條下進行的。
問：（4）在實驗室中能否也能讓肉分解？能的話需要怎樣的條？
答：實驗室也能進行肉的分解，但是比起在生物體中說，需要高溫、高壓、強酸、強堿等劇烈的條才能進行。
總結：對于一個生物體說要進行的生理活動非常之多，構成生物體的每一個細胞內的物質需要不斷地合成與分解，不斷地處于自我更新的狀態(tài)，而這種自我更新的過程完全依賴于細胞內發(fā)生的生物化學反應，每一個化學反應都伴隨著能量的變化。細胞中全部有序的化學變化的總稱就叫細胞代謝。
細胞生存的條是很溫和的，那么細胞內數量如此巨大的生物化學反應如何在常溫、常壓、水溶液環(huán)境、pH接近中性的條下，迅速高效地進行呢？在化學反應中有沒有提高化學反應的方法呢？
過氧化氫在不同條下的分解
實驗前介紹：動植物在代謝中產生的過氧化氫，對機體是有毒的。機體通過過氧化氫酶，催化過氧化氫迅速分解成水和氧氣而解毒。鐵離子也可催化這一反應。
2H2O2 H2O＋O2
問：如何獲得過氧化氫酶？
答：新鮮肝臟中含有較多的過氧化氫酶，所以新鮮肝臟研磨液含有較多的過氧化氫酶。
按以下實驗步驟進行實驗：

試管編號1234
實驗原理過氧化氫在高溫或Fe3＋或過氧化氫酶的作用下都可分解成水和氧氣
第一步每支試管各加入2 mL 3%的H2O2溶液
第二步90 ℃熱水浴用滴管加2滴
3.5%FeCl3溶液用滴管加2滴質量分數為20%肝臟研磨液
觀 察觀察氣泡冒出情況，并記錄
現象無較多較多很多
將點燃的衛(wèi)生香
放在液面上沒變化火頭變亮火頭變亮復燃
原 因沒有生
成氧氣生成了少量氧氣生成了少量氧氣生成了大量氧氣
結 論酶的催化效率比無機催化劑的催化作用更顯著
對上述實驗進行分析，對照實驗的特點。
問：上述實驗分成了1、2、3、4號四支試管，哪些是四支試管共同的條？兩兩比較不同的條有幾個？
答：共同點：都在試管中加入2 mL H2O2溶液，都在相同的壓力下進行。
不同點：1和2：只有溫度不同；1和3：3多了2滴FeCl3溶液；1和4：4多了2滴肝臟研磨液；3和4：加入的催化劑不同。
問：1號試管沒有加任何試劑，它起的作用是什么？
答：它起的是對照的作用。
結論：進行該實驗的其他因素相同，而只有其中某一因素不同，觀察其對實驗結果的影響。如果結果不同，那么影響該結果的就是這一不同的因素。在上述實驗3試管和4試管只有加入的催化劑不同，那么該實驗的結果3放的氧氣少，4放出氧氣多就是因為加入到4號催化劑的催化效率比加入到3號的高。即酶具有高效性。
問：2和4試管現象基本相同，能否在生物體中也利用2的方法解毒？
答：不能。加熱到這樣的溫度會造成生物的細胞死亡。
問：能否用同一滴管給3和4試管加FeCl3溶液和肝臟研磨液？
答：不能。共用滴管會讓肝臟研磨液（或FeCl3溶液）殘留在滴管內，難以判斷出過氧化氫的分解是哪種滴加液的作用，影響實驗結果的準確。
問：為何酶的催化效率會比無機催化劑更高呢？
答：酶降低了活化能。活化能就是分子從常態(tài)轉化變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需要的能量�；罨�能越大，反應就越不容易進行，反之就容易進行。
［教師精講］
在生物體中，生物體內的化學反應每時每刻進行著。以人為例：據估計人體細胞內每分鐘大約要發(fā)生幾百萬次的化學反應，這么多的化學反應能在人體中順利而迅速地完成，完全是靠酶的催化作用。它和無機催化劑相比，具有更高的催化效率。
酶在細胞內的物質變化過程中起著重要作用，這個作用是其他物質無法代替的。它降低了化學反應中的活化能，而自身卻沒有發(fā)生變化，所以是一種催化劑。它是細胞內產生的，所以它也是細胞中具有高效催化效率的生物催化劑。它的作用就是降低活化能。
［評價反饋］
1.選用新鮮肝臟比較過氧化氫在不同的條下分解的實驗，是因為新鮮的肝臟中
A.含Fe離子多
B.含酶的種類多
C.溫度高
D.過氧化氫酶多且活性高
2.在醫(yī)院常用雙氧水作為身體出現小傷口的消毒用藥，能觀察到什么現象嗎？試解釋該現象。
參考答案：
1.D 2.能看到傷口有氣泡產生。原因是人體細胞中產生的酶將雙氧水分解成了水和 氧氣。
［堂小結］

