酶的作用與本質(zhì)

《分子與細胞》第五章第一節(jié)第一課時電子教案酶的作用與本質(zhì)南開大學附屬中學張海風二零零七年十月一、教學內(nèi)容和教學對象分析教學內(nèi)容處于生活狀態(tài)下的細胞是一個開放的系統(tǒng)，時刻與周圍的環(huán)境進行物質(zhì)交換和能量交換，并利用這些物質(zhì)和能量維持自身的各項生命活動，進行新陳代謝。酶作為生物催化劑，細胞內(nèi)部的物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量轉(zhuǎn)換都離不開酶的催化作用。因此引導學生掌握酶的概念和本質(zhì)，理解酶在代謝中的作用就顯得十分非常重要。另外，學生已具備做科學的能力，在課堂中引導學生科學地思考，積極動手實驗，對于培養(yǎng)學生的科學精神十分有益，因此本節(jié)課初步引入對照實驗和控制變量。教學對象分析學生通過初三、高一階段化學的學習，對于純化學反應已熟悉，但是對于細胞內(nèi)部的化學反應及生物催化劑一一酶的認識有限。工業(yè)制氨的化學反應是在高溫高壓催化劑下進行的，細胞內(nèi)部卻是常溫常壓溫和狀態(tài)，而細胞代謝包括一系列的化學反應，這些化學反應的進行應該有生物催化劑一一酶的參與，才能使細胞代謝高效有序的進行，因此引入對酶相關知識的學習。二、教學目標學習目標說明酶在細胞代謝中的作用、本質(zhì)和特性。通過觀察“比較過氧化氫在不同的條件下的分解”的實驗現(xiàn)象，體驗酶與無機催化劑的區(qū)別；同時在實驗探究中學會控制自變量，觀察和檢測因變量的變化，學會如何設置對照組和實驗組。通過閱讀分析《關于酶本質(zhì)的探索》的資料，認同科學是在不斷探索和爭論中前進的。完成《影響酶活性的條件》的探究實驗，通過觀察實驗現(xiàn)象，體驗酶的特性和影響酶活性的條件及特點。學習建議要結合已有的對消化酶的了解和經(jīng)驗，從教材提供的問題探討“斯帕蘭札尼研究鷹的消化作用”進入學習情境，進而明確生命體隨時發(fā)生著數(shù)量巨大的生物化學反應，同時又是一個穩(wěn)定的、開放的系統(tǒng)。對細胞來說，細胞中每時每刻都進行著許多化學反應，統(tǒng)稱細胞代謝，它是細胞生命活動的基礎。要通過實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解”，追憶幾種已知的無機催化劑的特點和作用，來認識酶的催化作用以及與無機催化劑的區(qū)別。在實驗探究中要學會如何控制變量，掌握一般生物學實驗的基本思路和原則，體會在對照實驗中要遵循單因子變量原則的必要性；要通過對實驗現(xiàn)象和結果的分析得出相關結論：過氧化氫酶比Fe3+的催化效率高得多。（3）可以結合教科書中的“走隧道需要的能量少”的插圖，對生化反應的“有酶途徑”和“無酶途徑”進行直觀的類比，化抽象為形象，從而突破“同無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著”這一難點；并由此進一步理解細胞中發(fā)生的各種化學反應要在常溫、常壓、水溶液環(huán)境下能快速、有序地進行的，就必需盡可能地降低化學反應的活化能，這正是新陳代謝離不開酶的原因。（4）可通過自學閱讀“資料分析”，嘗試進行“角色轉(zhuǎn)換”，如果我就是當時的科學家，我該怎么辦？讓自己的思維沿著科學家關于酶本質(zhì)的探索歷程跳躍、共振、發(fā)散，體會科學發(fā)現(xiàn)的艱辛曲折，總結出酶的定義，從而在分子水平上理解酶的化學本質(zhì)。三、教學方法和教學手段教學方法：實驗法、小組討論法、鼓勵評價法、比較說明法、卡通圖片法，教學手段：借助多媒體、設計實驗表格四、教學設計酶的作用與本質(zhì)構思：創(chuàng)設情境——自我設計證明胃具有化學消化作用的實驗-一介紹斯帕蘭扎尼的實驗一一開創(chuàng)了研究酶的先河，引出新課一一酶及其作用一一介紹學習方法（科學探究解決科研問題）——講解細胞代謝概念一一比較無機化學反應與有機化學反應的區(qū)別，推出生物體內(nèi)的反應需要催化劑（酶）一一實驗驗證：比較過氧化氫在不同條件下的分解情況一一分析試驗，體會試驗需要控制變量，設置對照組和實驗組。