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5.1 降低化学反应活化能的酶
第1课时 酶的作用和本质 教案
一、教学目标】
1.探究酶在细胞代谢中的作用和本质（重、难点）。
2.通过阅读分析“关于酶本质的探索”资料，认同科学是在不断的探索和争论中前进的。
3.进行有关的实验和探究，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。
二、教学重难点
教学重点：酶的作用、本质和特性。
教学难点：1.酶降低化学反应活化能的原理。
2.控制变量的科学方法。
三、教学过程
【新课导入】
情境导入：
细胞的生命活动离不开能量的供应和利用
问题探讨：
提问：人不吃饭行吗？食物进入人体内发生了怎样的变化？这些问题在现在来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：1773年，意大利科学家斯帕兰札尼(L.Spallanzani，1729-1799)做了一个巧妙的实验：将肉块放入小巧的金属笼内，然后让鹰把小笼子吞下去。过一段时间后，他把小笼子取出来，发现笼内的肉块消失了。
小组讨论，回答问题，得出结论
讨论：
1.为什么要将肉块放在金属笼内？
提示：排除物理性消化，确定有化学性消化。
2.是什么物质使肉块消失了？
提示：胃内的化学物质将肉块分解了。
3.怎样才能证明你的推测？将肉块分别放入胃液中含有的几种物质
提示：收集胃内的化学物质，在体外是否发挥作用。
得出结论：鸟类的胃不仅有物理性消，还有化学性消化。
【新课学习】
一 酶的作用和本质
斯帕兰札尼的实验说明，食物在胃中的消化，靠的是胃液中的某种物质。然而这种物质是什么，他始终未能得出结论。后来，科学家发现胃液中含有大量的盐酸，于是推测盐酸是使食物分解的物质。1835年，德国科学家施旺通过实验发现，胃腺分泌物中有一种物质，将它与盐酸混合后，对肉类的分解能力远远大于盐酸的单独作用，这种物质就是胃蛋白酶。
说明：常见有机化学反应的条件
剧烈条件：高温、高压、强酸、强碱
活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。
随着对细胞研究的不断深入，人们认识到，细胞的生活需要物质和能量。能量的释放、储存和利用，都必须通过化学反应来实现。细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。细胞代谢离不开酶。
细胞内外的环境：1.常温
2.常压
3.水溶液环境
4.pH接近中性
在细胞较为温和的环境中，各种生化反应如何高效有序的进行呢？
目标1：酶在细胞代谢中的作用
细胞代谢是细胞生命活动的基础，但细胞代谢中也会产生代谢废物，甚至会产生对细胞有害的物质，如过氧化氢。幸而细胞中含有另一种物质，能将过氧化氢及时分解为氧气和水，这种物质就是过氧化氢酶。下面我们就以过氧化氢在不同条件下的分解为例，探究酶的作用。
活动1：比较过氧化氢在不同条件下的分解
教师活动：布置任务——根据提供的实验材料用具，按照“探究·实践”中的方法步骤，小组成员分工协作完成“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，填写实验结果记录表，交流讨论实验结果。
学生活动：实验探索——阅读教材，按照实验方法步骤进行实验操作，记录实验结果。
提出问题：我们知道过氧化氢可以在Fe3+催化下，分解成水和氧。新鲜的动物肝脏研磨液含有过氧化氢酶。如果给你新鲜的动物肝脏研磨液、过氧化氢溶液、氯化铁溶液，以及必需的实验用具，你能否设计实验？
学生回答：小组讨论，设计实验方案。
教师活动：带领学生了解实验的实验原理、目的要求、材料用具、方法步骤。
学生活动：在老师的带领下了解实验的原理、目的要求、材料用具和方法步骤。
1.实验原理
新鲜肝脏中有较多的H2O2酶。经计算，质量分数为3.5%的FeCl3溶液和质量分数为20%的肝脏研磨液相比，每滴FeCl3溶液中的Fe3+数，大约是每滴研磨液中H2O2酶分子数的25万倍。
2.目的要求
通过比较H2O2在不同条件下分解的快慢，了解过H2O2酶的作用。
3.实验设计
（1）材料用具
新鲜的质量分数为20%的肝脏（如猪肝、鸡肝）研磨液。
量筒，试管，滴管，试管架，卫生香，火柴，酒精灯，试管夹，大烧杯，三脚架，陶土网，温度计。
新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液。
