第1節(jié) 降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶

●從容說(shuō)
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(gè)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(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析和討論，明確在這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)比較過氧化氫在不同條下分解速率快慢的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生自己得出結(jié)論，從而切身體會(huì)到酶具有很高的催化速率，該實(shí)驗(yàn)還介紹了生物實(shí)驗(yàn)的常用方法，所以要特別注意理解掌握設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)的原則——單一變量原則（只有一個(gè)實(shí)驗(yàn)條不同，其他的實(shí)驗(yàn)條都相同），從而確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同就是有該不同的條造成的。在學(xué)生獲得感性知識(shí)的基礎(chǔ)上，教材利用卡通式插圖、圖解和字?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(huì)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(duì)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(diǎn)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，后的科學(xué)家對(duì)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(shí)事求是和大膽實(shí)踐等科學(xué)精神和態(tài)度方面，都具有重要的教育價(jià)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(dòng)建構(gòu)知識(shí)的編寫意圖。本節(jié)資料分析后面的一段短，同樣是意在結(jié)合本節(jié)的有關(guān)知識(shí)，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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及聯(lián)系自己的生活經(jīng)驗(yàn)后得出的。關(guān)于酶具有專一性，教材是通過舉實(shí)例和打比喻得出的。關(guān)于酶的第三個(gè)特性，教材設(shè)計(jì)了一個(gè)探究哪些因素影響酶活性的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在探究后得出結(jié)論。本探究的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)提供了相關(guān)的背景知識(shí)，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(gè)曲線圖，概括出酶的作用條較溫和的結(jié)論。本節(jié)的“科學(xué)•技術(shù)•社會(huì)”，通過多個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)操作能力。
2.過程與方法
（1）通過本節(jié)，讓學(xué)生進(jìn)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)和探索，學(xué)會(huì)控制自變量，觀察和檢測(cè)因變量的變化，以及設(shè)置對(duì)照組和重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
（2）通過讓學(xué)生了解酶的發(fā)現(xiàn)過程，使學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)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(shí)到生物科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生產(chǎn)、生活的關(guān)系；體會(huì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)之間相互促進(jìn)的關(guān)系，進(jìn)而體會(huì)研究生命科學(xué)價(jià)值。
（3）在實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岣叩幕�礎(chǔ)上，提高學(xué)生運(yùn)用語(yǔ)言表達(dá)的能力和分享信息、分享實(shí)驗(yàn)成果的能力。
3.情感態(tài)度與價(jià)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(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家實(shí)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(shí)驗(yàn)探究影響酶活性的條，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神和合作精神。
●重點(diǎn)
1.比較過氧化氫酶在不同條下分解速率快慢的實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)
1.酶的活化能降低的原理。
2.實(shí)驗(yàn)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。
●時(shí)安排
3時(shí)

第一時(shí) 酶的作用

●教學(xué)過程
［前準(zhǔn)備］
教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，并設(shè)計(jì)好觀察記錄表；學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)的原理并設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)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)在說(shuō)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(duì)此進(jìn)行了探索。
實(shí)驗(yàn)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(shí)間，將籠子取出，肉塊不見了。
［師生互動(dòng)］
問：（1）為何要將肉塊放在籠子中？
答：排除了胃對(duì)肉塊的物理性消化。
問：（2）對(duì)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(gè)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是怎樣的？
答：進(jìn)行分解肉的反應(yīng)是在一種極溫和的條下進(jìn)行的。
問：（4）在實(shí)驗(yàn)室中能否也能讓肉分解？能的話需要怎樣的條？
答：實(shí)驗(yàn)室也能進(jìn)行肉的分解，但是比起在生物體中說(shuō)，需要高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等劇烈的條才能進(jìn)行。
總結(jié)：對(duì)于一個(gè)生物體說(shuō)要進(jìn)行的生理活動(dòng)非常之多，構(gòu)成生物體的每一個(gè)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(gè)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？
過氧化氫在不同條下的分解
實(shí)驗(yàn)前介紹：動(dòng)植物在代謝中產(chǎn)生的過氧化氫，對(duì)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)。
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(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

試管編號(hào)1234
實(shí)驗(yàn)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(wú)較多較多很多
將點(diǎn)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(wú)機(jī)催化劑的催化作用更顯著
對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)照實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。
問：上述實(shí)驗(yàn)分成了1、2、3、4號(hào)四支試管，哪些是四支試管共同的條？?jī)蓛杀容^不同的條有幾個(gè)？
答：共同點(diǎn)：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(diǎn)：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(hào)試管沒有加任何試劑，它起的作用是什么？
答：它起的是對(duì)照的作用。
結(jié)論：進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的其他因素相同，而只有其中某一因素不同，觀察其對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)3試管和4試管只有加入的催化劑不同，那么該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果3放的氧氣少，4放出氧氣多就是因?yàn)榧尤氲?號(hào)催化劑的催化效率比加入到3號(hào)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的方法解毒？
答：不能。加熱到這樣的溫度會(huì)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(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。
問：為何酶的催化效率會(huì)比無(wú)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�；罨�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(shí)每刻進(jìn)行著。以人為例：據(jù)估計(jì)人體細(xì)胞內(nèi)每分鐘大約要發(fā)生幾百萬(wàn)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(wú)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(gè)作用是其他物質(zhì)無(wú)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(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)，是因?yàn)樾迈r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。
［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(shuō)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(fù)合物的形成及誘導(dǎo)契合假說(shuō)
酶與底物相互接近時(shí)，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(shuō)。
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(duì)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(gè)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(duì)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(jì)
第5 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
第一時(shí) 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（本P78）
1.這個(gè)實(shí)驗(yàn)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（本P78）
1.因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)每時(shí)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(duì)溫和的條下進(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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（本P79）
1.2號(hào)試管放出的氣泡多。這一現(xiàn)象說(shuō)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(shuō)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(hào)試管的反應(yīng)速率比3號(hào)試管快得多。說(shuō)明過氧化氫酶比Fe3＋的催化效率高得多。細(xì)胞內(nèi)每時(shí)每刻都在進(jìn)行著成千上萬(wàn)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(shuō)酶對(duì)于細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行至關(guān)重要。
●備資料
1.活化能
非活化分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨�分子所需吸收的能量。溫度�?duì)反應(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(dòng)力學(xué)中極重要的兩個(gè)參數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。對(duì)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(gè)分子發(fā)生反應(yīng)時(shí)必須經(jīng)過一個(gè)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(shì)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(shì)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(shuō)
（1）中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)
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＋S E－S P＋E
許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(shì)，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(shí)，會(huì)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(shí)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(diǎn)。
（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(shí)，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(gè)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(duì)底物價(jià)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)。

本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://yy-art.cn/gaoer/46415.html

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