第1节 降低化学反应活化能的酶

●从容说
该节主要介绍了酶在细胞代谢中的作用、酶的本质以及酶的3个特性。本节在学生学习过初中生物学的基础上，创设了“问题探讨”的情境——200多年前科学家斯帕兰札尼有关探究鹰消化食物原理的著名实验，引导学生分析和讨论，明确在这个实验过程中酶起了重要作用。那么酶在细胞代谢中有何作用？教材安排了实验比较过氧化氢在不同条下分解速率快慢的实验，引导学生自己得出结论，从而切身体会到酶具有很高的催化速率，该实验还介绍了生物实验的常用方法，所以要特别注意理解掌握设计对照实验的原则——单一变量原则（只有一个实验条不同，其他的实验条都相同），从而确定实验结果的不同就是有该不同的条造成的。在学生获得感性知识的基础上，教材利用卡通式插图、图解和字叙述，指出酶能够显著降低化学反应所需的活化能。这种编排有助于引导学生学会确认和控制变量，有助于培养学生的科学探究能力。
关于酶的化学本质，教材没有平铺直叙地讲述，而是引导学生对有关资料进行分析。需要指出的是，巴斯德和李比希等科学家的观点都有正确的成分，但限于各种原因又都不够全面、准确。随着科学技术的不断进步，后的科学家对酶的本质不断获得新的研究成果。教材引导学生分析这些资料，这在培养学生继承、创新、实事求是和大胆实践等科学精神和态度方面，都具有重要的教育价值。至于酶的定义，教材要求学生在分析资料后自己进行归纳、总结和完善。这体现出教材在促进学生积极改变学习方式，力求培养学生主动建构知识的编写意图。本节资料分析后面的一段短，同样是意在结合本节的有关知识，培养学生具备正确的科学精神和态度。
关于酶具有高效性，教材是引导学生回忆上一节的实验现象以及联系自己的生活经验后得出的。关于酶具有专一性，教材是通过举实例和打比喻得出的。关于酶的第三个特性，教材设计了一个探究哪些因素影响酶活性的实验，让学生在探究后得出结论。本探究的实验指导提供了相关的背景知识，目的是便于学生提出所需探究的问题。在学生探究的基础上，教材配合两个曲线图，概括出酶的作用条较温和的结论。本节的“科学•技术•社会”，通过多个侧面，体现出酶与人类生活的密切关系，从而进一步开阔学生的眼界。
●三维目标
1.知识与技能
（1）细胞代谢的概念。
（2）酶的作用和本质。
（3）酶的特性。
（4）提高学生观察、分析、判断的思维能力，提高学生的实验操作能力。
2.过程与方法
（1）通过本节，让学生进行有关的实验和探索，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验。
（2）通过让学生了解酶的发现过程，使学生体会实验在生物学研究中的作用地位；通过讨论酶在生产、生活中的应用，使学生认识到生物科学技术与社会生产、生活的关系；体会科学、技术、社会之间相互促进的关系，进而体会研究生命科学价值。
（3）在实验能力提高的基础上，提高学生运用语言表达的能力和分享信息、分享实验成果的能力。
3.情感态度与价值观
（1）通过学习生物学家研究酶的本质的过程，激励学生学习科学家实事求是的科学态度和勇于探索的科学精神。
（2）通过实验探究影响酶活性的条，培养学生的探索精神、创新精神和合作精神。
●重点
1.比较过氧化氢酶在不同条下分解速率快慢的实验，并引导学生得出结论——酶的高效催化作用（酶的作用）。
2.酶的本质。
3.酶的特性。
●教学难点
1.酶的活化能降低的原理。
2.实验中控制变量的科学方法。
●教具准备
酶活性受温度、pH影响的示意图。
●时安排
3时

