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| 第一节 新陈代谢与酶 教学案例(B)
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作者： 北京师范大学第二附属中学 曹保义
发表时间： 2006-3-8 文章出处： 人民教育出版社
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教学目标
1．使学生初步理解新陈代谢的概念；理解新陈代谢与酶的关系、酶的特性；理解ATP的分子特点、ATP与ADP的相互转变以及这一转变在细胞内的物质和能量代谢中的作用。
2．通过引导学生，在分析生物新陈代谢的过程中，在分析酶的特性、ATP与ADP的相互转变与新陈代谢的关系中，渗透由表及里、由局部到整体、由结构到功能、由静态到动态的分析事物的思想方法和实践方法。
3．通过对生物新陈代谢的分析，使学生理解生命是在和环境的相互作用下，实现自我更新，茁壮发展的，由此引导学生正确认识人学会生存和发展应遵循的规律和途径并渗透对立统一观点的教育；在讨论酶的特性的过程中，通过联系其在生产、生活中的应用，使学生认识到生物科学技术与社会生产、生活的关系，进行生命科学价值的教育。
重点、难点分析
1．在新陈代谢概念的教学中，从细胞和分子水平上，分析物质代谢和能量代谢及其关系，是本节教学重点之一。因为：
(1)学生接触新陈代谢的概念不是初次。学生在初中生物课和高中生物课绪论的学习中，对生物个体水平新陈代谢的概念，如同化作用、异化作用及其关系等知识已有一定的认识。本章的新陈代谢内容，主要讲的是生物体内的物质和能量的转变过程，是细胞内各种化学反应的总称。因此，引导学生从细胞和分子水平去认识生物体自我更新的过程，认识合成与分解的关系，理解生命的这种特有的存在形式，才是新陈代谢概念教学的重点。
(2)学生通过第一章细胞的学习，对细胞的化学组成、结构和功能具有了一定的认识。学生初步具备从细胞和分子水平分析物质和能量的转变过程的基础。学生只有了解了新陈代谢，包括生物体内各种化学反应，才使进一步讨论新陈代谢与酶的关系成为必然。
2．讨论酶的特性以及与新陈代谢的关系是本节教学的又一重点。因为：
(1)学生对于催化剂的概念并不陌生，对于酶是催化作用的物质也有一定的了解。但酶与其它化学催化剂有何区别，酶的活性又主要受哪些因素的影响是本节教学应解决的课题。
(2)酶的存在及其催化的高效性，使生物体内许多化学反应，在常温常压下体外难以发生而体内成为可能；酶的多样性和专一性，使细胞内成千上万种的化学反应同时进行而又有条不紊。学生只有在认识了酶的这些特性后，才能理解酶对生物新陈代谢的重要作用。因此，讨论酶的特性及其与新陈代谢的关系是本节教学的重点。
3．在新陈代谢与ATP的内容中，ATP的分子特点和ATP与ADP的相互转变在新陈代谢中的作用，既是教学重点也是难点。因为：
(1)教材在此讲述了ATP的组成和分子简式、ATP与ADP的相互转变及其作用、ATP的形成途径等内容。关于ATP的组成，限于学生的化学基础，在此不宜过于深入。在学生了解ATP中具有不稳定的高能磷酸键，水解时释放能量，形成时需要能量后，重点讨论释放出的能量用于何处，形成高能磷酸键时能量来自何方，从中使学生理解，ATP和ADP的相互转变在细胞中能量的储存、转移和利用中的作用。对于ATP的形成途径，因学生还未学习呼吸作用和光合作用的过程，在此也不宜太具体地讲解。
(2)ATP在能量的储存、转移和利用中的作用，是本节学习的难点。原因是：①学生难以理解糖类、脂类等能源物质与ATP的区别，为什么细胞内各种生命活动需要ATP的水解供能？②学生难以理解，呼吸作用分解有机物释放能量与ATP分解释放能量在生理作用上的区别。在教学中应对此设计突破的方式。
教学过程设计（本课题的参考课时为二课时）
第一课时
1．教学过程的设计思路：
2．关于教学过程的说明：
(1)通过第一章的学习，认识了细胞和生物体在其物质和结构基础上，可表现出绚丽多姿的生命活动。生物的一切生命活动，都是建立在生物体内物质和能量变化的基础上，即以生物的新陈代谢为基础的，由此引出课题。引导学生以自身为例，剖析生命是如何维持的，可提倡学生简短的议论。
