“蛋白質(zhì)變性”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

趙 竹 （北京師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)華夏女子中學(xué) 北京 100032）

生命是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最高形式。在生命物質(zhì)體系中，蛋白質(zhì)是生命體現(xiàn)者，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是其承載生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。為了促使學(xué)生深入理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，在研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中，筆者引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究蛋白質(zhì)變性或沉淀的原因及其影響因素，取得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益。

1 問題提出

《全日制普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出，“分子與細(xì)胞”模塊課程內(nèi)容的價(jià)值在于：幫助學(xué)生較深入地認(rèn)識(shí)生命的物質(zhì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，理解生命活動(dòng)中物質(zhì)的變化、能量的轉(zhuǎn)換和信息的傳遞，以及細(xì)胞更新的方式。 尤其強(qiáng)調(diào)蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子對(duì)生命活動(dòng)的重要性及其變化。

不同版本的高中生物學(xué)教材都描述了蛋白質(zhì)的重要性，例如“一切生命活動(dòng)都離不開蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”“蛋白質(zhì)在生物體中的作用非常重要”“生物體的一切生命活動(dòng)都與蛋白質(zhì)有關(guān)”。 浙科版教材還提到“蛋白質(zhì)的每種特定功能都與其特定的結(jié)構(gòu)有關(guān)”。 可見，蛋白質(zhì)是高中生物學(xué)課程內(nèi)容的重點(diǎn)之一。

蛋白質(zhì)屬于生物大分子，其結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，易受環(huán)境因素影響發(fā)生改變，從而影響其化學(xué)性質(zhì)和生理功能。在蛋白質(zhì)化學(xué)知識(shí)體系中，結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能三者的關(guān)系概括如圖1。 但囿于教學(xué)時(shí)間、學(xué)生認(rèn)知水平等限制，高中生物學(xué)教材對(duì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的闡述有限，也沒有介紹蛋白質(zhì)性質(zhì)及其影響因素。 這樣，學(xué)生對(duì)蛋白質(zhì)功能處于機(jī)械記憶的狀態(tài)，難以認(rèn)識(shí)和理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，不利于發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的理性思維、 科學(xué)探究和實(shí)踐能力，將“蛋白質(zhì)變性與沉淀”作為一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究課題，引領(lǐng)學(xué)生自主探究蛋白質(zhì)變性或沉淀的原因及其影響因素，并嘗試將蛋白質(zhì)變性原理應(yīng)用于制作某種食品的實(shí)踐活動(dòng)中。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

蛋白質(zhì)化學(xué)研究得知，天然蛋白質(zhì)分子是由肽鏈組成的，一條或多條肽鏈呈現(xiàn)的規(guī)則而緊密排列的結(jié)構(gòu)形式，是由氫鍵及其他次級(jí)鍵維持的，氫鍵等次級(jí)鍵一旦被破壞，天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)就變?yōu)椴灰?guī)則而松散的排列方式，變性蛋白質(zhì)分子聚集或纏結(jié)在一起而凝固或結(jié)絮。 蛋白質(zhì)溶液也會(huì)因加酸、堿、醇、中性鹽、重金屬鹽等，降低其溶解度而形成蛋白質(zhì)沉淀。

誘發(fā)蛋白質(zhì)變性或沉淀的因素很多，從高一學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和生活經(jīng)歷出發(fā)，筆者選擇高溫、重金屬離子、酒精、酸性物質(zhì)（pH）等因素，設(shè)計(jì)了4組誘發(fā)蛋白質(zhì)性質(zhì)改變的開放性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，以及探討豆腐制作原理的實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室自主選擇并完成某些探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

2.1 溫度對(duì)蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)1：燙發(fā)

1）實(shí)驗(yàn)原理：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，高溫使硫鍵斷裂而改變結(jié)構(gòu)形式，直順的毛發(fā)呈卷曲狀，遇水后角蛋白結(jié)構(gòu)又會(huì)重新組合而恢復(fù)原狀。

2）材料設(shè)備：卷發(fā)棒、噴壺、吹風(fēng)機(jī)。

3）方法步驟：學(xué)生2 人一組，一位學(xué)生為另一位同伴燙發(fā)。 具體操作過程：事先將卷發(fā)棒加熱到130℃，隨意燙出心怡的形狀，再用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)定型；用噴壺噴水，木梳梳頭，吹干后觀察頭發(fā)的形態(tài)。

