新陳代謝與酶
教學(xué)目標
知識方面
1、使學(xué)生理解新陳代謝的概念及其本質(zhì)
2、使學(xué)生了解酶的發(fā)現(xiàn)過程；初步理解酶的概念、酶的特性、影響酶活性的因素
3、使學(xué)生理解酶在生物新陳代謝中的作用
能力方面
在引導(dǎo)學(xué)生分析生物新陳代謝概念，探究酶的特性，探究影響酶活性因素的過程中，初步訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力，分析實驗現(xiàn)象能力及設(shè)計實驗的能力，。
情感、態(tài)度、價值觀方面
通過讓學(xué)生了解酶的發(fā)現(xiàn)過程，使學(xué)生體會實驗在生物學(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)生認識到生物科學(xué)技術(shù)與社會生產(chǎn)、生活的關(guān)系；體會科學(xué)、技術(shù)、社會之間相互促進的關(guān)系，進而體會研究生命科學(xué)價值的教育。
教學(xué)建議
教材分析
1、酶的發(fā)現(xiàn)
教材簡單介紹酶的發(fā)現(xiàn)歷史，從1783年意大利科學(xué)家斯巴蘭讓尼設(shè)計的巧妙實驗到20世紀80年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)少數(shù)的酶是RNA，使學(xué)生對酶的研究歷史中的一些重大發(fā)現(xiàn)有了一個大致了解。
2、酶的特性
酶的特性主要是通過安排了有關(guān)的學(xué)生實驗，讓學(xué)生通過實驗，發(fā)現(xiàn)酶的三個特性，這樣的編排方式符合學(xué)生由感性到理性的認知規(guī)律，有利于引導(dǎo)學(xué)生主動參與教學(xué)過程 ，并且有利于培養(yǎng)學(xué)生的多種能力。酶的高效性特點，是通過比較《實驗五、肝臟內(nèi)的過氧化氫酶比無機催化劑的催化效率》切入；酶的專一性的特點，是通過比較《實驗六、探索淀粉酶對淀粉和蔗糖水解的作用》切入；
3、影響酶活性的因素
本節(jié)教材主要講述酶的催化作用需要適宜的條件，通過《實驗七、探索影響淀粉酶活性的條件（選做）》切入。
本節(jié)內(nèi)容的最后，安排了課外讀“造福人類的酶工程”，以開闊學(xué)生的視野，同時又有助于加強學(xué)生對本節(jié)基礎(chǔ)知識的理解，使學(xué)生體會科學(xué)、技術(shù)在改變?nèi)祟惿钯|(zhì)量中的作用。
教法建議
1、使學(xué)生在理解細胞水平上的新陳代謝概念及其本質(zhì)是本節(jié)的重點與難點
新陳代謝是活細胞中全部有序的化學(xué)變化的總稱，這是在細胞水平上對新陳代謝的描述。其實學(xué)生已不是第一次接觸新陳代謝的概念，在初中生物課和高中生物課緒論中，學(xué)習(xí)已接觸到諸如同化作用、異化作用及其關(guān)系等與新陳代謝有關(guān)的知識，但那是在生物個體水平對新陳代謝下的定義。本章的新陳代謝內(nèi)容是對以往知識的深化和展開，教學(xué)教師要有意識地從細胞和分子水平引導(dǎo)學(xué)生分析出生物體是如何自我更新的，合成與分解是如何進行的，及其二者的關(guān)系，從而使學(xué)生更深刻地理解什么是生命。
例如，為使學(xué)生理解"新陳代謝是活細胞中全部化學(xué)反應(yīng)的總稱"這句話，教師可結(jié)合前一章細胞的物質(zhì)基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的相關(guān)知識，引導(dǎo)學(xué)生分析活細胞中發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)，如發(fā)生在線粒體內(nèi)的糖的氧化放能的化學(xué)過程；發(fā)生在葉綠體中的水和二氧化碳合成為有機物的化學(xué)過程；發(fā)生在核糖體上的氨基酸縮合成多肽鏈的化學(xué)過程等，使學(xué)生對"新陳代謝是活細胞中全部化學(xué)反應(yīng)的總稱"這句話有一個感性認識。
2、使學(xué)生理解酶的概念是本節(jié)的重點。在本節(jié)教學(xué)中如何組織學(xué)生完成酶具有專一性的實驗并實施有效的討論是本節(jié)的難點。
