细胞的能量供应和利用.doc

晋江市教育科学“十一五”第二批立项课题：运用“学案导学”模式提高生物学习效率的应用研究第五章 细胞的能量供应和利用第1节 降低化学反应活化能的酶晋江市陈埭民族中学生物组 莫洪君教材分析 本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”的情景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，从而进入对酶的作用及本质的学习。关于酶在细胞代谢中的作用，教材重点安排学生做比较过氧化氢在不同条件下分解速率的实验，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效率及其生理意义。在学生获得感性知识的基础上，教材利用卡通式插图、图解和文字叙述，指出酶能够显著降低化学反应所需的活化能。结合教材实验，要求学生体会什么是自变量、因变量、无关变量以及什么是对照实验。教材这种编排有助于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，教材引导学生对有关资料进行分析，指出科学家正确的成分和不够全面、准确的地方，从而培养学生继承、创新、实事求是和大胆实践等科学精神和态度。关于酶的概念，教材要求学生在分析资料后自己进行归纳、总结和完善，旨在促进学生积极改变学习方式，主动构建知识。关于酶具有高效性，要求引导学生回忆上一节实验现象并联系自己的生活经验后得出结论。关于酶具有专一性，教材通过举实例和打大比喻得出的。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，概括出酶的作用条件较温和的结论。学生在初中阶段学习了消化酶；做了探究馒头在口腔中变化的实验。本节与生物选修1生物技术实践中专题2和专题4、选修2生物科学与社会中的第3章、与选修3现代生物科技专题中的专题5都有密切关系。三维目标 1知识方面：说明酶在细胞代谢中的作用、本质和特性。2能力方面：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。3情感态度价值观：通过阅读分析“关于酶本质的探索”的资料，认同科学是在不断地探索和争论中前进的。教学重点 1教学重点：酶的作用、本质和特性。2. 解决方法：利用学生对无机催化剂的知识基础切入，引入酶的学习。通过实验、资料分析得出酶的本质和三大特性。教学难点 1. 教学难点：酶降低化学反应活化能的原理。控制变量的科学方法。2. 解决方法：通过比较过氧化氢在不同条件下的分解实验，感悟酶作为催化剂特点和控制变量的方法。利用教材上形象、直观的图解和文学说明，让学生明确催化剂可降低化学反应的活化能。教具准备 1.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验材料和用具。2.“降低化学反应活化能的酶”的课件课时安排 本节内容需安排三个课时进行教学：第1课时 酶在细胞代谢中的作用第2课时 酶的本质第3课时 酶的特性第1课时教学过程 课前准备1.预习和准备“比较过氧化氢在不同条件下的分解实验”2.学生收集生活与生产中酶的应用实例的资料。承上启下师：同学们，我们在第四章学习了细胞对物质的输入和输出，那么，细胞作为最基本的生命系统，仅仅靠物质的输入和输出就能维持自身的各项生命活动呢？显然不行。细胞是一个开放的系统：它不仅时刻与周围的环境进行物质交换，而且时刻从周围的环境中获取能量并利用这些能量来维持自身的各项生命活动。比如，细胞的主动运输就需要能量，细胞内有机物的合成、加工、运输都需要能量。那么，细胞是怎样从外界获取并利用能量的呢？同学们请看： 屏幕显示课题：第五章 细胞的能量供应和利用 师：请大家来欣赏一幅图和小诗：先看图：在和煦的光照下，有一片绿叶，绿叶上有能以绿叶为食的蚱蜢，此外，绿叶上还画有叶绿体的亚显微结构模式图和光合作用过程的模式图解，图解突出了光合作用中ATP与ADP的相互转换。再品诗：（请学生品味，教师介绍生词）生：新叶伸向和煦（xu）的阳光，蚱蜢觊觎(jiyu)绿叶的芬芳。它们为生存而获取能量，能量在细胞里流转激荡！师：这首诗可以说明什么问题？(如果学生感觉难，就从动植物的生命活动与能量的关系以及能量的最终来源等方面提醒)生：说明了动植物的生命活动，全都离不开细胞对能量的获取与利用，而能量的最终来源则是阳光。师：那么细胞怎样从外界获得能量怎样利用能量呢？这就涉及到细胞中复杂的化学反应。细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。屏幕显示：细胞代谢的概念师：那么细胞代谢要顺利地进行，究竟需要哪些条件？我们来重温前辈的一个巧妙有趣的实验。情景创设多媒体屏幕显示：问题探讨师：同学们，在斯帕兰札尼做这个实验之前，人们普遍认为胃对食物主要是进行物理性消化，也就是说通过胃的研磨来消化食物，果真如此吗？