5.1 降低化学反应活化能的酶 第2课时 酶的特性（教学设计）生物人教版2019必修1

该高中生物学教学设计聚焦“酶的特性”核心知识点，通过加酶洗衣粉使用注意事项的生活情境导入，衔接前序“比较过氧化氢分解”实验，后续关联细胞呼吸、光合作用等知识，构建“实验-概念-应用”的学习支架。 以实验探究为特色，设计“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”“温度/pH对酶活性的影响”等探究活动，引导学生控制变量、构建模型，培养科学探究与科学思维，结合酶分布与细胞结构关系深化生命观念，助力学生提升实践能力，为教师提供素养导向的结构化教学方案。

第5章  细胞的能量供应和利用 第1节 降低化学反应的活化能的酶（第2课时） 年级 高一年级 授课时间 2课时 课题 二、酶的特性 教材分析 “酶的作用和本质”是新人教版高中生物必修1第5章第1节“降低化学反应活化能的酶”第二课时的内容。本节对酶特性的介绍，是建立在实验的基础上。酶的高效性在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验得到了很好的体现，基于该实验在前面已学习过，因此，教材在此只是进行了简单的总结；酶的专一性，是通过探究活动“淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用”来阐述的；酶的作用条件比较温和，是通过探究实验“影响酶活性的条件”来阐述的。 通过实验探究的方式来呈现酶的特性，一是这些实验可以在较短的处理时间内就观察到明显的实验现象，宜于开展；二是用事实来建构概念，符合自然科学的认知规律。另外，通过实验建构概念，也有利于学生在探究过程中学习和运用控制变量，设置对照实验的方法，提高学生的探究技能。在介绍过酶作用的条件后，特别增加了酶的分布与细胞结构和功能的关系，这一知识既与前面第3章细胞亚显微结构相关内容相联系，也与本章后面的第3节细胞呼吸和第4节光合作用相关知识相呼应，有助于学生更好地树立结构和功能相适应的生命观念。 教学目标 【课标要求】 概念2 细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖 2.2细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域 2.2.1说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素（如pH和温度等）的影响 【素养目标】 1、通过对酶催化作用具体实例的讨论，说明酶的特性。（生命观念） 2、构建温度、pH和底物浓度对酶促反应速率影响的模型。（科学思维） 3、通过对有关酶实验的分析，尝试控制自变量、观察和检测因变量，设置对照组和重复组。通过探究实验，发展科学探究能力。（科学探究） 4、通过实验探究活动培养学生知难而进、锲而不舍的顽强的意志品质和用于探索未知世界、勇于创新的精神。（社会责任） 教学重、难点 【教学重点】酶的特性 【教学难点】探究实验中控制变量的科学方法 教学过程 教学内容 教师活动 学生活动 新课导入 【创设情境】加酶洗衣粉使用注意事项 观看视频认识加酶洗衣粉使用的注意事项，认识温度对酶活性的影响。洗衣服的时候用热水洗得干净还是冷水？能不能用开水？ 引入思考： 1.洗衣粉中含有酶制剂吗？ 2.温水洗衣服为什么比冷水好？ 3.用开水烫过的洗衣粉还有效果吗？为什么？ 通过常见的生活实例思考，认识温度对酶活性的影响。 新知探究 一、酶催化反应的特性 【回顾实验】 回顾“比较过氧化氢在不同条件下的分解” 实验，分别加入FeCl3溶液和肝脏研磨液的试管 中过氧化氢分解情况。 思考：酶的催化作用与无机催化剂有什么不 同呢？ 1.