高中生物教学设计与反思新陈代谢与酶

-1-高中生物教学设计与反思新陈代谢与酶【学习目标】1．知道酶的发现过程。2．理解酶的性质(主要是高效性、专一性、酶需要适宜条件的特性)。3．用实验探究酶的高效性、酶的专一性。【学习障碍】1．理解障碍(1)如何理解酶与新陈代谢的关系？(2)如何理解酶的高效性、专一性等特性？(3)如何理解影响酶催化作用的因素？2．解题障碍(1)用酶的作用特性去解释和说明一些生物学现象。(2)解影响酶的催化作用因素的图表题。(3)解有关的实验设计题。【学习策略】1．理解障碍的突破(1)用“结构与功能相统一”等观点理解新陈代谢与酶的关系。生命系统既是一个需要维持稳态的系统，又是一个瞬时就会发生一系列合成、分解的运动着的系统，这是一个矛盾的统一体。新陈代谢中的各种化学反应是在温度、酸碱度等相对稳定的条件下进行的，这些化学反应不能在高温、高压、强酸、强碱等条件下进行，可是又要迅速、高效地进行反应，怎样实现生命系统的这种功能？因此就必须有一种结构或物质存在，来行使其功能。这就是生物催化剂——酶。生物体内的物质代谢过程是极其复杂的，如人体从外界摄取的营养物质经过变化成为人体自身的组成物质，组成物质又经过氧化分解成为代谢的最终产物而排出体外，这些过程中包含着许许多多的生物化学反应。据估计，人体细胞内发生化学反应的频率约为几百万次/min。这么多的化学反应之所以能够在平常的温度、压力下迅速顺利地完成，完全是依靠酶的催化作用。正因为这样，生物体自我更新的速度是很快的。拿人体来说，体内血液中的红细胞更新的速度通常为200万/s以上，大约60d左右全部红细胞要更新一半；肝脏和血浆中的蛋白质，大约10d左右要更新一半；皮肤、肌肉等组织中的蛋白质，大约150d左右要更新一半。人在一生(按60年计算)中与外界环境交换各种物质的数量，大约水为50000kg，糖类为10000kg，脂质为1000kg，蛋白质为1600kg。物质交换的总重量大约相当于人体重量的1200倍，而实际上现在人类的寿命已经大大超过60岁了。所有这些复杂的代谢活动，只有在酶的参与下才能在常温、常压的条件下迅速有序地进行。因此生物体的新陈代谢过程，实际上是由一系列酶所催化的化学反应所组成的反应网络，这就是功能与结构的和谐统一。(2)用“迁移法”来帮助理解酶的特性。酶是生物催化剂，因而它既有与一般催化剂相同的性质，也有与一般催化剂不同的特点。酶和一般催化剂的共同点是：第一，酶在催化反应加快进行时，在反应前后酶本身没有数量和性质上的改变，因而很少量的酶就可催化大量的物质发生反应。第二，酶只能催化热力学上允许进行的反应，而不能使本来不能进行的反应发生。第三，酶只能使反应加快达到平衡，而不能改变达到平衡时，反应物和产物的浓度。因此，酶既能加快正反应进行，也能加快逆反应进行。酶促反应究竟朝哪个方向进行，取决于反应物和产物的浓度。酶与一般的催化剂相比又有其特点，最突出的是它的高效性和专一性。生物化学理论的迁移A．用“酶的中间产物学说”来理解酶的高效性酶具有强大的催化能力，酶的催化能力远远超过化学催化剂。例如，碳酸酐酶能够催化下面的反应：碳酸酐酶是目前已经知道的催化反应速度最快的酶之一。每个碳酸酐酶分子催化CO2水合作用形成相同数量的H2CO3的速度通常为6×105个/s。碳酸酐酶催化上述反应的速度比非酶催化的上述反应速度快107倍。如果没有这种酶，CO2从组织到血液，然后再通过肺泡呼出体外的过程只能以极其缓慢的速度进行，远远不能满足生物体生存的需要。酶具有这样强大的催化能力，可以用酶的中间产物学说来解释：酶在催化某一底物(被酶催化的物质)时，先与底物结合成一种不稳定的中间产物，这种中间产物极为活泼，很容易发生化学反应而变成反应物，并且放出酶。按照中间产物学说，酶促反应(需酶催化的反应)可以写成下式：-2-B．用“酶的诱导契合学说”来理解酶的专一性：酶具有高度的专一性，这就是说，一种酶只能作用于一种底物，或一类分子结构相似的底物，促使底物进行一定的化学反应，产生一定的反应产物。