生命體隨時隨刻發(fā)生著數(shù)量巨大的生物化學(xué)反應(yīng)，同時又是一個穩(wěn)定的，開放的系統(tǒng)。細胞中發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)不可能在高溫、高壓、強酸、強堿等條件下進行，而必須在常溫、常壓、水溶液環(huán)境下能快速、有序地進行的，這就要盡可能地降低化學(xué)反應(yīng)能閾，這是新陳代謝為什么離不開生物催化劑，即酶的原因。
酶的概念和酶的發(fā)現(xiàn)可結(jié)合一起在讓學(xué)生討論，這樣可讓學(xué)生充分體會生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗對科學(xué)發(fā)展的促進作用。酶的特性這部分內(nèi)容，可先組織學(xué)生依次完成實驗，然后再由學(xué)生來討論和總結(jié)。
在引導(dǎo)學(xué)生分析酶的特性時，引導(dǎo)學(xué)生與蛋白質(zhì)的多樣性聯(lián)系起來，可使學(xué)生易于理解酶的催化作用的專一注必定意味著酶的多樣性，而且蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的多樣性和酶的專一性催化關(guān)系密切。
3、使學(xué)生理解酶具有高效性、專一性和需要適宜條件是本節(jié)的重點，如何組織學(xué)生完成影響酶活性因素的選做實驗并分析、討論實驗是本節(jié)教學(xué)的難點。
在組織學(xué)生操作、分析、討論《實驗七、探索影響淀粉酶活性的條件（選做）》基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生分析兩個坐標曲線圖，讓學(xué)生概括酶的催化作用需要適宜的溫度和pH。
【課題】 第一節(jié)
【教學(xué)重點】新陳代謝的概念及其本質(zhì)的概念、酶的特性、影響酶活性的因素、酶在生物新陳代謝中的作用
【教學(xué)難點 】新陳代謝的概念及其本質(zhì)的概念、酶在生物新陳代謝中的作用
【課時安排】1課時
【教學(xué)手段】板圖、多媒體課件、實驗
【教學(xué)過程 】
1、引入新陳代謝的概念及本質(zhì)
（1）學(xué)生在初中生物學(xué)課本、高中緒論課的學(xué)習(xí)或通過各種媒體的介紹，對新陳代謝已經(jīng)有了一定的認識，首先，教師應(yīng)了解學(xué)生對新陳代謝是如何理解的。為此教師可設(shè)計一些問題，引導(dǎo)學(xué)生以自身為例，剖析生命是如何維持的，以此引入本節(jié)的學(xué)習(xí)，如：
①人體的腦細胞是通過什么途徑獲得營養(yǎng)？腦細胞中產(chǎn)生的代謝廢物又是通過什么途徑排出體外的？
②進入腦細胞的營養(yǎng)物質(zhì)是如何被利用的？
③學(xué)生如何理解同化作用、異化作用，物質(zhì)代謝、能量代謝，它們之間有何關(guān)系？
④想一想，人體的身體有哪些系統(tǒng)參與了新陳代謝過程，各是如何參與的等等？
（2）學(xué)生一般只能從生物個體、器官或系統(tǒng)水平上，說明生物體與外界環(huán)境之間進行物質(zhì)和能量的交換，在此基礎(chǔ)上，教師應(yīng)把討論引向微觀水平，即細胞和分子水平的代謝過程。如可以設(shè)問：
①你吃下的肉類蛋白質(zhì)，通過什么途徑轉(zhuǎn)化成為你自身的蛋白質(zhì)？
②你吃下的淀粉類食物，通過什么途徑為你提供能量？等等
通過分析、討論，使學(xué)生理解：細胞的結(jié)構(gòu)和生命活動的維持，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胞內(nèi)發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，從而在細胞水平理解新陳代謝的本質(zhì)，即“新陳代謝是活細胞中全部有序的化學(xué)變化的總稱”。
2、酶的概念、特性及其生理功能
在學(xué)生理解新陳代謝的本質(zhì)后，可以利用學(xué)生已有的化學(xué)知識，分析出無機化學(xué)反應(yīng)過程中所需的條件一般是很激烈的，再讓學(xué)生分析出生物體細胞生存的條件是很溫和的，可以提問，如：
（1）細胞生存的條件是很溫和的，那么細胞內(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接近中性的條件下，迅速高效的進行呢？
（2）在化學(xué)反應(yīng)中有沒有提高化學(xué)反應(yīng)的方法呢？
這樣可順利地引出活細胞產(chǎn)生的生物催化劑，即酶。
3、酶的發(fā)現(xiàn)史
