“蛋白質(zhì)變性”生物化學(xué)實驗教學(xué)實踐研究

張芳萍

（寶雞市陳倉高級中學(xué)，陜西 寶雞 721300）

蛋白質(zhì)是高中生物課程的重要內(nèi)容，也是高中生物教學(xué)的難點。蛋白質(zhì)實驗教學(xué)是學(xué)生初步建立結(jié)構(gòu)與功能觀的重要工具。通過分析近年的新高考試卷不難發(fā)現(xiàn)，“蛋白質(zhì)”相關(guān)知識的分值比例越來越高，同時也是學(xué)生容易丟分的內(nèi)容。原因主要是學(xué)生對蛋白質(zhì)的形成過程等缺乏直接的感性認識，未能充分掌握蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)成分?！暗鞍踪|(zhì)變性”是歷年高考的重點，因此，筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗，詳細闡述“蛋白質(zhì)變性”生物化學(xué)實驗教學(xué)方案。

1 蛋白質(zhì)的變性原理

蛋白質(zhì)是由多種氨基酸通過肽鍵構(gòu)成的高分子化合物。蛋白質(zhì)變性就是蛋白質(zhì)受物理或者化學(xué)因素影響，改變分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的作用。蛋白質(zhì)變性的結(jié)果就是改變蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，導(dǎo)致其喪失生物活性。例如蛋白質(zhì)變性后，其分子結(jié)構(gòu)較為松散，不易形成結(jié)晶，容易被蛋白酶水解。如果蛋白質(zhì)變性后，空間構(gòu)象遭到嚴重破壞且不可復(fù)原，則被稱為不可逆變性。如果變性程度較輕，去除變性因素后可以恢復(fù)原有的構(gòu)象和活性，則被稱為復(fù)性。例如離子濃度和pH可以使蛋白質(zhì)變性，但是通過糾正離子濃度和pH可以使蛋白質(zhì)復(fù)性。人們在生活中使用的酒精就是利用其對細菌蛋白質(zhì)的變性作用。又如生活中常見的煮雞蛋就是利用高溫快速變性微生物蛋白質(zhì)，使病原微生物滅活。實踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的因素較多：（1）化學(xué)因素，主要是強酸、強堿、重金屬離子以及某些弱酸等化學(xué)成分。（2）物理因素。劇烈振蕩或攪拌、超聲波、強磁、紫外線照射及X射線等都是造成蛋白質(zhì)變性的物理因素[1]。

2 “蛋白質(zhì)變性”生物實驗教學(xué)的設(shè)計

高中生物課程在新高考體系中占據(jù)重要地位，是理科專業(yè)的必選課程之一。根據(jù)新課標要求，“分子與細胞”模塊內(nèi)容的價值就是讓學(xué)生深入了解生命的物質(zhì)基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，理解生命活動中物質(zhì)的變化。蛋白質(zhì)變性是物質(zhì)運動的最高形式，由于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次比較復(fù)雜，容易受外界環(huán)境變化的影響而發(fā)生改變，為了加深學(xué)生對蛋白質(zhì)化學(xué)知識的認知，教師要開展“蛋白質(zhì)變性”實驗教學(xué)，讓學(xué)生掌握蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識。

通過對蛋白質(zhì)化學(xué)成分的研究可知，蛋白質(zhì)分子主要由肽鏈組成，肽鏈呈現(xiàn)規(guī)則而緊密排列的結(jié)構(gòu)形式[2]。如果蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，變性的蛋白質(zhì)分子就會聚集，導(dǎo)致蛋白質(zhì)沉淀。由于導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的因素比較多，教師選擇學(xué)生在日常生活中常見的因素作為“蛋白質(zhì)變性”實驗的誘導(dǎo)因素。

2.1 不同溫度對蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響

蛋白質(zhì)受溫度的影響比較大，因此，教師以生活中常見的燙發(fā)為例進行實驗。根據(jù)生物分析，人類頭發(fā)的主要成分是角蛋白，其結(jié)構(gòu)中含有連接肽鏈的硫鍵，利用高溫可以使硫鍵出現(xiàn)斷裂而改變其結(jié)構(gòu)形式，造成頭發(fā)變性。在科學(xué)界，關(guān)于燙發(fā)是否屬于蛋白質(zhì)變性還存在爭議。為了保證實驗教學(xué)的嚴謹性，讓學(xué)生掌握不同溫度對蛋白質(zhì)的影響，以生活中常見的雞蛋為例實施以下實驗。

（1）實驗原理。研究表明，不同溫度對蛋白質(zhì)的影響不同。雞蛋的主要成分是蛋白，根據(jù)生活常理，雞蛋蛋白液在75 ℃以上會凝固，原理就是雞蛋蛋白質(zhì)的肽鏈受熱造成氫鍵斷裂。