酶具有高效性 概念：酶的高效性是指同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著。 特点：酶的催化效率一般是无机催化剂的107～1013倍。 酶具有高效性的意义： ①保证了细胞代谢快速有效地进行。 ②保证了细胞内能量供应的稳定。 思考：酶是否增加了产物的生成量？ 模型解读： ①无机催化剂和酶都能使反应速率加快，但不能改变化学反应的平衡点，只能缩短达到化学平衡所需的时间。 ②酶催化效率比无机催化剂高，故加入酶反应达到平衡点所需时间最短。 无机催化剂催化的化学反应的范围比较广，比如酸既能催化蛋白质的水解，也能催化脂肪水解，还能催化淀粉的水解。酶也能催化多种反应吗？ 2.酶具有专一性 回顾“控制变量和对照实验”。 设计探究实验时需要遵循的实验原则“单一变量原则”：即除自变量以外，应使无关变量保持相同且适宜，以便消除无关变量对实验结果的影响，增强实验结果的可信度。 实验还需要具有“科学性”：在设计实验的过程中必须有充分的科学依据，即实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验方法要恰当，整个实验设计思路不能偏离实验原理和相关的生物学知识等。 【探究活动1】探究酶的专一性 【探究·实践】淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用 阅读教材P81“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”，确定实验目的——探究淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。 1.实验原理：淀粉和蔗糖都是非还原糖。它们在酶的催化作用下都能水解成还原糖。在淀粉溶液和蔗糖溶液中分别加入淀粉酶，再用斐林试剂鉴定溶液中有无还原糖，就可以看出淀粉酶是否只能催化特定的化学反应。 2.实验设计 分析实验的自变量、因变量、无关变量。 3.实验分析 （1）上述实验说明了什么？ （2）上述实验中能否使用碘液代替斐林试剂作为鉴定试剂？ （3）肽酶能催化多种多肽水解为氨基酸，是否说明肽酶没有专一性？ （4）本实验的设计思路是什么？你还有其他设计思路吗？ 另一种设计思路：探究不同种类的酶能否催化同一种底物的水解。 【归纳小结】酶的专一性 1、含义：每一种酶只能催化一种或一类化学反应。 如：脲酶只能催化尿素分解；过氧化氢酶只能催化过氧化氢分解；二肽酶可以催化所有的二肽分解。 2、 意义：细胞代谢能够有条不紊地进行与酶的专一性是分不开的。 【探究活动2】酶的专一性模型解读 A表示______； B表示被A催化分解的______； E、F表示B被分解后______； C、D表示__________________。 【知识拓展】酶专一性模型 酶和被催化的反应物分子均具有特定的结构。 1.钥匙-锁模型：（酶是锁，底物是钥匙） 2.诱导契合模型： 回顾实验：酶具有高效性。 分析曲线模型，回答问题：酶不改变产物的生成量，产物生成量与底物量有关。 回顾还原糖的检测：还原糖与斐林试剂水浴加热，会产生砖红色沉淀。 分析自变量、因变量与无关变量。 分析实验回答问题： （1）淀粉酶只催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解，酶的催化作用具有专一性。 （2）不能；因为碘液只能检测淀粉是否被水解，蔗糖是否被水解都不会使碘液变色。 （3）不能；肽酶能催化多种多肽水解是因为不同多肽中可能存在它能识别的相同类型肽键结构，它仍然具有专一性。 （4）探究同一种酶是否能催化不同底物水解。 酶； 底物； 产物； 不能被酶催化的物质 随堂检测 1.蔗糖酶能将一分子蔗糖水解为一分子果糖和一分子葡萄糖。如图表示蔗糖酶在最适温度下催化底物水解的模型，下列有关叙述错误的是(　　) A.该模型能解释酶具有专一性 B.