這部分的教學(xué)，教師可讓學(xué)生自己閱讀，也可發(fā)給學(xué)生相應(yīng)的補充資料，尤其是某種酶的研究過程方面的資料，目的是讓學(xué)生對酶的研究過程、方法有一個較為全面的了解，讓學(xué)生切身體會到生物學(xué)的實驗研究對生物學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要作用。
學(xué)生閱讀后，可提問：酶都是蛋白質(zhì)嗎？并做一定的說明。
酶是活細胞所產(chǎn)生的具有催化能力的一類特殊的蛋白質(zhì)。酶是細胞中促進化學(xué)反應(yīng)速度的催化劑�，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的酶約有3000種以上。它們分別存在于各種細胞中，催化細胞生長代謝過程中各種不同的化學(xué)反應(yīng)，使生物化學(xué)反應(yīng)在常溫、常壓、水溶液等溫和的條件下就可順利進行。
很多年來，人們一直認為所有的酶都是蛋白質(zhì)。然而生物學(xué)家的實驗證明：RNA也可以是高活性的酶。早在1982年，T.Ceeh發(fā)現(xiàn)原生動物四膜蟲的26S rRNA前體在沒有蛋白質(zhì)的情況下進行內(nèi)含子的自我拼接，最終形成L19RNA。當時因為只是了解它有這種自我催化的活性，沒有把它與酶等同看待。
1983年Atman和Pace分別報導(dǎo)了在RNA前體加工過程起催化作用的酶是由20%蛋白質(zhì)和80%RNA組成的。如果除去蛋白質(zhì)部分，并提高鎂離子的濃度，則留下的RNA具有與全酶相同的催化活性，這是說明RNA具有酶活性的第一例證。
“酶不都是蛋白質(zhì)”，這一科學(xué)事實再一次有力地證明了實驗在科學(xué)發(fā)展中所起到的舉足輕重的作用，同時也讓我們看到，科學(xué)是發(fā)展的，探索是無止境的，而真理是相對的，現(xiàn)在的科學(xué)事實可能在今后會被修正，甚至推翻。
另外，酶、激素、維生素之間的區(qū)別值得一提，學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中容易把這些物質(zhì)和它們的作用搞混�？删透咧猩飳W(xué)水平做一簡單比較：
酶 | 激素 | 維生素 | |
從化學(xué)本質(zhì)上看 | 蛋白質(zhì) | 蛋白質(zhì)（如生長素、胰島素等）、固醇類脂類物質(zhì)（如性激素） | 多種多樣，一般為小分子有機物。 如維生素D是固醇類物質(zhì)；維生素A是脂類物質(zhì)（萜類）；維生素C是抗壞血酸（葡萄糖的衍生物）等等。 |
從生理功能看 | 可提高生物體生物化學(xué)反應(yīng)的速度，是一種生物催化劑。 | 激素又稱“化學(xué)信使”，是特定細胞合成的，能使生物體發(fā)生一定反應(yīng)的有機分子。它的作用力很強，很低的濃度就能引起很強的反應(yīng)，但在細胞中不能積累，很快就會被破壞。 | 維生素常常與酶結(jié)合，是較復(fù)雜酶的組成成分之一。天然食物中含量極少，但這些極微小的量對人體的生長和健康是必需的，人體一般不能合成它們或合成量不足，必須從食物中攝取。 |
可把酶的發(fā)現(xiàn)史與酶的特性這兩部分教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來，這樣可使學(xué)生用實驗方法探索酶的特性順理成章。
4、酶的特性
在進行酶的特性教學(xué)時，教師可提問：
酶作為生物催化劑，與無機催化劑相比，有何特點?
為解決這個問題，教師可演示有關(guān)實驗，也可安排相應(yīng)的學(xué)生實驗，引導(dǎo)學(xué)生通過對實驗現(xiàn)象的觀察，分析得出結(jié)論，即酶的高效性、專一性與多樣性特性。
（1）酶的高效特性實驗，實驗前有必要簡單介紹兩項內(nèi)容：
一是過氧化氫這種物質(zhì)，它是動植物在代謝中產(chǎn)生的，對機體有毒害作用。生物體可通過過氧化氫酶，催化過氧化氫迅速分解成水和氧氣而解毒。無機催化劑三價鐵離子也可催化這一反應(yīng)；二是本實驗的實驗步驟。
實驗后，讓學(xué)生討論得出過氧化氫酶的催化效率高于鐵離子的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上，教師可列舉其他實例，概括酶的高效性。教師還應(yīng)強調(diào)正是由于酶的存在及其高效性，所以許多代謝反應(yīng)在體外很難發(fā)生，在體內(nèi)卻可迅速進行。
（2）酶的專一性特性
實驗前可提問：“食物中的淀粉和蔗糖同屬糖類，唾液淀粉酶能否消化水解這兩種物質(zhì)?”