（2）實驗步驟。首先，教師要為學(xué)生提供必要的實驗材料。準備一個生雞蛋、1個碗、1個恒溫水浴鍋、4個20 mL試管以及刻度吸液管等。其次，學(xué)生按照教師的要求分別在4個20 mL試管中做出標號，分別標記為①、②、③、④。再次，學(xué)生將生雞蛋打破，將蛋黃和蛋清分離（利用刻度吸液管吸取蛋白液），將吸取的蛋白液分別注入等量蛋白液中[3]。最后，以不同溫度對試管進行加溫處理，觀察不同溫度下試管蛋白液的狀態(tài)。具體實驗結(jié)果見表1。為了保證實驗的嚴謹性，在對試管蛋白液進行加溫時，需要在60～80 ℃依次遞增。從表1可以清晰地看出，蛋白液在不同的溫度作用下會出現(xiàn)不同的狀態(tài)，例如在60 ℃以下時蛋白液未出現(xiàn)明顯的凝固現(xiàn)象，表明其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生不可逆變性。當溫度上升到75 ℃以上時，蛋白液發(fā)生了凝固，表明蛋白質(zhì)發(fā)生了變化。可見，蛋白質(zhì)變性受溫度的影響，尤其是溫度達到75 ℃時，蛋白質(zhì)變性現(xiàn)象更加突出。

表1 不同溫度影響蛋白液的實驗結(jié)果

2.2 重金屬對蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響

實踐證明，蛋白質(zhì)分子在堿性溶液中帶負電荷，可與重金屬離子（Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pe2+等）作用，結(jié)合成不溶性鹽而沉淀。例如在民間如果出現(xiàn)鉛中毒，人們經(jīng)常會讓中毒者飲用蛋清液，主要原理就是蛋白質(zhì)與重金屬離子結(jié)合產(chǎn)生鹽，導(dǎo)致中毒者嘔吐，從而幫助解毒。

（1）實驗材料與試劑。本實驗主要使用水、蛋清、牛奶、4個試管、大燒杯以及0.1 mol/L硝酸鉛溶液等物品。

（2）實驗方法與步驟。首先，學(xué)生利用記號筆分別在4個試管中標記①、②、③、④。其次，學(xué)生將等量的水、蛋清、牛奶以及豆?jié){分別倒入①、②、③、④試管中，加入濃度為0.1 mol/L的硝酸鉛溶液0.5 mL，將其充分搖晃后，保證硝酸鉛溶液與試管內(nèi)的原料完全融合。最后，學(xué)生要觀察試管內(nèi)是否出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，如果出現(xiàn)沉淀，說明蛋白質(zhì)與重金屬發(fā)生了反應(yīng)。具體結(jié)果見表2。通過表2可知，編號③的試管中出現(xiàn)大量沉淀物，表明牛奶中的蛋白質(zhì)在硝酸鉛溶液的作用下發(fā)生了變質(zhì)，而豆?jié){中的蛋白質(zhì)也在硝酸鉛溶液的作用下發(fā)生了變質(zhì)。導(dǎo)致沉淀物量不同的原因就是牛奶中的蛋白質(zhì)含量高于豆?jié){以及蛋清。

表2 不同試管的反應(yīng)情況

2.3 酸性物質(zhì)對蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響

酸性物質(zhì)會對蛋白質(zhì)產(chǎn)生影響，例如蛋白質(zhì)在酸性溶液中會帶正電荷，進而與帶負電荷的酸根相結(jié)合，形成鹽類沉淀物。為了讓學(xué)生清晰地了解酸性物質(zhì)對蛋白質(zhì)變性的具體影響，進行以下實驗操作。

（1）實驗材料。實驗前準備蛋清液、不同濃度的醋酸溶液、4支試管、試管架、膠頭滴管等物品。

（2）實驗方法與步驟。步驟同2.1、2.2實驗基本相同。首先，學(xué)生利用記號筆在4支試管中標號（①、②、③、④）。其次，學(xué)生在不同的試管中注入等量蛋清液（2.0 mL）。再次，學(xué)生分別在試管中加入0.5 mL不同濃度的醋酸溶液（表3）。最后，學(xué)生觀察不同試管中的現(xiàn)象并且做好相關(guān)記錄[4]。

表3 酸性物質(zhì)對蛋白質(zhì)性質(zhì)影響的實驗

3 “蛋白質(zhì)變性”實驗操作的注意事項

在“蛋白質(zhì)變性”實驗教學(xué)過程中，需要注意以下事項。

3.1 做好實驗準備工作，讓學(xué)生熟悉實驗室管理制度

由于“蛋白質(zhì)變性”實驗教學(xué)需要借助大量的實驗器材及設(shè)備，在“蛋白質(zhì)變性”實驗操作中，教師要做好各項準備工作。一是要提前為學(xué)生提供必要的實驗器材。例如教師需要在課前準備實驗操作要用的酸性物質(zhì)，有效提升課堂的教學(xué)效率。同時，為了激發(fā)學(xué)生參與實驗操作的積極性，教師可以有目的地讓學(xué)生按照本節(jié)課實驗教學(xué)的要求準備自己認為有用的實驗材料，加深學(xué)生對“蛋白質(zhì)變性”實驗的認知。例如在操作實驗2時，教師可以讓學(xué)生自己準備蛋白質(zhì)含量不同的物品，讓學(xué)生在尋找含蛋白質(zhì)物品時對蛋白質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)知識進行回顧與復(fù)習(xí)。二是加強學(xué)生管理工作，讓學(xué)生提前熟悉實驗室的安全管理制度。“蛋白質(zhì)變性”實驗需要在特定的實驗教室內(nèi)進行操作，為了保證實驗室各項器材的安全使用，避免出現(xiàn)實驗事故，教師在學(xué)生進入實驗室前要求學(xué)生認真預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，并且熟悉實驗室管理制度；在實驗操作時要遵守記錄，保證實驗室安靜，不得大聲喧嘩。

