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2019-2020年高一生物 降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶 第1課時示范教案 新人教版 ●從容說課 該節(jié)主要介紹了酶在細(xì)胞代謝中的作用、酶的本質(zhì)以及酶的3個特性。本節(jié)在學(xué)生學(xué)習(xí)過初中生物學(xué)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)了“問題探討”的情境——200多年前科學(xué)家斯帕蘭札尼有關(guān)探究鷹消化食物原理的著名實驗，引導(dǎo)學(xué)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(xì)胞代謝中有何作用？教材安排了實驗來比較過氧化氫在不同條件下分解速率快慢的實驗，引導(dǎo)學(xué)生自己得出結(jié)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(shè)計對照實驗的原則——單一變量原則（只有一個實驗條件不同，其他的實驗條件都相同），從而確定實驗結(jié)果的不同就是有該不同的條件造成的。在學(xué)生獲得感性知識的基礎(chǔ)上，教材利用卡通式插圖、圖解和文字?jǐn)⑹?，指出酶能夠顯著降低化學(xué)反應(yīng)所需的活化能。這種編排有助于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會確認(rèn)和控制變量，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。 關(guān)于酶的化學(xué)本質(zhì)，教材沒有平鋪直敘地講述，而是引導(dǎo)學(xué)生對有關(guān)資料進(jìn)行分析。需要指出的是，巴斯德和李比希等科學(xué)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(zhǔn)確。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，后來的科學(xué)家對酶的本質(zhì)不斷獲得新的研究成果。教材引導(dǎo)學(xué)生分析這些資料，這在培養(yǎng)學(xué)生繼承、創(chuàng)新、實事求是和大膽實踐等科學(xué)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(xué)生在分析資料后自己進(jìn)行歸納、總結(jié)和完善。這體現(xiàn)出教材在促進(jìn)學(xué)生積極改變學(xué)習(xí)方式，力求培養(yǎng)學(xué)生主動建構(gòu)知識的編寫意圖。本節(jié)資料分析后面的一段短文，同樣是意在結(jié)合本節(jié)的有關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生具備正確的科學(xué)精神和態(tài)度。 關(guān)于酶具有高效性，教材是引導(dǎo)學(xué)生回憶上一節(jié)的實驗現(xiàn)象以及聯(lián)系自己的生活經(jīng)驗后得出的。關(guān)于酶具有專一性，教材是通過舉實例和打比喻得出的。關(guān)于酶的第三個特性，教材設(shè)計了一個探究哪些因素影響酶活性的實驗，讓學(xué)生在探究后得出結(jié)論。本探究的實驗指導(dǎo)提供了相關(guān)的背景知識，目的是便于學(xué)生提出所需探究的問題。在學(xué)生探究的基礎(chǔ)上，教材配合兩個曲線圖，概括出酶的作用條件較溫和的結(jié)論。本節(jié)的“科學(xué)技術(shù)社會”，通過多個側(cè)面，體現(xiàn)出酶與人類生活的密切關(guān)系，從而進(jìn)一步開闊學(xué)生的眼界。 ●三維目標(biāo) 1.知識與技能 （1）細(xì)胞代謝的概念。 （2）酶的作用和本質(zhì)。 （3）酶的特性。 （4）提高學(xué)生觀察、分析、判斷的思維能力，提高學(xué)生的實驗操作能力。 2.過程與方法 （1）通過本節(jié)課教學(xué)，讓學(xué)生進(jìn)行有關(guān)的實驗和探索，學(xué)會控制自變量，觀察和檢測因變量的變化，以及設(shè)置對照組和重復(fù)實驗。 （2）通過讓學(xué)生了解酶的發(fā)現(xiàn)過程，使學(xué)生體會實驗在生物學(xué)研究中的作用地位；通過討論酶在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，使學(xué)生認(rèn)識到生物科學(xué)技術(shù)與社會生產(chǎn)、生活的關(guān)系；體會科學(xué)、技術(shù)、社會之間相互促進(jìn)的關(guān)系，進(jìn)而體會研究生命科學(xué)價值。 （3）在實驗?zāi)芰μ岣叩幕A(chǔ)上，提高學(xué)生運用語言表達(dá)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(xué)習(xí)生物學(xué)家研究酶的本質(zhì)的過程，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家實事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的科學(xué)精神。 （2）通過實驗探究影響酶活性的條件，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神和合作精神。 ●教學(xué)重點 1.比較過氧化氫酶在不同條件下分解速率快慢的實驗，并引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論——酶的高效催化作用（酶的作用）。 2.酶的本質(zhì)。 3.酶的特性。 ●教學(xué)難點 1.酶的活化能降低的原理。 2.實驗中控制變量的科學(xué)方法。 ●教具準(zhǔn)備 酶活性受溫度、pH影響的示意圖。 ●課時安排 3課時 第一課時 酶的作用 ●教學(xué)過程 ［課前準(zhǔn)備］ 教師準(zhǔn)備實驗器材，并設(shè)計好觀察記錄表；學(xué)生預(yù)習(xí)實驗，掌握實驗的原理并設(shè)計好實驗的過程。 ［情境創(chuàng)設(shè)］ 人不吃飯行嗎？食物進(jìn)入人體內(nèi)發(fā)生了怎樣的變化？這些問題在現(xiàn)在來說都已經(jīng)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(xué)家就對此進(jìn)行了探索。 實驗介紹：1783年意大利科學(xué)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(zhì)？ 答：一定是某些物質(zhì)進(jìn)入到金屬籠中，使肉分解?，F(xiàn)在已經(jīng)知道這個能讓肉分解的物質(zhì)就是——酶。 