酶的这种高度的专一性，可以用“诱导契合学说”来解释：酶对于它所作用的底物有着严格的选择，酶和底物结合时，酶并不是事先就以一种与底物互补的形状存在，而是在受到诱导之后才形成互补的形状。这种方式如同一只手伸进手套之后才诱导手套的形状发生变化一样。底物一旦结合上去，就能诱导酶蛋白的空间结构发生相应的变化，从而使酶和底物契合而形成酶—底物络合物，这就是科学家们普遍支持的“诱导契合学说”(见下图)。底物的结构和酶的活动中心的结构的这种互补形状，使酶只能与对应的化合物契合，从而排斥了那些形状、大小不适合的化合物，这就是酶作用的专一性。用来说明酶专一性催化作用的基本原理的学说还有“锁和钥匙学说”，见本节教材复习题二图示，在此不再赘述。(3)用“内外因法”来理解酶的催化作用受温度、pH影响的机理。唯物辩证法认为外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用。用此方法可以找出事物变化的根本原因。酶起催化作用所需条件虽然不象一般催化剂那样苛刻，如要求高温、高压，但它还是需要一些特定的环境条件的。这些条件就是影响酶催化作用的外因，主要是温度与pH；影响酶催化作用的内因是由酶本身的性质——蛋白质所决定的。我们主要研究其外因。①温度：酶的催化效率又称酶的活性或活力。酶促反应与普通的化学反应一样，一般说来，环境温度升高，酶的活性随之提高，但不是无止境的。随着温度升高，酶的稳定性也越来越低，表现为酶的活性急速丧失。某种酶在某一温度下能表现出最大的活性，这个温度称为该种酶的最适温度。就大多数酶来讲，最适温度在40℃左右，温度继续升高，酶的活性会显著下降，以致完全丧失催化能力。这是因为酶是一种蛋白质，蛋白质加温到70℃~90℃就会变性沉淀，如鸡蛋清在开水里一煮就凝固成白色固体一样。各种酶能忍受高温的限度不同，绝大多数酶在60℃～70℃的溶液中即受到很大破坏。酶的活性随温度变化的示意图如下图。②酸碱度(pH)：酸碱度对酶的催化作用有很大影响，主要体现在两个方面：一是同一种酶在不同的pH下活性不同，如上图。二是各种酶的最适pH不同，过酸或过碱都会降低酶的活性。例如胃蛋白酶在酸性(pH1．5)环境下活性最高，胰蛋白酶在微碱性(pH8)环境下活性最高，大部分酶在中性环境下活性最高。[例1]在酶法生产葡萄糖时，pH先调到6，后调到4．5。这是因为最初以一种淀粉酶溶液为原料时，该酶的____________，继后以糖化酶继续作用，该酶的____________之故。解析：用“内外因法”解。各种酶的最适pH不同，据题意，催化淀粉最终水解成葡萄糖最先需要淀粉酶后需要糖化酶，pH先调到6，后调到4．5，可见这分别是两种酶的最适pH。答案：最适pH为6最适pH为4．52．解题障碍的突破(1)用“系统化”和“具体化(对号入座)法”来解有关酶的特性的问题。按系统化方法将酶的知识形成知识网络如下图。-3-具体化(对号入座)是把理论知识用于具体、个别场合的思维方法。在生物学学习中，适用具体化的方式主要有两种：一是用所学知识应用于生活和生产实践，分析和解释一些生命现象；二是用一些生活中的具体事例来说明生物学理论知识。[例2]能够促使唾液淀粉酶水解的酶是A．淀粉酶B．分解酶C．水解酶D．蛋白酶解析：用“系统化”和“具体化(对号入座)法”解。题目告诉我们这主要是考查酶的功能特性，根据我们已建立的上述知识网络将问题对号入座，很明显题目具体是考查酶的专一性的特点，淀粉酶只能使淀粉水解成麦芽糖；分解酶是具有分解作用的所有酶的总称；水解酶是催化有机物与水作用形成各类分解产物的酶，包括淀粉酶、蛋白酶等；蛋白酶是只能水解蛋白质的酶。唾液淀粉酶的化学本质是蛋白质，由于酶的催化作用具有专一性的特点。因此，促使其水解的酶只有蛋白酶。答案：D[例3]新采摘的玉米果穗具有甜味，但放一段时间后甜味便降低，如果采摘后放在沸水中浸泡一段时间后再保存，甜味会保留较长一段时间，请回答：(1)放一段时间后甜味降低的原因是___________________________。