［布置作業(yè)］
1.查資料：催化劑之所以能加快化學反應，它的作用原理是什么？
2.預習P81的資料分析，說出酶的研究過程。從這些過程中你得到了什么啟示？
［后拓展］
1.酶—底物復合物的形成及誘導契合假說
酶與底物相互接近時，其結構相互誘導、相互變形和相互適應，進而相互結合。這一過程為酶－底物結合的誘導契合假說。
2.酶促反應的機制
（1）鄰近效應與定向排列：兩種或數種底物分子在酶活性中心聚集、特異結合，使活性中心的底物濃度增加；底物受催化攻擊部位對準活性中心的催化基團，可增加催化效率。
（2）多元催化：一種酶常兼有酸、堿雙重催化作用，發(fā)生多個功能基團的協(xié)同作用，提高酶的催化效率。
（3）表面效應：酶的活性中心提供的疏水環(huán)境可排除水分子對各功能基團的干擾性吸引或排斥，防止底物與酶之間形成水化膜，利于酶與底物結合。
●板書設計
第5 細胞的能量供應和利用
第1節(jié) 降低化學反應活化能的酶
第一時 酶的作用
細胞代謝：細胞內全部的化學反應。
酶的作用：降低活化能更顯著，催化效率更高。
●習題詳解
一、問題探討（本P78）
1.這個實驗要解決的問題是：鳥類的胃是否只有物理性消化，沒有化學性消化。
2.是胃內的化學物質——酶將肉塊分解了。
3.收集胃內的化學物質，將肉塊放入這些物質中，看看這些物質在體外是否也能將肉塊分解。
二、本節(jié)聚焦（本P78）
1.因為細胞內每時每刻都進行著大量的生化反應，而這些反應都需要在相對溫和的條下進行，只有酶才能滿足這樣的要求。
2.絕大多數酶都是蛋白質，它是活細胞產生的具有催化作用的有機物。
3.通過實驗進行研究。其中有重要貢獻的科學家有巴斯德、李比希、畢希那、切赫等。
三、實驗（本P79）
1.2號試管放出的氣泡多。這一現象說明加熱能促進過氧化氫的分解，提高反應速率。
2.不能。
3.說明FeCl3中的Fe3＋和新鮮肝臟中的過氧化氫酶都能加快過氧化氫分解的速率。
4.4號試管的反應速率比3號試管快得多。說明過氧化氫酶比Fe3＋的催化效率高得多。細胞內每時每刻都在進行著成千上萬種化學反應，這些化學反應需要在常溫、常壓下高效率地進行，只有酶能夠滿足這樣的要求，所以說酶對于細胞內化學反應的順利進行至關重要。
●備資料
1.活化能
非活化分子轉變?yōu)榛罨�分子所需吸收的能量。溫度對反應速率有顯著影響。在多數情況下，其定量規(guī)律可由阿倫尼烏斯公式描述：
κ=Ae－E/RT（1）
式中κ為反應的速率系（常）數；E和A分別稱為活化能和指前因子，是化學動力學中極重要的兩個參數；R為摩爾氣體常數；T為熱力學溫度。對于更為復雜的描述κ與T的關系式中，活化能E定義為：
E=RT2（dlnκ/dT）（2）
在元反應中，并不是反應物分子的每一次碰撞都能發(fā)生反應。S.A.阿倫尼烏斯認為，只有“活化分子”之間的碰撞才能發(fā)生反應，而活化分子的平均能量與反應物分子平均能量的差值即為活化能。近代反應速率理論進一步指出，兩個分子發(fā)生反應時必須經過一個過渡態(tài)——活化絡合物，過渡態(tài)具有比反應物分子和產物分子都要高的勢能，互撞的反應物分子必須具有較高的能量足以克服反應勢能壘，才能形成過渡態(tài)而發(fā)生反應，此即活化能的本質。
2.降低反應的活化能（activation energy）原理的假說
（1）中間產物學說
在酶催化的反應中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復合物。當底物分子在酶作用下發(fā)生化學變化后，中間復合物再分解成產物和酶。
E＋S E－S P＋E
許多實驗事實證明了E－S復合物的存在。E－S復合物形成的速率與酶和底物的性質有關。電子顯微鏡的觀察結果、X射線晶體結構分析、酶與底物反應前后光譜特性分析、酶的溶解度變化、酶與底物的共沉降，獲得E－S復合物結晶都可證明中間產物的存在。
（2）鄰近效應（proximity effect）和定向效應（orientation effect）
鄰近效應在酶促反應中，由于酶和底物分子之間的親和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趨勢，最終結合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效濃度大大增加的效應。
定向效應：當專一性底物向酶活性中心靠近時，會誘導酶分子構象發(fā)生改變，使酶活性中心的相關基團和底物的反應基團正確定向排列，同時使反應基團之間的分子軌道以正確方向嚴格定位，使酶促反應易于進行。以上兩種效應使酶具有高效率和專一性特點。
（3）酶使底物分子中的敏感鍵發(fā)生變形（distortion）
酶－底物復合物形成時，酶分子構象發(fā)生變化，底物分子也常常受到酶的作用而發(fā)生變化，甚至使底物分子發(fā)生扭曲變形，從而使底物分子某些鍵的鍵能減弱，產生鍵扭曲，有助于過度態(tài)的中間產物形成,從而降低了反應的活化能。
（4）多功能催化作用
酶的活性中心部位，一般都含有多個起催化作用的基團，這些基團在空間有特殊的排列和取向，可以對底物價鍵的形變和極化及調整底物基團的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達到最佳反應狀態(tài)。

本文來自：逍遙右腦記憶 http://douzifanli.com/gaoer/46415.html

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