如果你是斯帕兰札尼，如何设计一个实验来证明除了物理性消化，还有其他类型的消化方式？我们来看看前辈的实验：在这个实验中，科学家斯帕兰札尼为什么先将肉块放入金属笼内，然后让鹰把小笼子吞下去，而不是直接让鹰把肉吞下去呢？（如果学生觉得难，教师就介绍物理性消化和化学性消化）生：用小笼子把肉保护起来，就可以避免物理性的消化。师：实验中，笼内的肉块消失了，说明了什么问题？生：说明胃还存在其他的消化方式化学性消化。师：小笼子内的肉究竟是如何消失的呢？原来胃内有大量的胃液，胃液流进了笼子内将肉消化了。对于这种解释，你可以设计一个实验来证明吗？生：可以收集胃液，看看胃液在体外是否可以将肉块分解掉。师：那么，胃液中究竟是什么物质将肉块消化了呢？当时并不清楚。直到1836年，德国科学家施旺（T.Schwann，18101882）从胃液中提取出了消化蛋白质的物质（后来知道，这就是胃蛋白酶，这才解开胃的消化之谜。）同学们，肉的化学性消化其实就是一些化学反应，离不开酶的作用。那么，在细胞中，细胞代谢的实质就是许多化学反应，它们同样也离不开酶的作用，那么酶在细胞代谢中，对于化学反应究竟起到怎样的作用呢？酶的化学本质究竟是什么？酶有什么样的特性呢？这节课主要搞清楚一个问题：细胞代谢为什么离不开酶？也就是说，酶在细胞代谢中到底起到什么作用？有什么意义？屏幕显示：第1节 降低化学反应活化能的酶；本节聚焦；同时老师板书第1节 降低化学反应活化能的酶 一、酶在细胞代谢中的作用。 师生互动师：为了探究酶在细胞代谢，即细胞化学反应中所起的作用，我们先请大家回顾一下初中有关无机催化剂的化学知识：（1） 你学过哪些无机催化剂，请举例说明。（2） 还记得无机催化剂的作用和特点吗？师生一道回顾初中无机催化剂的知识，根据最近发展区理论，把学生的兴趣过渡到对酶的作用的探索。师：无机催化剂的作用是改变反应速率。那么在细胞中化学反应需要的酶和无机催化剂相了比，有什么区别和联系？下面我们一起来做一个实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解。 1. 实验比较过氧化氢在不同条件下的分解。屏幕显示：实验图解，教师对照图解，介绍实验原理、材料和实验步骤，让学生充分理解实验，为落实教学目标打下基础。师：细胞在代谢过程中会产生对细胞有害的过氧化氢，而过氧化氢酶能够将过氧化氢及时分解成水和氧。在新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶。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Fe3+ 数，大约是每滴研磨液中过氧化氢酶分子数的25万倍。细胞内的环境是一个常温常压下的状态，在这种环境下化学反应却能高效有序地发生，应该有适合的生物催化剂酶。（1）实验原理：2H2O22H2OO2 2H2O22H2OO2（2）实验步骤及现象试管号3%的过氧化氢溶液控制变量点燃的卫生香检测实验处理气泡多少12mL22 mL90左右水浴加热很少32 mL滴加3.5%FeCl3溶液2滴较多燃烧但不猛烈42 mL滴加20%肝脏研磨液2滴很多燃烧猛烈（3）讨论师：与1号试管相比，2号试管出现了什么不同的现象？这一现象说明什么？生：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。师：在细胞内，能通过加热来提高反应速率吗？生：不能。师：3号和4号试管未经加热，也有大量气泡产生，这说明什么？生：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。师：3号试管和4号试管相比，哪支试管中的反应速率快？这说明什么？为什么说酶对于细胞内化学反应的顺利进行至关重要？ 生：4号试管中的反应速率快，可以说明，与无机催化剂Fe3+ 相比，过氧化氢酶的催化效率要高出很多。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。 师：这个实验为什么要选用新鲜的肝脏？为什么要将肝脏制成研磨液？ 生：因为过氧化氢酶是蛋白质，放置久了会受到细菌的作用，使组织中的酶分子数量减少或活性降低。研磨的目的是使细胞内的过氧化氢酶充分释放出来，加大过氧化氢酶与过氧化氢的接触面积，加速分解。 师：滴入肝脏研磨液和氯化铁溶液时，可否共用一个吸管？为什么？ 生：不能。否则滴入的氯化铁溶液中应为含有少量肝脏研磨液而影响实验结果的准确性。（4）实验结论师：所谓实验结论，就是根据实验现象推理出来的，一般和实验目的相呼应。那么，根据刚才的讨论，大家可以得出哪些实验结论呢？生：（在教师引导下得出结论）由1和2号试管产生的现象对比，可以得出：加热能促使过氧化氢的分解，提高反应速率；3号与1号，4号与1号各自相比较，可以得出：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。