第一时 酶的作用

●教学过程
［前准备］
教师准备实验器材，并设计好观察记录表；学生预习实验，掌握实验的原理并设计好实验的过程。
［情境创设］
人不吃饭行吗？食物进入人体内发生了怎样的变化？这些问题在现在说都已经十分清楚了。这些变化过程在其他生物中有没有呢？早在二百多年前科学家就对此进行了探索。
实验介绍：1783年意大利科学家斯帕兰札尼将肉块放在小巧的金属笼中，然后让鹰吞下，过了一段时间，将笼子取出，肉块不见了。
［师生互动］
问：（1）为何要将肉块放在笼子中？
答：排除了胃对肉块的物理性消化。
问：（2）对肉起消化作用的是什么物质？
答：一定是某些物质进入到金属笼中，使肉分解。现在已经知道这个能让肉分解的物质就是——酶。
问：（3）进行肉类消化的过程的条是怎样的？
答：进行分解肉的反应是在一种极温和的条下进行的。
问：（4）在实验室中能否也能让肉分解？能的话需要怎样的条？
答：实验室也能进行肉的分解，但是比起在生物体中说，需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈的条才能进行。
总结：对于一个生物体说要进行的生理活动非常之多，构成生物体的每一个细胞内的物质需要不断地合成与分解，不断地处于自我更新的状态，而这种自我更新的过程完全依赖于细胞内发生的生物化学反应，每一个化学反应都伴随着能量的变化。细胞中全部有序的化学变化的总称就叫细胞代谢。
细胞生存的条是很温和的，那么细胞内数量如此巨大的生物化学反应如何在常温、常压、水溶液环境、pH接近中性的条下，迅速高效地进行呢？在化学反应中有没有提高化学反应的方法呢？
过氧化氢在不同条下的分解
实验前介绍：动植物在代谢中产生的过氧化氢，对机体是有毒的。机体通过过氧化氢酶，催化过氧化氢迅速分解成水和氧气而解毒。铁离子也可催化这一反应。
2H2O2 H2O＋O2
问：如何获得过氧化氢酶？
答：新鲜肝脏中含有较多的过氧化氢酶，所以新鲜肝脏研磨液含有较多的过氧化氢酶。
按以下实验步骤进行实验：

试管编号1234
实验原理过氧化氢在高温或Fe3＋或过氧化氢酶的作用下都可分解成水和氧气
第一步每支试管各加入2 mL 3%的H2O2溶液
第二步90 ℃热水浴用滴管加2滴
3.5%FeCl3溶液用滴管加2滴质量分数为20%肝脏研磨液
观 察观察气泡冒出情况，并记录
现象无较多较多很多
将点燃的卫生香
放在液面上没变化火头变亮火头变亮复燃
原 因没有生
成氧气生成了少量氧气生成了少量氧气生成了大量氧气
结 论酶的催化效率比无机催化剂的催化作用更显著
对上述实验进行分析，对照实验的特点。
问：上述实验分成了1、2、3、4号四支试管，哪些是四支试管共同的条？两两比较不同的条有几个？
答：共同点：都在试管中加入2 mL H2O2溶液，都在相同的压力下进行。
不同点：1和2：只有温度不同；1和3：3多了2滴FeCl3溶液；1和4：4多了2滴肝脏研磨液；3和4：加入的催化剂不同。
问：1号试管没有加任何试剂，它起的作用是什么？
答：它起的是对照的作用。
结论：进行该实验的其他因素相同，而只有其中某一因素不同，观察其对实验结果的影响。如果结果不同，那么影响该结果的就是这一不同的因素。在上述实验3试管和4试管只有加入的催化剂不同，那么该实验的结果3放的氧气少，4放出氧气多就是因为加入到4号催化剂的催化效率比加入到3号的高。即酶具有高效性。
问：2和4试管现象基本相同，能否在生物体中也利用2的方法解毒？
答：不能。加热到这样的温度会造成生物的细胞死亡。
问：能否用同一滴管给3和4试管加FeCl3溶液和肝脏研磨液？
答：不能。共用滴管会让肝脏研磨液（或FeCl3溶液）残留在滴管内，难以判断出过氧化氢的分解是哪种滴加液的作用，影响实验结果的准确。
问：为何酶的催化效率会比无机催化剂更高呢？
答：酶降低了活化能。活化能就是分子从常态转化变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。活化能越大，反应就越不容易进行，反之就容易进行。
［教师精讲］
在生物体中，生物体内的化学反应每时每刻进行着。以人为例：据估计人体细胞内每分钟大约要发生几百万次的化学反应，这么多的化学反应能在人体中顺利而迅速地完成，完全是靠酶的催化作用。它和无机催化剂相比，具有更高的催化效率。
酶在细胞内的物质变化过程中起着重要作用，这个作用是其他物质无法代替的。它降低了化学反应中的活化能，而自身却没有发生变化，所以是一种催化剂。它是细胞内产生的，所以它也是细胞中具有高效催化效率的生物催化剂。它的作用就是降低活化能。
［评价反馈］
1.选用新鲜肝脏比较过氧化氢在不同的条下分解的实验，是因为新鲜的肝脏中
A.含Fe离子多
B.含酶的种类多
C.温度高
D.过氧化氢酶多且活性高
2.在医院常用双氧水作为身体出现小伤口的消毒用药，能观察到什么现象吗？试解释该现象。
参考答案：
1.D 2.能看到伤口有气泡产生。原因是人体细胞中产生的酶将双氧水分解成了水和 氧气。
［堂小结］