质量分数为3.5%的FeCl3溶液。
（2）实验条件
（3）判断过氧化氢被分解的快慢的指标
观察单位时间内产生气泡的多少
观察带火星的卫生香的复燃情况
（4）实验步骤
①取4支洁净的试管，分别编上序号1、2、3、4，向各试管内分别加入2ml过氧化氢溶液，按序号依次放置在试管架上。
②将2号试管放在90°C左右的水浴中加热，观察气泡冒出的情况，并与1号试管作比较。
③向3号试管内滴入2滴FeCl3溶液，向4号试管内滴入2滴肝脏研磨液，仔细观察，并记录实验结果。
④立即将点燃的卫生香分别放入3号和4号试管内液面的上方，仔细观察，并记录实验结果。
（5）实验现象：
①观察气泡冒出的情况，并做比较。
②观察卫生香的燃烧情况。
实验注意：（1）必须使用新鲜的肝脏研磨液。
新鲜：若肝脏不新鲜，肝细胞内的过氧化氢酶等有机物就会在腐生细菌的作用下分解，使组织中酶分子数量减少且活性降低。
研磨液：可加大肝细胞内过氧化氢酶与试管中过氧化氢的接触面积，从而加速过氧化氢的分解过程。
（2）滴加氯化铁溶液和肝脏研磨液不能合用同一支试管。
因为酶具有高效性，少量的酶带入氯化铁溶液中也会影响实验结果的准确性。
（3）过氧化氢有一定的腐蚀性，使用时不要让其接触皮肤。
活动1：比较过氧化氢在不同条件下的分解——实验结果与结论
（6）实验结果与结论（小组讨论，回答问题）
教师活动：引导学生观察实验结果，分析并回答问题。
学生活动：讨论并回答问题。
讨论：
讨论1. 与1号试管相比，2号试管产生的气泡多，这一现象说明了什么？
提示：加热能促进H2O2的分解，提高反应速率。
讨论2. 3、4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明什么
提示：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，它们都有催化作用。
讨论3. 3号试管Fe3＋数比4号试管H2O2酶高25万倍，但4号试管反应速率更快，这说明什么？
提示：过氧化氢酶比 Fe3+ 的催化效率高得多。
讨论4. 该实验可得出什么结论？
提示：酶具有催化作用，同无机催化剂相比，酶的催化效率更高。
教师活动：根据“过氧化氢在不同条件下的分解速率不同”的实验结果，指导分析得出结论。
学生活动：小组合作讨论“探究·实践”中的讨论题，得出实验结论，认识酶在生化反应中的作用。
结论：（1）高温可以加快过氧化氢分解；
（2）FeCl3能催化过氧化氢分解；
（3）过氧化氢酶能催化过氧化氢分解；
（4）过氧化氢酶的催化效率比FeCl3高。
酶的作用机理
加热能促进过氧化氢分解，是因为加热使过氧化氢分子得到了能量，从常态转变为容易分解的活跃状态。分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能。
与无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，催化效率更高。
酶的意义：正是由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和的条件下快速有序的进行。
活动2：酶的作用机理模型辨析
1.加热时所需活化能：_________________________（E2）
Fe3+参与时所需的活化能：______________________（E1）
有酶参与时所需活化能：_______________________（E3）
2.Fe3+降低的活化能：__________________________（E2－E1）
酶降低的活化能：_____________________________（E2－E3）
用加热的方法不能降低化学反应的活化能，但可以增加反应物分子的内能，从而增加活化分子数。
请思考：通过刚才的探究实验，同学们有没有发现生物学实验设计中特别需要注意的一些因素呢？
活动3：控制变量和设计对照实验
教师活动：结合“科学方法”的文字资料，引导学生获得自变量、因变量和无关变量的概念，分析实验中设置对照的意义，尝试设置新的对照组。
学生活动：思考并讨论，运用三种变量的概念，回顾上述实验，找出对应的变量;运用对照实验的科学方法，在原对照组基础上，尝试增加新的对照组。
1.变量及变量间的关系
变量：实验过程中的变化因素
自变量：人为控制的对实验对象进行处理的因素（加热、氯化铁和肝脏研磨液）