(2)一般学生都是从生物个体水平上，说明生物体与外界环境之间进行物质和能量的交换，如，人需要不断从外界摄取物质，不断分解自身的物质，把废物排出体外等等。在此基础上，教师以学生已有的知识为背景，把讨论引向分子水平的代谢过程。如以蛋白质的代谢为例，食物中蛋白质在消化道中，主要在消化酶的作用下消化成氨基酸。氨基酸被吸收进入血液，通过血液循环运输到全身组织细胞。氨基酸在细胞内，有的到核糖体上，在自身遗传信息的指导下，在线粒体中呼吸释放能量的推动下，合成自身的蛋白质。这些蛋白质，有的参与构建细胞的各种结构成为细胞的结构物质，有的参与其它各种生理活动。同时体内的蛋白质又不断老化分解释放能量，产生的废物被排出体外。因此，细胞的结构和生命活动的维持，需要不断地合成与分解，不断地处于自我更新的状态。通过对以上类似的具体物质代谢过程的讨论，使学生理解新陈代谢包含机体中所有化学反应。
(3)在以上讨论的基础上，教师概括新陈代谢的同化作用和异化作用过程，分析它们之间矛盾依存的关系，分析代谢中物质变化与能量变化的伴随关系。进一步提出，为什么在生物体和细胞内，在常温常压下能快速且有条不紊地进行如此复杂的化学反应？这与活细胞产生的生物催化剂──酶有关。由此引入酶的课题。
(4)酶作为生物催化剂，与无机催化剂相比，有何特点？教师可演示有关实验，引导学生通过对实验现象的观察，分析得出结论。
①关于酶的高效性，可采用探究的方式，演示过氧化氢分解成水和氧气的实验。
实验前简单介绍：动植物在代谢中产生的过氧化氢，对机体是有毒的。机体通过过氧化氢酶，催化过氧化氢迅速分解成水和氧气而解毒。铁离子也可催化这一反应。下面分别用铁离子和过氧化氢酶催化这一反应，请同学观察对比实验现象。
实验步骤：a．取豌豆粒大小的新鲜动物肝脏(猪、蟾蜍的肝脏或鱼的肝胰脏)研成肝糜备用。b．取两只试管，分别加入10 mL过氧化氢的体积分数为3％的溶液。c．同时把肝糜投入一试管，向另一试管内滴入几滴氯化铁的质量分数为3.5％的溶液，立即用大拇指堵住管口。d．轻轻地振荡两只试管。两只试管内都会有气泡产生，但放入肝脏的试管内的反应明显快于另一只试管内的反应。e．将点燃但无火焰的卫生香分别放在试管口，检验试管内的气体及数量。
通过实验，让学生讨论得出，过氧化氢酶的催化效率高于铁离子的结论。在此基础上，教师进一步指出，酶的催化效率一般是无机催化剂的数万至数亿倍。最后概括出酶的高效性。
②关于酶的专一性，也可以用探究的方式，演示唾液淀粉酶只能催化淀粉分解成麦芽糖，不能催化蔗糖分解成葡萄糖和果糖的实验。
演示前提出问题：食物中的淀粉和蔗糖同属糖类，唾液淀粉酶能否消化水解这两种物质？
简要介绍实验：淀粉水解成的麦芽糖和蔗糖水解成的葡萄糖、果糖在煮沸的条件下，与斐林试剂反应会有砖红色沉淀物质产生，淀粉和蔗糖与斐林试剂无此反应。因此，斐林试剂可以用来鉴定淀粉和蔗糖溶液中是否有麦芽糖和葡萄糖及果糖，进而推测淀粉和蔗糖是否被水解。
实验步骤：a．取4只试管，编上号，向1、2号试管内分别加2mL可溶性淀粉的质量分数为3％的溶液，向3、4号试管内分别加蔗糖的质量分数为3 g／mL的溶液。b．向1号、3号试管内分别加2 mL稀释的唾液，向2号、4号试管内加2mL清水。c．轻轻振荡试管，使液体混合均匀，把试管放入37 ℃的温水中，保温5～10 min。d．取出试管，各加入2 mL斐林试剂并混合均匀然后放在酒精灯的火焰上加热至煮沸5 min。
因课堂时间紧，实验需要等待的时间较长，最好课前做好一份，在课上适时让学生观察分析讨论，得出唾液淀粉酶只能催化淀粉的水解，不能催化蔗糖的水解的结论。
在此基础上，教师应再举几例，进一步说明酶的专一性，最后概括出专一性是酶普遍具有的特性。
③对于酶的高效性和专一性的原理，可视学生的状况适当处理，但一般不宜过多。应着重分析以下几点：a．由于酶的存在及其高效性，使许多代谢反应在体外很难发生，在体内则可迅速进行。b．酶的专一性，使细胞内成千上万种化学反应有序地进行，另外，酶的专一性意味着酶的多样性。c．至今发现的酶基本上是蛋白质或主要部分是蛋白质，因此，凡是影响蛋白质空间结构的因素，如温度、pH等，都会影响酶的活性。