3号和4号相比较，可以得出：说明过氧化氢酶比Fe3+的催化效率高得多。屏幕显示：酶的高效性 20%的新鲜肝脏研磨液1滴3.5%的FeCl3溶液1滴生物催化剂：过氧化氢酶所含酶的相对数量：1无机催化剂：Fe3+Fe3+的相对数量：25万2. 控制变量：讲解教材P79相关内容，让学生了解实验设计的原则。师：实验过程中可以变化的因素成为变量。其中人为改变的变量称做自变量，随着自变量的变化而变化的变量称做因变量。除自变量外，实验过程中可能还存在一些可变因素，对实验结果造成影响，这些变量称为无关变量。那么请大家思考：该实验中哪些是自变量？哪些是因变量？哪些是无关变量？请大家完成下面表格，并展示答案。生：展示答案如下表格所示。自变量因变量无关变量2号：90水浴加热3号：加入3.5% FeCl32滴4号：加入20%肝脏研磨液2滴H2O2分解速度用产生气泡的数目多少表示加入试剂的量；实验室的温度；FeCl3和肝脏研磨液的新鲜程度。师：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。上述实验中只有催化剂是改变的，其余因素，如反应物的性质和浓度都没有变化。对照实验一般要设置对照组和实验组，上述实验中的1号试管就是对照组，2号、3号和4号试管是实验组。在对照实验中，除了要观察的变量外，其他变量都应当始终保持相同。3. 对实验结论的讨论与分析：师：同学们，在上述实验中，我们得出三个结论，但是为什么会这样呢？怎样从理论上加以说明呢？比如，第一，加热为什么可以促进过氧化氢的分解呢?生：因为加热使过氧化氢分子得到能量，从常态变为容易分解的活跃状态。师：这里究竟什么是常态、活跃状态呢? 这里借助图解说明：在化学反应中，反应开始时，反应物分子的平均能量水平比较低，称为“常态”；反应物中分子获得能量后就进入“活跃状态”，这些分子称为活化分子，活化分子高出常态的能量，称为“活化能”，即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。过氧化氢分子经过加热后获得能量，进入活跃状态，分解速率加快。师：第二，Fe3+和新鲜肝脏中的过氧化氢酶为什么都能加快过氧化氢分解呢？它们也是提供给过氧化氢分子能量了吗？生：不是。它们是降低了过氧化氢分解反应的活化能。 师：（根据酶降低化学反应活化能的图解）如果把化学反应比作驾车翻越一座高山，加热加压相当于给汽车加大油门，用催化剂则相当于帮司机找到一条穿山隧道。 第三，过氧化氢酶为什么比Fe3+的催化效率高得多呢？ 生：同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。 师：（用图解说明并举例）如H2O2的分解，20无催化剂时需活化能75kJ/mol ；用铂作催化剂时，只需活化能54kJ/mol；用H2O2酶时，活化能下降到29 kJ/mol以下。（结合教材P80图讲解）这就好比跳高。 师：同学们，回到开始提出的问题：细胞代谢为什么离不开酶？也就是说，酶在细胞代谢中到底起到什么作用？有什么意义？生：正是由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和条件下快速进行。师：是的，有机物的化学反应，如果没有酶的催化作用，一般都需要在高温高压下进行，但是在细胞中，要使得有机物的化学反应顺利进行，不可能具备高温高压的条件，这就需要酶的催化作用，降低化学反应所需的活化能，保证细胞代谢在常温常压下顺利进行。教师精讲 本节关键在于比较过氧化氢在不同条件下分解的实验：1. 通过对实验过程的分析，要求大家搞清楚什么是自变量、什么是因变量和无关变量，什么是对照组和实验组，理解对照原则、单一变量原则等；2. 通过对实验中三个结论的分析，要求大家搞清楚什么是活化能，催化剂能够加快反应速率的原因，以及酶对无机催化剂催化效率高的原因，最终要求大家明白：细胞代谢之所以离不开酶的作用，是因为酶对于细胞中的化学反应能够起到催化作用，即降低化学反应所需的活化能，从而保证了细胞代谢在常温常压下顺利进行。评价反馈1. 下列关于酶是细胞代谢所必需的原因，错误的是（ ）A无机催化剂常常辅以高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件下才能有较高的催化效率；B细胞内的化学反应需要在常温、常压、PH适中等温和条件下进行；C酶的催化效率比无机催化剂高得多；D酶具有催化作用，能够降低化学反应所需的活化能。2. 下列有关对照实验设置的叙述中，错误的是（ ）A对照实验一般都要设置实验组和对照组；B在本节实验中，2号、3号和4号试管是实验组；C本节实验中，自变量包括90左右水浴加热、氯化铁溶液和肝脏研磨液；D本节实验中，无关变量就是指与实验没有任何关系的因素。3. 关于活化能，下列说法错误的是（ ）A加热通常能够使反应物分子获得足够的活化能；B是反应物分子从常态变为