(2)沸水浸泡一段时间后再保存，甜味可保留较长时间的原因是_________________。(3)通过上述实验可以证明_______________________________________。解析：用“系统化”和“具体化(对号入座)法”解。玉米的甜味是由某些单糖引起的，放一段时间后甜味便降低，显然是单糖减少的缘故；如果采摘后放在沸水中浸泡一段时间后再保存，甜味会保留较长一段时间，即单糖减少的速度明显减慢，单糖这种变化与温度有关，综合分析，不难看出这是酶的作用。答案：(1)在酶的作用下，单糖分解或转变成淀粉(2)高温使酶失活，抑制了单糖的分解或淀粉的合成(3)酶的催化作用受到温度的影响，高温可使酶失活(2)先用“图文转换法”，再用“层析综合法”来解图表类问题。在解图表类问题时，先进行图文信息转换，再对其分析。具体分析时，用“层析法”来找出变量间的因果关系。[例4]下图表示温度对酶的催化效率的影响曲线。请据图回答：(1)曲线中的AB段表明__________________________________________________。-4-(2)曲线中的B点表示___________________________________________________。(3)曲线中的BC段表明__________________________________________________。(4)曲线总体说明_______________________________________________________。解析：用“图文转换法”、再用“层析综合法”来解。本题首先必须看懂曲线图中两个变量—温度与催化效率之间的因果关系。然后可以将此图层析为三段：在AB段，曲线向上，说明随着温度的上升，催化效率加快，说明酶的活性随温度的上升而上升；曲线最高点B，就是酶的最适温度；BC段，曲线下降，说明酶的活性随温度的上升而下降，温度过高，酶的活性受到抑制。最后，综合整个图上的信息，说明酶的催化效率受温度的影响。答案：(1)在一定的温度范围内，酶的催化效率随温度的升高而升高(2)酶作用的最适温度(3)如果温度在达到酶作用的最适温度后继续升高，酶的催化效率就会下降(4)酶的催化效率受温度的影响(3)用“求异思维法”来解实验及设计实验的问题。所谓“求异思维法”(或称差异思维法)是从两个场合的差异中寻求原因的方法。为了应用“求异思维法”来找出现象的原因，必须有两个场合，即所研究的现象出现的正面场合和所研究现象不出现的反面场合。在这两个场合中，其他情况都相同，只有一个情况在正面场合中出现，而在反面场合中不出现，那么，这个情况就是被研究现象的原因或部分原因。这种思维方法在生物学实验中的具体体现主要就是单因子变量及对照实验的原则。解这类题一定要在实验操作的基础上去充分体会实验的原理及方法，由感性认识上升到理性认识。也可用“求异思维法”来找出变量间的因果关系，从而掌握实验及设计实验的方法。[例5]在编号为1～4的4支试管内各注入10mL3%过氧化氢溶液，1号试管作为对照，在2号试管内迅速放入新鲜猪肝1～2小块，3号试管内放入一枚锈铁钉，4号试管内放入煮熟猪肝1～2小块，根据实验现象回答下列问题：(1)立即出现大量气泡的试管为______________号，这种气泡是什么气?_________。产生大量气泡的原因是______________________________________。(2)4号试管内有什么变化?____________。理由是________________________。(3)2号和3号试管内都能产生气体，就产生气体的速度和数量不同，说明原因。_________________________________________________________________。解析：用“求异思维法”解。此题的设计就是本着求异法的逻辑原理将课本中的实验