4）注意事項(xiàng)：卷發(fā)棒的溫度應(yīng)設(shè)置為130℃，過高頭發(fā)會(huì)燙焦，過低無法改變頭發(fā)的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致燙發(fā)失敗。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)2：探究不同溫度對(duì)蛋白液的影響

1）實(shí)驗(yàn)原理：不同溫度對(duì)生雞蛋蛋白液的影響不同，在75℃以上條件下，卵清蛋白變?yōu)榈鞍讐K而凝固。 蛋白質(zhì)的熱變性主要是肽鏈?zhǔn)軣嵋饸滏I破壞的結(jié)果。

2）材料設(shè)備：雞（鴨）蛋2 個(gè)、碗1 個(gè)、湯匙1個(gè)、 恒溫水浴鍋、250 mL 燒杯4 個(gè)、20 mL 試管4支、油性標(biāo)記筆1 支、刻度吸液管1 支。

3）方法步驟：①用記號(hào)筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標(biāo)記；②破碎雞蛋殼，將蛋清和蛋黃傾入碗里。用湯匙蔽住蛋黃，用刻度吸液管吸取卵蛋白液；③分別向4 支試管注入等量的卵蛋白液；④按下列方案（表1）對(duì)樣品依次進(jìn)行恒溫水浴處理10 min，然后比較觀察各個(gè)試管中蛋白質(zhì)狀態(tài)，并記錄；⑤分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)結(jié)論。

表1 探究溫度影響蛋白質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案

4）注意事項(xiàng)：恒溫水浴鍋的使用要從60～80℃依次遞增，嚴(yán)格控制溫度值及其處理時(shí)間。

2.2 重金屬對(duì)蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響

1）實(shí)驗(yàn)原理：蛋白質(zhì)分子在堿性溶液中帶負(fù)電荷，可與重金屬離子（Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pe2+、Fe3+）作用，結(jié)合成不溶性鹽而沉淀。若發(fā)生飲食鉛中毒或汞中毒時(shí)，及時(shí)飲用蛋清液等，蛋白質(zhì)與重金屬離子結(jié)合引起嘔吐，有解毒作用。

2）實(shí)驗(yàn)材料和試劑:水、蛋清、豆?jié){、牛奶、4 支試管、試管架、大燒杯、4 支膠頭滴管、量筒、0.1 mol/L硝酸鉛溶液或硫酸銅溶液

3）方法與步驟:①用記號(hào)筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標(biāo)記； ②分別向4 支試管注入等量（2 mL）的水、蛋清、豆?jié){、牛奶；③按下列方案（表2）向各個(gè)樣液分別滴加濃度為0.1 mol/L 的硝酸鉛溶液0.5 mL，充分搖勻；④比較觀察各個(gè)樣液中發(fā)生沉淀的現(xiàn)象，并記錄。

表2 探究重金屬離子影響蛋白質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案

4）注意事項(xiàng)：重金屬有毒，操作需小心，若濺到皮膚上，立即用清水反復(fù)沖洗。 也可改用1%硫酸銅溶液。

2.3 酒精濃度對(duì)蛋白質(zhì)變性的影響

1）實(shí)驗(yàn)原理：乙醇能吸水，破壞蛋白質(zhì)膠粒的水化層，使蛋白質(zhì)凝固或沉淀。 醫(yī)療常用75%乙醇消毒，該濃度的乙醇分子能更多地?cái)U(kuò)散到細(xì)菌體內(nèi)，細(xì)菌因體內(nèi)蛋白質(zhì)沉淀而死亡。95%乙醇吸水力強(qiáng)，可使細(xì)菌體表蛋白迅速變性，形成保護(hù)膜，乙醇分子不能擴(kuò)散到細(xì)菌體內(nèi)，無法殺死細(xì)菌。

2）材料和試劑：蛋清、50%乙醇溶液、75%乙醇溶液、無水乙醇、4 支試管、試管架、帶刻度的塑料滴管。

3）方法與步驟: ①用記號(hào)筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標(biāo)記； ②分別向4 支試管注入等量的蛋清液，再分別加入少許NaCl 晶體（小鹽粒）；③待鹽粒溶解后，按下列方案（表3）向各個(gè)樣液分別加入處理液2 mL；④比較觀察各個(gè)樣液中發(fā)生沉淀的現(xiàn)象，并記錄。