模型中乙表示蔗糖酶，为甲的水解提供反应的活化能 C.模型中乙的化学结构在化学反应的前后不会发生改变 D.若温度适当升高或降低5 ℃，酶的催化速率都将下降 【答案】B 【解析】甲能和乙的活性部位结合，如钥匙和锁的关系，该图能够解释酶具有专一性；酶的作用机理是降低化学反应的活化能；酶的结构在反应前后不会发生改变；该图表示酶在最适温度下催化底物分解的模型，如果温度升高或降低5℃，酶的活性都会减弱，催化效率都将下降。 2.为探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用，某学习小组设计并完成了以下实验。 第一步：取甲和乙两支试管,向甲试管中加入2 mL可溶性淀粉溶液，乙试管中加入2 mL蔗糖溶液。 第二步：向甲、乙试管中各加入新鲜淀粉酶溶液2 mL，摇匀后置于60℃水浴锅中保温5 min。 第三步：向甲、乙试管中各加入斐林试剂2 mL，摇匀后50～65 ℃水浴加热2 min。 第四步：观察记录甲、乙试管的颜色变化。 请回答下列问题。 (1)向甲、乙两试管加入的可溶性淀粉溶液和蔗糖溶液的体积相等的原因是______。  (2)该实验______(填“能”或“不能”)用碘液进行检测，原因是______。 (3)实验结果是甲、乙两试管的颜色分别是______，该实验证明了______。  【答案】 （1）遵循单一变量原则 （2）不能；碘液不能检测蔗糖和蔗糖的水解产物，不能判断蔗糖是否水解 （3）砖红色、蓝色；酶具有专一性 新知探究二、酶的作用条件较温和 1.酶的活性 酶催化特定化学反应的能力成为酶活性。 表示方法：在一定条件下酶所催化某一化学反应的速率表示。 许多无机催化剂能在高温、强酸、强碱条件下催化化学反应。酶起催化作用需要什么样的条件呢？温度或pH的改变会不会影响酶的活性呢？ 通过实验探究得出了酶的催化作用具有专一性。那么许多无机催化剂能在高温、高压、强酸或强碱条件下催化化学反应，那么酶起催化作用又需要怎样的条件呢？ 素材1：加酶洗衣粉使用温水30~40℃效果最佳，切勿用60 ℃以上的热水在初中做消化酶实验时需要控制温度等实验条件。 素材2：不同消化液的pH不一样，唾液的pH为6.2~7.4，胃液的pH为0.9~1.5，小肠液的pH为7.6。唾液淀粉酶会随唾液流入胃，胃蛋白酶会随食糜进入小肠。 阅读上述素材，能得出哪些结论？ 根据素材你能提出什么样的问题呢？请同学们思考你提出的问题有没有探究的价值，能不能通过探究实验找到答案。如果可以，那么请针对提出的问题作出假设。例如依据酶的化学本质一般是蛋白质，而蛋白质会受到环境因素的影响。同学们可能会提出温度会影响酶活性以及pH会影响酶活性的假设。那么如何验证自己的假设呢？ 【探究活动3】探究温度或pH对酶活性的影响 探究实验的一般步骤： ①提出问题：温度的改变会不会影响酶的活性呢？ ↓ ②作出假设：温度会影响酶的活性 ↓ ③设计实验：分析实验原理 ↓ ④进行实验 ↓ ⑤分析结果、得出结论 ↓ ⑥表达与交流 根据教材82~83页提供的材料、试剂等，确定探究温度、pH对酶活性的影响，分别所用的材料、检测试剂等。 1.实验目的：探究温度或者pH对酶活性的影响。自变量就是温度或者pH，因变量就是酶活性，因变量的观测指标根据具体反应中底物的减少量或产物的生成量确定。 2.实验思路：在不同的温度或者pH条件下，让底物在酶的催化下进行反应，然后检测底物的分解速率或者底物的剩余量。 在设计实验时，需要思考以下几个问题： ①材料用具提到了两种酶溶液，那么你将选择哪一种酶作为实验材料？为什么选择这种酶？ ②实验中应该如何控制自变量？怎样观察或检测因变量？ ③怎么排除自变量以外的因素对实验结果造成干扰？ ④根据自己做出的假设，你预期会看到怎样的实验结果？比如酶活性升高或降低时，会出现什么样的实验现象？将预期的实验结果记录下来。 根据提供的材料用具，思考如何选择材料，如何控制变量，如何检测因变量，如何预期实验结果。 