一一講解反應機理——酶的作用。酶的作用與本質(zhì)教學過程創(chuàng)設情景南方人愛吃肉。有一美味一一雞胗一一大家愛吃嗎？那么你知道雞胗是雞的什么器官嗎？（答：雞的胃）。確切的說是雞的肌胃，也叫砂囊，肌胃的胃壁由堅實的肌肉構成，吃起來很有嚼頭，所以很多人愛吃。你知道雞胗對雞有什么作用嗎？（答：其內(nèi)含有一定數(shù)量的砂石，具有磨碎食物得功能。）食物被磨碎是發(fā)生了什么變化？（答：物理變化。）也就是說雞的胃有物理消化的作用。那么雞的胃除了具有物理消化的作用外，有沒有化學消化的作用呢？（答：有。）由你來設計一個試驗，試驗證明胃除具有物理消化的作用外，還有化學消化的作用。學生思考、交流。其實這個問題早在二百多年前就有人提出并用科學實驗驗證了。我們一起來看看。出示幻燈片1773年，意大利科學家斯帕蘭扎尼：將肉塊放入小巧的金屬籠內(nèi)，然后讓鷹把小籠子吞下去，過一段時間后，他把小籠子取出來，發(fā)現(xiàn)籠內(nèi)的肉塊不見了。這個實驗設計的很巧妙，大家能看出他巧妙在那兒嗎？（答：把肉塊放在籠子里，肉塊可以不受胃的物理消化的影響，而胃液卻可以流入籠內(nèi)。）是什么物質(zhì)起了化學消化的作用呢？答：胃液。對，確切的說是胃液中的蛋白酶。

這個實驗開創(chuàng)了研究酶的先河。什么是酶？酶的作用的是什么？這是本小節(jié)的學習內(nèi)容。我們通過什么方式來學習呢？就是大家剛才體驗到的實驗科學。我們一起回顧科學探究的過科學探究方案流程提出問題科學探究方案流程提出問題做出假設假設依據(jù)）實驗設計實施試驗結果分析交流討論胃除具有物理消化的作用外，還有化學消化的作用嗎？有斯帕蘭扎尼的實驗（巧妙排除物理消化作用的影響）胃除具有物理消化的作用外，還有化學消化的作用酶是什么？酶有什么作用？我們還得回到細胞中去探討。細胞作為一個基本的生命系統(tǒng)，要完成各種生理活動，需要不斷得輸入能量才能維持生命活動的有序性。例如細胞的主動運輸需要能量，細胞內(nèi)有機物的合成需要能量，肌細胞的收縮需要能量，對細胞來說，能量的獲得和利用都必須通過各種生化反應。據(jù)估計細胞內(nèi)每分鐘要發(fā)生數(shù)以百萬計的生化反應，我們將細胞中每時每刻都進行著的許多化學反應，統(tǒng)稱為細胞代謝，即細胞中全部有序的化學變化的總稱。在化學實驗中，為了反應能夠順利進行，我們可采取哪些措施呢？一般的方法有：加熱和加催化劑我們學過那些催化劑？他們分別催化什么反應？這些催化劑有哪些特點？答：五氧化二釩、二氧化錳、氯化鐵等等。加快反應速率，反映前后本身不發(fā)生變化。無機化學反應發(fā)生的環(huán)境條件如何？高溫、高壓、強酸或強堿等劇烈條件。在細胞內(nèi)發(fā)生的生化反應的環(huán)境條件又如何呢？常溫、常壓、pH近于中性在這樣溫和的條件下，各種生化反應能夠快速高效地進行，又需要什么條件呢？生物催化劑一一酶。這就是酶的作用。打出幻燈片推理：酶的作用一一生物體內(nèi)的催化劑如何證明呢？科學實驗我們選取一種酶生物體內(nèi)有許多種酶？選哪一種酶，催化哪一種反應效果明顯，說服力強呢？（選擇合適的實驗材料，是實驗成功的一個重要因素）。限于大家對酶的認識，我給大家介紹一種酶一一過氧化氫酶。過氧化氫是細胞在代謝過程中產(chǎn)生的一種對細胞有害的物質(zhì)，它是強氧化劑，加速細胞的衰老和死亡，必須加以清除。細胞內(nèi)的過氧化氫酶能將其及時分解成氧和水。過氧化氫我們化學學過：H2O2—H2O+O2t過氧化氫不穩(wěn)定，在常溫下可緩慢分解，加熱可加速分解，加無機催化劑氯化鐵可加速分解，那么加入生物催化劑一一過氧化氫酶也可以加速其分解。過氧化氫在不同條件（室溫、加熱90度、無機催化劑氯化鐵、生物催化劑過氧化氫酶）下的分解速率相同嗎？分解速率如何判斷？（答：觀察冒出的氣泡量）如何判斷冒出的氣體氧氣，而不是別的氣體？（氧氣助燃，可用帶火星的蚊香鑒別）如何獲得過氧化氫酶呢？新鮮肝臟中有較多的過氧化氫酶，所以用新鮮肝臟研磨液來得到過氧化氫酶。我們通過實驗來比較過氧化氫在不同條件下的分解。