本實驗所涉及的顏色反應(yīng)要在實驗前跟學(xué)生說明清楚。淀粉水解成的麥芽糖和蔗糖水解成的葡萄糖、果糖在煮沸的條件下，與斐林試劑反應(yīng)會有磚紅色沉淀物質(zhì)產(chǎn)生，淀粉和蔗糖與斐林試劑無此反應(yīng)。因此，斐林試劑可以用來鑒定淀粉和蔗糖溶液中是否有麥芽糖和葡萄糖及果糖，進而推測淀粉和蔗糖是否被水解。
在此基礎(chǔ)上，教師通過進一步實例說明酶的專一性是酶普遍具有的特性；
（3）酶的多樣性原理，可在學(xué)生理解酶的專一性原理基礎(chǔ)上，結(jié)合蛋白質(zhì)的多樣性讓學(xué)生分析得出。
5、影響酶活性的因素
有條件的學(xué)校，應(yīng)盡量讓學(xué)生做《實驗七、探索影響淀粉酶活性的條件》，這對于訓(xùn)練學(xué)生分析實驗?zāi)芰Γ斫鈱φ諏嶒灥脑O(shè)計方法等都是很幫助的。
在學(xué)生通過實驗分析得出影響酶活性的因素后，可適當結(jié)合學(xué)生的生活實際，引導(dǎo)學(xué)生分析、討論一些與之相關(guān)的生活常識。如可提問：“持續(xù)高燒不退或嚴重腹瀉有時甚至?xí)＜叭说纳�，學(xué)生知道其中的原因嗎？”
人的正常體溫是37℃，體溫升高到38℃，雖然體溫只是升高了1℃，但人已感覺非常沒有精神，如果升高到39℃甚至40℃以上，而且持續(xù)高燒，就會出現(xiàn)一系列嚴重的反應(yīng)，如昏睡、昏迷、驚厥、甚至危及生命，這是為什么呢？原來，酶作為生物催化劑，其催化活性受到很多因素的影響，如溫度、pH值、有機溶劑、重金屬離子、酶濃度、酶的激活劑、抑制劑等等，而酶的活性受上述因素的影響是非常敏感的，影響因素發(fā)生很小的變化的，酶活性就會發(fā)生很大的改變。人體中酶的最適溫度一般為37℃，當人體體溫高于或低于這個溫度時，機體中酶活性就會大大降低，細胞內(nèi)的各種生物化學(xué)反應(yīng)不能正常進行了。
霍亂是一種烈性傳染病，為霍亂弧菌所致，曾在世界上引起多次大流行，死亡率甚高�；魜y弧菌通過人的腸粘膜并大量繁殖，同時產(chǎn)生腸毒素引起劇烈腹瀉造成迅速而嚴重的脫水，血容量明顯減少，因而出現(xiàn)微循環(huán)衰竭，使細胞得不到鉀、鈉、鈣、氯離子，導(dǎo)致肌肉痙攣；細胞得不到碳酸氫根離子而導(dǎo)致細胞內(nèi)pH值發(fā)生較大的改變，酶活性即相應(yīng)大大降低，嚴重的會出現(xiàn)代謝性酸中毒，最終病人腎功能衰竭，休克、死亡。人體大量出汗、腹瀉都要相應(yīng)地補充水就是這個道理；嬰幼兒自身調(diào)節(jié)能力差，嬰幼兒腹瀉常常引起嚴重后果，就是這個道理。
或者問：“當人誤食了含有重金屬的食物或農(nóng)藥后，有一種應(yīng)急措施，就是趕緊給病人大量喝牛奶或豆?jié){，學(xué)生知道這是為什么嗎？”
酶活性除了與溫度、pH有關(guān)外，還受有機溶劑、重金屬離子等的影響。有機溶劑與重金屬離子影響酶活性的主要原因是有機溶劑和重金屬離子與酶蛋白上的某些化學(xué)基團結(jié)合，使酶的活性完全喪失，這也是人誤食了有機磷農(nóng)藥、有機氯農(nóng)藥或含重金屬離子的食物中毒甚至死亡的原因。
牛奶和豆?jié){中含有大量的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可以和重金屬或有機物結(jié)合，而使這些金屬離子和有機物發(fā)生沉淀。當人誤食了含重金屬的食品或農(nóng)藥后，大量飲用牛奶或豆?jié){可使這些有毒物質(zhì)沉淀下來不被消化道吸收，從而也就避免了這些有毒物質(zhì)與人體中正常的酶接觸的機會，而保護了這些酶的活性。當然，這只是應(yīng)急措施，還要去醫(yī)院洗胃并進行進一步的治療。
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