探究1：探究温度对酶活性的影响 1.实验原理 （1）反应原理： （2）鉴定原理：温度影响酶的活性，从而影响淀粉的水解，滴加碘液，根据是否出现蓝色及蓝色的深浅来判断酶的活性。 下列3组实验是探究温度对酶活性的影响，请分别从中寻找错误。 错误：______________________________________。 错误：______________________________________。 错误：______________________________________。 2.实验设计及结果 特别说明： 1.不能选用过氧化氢酶催化过氧化氢分解，加热也会加快过氧化氢的分解，影响实验结果。 2.本实验的检测试剂一般不用斐林试剂代替碘液，因为斐林试剂需要水浴加热，改变了温度，本实验温度为自变量，需要严格控制。 3.本实验的无关变量包括溶液体积、处理时间、pH等，应该保证相同且适宜。 4.本实验的自变量为温度，因变量为酶活性，因变量观测指标为加碘液后的颜色变化情况。 5.本实验中，不能将淀粉和淀粉酶混合均匀后，再在不同温度下处理，底物和酶可能还没有经过自变量的处理，便已反应完全。 探究2：探究pH对酶活性的影响 1.实验原理 （1）反应原理： （2）鉴定原理：pH影响酶的活性，从而影响O2的生成量，可用气泡的产生量（或点燃但无火焰的卫生香复燃的情况）来检验其生成量的多少。 2.实验设计及结果 特别说明： 1.探究pH对酶活性的实验时，不能选用淀粉酶溶液酶催化淀粉分解，因为酸可以催化淀粉的水解。 2.本实验的无关变量包括溶液体积、处理时间、温度等，应该保证相同且适宜。 3.本实验的自变量为pH，因变量为酶活性，因变量观测指标为氧气的产生速率。 4.本实验中，不能将底物和酶混合均匀后，再在不同pH下处理，因为底物和酶可能还没有经过自变量的处理，便已反应完全，即“先创条件，再行反应”。 科学家采用定量分析的方法，分别在不同的温度和pH条件下，测定同一种酶的活性，根据所得到的数据绘制成曲线图。 分析这两个曲线图可以看出，在最适宜的温度和pH条件下，酶的活性最高。温度和pH偏高或偏低，酶活性都会明显降低。同学们可以想想是不是在感冒发烧时会有些食欲不振？就是因为体温偏高时，偏离了酶的最适温度，我们体内的消化酶的活性也会变差。 那么在过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏， 使酶永久失活。在0℃左右时，酶的活性很低， 但酶的空间结构稳定，在适宜的温度下酶的活性还会升高。因此酶制剂适宜在低温下保存。 2.酶的作用条件较温和 通过对两个探究实验的实验结论进行归纳整合，可以得出： 1、 溶液的温度和pH均会影响酶活性。 2、与无机催化剂相比，酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行。 细胞中的各类化学反应之所以能有序进行，还与酶在细胞中的分布有关。拿植物叶肉细胞来说，与光合作用有关的酶分布在叶绿体内，与呼吸作用有关的酶分布在细胞质基质和线粒体内，这样，光合作用与呼吸作用在细胞内不同的区室同时进行，就可以互不干扰。 3.影响酶促反应速率的因素 除了前面提到的温度、pH还有酶的浓度、底物的浓度。 反应速率随酶浓度 在一定浓度范围内，反应速率 的升高而加快。 随浓度的升高而加快；但达到一定 浓度后，反应速率不再变化。 【知识拓展】酶的抑制剂 酶分子通过多肽链的盘曲折叠，组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙，以容纳进入的底物与之结合并催化底物转变为产物，这个区域即称为酶的活性中心.组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在不同的功能基团，如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基等。 