3.2 教師加強實驗指導(dǎo)，鼓勵學(xué)生自主探索

在“蛋白質(zhì)變性”實驗教學(xué)過程中，教師必須改變以往的教學(xué)模式，將實驗操作的主動權(quán)歸還學(xué)生，讓學(xué)生自主完成實驗操作，一是教師要有的放矢，給予學(xué)生一定的自主權(quán)，讓學(xué)生按照自己的思維、知識水平獨立操作。長期以來，在高中生物實驗教學(xué)中存在學(xué)生按照教師實驗步驟進行操作的現(xiàn)象，學(xué)生在整個實驗操作中完全處于被動地位，違背實驗教學(xué)的本質(zhì)目的。因此，在生物實驗教學(xué)中，教師要改變傳統(tǒng)的授課模式，讓學(xué)生獨立操作。當然，教師“放權(quán)”并不是完全放任不管，而是要深入學(xué)生群體，根據(jù)學(xué)生實驗操作的具體步驟，提供有效的指導(dǎo)。根據(jù)學(xué)生的不同問題進行有針對性的實驗指導(dǎo)，可以有效提升實驗教學(xué)的質(zhì)量，調(diào)動學(xué)生參與實驗操作的積極性[5]。二是教師要做好總結(jié)工作，及時將實驗操作發(fā)布到作業(yè)群，讓學(xué)生進行探討。教師也可以將學(xué)生實驗操作得出的結(jié)論發(fā)到班級群中，讓學(xué)生利用課外時間分析實驗數(shù)據(jù)是否合理，發(fā)表自己的看法。通過相互討論的方式，可以加深學(xué)生對“蛋白質(zhì)變性”實驗的認知，從而將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐應(yīng)用能力。

3.3 規(guī)范學(xué)生實驗操作行為，保護各類實驗器材

“蛋白質(zhì)變性”實驗操作需要學(xué)生獨立完成，而在整個實驗過程中，需要使用大量實驗器材，例如恒溫水浴鍋、各類酸性物質(zhì)等，如果使用不當，就會發(fā)生安全事故。例如學(xué)生在實驗操作過程中由于行為不規(guī)范碰掉恒溫水浴鍋，將里面的熱水灑到自己或者他人身上，造成燙傷。因此，在實驗操作中，一方面教師要加強對學(xué)生實驗行為規(guī)范的管理。對不規(guī)范的行為要及時制止，全面做好學(xué)生的安全管理工作；另一方面，學(xué)生要從自身做起，嚴格按照實驗操作規(guī)范要求進行操作，在使用各類實驗器材時輕拿輕放、安全有序，有效保護各類實驗器材的安全。例如學(xué)生在完成實驗操作后要及時清理實驗臺衛(wèi)生，保證實驗臺面、藥品架、水池清潔整齊，各類實驗試劑按照實驗要求規(guī)格使用，多余的試劑及材料要按照教師的要求進行回收，防止隨意丟棄污染環(huán)境。

3.4 做好實驗數(shù)據(jù)記錄，及時轉(zhuǎn)化為自身知識

在“蛋白質(zhì)變性”實驗操作過程中，教師要及時指導(dǎo)學(xué)生做好相關(guān)實驗結(jié)果的記錄工作，學(xué)生通過記錄實驗數(shù)據(jù)不僅能對所學(xué)知識加深記憶，還可以及時對實驗結(jié)果是否準確與他人進行對比。因此，學(xué)生要及時做好實驗數(shù)據(jù)記錄工作。由于“蛋白質(zhì)變性”實驗內(nèi)容豐富，在規(guī)定時間內(nèi)，學(xué)生不能參與全部活動，通常建議每小組在研究性活動時間內(nèi)選擇2項探究性實驗和1項實踐活動，有興趣的學(xué)生可利用課余時間繼續(xù)實驗[6]。

4 結(jié)語

“蛋白質(zhì)”是高中生物教學(xué)的重點與難點，生物實驗教學(xué)是提高學(xué)生知識水平的重要途徑?；诤诵乃仞B(yǎng)教育的深入實施，為了提升學(xué)生的認知能力，增強學(xué)生運用所學(xué)理論知識解決生活實際問題的能力，教師要積極開展“蛋白質(zhì)變性”實驗教學(xué)，讓學(xué)生更加直觀地了解蛋白質(zhì)變性的機理，獲悉影響蛋白質(zhì)變性的具體因素，促進學(xué)生的全面發(fā)展。