問：（3）進(jìn)行肉類消化的過程的條件是怎樣的？ 答：進(jìn)行分解肉的反應(yīng)是在一種極溫和的條件下進(jìn)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件？ 答：實驗室也能進(jìn)行肉的分解，但是比起在生物體中來說，需要高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等劇烈的條件才能進(jìn)行。 總結(jié)：對于一個生物體來說要進(jìn)行的生理活動非常之多，構(gòu)成生物體的每一個細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)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(xì)胞內(nèi)發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，每一個化學(xué)反應(yīng)都伴隨著能量的變化。細(xì)胞中全部有序的化學(xué)變化的總稱就叫細(xì)胞代謝。 細(xì)胞生存的條件是很溫和的，那么細(xì)胞內(nèi)數(shù)量如此巨大的生物化學(xué)反應(yīng)如何在常溫、常壓、水溶液環(huán)境、pH接近中性的條件下，迅速高效地進(jìn)行呢？在化學(xué)反應(yīng)中有沒有提高化學(xué)反應(yīng)的方法呢？ 過氧化氫在不同條件下的分解 實驗前介紹：動植物在代謝中產(chǎn)生的過氧化氫，對機(jī)體是有毒的。機(jī)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(yīng)。 2H2O2H2O＋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。 按以下實驗步驟來進(jìn)行實驗： 試管編號 1 2 3 4 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(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%肝臟研磨液 觀 察 觀察氣泡冒出情況，并記錄 現(xiàn)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(fù)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(jié) 論 酶的催化效率比無機(jī)催化劑的催化作用更顯著 對上述實驗進(jìn)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件？兩兩比較不同的條件有幾個？ 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(jìn)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(jié)論：進(jìn)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(jié)果的影響。如果結(jié)果不同，那么影響該結(jié)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(jié)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(xiàn)象基本相同，能否在生物體中也利用2的方法來解毒？ 答：不能。加熱到這樣的溫度會造成生物的細(xì)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(nèi)，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(jié)果的準(zhǔn)確。 問：為何酶的催化效率會比無機(jī)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(zhuǎn)化變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量。活化能越大，反應(yīng)就越不容易進(jìn)行，反之就容易進(jìn)行。 ［教師精講］ 在生物體中，生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)每時每刻進(jìn)行著。以人為例：據(jù)估計人體細(xì)胞內(nèi)每分鐘大約要發(fā)生幾百萬次的化學(xué)反應(yīng)，這么多的化學(xué)反應(yīng)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(jī)催化劑相比，具有更高的催化效率。 酶在細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)變化過程中起著重要作用，這個作用是其他物質(zhì)無法代替的。它降低了化學(xué)反應(yīng)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(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的，所以它也是細(xì)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.選用新鮮肝臟來比較過氧化氫在不同的條件下分解的實驗，是因為新鮮的肝臟中 A.含F(xiàn)e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(xiàn)小傷口的消毒用藥，能觀察到什么現(xiàn)象嗎？試解釋該現(xiàn)象。 參考答案： 1.D 2.能看到傷口有氣泡產(chǎn)生。原因是人體細(xì)胞中產(chǎn)生的酶將雙氧水分解成了水和 氧氣。 ［課堂小結(jié)］ ［布置作業(yè)］ 1.查資料：催化劑之所以能加快化學(xué)反應(yīng)，它的作用原理是什么？ 2.預(yù)習(xí)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？ ［課后拓展］ 1.酶—底物復(fù)合物的形成及誘導(dǎo)契合假說 酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。這一過程為酶－底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說。 2.酶促反應(yīng)的機(jī)制 （1）鄰近效應(yīng)與定向排列：兩種或數(shù)種底物分子在酶活性中心聚集、特異結(jié)合，使活性中心的底物濃度增加；底物受催化攻擊部位對準(zhǔn)活性中心的催化基團(tuán)，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(tuán)的協(xié)同作用，提高酶的催化效率。 （3）表面效應(yīng)：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(tuán)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(jié)合。 ●板書設(shè)計 第5章 細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用 第1節(jié) 降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶 第一課時 酶的作用 細(xì)胞代謝：細(xì)胞內(nèi)全部的化學(xué)反應(yīng)。 酶的作用：降低活化能更顯著，催化效率更高。 ●習(xí)題詳解 一、問題探討（課本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(xué)性消化。 2.是胃內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)——酶將肉塊分解了。 3.收集胃內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)，將肉塊放入這些物質(zhì)中，看看這些物質(zhì)在體外是否也能將肉塊分解。 二、本節(jié)聚焦（課本P78） 1.因為細(xì)胞內(nèi)每時每刻都進(jìn)行著大量的生化反應(yīng)，而這些反應(yīng)都需要在相對溫和的條件下進(jìn)行，只有酶才能滿足這樣的要求。 2.絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，它是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機(jī)物。 3.通過實驗來進(jìn)行研究。其中有重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家有巴斯德、李比希、畢希那、切赫等。 三、實驗（課本P79） 1.2號試管放出的氣泡多。這一現(xiàn)象說明加熱能促進(jìn)過氧化氫的分解，提高反應(yīng)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(yīng)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(xì)胞內(nèi)每時每刻都在進(jìn)行著成千上萬種化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)需要在常溫、常壓下高效率地進(jìn)行，只有酶能夠滿足這樣的要求，所以說酶對于細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行至關(guān)重要。 ●備課資料 1.活化能 非活化分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿铀栉盏哪芰?。溫度對反?yīng)速率有顯著影響。在多數(shù)情況下，其定量規(guī)律可由阿倫尼烏斯公式來描述： κ=Ae－E/RT（1） 式中κ為反應(yīng)的速率系（常）數(shù)；E和A分別稱為活化能和指前因子，是化學(xué)動力學(xué)中極重要的兩個參數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。對于更為復(fù)雜的描述κ與T的關(guān)系式中，活化能E定義為： E=RT2（dlnκ/dT）（2） 在元反應(yīng)中，并不是反應(yīng)物分子的每一次碰撞都能發(fā)生反應(yīng)。S.A.阿倫尼烏斯認(rèn)為，只有“活化分子”之間的碰撞才能發(fā)生反應(yīng)，而活化分子的平均能量與反應(yīng)物分子平均能量的差值即為活化能。近代反應(yīng)速率理論進(jìn)一步指出，兩個分子發(fā)生反應(yīng)時必須經(jīng)過一個過渡態(tài)——活化絡(luò)合物，過渡態(tài)具有比反應(yīng)物分子和產(chǎn)物分子都要高的勢能，互撞的反應(yīng)物分子必須具有較高的能量足以克服反應(yīng)勢能壘，才能形成過渡態(tài)而發(fā)生反應(yīng)，此即活化能的本質(zhì)。 2.降低反應(yīng)的活化能（activation energy）原理的假說 （1）中間產(chǎn)物學(xué)說 在酶催化的反應(yīng)中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復(fù)合物。當(dāng)?shù)孜锓肿釉诿缸饔孟掳l(fā)生化學(xué)變化后，中間復(fù)合物再分解成產(chǎn)物和酶。 E＋SE－SP＋E 許多實驗事實證明了E－S復(fù)合物的存在。E－S復(fù)合物形成的速率與酶和底物的性質(zhì)有關(guān)。電子顯微鏡的觀察結(jié)果、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析、酶與底物反應(yīng)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(fù)合物結(jié)晶都可證明中間產(chǎn)物的存在。 （2）鄰近效應(yīng)（proximity effect）和定向效應(yīng)（orientation effect） 鄰近效應(yīng)在酶促反應(yīng)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(jié)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(yīng)。 定向效應(yīng)：當(dāng)專一性底物向酶活性中心靠近時，會誘導(dǎo)酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，使酶活性中心的相關(guān)基團(tuán)和底物的反應(yīng)基團(tuán)正確定向排列，同時使反應(yīng)基團(tuán)之間的分子軌道以正確方向嚴(yán)格定位，使酶促反應(yīng)易于進(jìn)行。以上兩種效應(yīng)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(fù)合物形成時，酶分子構(gòu)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(chǎn)生鍵扭曲，有助于過度態(tài)的中間產(chǎn)物形成,從而降低了反應(yīng)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(tuán)，這些基團(tuán)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(diào)整底物基團(tuán)的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達(dá)到最佳反應(yīng)狀態(tài)。