我們共同來設計該實驗。提出問題做出假設（假設依據(jù)）不同實驗設計試驗原理:過氧化氫在加熱或催化劑的條件下快速分解為氧氣和水試驗目的：通過比較過氧化氫在不同條件下分解的快慢，了解過氧化氫酶的作用和意義。材料用具新配制的體積分數(shù)位3%的過氧化氫溶液質(zhì)量分數(shù)為3.5%的氯化鐵溶液新鮮的質(zhì)量分數(shù)為20%的豬肝臟研磨液量筒、試管、滴管、試管夾、衛(wèi)生香、火柴、酒精燈、試管架、大燒杯、三角架、石棉網(wǎng)、溫度計方法步驟：列表如下:試管編號1234第一步每支試管各加入2ml3%過氧化氫溶液第二步90攝氏度水浴加熱用滴管加2滴3.5%氯化鐵溶液用滴管加2滴質(zhì)量分數(shù)為20%肝臟研磨液觀察觀察氣泡冒出情況，并記錄現(xiàn)象將點燃的衛(wèi)生香放在液血上原因結論實施試驗學生動手操作，回報結果交流討論在上述試驗中我們能否這樣做？1、各試管加的雙氧水量不同，比如1號試管加2毫升，2號試管加3毫升，3號試管加4毫升。。。。。。？2、將3號試管加入催化劑的同時再加熱？將4號試管加入催化劑的同時再加熱？變量自變量因變量無關變量這4支試管除了反應條件不同外，其余的因素都相同。這就是我們在實驗時所要遵循的一條重要原理變量自變量因變量無關變量實驗過程中可以變化的因素人為改變的變量隨著自變量的變化而變化的變量除自變量以外，還可能對實驗結果造成影響的因素像這樣的實驗，除了一個因素以外，其余因素都保持不變的實驗叫做對照實驗。對照實驗一般要設置對照組和實驗組。在對照實驗中，除了要觀察的變量外，其他變量都應當始終保持相同。對照組一一1號試管試驗組一一2、3、4號試管在今后設計實驗方案中注意控制變量，掌握單一變量原則。分析反應機理討論：1、與1號試管相比，2號試管出現(xiàn)什么不同的現(xiàn)象?這一現(xiàn)象說明什么？（2號試管有氣泡產(chǎn)生，說明加熱可提高反應速率。）2、在細胞內(nèi)，能通過加熱來提高反應速率嗎？（不能，人體超過38度就是高燒。）3、3號和4號試管未經(jīng)加熱，也有大量氣泡產(chǎn)生，這說明什么？（過氧化氫在較溫和的條件下加入一定的催化劑就可以分解。）4、3號試管與4號試管相比，哪支試管中的反應速率快？（4號試管最先產(chǎn)生氣泡，并且產(chǎn)生的氣泡多。由于放出的氣泡是過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣，所以4號試管中的衛(wèi)生香燃燒得更猛烈。質(zhì)量分數(shù)為3.5%的氯化鐵溶液每滴氯化鐵溶液中的鐵離子數(shù)，大約是每滴20%的豬肝臟研磨液中過氧化氫酶分子數(shù)的25萬倍。由此可以證明，與無機催化劑三價鐵離子相比，過氧化氫酶用量少，而催化效率要高得多。也就是說，酶的催化效率具有高效性的特點。事實上，酶的催化效率是無機催化劑的107倍至1013倍。結果分析:加熱促使過氧化氫分解，是因為加熱使過氧化氫分子得到能量，從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀追纸獾幕钴S狀態(tài)。分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需要的能量稱為活化能。鐵離子和過氧化氫酶促使過氧化氫分解，但它們并未供給過氧化氫能量，為什么過氧化氫分解加快了呢？無機催化劑加快反應進行的原理是什么呢？無機催化劑加快反應進行的原理：改變反應路徑，降低反應的活化能。有人比喻：如果把化學反應比作駕車翻越一座高山，加熱加壓相當于給汽車加大油門，用催化劑則相當于幫司機找到一條穿山隧道?？磮D：PPT表1在20oC測得的過氧化氫分解的活化能條件活化能/kJ.mol沒有酶催化75用膠態(tài)鉑催化54用過氧化氫酶催化29酶可顯著降低化學反應的活化能，使反應順利進行，所以酶的作用是生物體內(nèi)的高效催化劑。小結：我們這節(jié)課用實驗驗證了：酶是生物體細胞中各種生化反應的高效催化劑。細胞中發(fā)生的各種化學反應要在常溫、常壓、水溶液環(huán)境下能快速、有序地進行的，就必需盡可能地降低化學反應的活化能，這正是新陳代謝離不開酶的原因。同時也初步了解到實驗探究中學會控制自變量，觀察和檢測因變量的變化，學會如何設置對照組和實驗組。關于酶是什么？以及酶是怎樣被發(fā)現(xiàn)的？下節(jié)課再談。課堂反饋選用新鮮肝臟來比較過氧化氫在不同的條件下分解