［布置作业］
1.查资料：催化剂之所以能加快化学反应，它的作用原理是什么？
2.预习P81的资料分析，说出酶的研究过程。从这些过程中你得到了什么启示？
［后拓展］
1.酶—底物复合物的形成及诱导契合假说
酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程为酶－底物结合的诱导契合假说。
2.酶促反应的机制
（1）邻近效应与定向排列：两种或数种底物分子在酶活性中心聚集、特异结合，使活性中心的底物浓度增加；底物受催化攻击部位对准活性中心的催化基团，可增加催化效率。
（2）多元催化：一种酶常兼有酸、碱双重催化作用，发生多个功能基团的协同作用，提高酶的催化效率。
（3）表面效应：酶的活性中心提供的疏水环境可排除水分子对各功能基团的干扰性吸引或排斥，防止底物与酶之间形成水化膜，利于酶与底物结合。
●板书设计
第5 细胞的能量供应和利用
第1节 降低化学反应活化能的酶
第一时 酶的作用
细胞代谢：细胞内全部的化学反应。
酶的作用：降低活化能更显著，催化效率更高。
●习题详解
一、问题探讨（本P78）
1.这个实验要解决的问题是：鸟类的胃是否只有物理性消化，没有化学性消化。
2.是胃内的化学物质——酶将肉块分解了。
3.收集胃内的化学物质，将肉块放入这些物质中，看看这些物质在体外是否也能将肉块分解。
二、本节聚焦（本P78）
1.因为细胞内每时每刻都进行着大量的生化反应，而这些反应都需要在相对温和的条下进行，只有酶才能满足这样的要求。
2.绝大多数酶都是蛋白质，它是活细胞产生的具有催化作用的有机物。
3.通过实验进行研究。其中有重要贡献的科学家有巴斯德、李比希、毕希那、切赫等。
三、实验（本P79）
1.2号试管放出的气泡多。这一现象说明加热能促进过氧化氢的分解，提高反应速率。
2.不能。
3.说明FeCl3中的Fe3＋和新鲜肝脏中的过氧化氢酶都能加快过氧化氢分解的速率。
4.4号试管的反应速率比3号试管快得多。说明过氧化氢酶比Fe3＋的催化效率高得多。细胞内每时每刻都在进行着成千上万种化学反应，这些化学反应需要在常温、常压下高效率地进行，只有酶能够满足这样的要求，所以说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要。
●备资料
1.活化能
非活化分子转变为活化分子所需吸收的能量。温度对反应速率有显著影响。在多数情况下，其定量规律可由阿伦尼乌斯公式描述：
κ=Ae－E/RT（1）
式中κ为反应的速率系（常）数；E和A分别称为活化能和指前因子，是化学动力学中极重要的两个参数；R为摩尔气体常数；T为热力学温度。对于更为复杂的描述κ与T的关系式中，活化能E定义为：
E=RT2（dlnκ/dT）（2）
在元反应中，并不是反应物分子的每一次碰撞都能发生反应。S.A.阿伦尼乌斯认为，只有“活化分子”之间的碰撞才能发生反应，而活化分子的平均能量与反应物分子平均能量的差值即为活化能。近代反应速率理论进一步指出，两个分子发生反应时必须经过一个过渡态——活化络合物，过渡态具有比反应物分子和产物分子都要高的势能，互撞的反应物分子必须具有较高的能量足以克服反应势能垒，才能形成过渡态而发生反应，此即活化能的本质。
2.降低反应的活化能（activation energy）原理的假说
（1）中间产物学说
在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。
E＋S E－S P＋E
许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。电子显微镜的观察结果、X射线晶体结构分析、酶与底物反应前后光谱特性分析、酶的溶解度变化、酶与底物的共沉降，获得E－S复合物结晶都可证明中间产物的存在。
（2）邻近效应（proximity effect）和定向效应（orientation effect）
邻近效应在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应。
定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点。
（3）酶使底物分子中的敏感键发生变形（distortion）
酶－底物复合物形成时，酶分子构象发生变化，底物分子也常常受到酶的作用而发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变形，从而使底物分子某些键的键能减弱，产生键扭曲，有助于过度态的中间产物形成,从而降低了反应的活化能。
（4）多功能催化作用
酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。

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