表3 探究不同濃度乙醇影響蛋白質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案

2.4 酸性物質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響

1）實(shí)驗(yàn)原理：蛋白質(zhì)在酸性溶液中帶正電荷，能與帶負(fù)電荷的酸根相結(jié)合，形成溶解度小的鹽類而沉淀。 濃酸可以使蛋白質(zhì)中的氫鍵斷裂，變?yōu)椴蝗苄宰冃缘鞍踪|(zhì)。 加熱會(huì)加速酸化蛋白質(zhì)的沉淀。

2）材料和試劑：蛋清液、不同濃度的醋酸溶液、4 支試管、試管架、膠頭滴管。

3）方法與步驟：①用記號(hào)筆在4 支試管上分別做A、B、C、D 標(biāo)記； ②分別向4 支試管注入等量的蛋清液（2 mL）；③按下列方案（表4）向各個(gè)樣液分別加入不同濃度的醋酸溶液0.5 mL；④比較觀察各個(gè)樣液中發(fā)生沉淀的現(xiàn)象，并記錄在表格中。

表4 探究酸性物質(zhì)影響蛋白質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案

2.5 探討豆腐花的制作原理 前面的實(shí)驗(yàn)課題都是學(xué)生遵循實(shí)驗(yàn)原理，完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)操作活動(dòng)，觀察蛋白質(zhì)變性的現(xiàn)象。制作豆腐花的實(shí)踐活動(dòng)，則是促使學(xué)生探究豆腐的制作原理。

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簠⑴c豆腐花的制作活動(dòng)，依據(jù)材料性質(zhì)、凝固劑成分和制作方法等，推測(cè)豆腐花的制作原理，并用搜集的資料信息加以證實(shí)。

2）材料與用具：自制的豆?jié){、凝固劑(石膏或內(nèi)酯)、電爐、奶鍋、勺、飲食器具。

3）方法步驟：①制豆?jié){：夏天將干黃豆浸泡3～4 h，冬天泡7～8 h。 泡好后將其放入豆?jié){機(jī)內(nèi)制成熱豆?jié){；②點(diǎn)漿：按凝固劑包裝上的用量說明［一般石膏粉用量為豆?jié){量的（3～5）‰，內(nèi)酯用量為（1～2）‰］，將適量的凝固劑用少量水調(diào)勻，倒入裝豆腐腦的容器內(nèi)。 然后，將煮好的豆?jié){趁熱（內(nèi)酯豆腐腦85℃左右，石膏豆腐腦95℃左右）沖入，沖完后用勺攪動(dòng)幾下，使豆?jié){與凝固劑混合充分，但不能攪動(dòng)太多太快；③墩腦：漿點(diǎn)好后，將容器蓋好，靜置5～10 min，即成鮮嫩可口的豆腐腦；④調(diào)味：內(nèi)酯豆腐腦會(huì)有稍許酸味，石膏豆腐腦有點(diǎn)苦澀味?？筛鶕?jù)自己的習(xí)慣調(diào)味。若喜歡吃甜的，也可在制漿時(shí)加入適量的白糖。

4）問題思考：

①北方人將豆腐花稱為豆腐腦。豆腐花是制作豆腐的半成品，它含有豐富的大豆蛋白質(zhì)，還含有很多鈣、磷等人體所需礦物質(zhì)和微量元素，可促進(jìn)骨骼的成長(zhǎng)和預(yù)防骨質(zhì)疏松，特別適合兒童和老年人食用。 為什么制作豆腐花要用煮好的熱豆?jié){？

②豆腐凝固劑主要有3 種：石膏、內(nèi)酯、鹽鹵。做豆腐腦主要用石膏或葡萄糖酸內(nèi)酯。 為什么石膏和葡萄糖酸內(nèi)酯能促使熱豆?jié){凝固？

③民間有南、北豆腐之分，北豆腐的凝固劑是鹽鹵，南豆腐的凝固劑是石膏。為什么鹽鹵能促使熱豆?jié){凝固？ 你知道使用鹽鹵制作豆腐的利與弊嗎？

5）課后作業(yè)：利用習(xí)得的有關(guān)蛋白質(zhì)變性的知識(shí)，以及網(wǎng)絡(luò)等渠道搜集的現(xiàn)象，撰寫“制作豆腐花”實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的參與對(duì)象是高一對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)感興趣的學(xué)生，以及高二參與研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的學(xué)生。學(xué)生以研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)小組為單位（每組4～5 人），利用課余或小組活動(dòng)時(shí)間，到開放式實(shí)驗(yàn)室在教師協(xié)助下，自主選擇和開展某些（建議3項(xiàng)）探究活動(dòng)。 該實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的具體實(shí)施方法如下。