因变量：因自变量改变而变化的变量（H2O2的分解速率）
（观察的指标：产生气泡的数量及速率或点燃但无火焰的卫生香燃烧的猛烈程度）
两者关系：自变量是原因，因变量是结果，二者有因果关系。
无关变量：除自变量外，实验过程中存在的其他一些会对实验结果造成影响的可变因素，如实验温度、H2O2的浓度、肝脏研磨液的新鲜程度等。
额外变量：也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。额外变量对因变量有干扰作用，会造成误差。
说明：实验的关键之一是控制无关变量或减少额外变量，以减少误差。无关变量要控制 相同且适宜。
2.对照实验：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。一般要设置对照组和实验组。
设置对照的目的：排除实验中非测试因素对实验结果的影响，提高实验结果的可信度。
请思考：能够在细胞内温和环境中催化各种生化反应，酶是一种什么样的物质呢？
目标2：酶的本质
教师活动：阅读教材P79-80“关于酶本质的探索”，思考并找出巴斯德、李毕希、毕希纳、萨姆纳、切赫和奥特曼的观点各是什么？找出每一位科学家的研究背景、过程、结论及贡献，引导学生思考酶的本质的探索过程，认识酶的本质。小组讨论，结合本讲内容，得出结论：酶是活细胞（来源）产生的具有催化作用（作用）的有机物，其中绝大多数是蛋白质（本质），少数是RNA（本质）。
学生活动：资料阅读，探索酶的本质，体会几位科学家的观点之间的逻辑关系。
活动4：阅读课本79-80页，总结以下科学家的实验结论
教师活动：布置任务。
任务1.自学教材“思考·讨论”资料并将几位科学家观点之间的逻辑关系构建成联系冬。
任务2.独立思考“思考·讨论”中设置的讨论题，小组交流各自观点。
任务3.引导学生归纳概括出酶的定义。
学生活动：绘制联系图，分析巴斯德、李比希两位科学家产生争论的原因。理解此争论在研究酶的本质时所起的作用，交流学习感悟，并尝试归纳给酶下定义。
归纳：酶的本质的探索过程。
小组讨论，问题探究：
讨论：
1.巴斯德和李比希的观点各有什么积极意义？各有什么局限性？
提示：巴斯德认为发酵与活细胞有关，是合理的；认为发酵是整个细胞而不是细胞中的某些物质在起作用，是不正确的。李比希认为引起发酵的是细胞中的某些物质，是合理的；认为这些物质只有在酵母细胞死亡并裂解后才能发挥作用，是不正确的。
2.在科学发展过程中出现争论是正常的。巴斯德和李比希之间出现争论的原因是什么？这一争论对后人进一步研究酶的本质起到了什么作用？
提示：巴斯德是微生物学家，特别强调生物体或细胞的作用；李比希是化学家，倾向于从化学的角度考虑问题。他们的争论促使后人把对酶的研究目标集中在他们争论的焦点上，使科学研究更加有的放矢。
3.从毕希纳的实验可以得出什么结论？
提示：毕希纳的实验说明，酵母细胞中的某些物质能够在酵母细胞破碎后继续起催化作用，就像在活酵母细胞中一样。
4.萨姆纳历时9年才证明脲酶是蛋白质，并因此荣获诺贝尔化学奖。你认为他取得成功靠的是什么样的精神品质？
提示：萨姆纳历时9年，发扬坚持不懈、百折不挠的科学精神，用正确的科学方法，将酶提纯出来。成功属于不畏艰苦的人。
5.请给酶下一个比较完整的定义。
提示：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质。
小结：酶的概念
酶是活细胞（产生场所）产生的具有催化作用（功能）的有机物，其中绝大多数是蛋白质（化学本质），少数的酶是RNA（本质）。
活动5：归纳总结酶的相关知识
课堂小结：
四、板书设计
第1节 降低化学反应活化能的酶
第1课时 酶的作用和本质
一、酶在细胞代谢中的作用
1.实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解
2.酶的作用机理：酶通过降低化学反应的活化能来加快反应速率
3.控制变量和设计对照实验
4.活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量:
5.酶具有高效性的原因：酶降低活化能的作用比无机催化剂更显著
二、酶的本质：
1.酶的概念：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质。
2.酶的本质：绝大多数酶是蛋白质，少数是RNA

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