(5)由于酶可以在温和条件下，专一快速地催化某些化学反应，是无机催化剂无法比拟的。因此，被广泛应用于工农业生产、医疗保健、科研和日常生活中。在教学中可列举几个实例。
第二课时
1．教学过程的设计思路：
2．关于教学过程的说明：
(1)新课的引入方式很多，但总的原则是，从学生已有的认识中提出新问题。如本课可以这样引入：
①通过上节课，我们已经知道，本章讲述的新陈代谢主要是指细胞内所有化学反应的总称。细胞内所有的代谢反应都是在酶的催化下进行的。细胞内的各种结构的功能不同，其原因之一，是它们的结构中所含酶的种类各异(出示细胞亚显微结构图或让学生观察教材中的细胞图)，引导学生讨论诸如，线粒体是有氧呼吸的主要场所，是由于彻底氧化分解有机物的酶分布于此；核糖体中有合成蛋白质的酶存在使其成为合成蛋白质的场所；叶绿体内有催化光合作用的酶系……。细胞空间上酶分布的分隔性和酶的高效性、专一性、多样性，使错综复杂的代谢反应，既各自独立又相互协调统一。
②物质变化总是伴随着能量的消耗或释放，细胞是怎样解决能量的有序流动的？如，线粒体的呼吸作用氧化分解有机物释放能量，核糖体合成蛋白质、细胞膜主动运输、高尔基体合成分泌功能等需要能量。从上可见“产能”和“用能”在空间上存在矛盾，细胞是怎样解决这一矛盾的？又如，细胞内有多种能源物质，如糖类、脂肪等有机物都储存着大量且稳定的能量，这些能源物质的稳定性，利于大量地储存能量，但不利于及时灵活地利用这些能量。细胞是怎样解决能量的“稳定储存”和“灵活利用”这一对矛盾的？
③引导学生联想在人类的生产和生活中是如何解决类似问题的。如，发电厂是如何把电送到用户的？如何利用石油、煤的能量点燃电灯的？农民是如何从生产农产品转化成各种生活工业品的？在学生讨论这些问题的基础上，教师指出，在细胞中联系产能和用能、稳定储能和灵活用能的关键物质是ATP。由此引入ATP的问题。
(2)关于ATP的结构特点，以及ATP和ADP之间的相互转变。可强调以下几点：
①ATP中两个磷酸基团之间(P和P之间)用“～”表示的化学键是高能磷酸键。高能磷酸键水解过程中，释放的能量是一般的共价键的2倍以上，如ATP末端磷酸水解生成ADP和磷酸时，释放出的能量约30.5kJ/mol，而6磷酸葡萄糖水解成葡萄糖和磷酸时，释放的能量只有13.8kJ/mol。这种键称为高能键，常以“～”符号表示。含有高能键的化合物统称为高能化合物。
②高能键(“～”)如ATP末端的高能磷酸键，在一定的条件下很易水解，也很易重新形成。在细胞内释放能量的代谢反应常会伴随ADP转变成ATP，在需能的代谢反应中，一般需要用ATP水解成ADP再将能量释放出来，推动需能代谢反应的进行。
③有资料介绍，正常人每天ATP的转变量几乎接近于体重，但在体内存在的ATP的量是很少的。ATP和ADP在体内总是处于不断转化中且处于动态平衡之中。
(3)在讨论ATP和ADP相互转化与代谢反应的关系过程中，可引导学生按下图所示的思路进行：
(4)在讨论ATP和ADP之间相互转变与代谢关系后，总结ATP在细胞内能量的转换、运输、利用中的关键作用，并强调以下几点：
①细胞内糖类、脂类等能源物质是比较稳定的，可以相对大量地储存能量，但利用时，都必需经呼吸作用分解释放传递给ATP，转变成活跃的形式，由ATP直接供给各种生命活动利用，解决了“稳定储存”和“灵活利用”的矛盾。
②各种能源物质中的能量，需要转换成ATP这种“能量货币”形式才能利用，有利于能量的运输和协调供给，如线粒体呼吸释放能量合成的ATP，可以转移到细胞膜用于主动运输，也可以进入细胞核推动DNA的复制等，因此，解决了“产能”和“用能”在空间上的矛盾。
(5)本节课时间比较充裕，最后可利用一点时间完成课后复习题或留给学生自由提问和复习。
本课题教学中应注意的问题：
1．本节教学如用两课时，第一节内容多，时间比较紧。对代谢概念的讨论中要注意及时概括。在酶的教学中，课前要准备好演示实验，尽可能节约时间，保证内容的完整性。
2．在酶和ATP的教学中，要注意联系第一章细胞的化学成分、细胞的结构和功能，在举例分析时，要注意学生的知识背景。
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