3.1 做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作主要有2 項(xiàng)：①各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的材料、試劑和設(shè)備；②引領(lǐng)學(xué)生獨(dú)立操作的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備分為3 類：①燙發(fā)的實(shí)踐活動(dòng)，安排在相對(duì)較安靜的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備室里進(jìn)行。②4 項(xiàng)探究蛋白質(zhì)變性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，分別布置在實(shí)驗(yàn)室的4 個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，既防止材料、試劑和器具的混用，又方便學(xué)生規(guī)范性操作。③制作豆腐花的實(shí)踐活動(dòng)，教師提前制備熱豆?jié){和稱量凝固劑，學(xué)生實(shí)施制作過程。提前發(fā)放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，以利于各小組選擇、預(yù)習(xí)和搜集資料信息，以及協(xié)助教師完成某些實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

3.2 協(xié)助小組選擇 該項(xiàng)探究性實(shí)驗(yàn)安排1 課時(shí)完成。 由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，學(xué)生不能參與全部活動(dòng)。 通常建議每小組在研究性活動(dòng)時(shí)間內(nèi)選擇2 項(xiàng)探究性實(shí)驗(yàn)和1 項(xiàng)實(shí)踐活動(dòng)，有興趣的學(xué)生可利用課余時(shí)間繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3.3 提供必要服務(wù) 彈性時(shí)間安排和持續(xù)日期長(zhǎng)，是開放式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的特點(diǎn)之一。為了保證給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)提供必要的服務(wù)，實(shí)驗(yàn)室提早知會(huì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間、 地點(diǎn)和必要的自我準(zhǔn)備。 同時(shí)，要求每小組確定具體活動(dòng)時(shí)間后，提前一天與實(shí)驗(yàn)教師取得聯(lián)系，必要時(shí)參與某些實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

3.4 提醒規(guī)范操作 在開放性實(shí)驗(yàn)室開展的研究性活動(dòng)，是以學(xué)生自主探究為主，教師主要是設(shè)計(jì)、組織和協(xié)助者。 但在實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`過程中，學(xué)生會(huì)接觸到電器、熱源（恒溫水浴鍋、高溫豆?jié){）、有毒或腐蝕性試劑等，因此，教師要適當(dāng)監(jiān)督學(xué)生的操作活動(dòng)，并要求依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的注意事項(xiàng)進(jìn)行規(guī)范性操作。

3.5 開展網(wǎng)絡(luò)交流 在該項(xiàng)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中，師生共同嘗試?yán)秒娔X或手機(jī)開展網(wǎng)絡(luò)交流。 主要內(nèi)容包括：①將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)發(fā)到活動(dòng)群里，便于學(xué)生提前預(yù)習(xí)或提出疑問； ②將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)論發(fā)到群里，實(shí)驗(yàn)成果共享和相互啟發(fā)；③交流網(wǎng)上搜集并加工整理的資料信息，實(shí)現(xiàn)資源共享和提高學(xué)習(xí)效率。此外，還嘗試?yán)镁W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，以實(shí)驗(yàn)成果和資料信息為評(píng)價(jià)內(nèi)容，采取學(xué)生間評(píng)議與教師評(píng)定相結(jié)合的方式。 表5、圖2是學(xué)生網(wǎng)傳的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)論。

表5 探究重金屬離子影響蛋白質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)論

4 教學(xué)反思

筆者是一名年輕的中學(xué)生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)員，除為一線教師充分做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備等工作外，在領(lǐng)導(dǎo)和教師的鼓勵(lì)與大力支持下，嘗試挖掘和捕捉教材中的生活信息，圍繞某個(gè)重要概念開發(fā)一些生活化、趣味性的探究學(xué)習(xí)活動(dòng)。通過教學(xué)實(shí)踐體會(huì)到，實(shí)驗(yàn)探索不僅有助于提高教師自身的專業(yè)素質(zhì)，且有助于擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)視野，提高學(xué)習(xí)生物學(xué)科的興趣，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。在深化基礎(chǔ)教育體制機(jī)制改革的新時(shí)期，筆者將繼續(xù)探索生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的途徑和方法。