抑制剂：能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂，它可降低酶促反应速率。抑制剂通过共价键与酶分子上的某些必需基团反应，引起酶活力下降，甚至丧失。 竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性位点（酶上催化反应发生的特定区域）。其化学结构通常与底物相似，能模拟底物与活性位点结合，阻止底物进入。结合是可逆的，通常通过非共价键（如氢键、疏水作用）实现。 非竞争性抑制剂结合到酶的非活性位点（别构位点），通过诱导酶的空间构型改变，降低其催化效率，但不影响底物与活性位点的结合。结合通常是可逆的，但也可涉及较强的非共价相互作用。 在生物体内，这种抑制常用于代谢调控，改变酶活性以适应细胞需求。​ 【例题】除温度和pH对酶活性有影响外，一些抑制剂也会降低酶的催化效果。图甲为酶作用机理及两种抑制剂影响酶活性的机理示意图，图乙为相同酶溶液在无抑制剂、添加不同抑制剂的条件下，酶促反应速率随底物浓度变化的曲线。下列说法错误的是（ ） A.图甲中非竞争性抑制剂降低酶活性的机理与低温对酶活性抑制的机理不同 B.根据图甲可推知，竞争性抑制剂与底物具有类似结构而与底物竞争酶的活性位点 C.图乙中底物浓度相对值小于10时，限制曲线A酶促反应速率的主要因素是底物浓度 D.图乙中曲线B和曲线C分别是在酶中添加了非竞争性抑制剂和竞争性抑制剂的结果 【答案】D 【解析】图乙中曲线B和曲线C分别是在酶中添加了非竞争性抑制剂和竞争性抑制剂的结果。 结论： ①酶的催化效率可能受温度影响。 ②酶的催化效率可能受pH值的影响，并且不同的酶需要不同的pH 条件。 根据生活、学习经验提出假说并思考如何验证假说。 认识探究实验的一般步骤，思考如何设计实验。 实验1错误：缺少高温（60 ℃）的对照组，且不宜选用斐林试剂作为检测试剂。 实验2错误：未对底物和酶进行保温处理就混合在一起。 实验3错误：不应选用过氧化氢溶液作为反应底物，因为高温条件下，会直接使底物分解加快，而不是通过影响酶的活性来影响底物的分解。 随堂检测 1.下列不能用“酶的作用条件较温和”进行解释的生物学现象是（ ） A.沸水浸泡过的加酶洗衣粉的洗涤效果不佳 B.低温保存的食物不易腐败 C.胃蛋白酶进入小肠后不再催化蛋白质水解 D.淀粉酶不能催化麦芽糖的水解 【答案】D 【解析】“沸水浸泡过的加酶洗衣粉的洗涤效果不佳”是由于高温破坏了酶的结构；“低温保存的食物不易腐败”是由于微生物细胞内的酶在低温条件下活性受到抑制；“胃蛋白酶进入小肠后不再催化蛋白质水解”是由于酶的催化需要适宜的pH，小肠中的环境呈偏碱性，胃蛋白酶进入小肠后因pH改变而失活；“淀粉酶不能催化麦芽糖的水解”是由于酶具有专一性。故选D。 2．下列关于酶的叙述正确的是（　　） A．探究pH值对酶活性影响的实验步骤可为：加底物→加酶→调pH→混匀→观察 B．限制酶具有特异性，使用两种限制酶切割目的基因不一定能防止反向连接 C．用麦芽糖酶、麦芽糖和淀粉验证酶专一性，可用斐林试剂检测 D．淀粉酶水解淀粉是吸能反应需要ATP提供能量 【答案】B 【解析】A、探究pH对酶活性影响的实验中，需先调节pH再加入酶，避免底物和酶混合后发生反应，A错误； B、限制酶具有特异性识别序列，但若两种酶切割后产生相同黏性末端，目的基因仍可能反向连接，因此使用两种限制酶不一定防止反向连接，B正确； C、麦芽糖和其水解产物葡萄糖均为还原糖，斐林试剂需沸水浴显色，而酶促反应在常温进行，无法直接检测；且麦芽糖未被完全水解时仍显色，无法验证专一性，C错误； D、淀粉水解是放能反应，酶通过降低活化能加速反应，无需ATP供能，D错误。 3．生菜是一种在保存和运输过程中易发生褐变的蔬菜。多酚氧化酶(PPO)在有氧条件下能催化酚类物质形成褐色的醌类物质，导致植物组织褐变。某团队研究生菜多酚氧化酶在不同条件下的特性，结果如图所示。下列叙述正确的是（　　） A． 低氧环境可促进褐变发生 B． 喷洒柠檬酸可抑制褐变发生 C． 保存和运输生菜的最适pH值为6 D． 40℃时PPO活性最高，适于生菜保存 【答案】B 【解析】A、多酚氧化酶（PPO）在有氧条件下能催化酚类物质形成褐色的醌类物质，因此低氧环境可抑制褐变发生，A错误； B、图示可知，柠檬酸可以减弱PPO相对活性，从而减少醌类物质的形成，即抑制褐变发生，B正确； C、结合图示可知，pH为6时吸光度最大，而吸光度和醌类物质含量成正相关，说明pH为6时褐变易发生，从而不利于运输生菜，C错误； D、结合图示可知，温度为40℃时吸光度最大，而吸光度和醌类物质含量成正相关，说明温度为40℃时褐变易发生，从而不利于生菜的保存，D错误。 4．科研人员筛选得到某种可参与降解塑料的酶，并探究了温度对该酶催化反应速率的影响，实验结果如下图所示。下列叙述错误的是（　　） A．该实验中，酶的用量、pH、处理时间和初始底物浓度相同且适宜 B．该实验中，温度高于60℃后酶变性导致反应速率下降 C．该实验条件下，底物充足时增加酶的用量对反应速率无影响 D．进一步探究该酶最适温度时，宜在50~60℃之间设置更小温度梯度 【答案】C 【解析】A.探究温度对该酶催化反应速率的影响应遵循单一变量原则，酶的用量、pH、处理时间和初始底物浓度都是无关变量，无关变量相同且适宜，A正确； B.酶在高温条件下会变性失活，从图中可以看出，温度高于60℃后，反应速率下降，是因为高温使酶的空间结构遭到破坏，酶发生变性，B正确； C.在底物充足的情况下，酶促反应速率与酶的浓度呈正相关，增加酶的用量会使反应速率加快，C错误； D.由图可知，该酶的最适温度在50~60℃之间，所以进一步探究该酶最适温度时，宜在50~60℃之间设置更小温度梯度，D正确。 5．下图表示的是在最适条件下，反应物浓度对酶所催化的化学反应的影响（反应过程中温度和pH不变），相关叙述错误的是（　　） A．酶既可作为催化剂，也可以作为另一个反应的底物 B．A点随反应物浓度增加，酶的活性逐渐增大 C．C点调整反应的pH使反应速率减慢 D．其他条件不变，将酶换成相同物质量浓度的无机催化剂，B、C点均下移 【答案】B 【解析】A、绝大多数酶的化学本质是蛋白质，少数是RNA，且酶具有催化作用，因而，酶既可作为催化剂，也可以作为另一个反应的底物，如可以作为蛋白酶或RNA酶的底物，A正确； B、看图可知，A点反应速率随着反应物浓度的上升而上升，但酶的活性并未增大，因为反应物浓度不影响酶活性，B错误； C、图示是在最适条件下，反应物浓度对酶所催化的化学反应的影响，pH能改变酶的活性，故C点调整反应的pH后酶活性下降，因而可使反应速率减慢，C正确； D、无机催化剂降低活化能的效果不如酶显著，催化效率较酶低，反应速率慢，故其他条件不变，将酶换成相同物质的量浓度的无机催化剂，B、C点均下移，D正确。 课堂小结 板书设计 5.1 降低化学反应活化能的酶（第2课时） 一、酶的特性 1.高效性 2.专一性 3.作用条件温和性 二、影响酶促反应速率的因素 1.改变酶活性的因素：温度、pH、酶的抑制剂 2.不改变酶活性的因素：底物浓度、酶浓度 教学反思 通过生活实例导入，激发学生兴趣，将抽象的酶特性与实际应用结合，提升知识的可接受性。 本节内容实验较多，且以探究实验为主，实验设计环节注重变量控制和逻辑推理，有助于培养学生的科学探究能力。教学中需要引导学生主动思考如何进行探究实验的设计，通过学生自己设计探究实验并动手操作，进一步培养学生合作探究的能力，发展科学思维，帮助学生掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力。 / 学科网（北京）股份有限公司 $