教材中“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”的幾點(diǎn)探討

何曉瑩 李楚華

摘要 人教版高中生物必修1的教材在“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”這部分科學(xué)史中的相關(guān)描述較為簡(jiǎn)略，易使師生產(chǎn)生疑問和誤解。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，嘗試對(duì)巴斯德、畢希納實(shí)驗(yàn)的背景和具體過程等問題進(jìn)行探討和分析，為該部分科學(xué)史的教學(xué)設(shè)計(jì)提供一些參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞 巴斯德 畢希納 無細(xì)胞酵解實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)Q-49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 E

在人教版高中生物《必修1.分子與細(xì)胞》的第五章第一節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”中插入了“關(guān)于酶本質(zhì)的探索”的科學(xué)史內(nèi)容，但是關(guān)于巴斯德、李比希、畢希納的相關(guān)描述比較簡(jiǎn)略，容易引發(fā)師生的疑問和誤解。例如，巴斯德實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物是葡萄糖，這是真的嗎？當(dāng)巴斯德和李比希的觀點(diǎn)相悖時(shí)，偉大的科學(xué)家巴斯德竟想不出做活酵母和死亡酵母提取物的對(duì)比實(shí)驗(yàn)嗎？如果巴斯德嘗試了，為什么不成功？畢希納所做的實(shí)驗(yàn)看起來比較簡(jiǎn)單，在30年間，竟沒有一個(gè)人嘗試這種方法嗎？畢希納的實(shí)驗(yàn)過程真的是這樣的嗎？

通過查閱國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)，有關(guān)畢希納的無細(xì)胞酵解實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)的文章中極少，國(guó)外則比較多。在此基礎(chǔ)上，嘗試對(duì)上述的問題做出較科學(xué)的回答，呈現(xiàn)較清晰的有關(guān)酶的發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史，以便為該部分的教學(xué)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 背景

酶在古代就已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活實(shí)踐，比如我國(guó)人民夏禹時(shí)代就會(huì)釀酒，周朝就會(huì)制飴、制醬，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就會(huì)用曲來治療消化不良的疾病等。但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們并不清楚發(fā)酵的具體過程是怎樣的。

直至18世紀(jì)末，人們才認(rèn)識(shí)到，在發(fā)酵過程中糖類分解成了酒精和二氧化碳。1810年，蓋·呂薩克（CayLussac）表明發(fā)酵后酒精和二氧化碳的重量之和幾乎等于糖的重量。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為，發(fā)酵中產(chǎn)生的酵母不過是其中的一種副產(chǎn)品。

在1837年，拉圖爾（Cagniard Latour）、庫(kù)茨因格（Friedrich Kutzing）和施旺（Theodor Schwann）先后用顯微鏡（放大倍數(shù)約為500倍）觀察酵母，他們得出了一致的結(jié)論：酵母是活的有機(jī)體。但這個(gè)觀點(diǎn)被當(dāng)時(shí)的大多數(shù)化學(xué)家反對(duì)甚至嘲笑，當(dāng)時(shí)化學(xué)界的權(quán)威李比希（Justus von Liebig）認(rèn)為，酵素的形成是空氣與糖液相互作用的結(jié)果，正在分解的酵素可通過接觸使糖也發(fā)生同種變化，即分解成酒精和二氧化碳。值得一提的是，李比希似乎沒有做過發(fā)酵相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來證明他的觀點(diǎn)。

2 巴斯德與活酵母發(fā)酵

2.1 活力論的提出

19世紀(jì)初，拿破侖戰(zhàn)爭(zhēng)期間，英國(guó)對(duì)法國(guó)進(jìn)行封鎖使其無法進(jìn)口蔗糖，所以當(dāng)時(shí)法國(guó)北部廣泛種植甜菜并建造了許多甜菜酒精廠。1854年，巴斯德（LouisPasteur）被任命為里爾地區(qū)的化學(xué)教授，當(dāng)時(shí)用甜菜汁（主要是蔗糖）生產(chǎn)工業(yè)酒精是里爾地區(qū)的主要工業(yè)。1856年11月，里爾的工業(yè)家就酒液變酸的問題請(qǐng)教巴斯德。巴斯德開始研究發(fā)酵，并于1857年發(fā)表《關(guān)于乳酸發(fā)酵的記錄》，于1860年發(fā)表《論酒精發(fā)酵》，提出著名的“活力論”：發(fā)酵是與酵母細(xì)胞的生命活動(dòng)密不可分的。

在設(shè)計(jì)該節(jié)課時(shí)，有些教師會(huì)比較巴斯德和畢希納的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物都是葡萄糖。但是，根據(jù)科學(xué)史這是不準(zhǔn)確的。巴斯德從開始研究發(fā)酵到提出活力論這兩年多，研究的一直是甜菜糖，也就是蔗糖。直至1863年，拿破侖三世委托巴斯德研究葡萄酒（主要含葡萄糖）變酸的問題，巴斯德去法國(guó)各地研究，發(fā)現(xiàn)了葡萄酒變質(zhì)的不同問題是由不同微生物引起的，并發(fā)明了著名的“巴氏消毒法”。

2.2 李比希與巴斯德之爭(zhēng)

1859年前后，當(dāng)時(shí)國(guó)際著名的化學(xué)家李比希認(rèn)為巴斯德搞錯(cuò)了。李比希認(rèn)為發(fā)酵是一種化學(xué)作用而不是生物作用;重要的不是酵母的存活，而是它的死亡，“是酵母已經(jīng)死亡的那部分（即酵素），即剛死亡并正在變質(zhì)的那部分對(duì)糖發(fā)生作用”。

巴斯德想跟對(duì)手會(huì)面，但李比希拒絕進(jìn)行任何討論。關(guān)于發(fā)酵的問題一直爭(zhēng)論不斷。引起發(fā)酵的到底是酵母細(xì)胞的生命活動(dòng)，還是酵母細(xì)胞死亡后的某種酵素呢？相信如果不考慮當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制的話，大多數(shù)學(xué)生都可以想到設(shè)置一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證：一組加入酵母活細(xì)胞，一組加入死亡的酵母提取物，看兩者的結(jié)果如何。作為一名出色的科學(xué)家，巴斯德難道想不到這一點(diǎn)嗎？

根據(jù)巴斯德的主要助手、后來成為巴斯德研究所所長(zhǎng)的埃米爾·魯（Emile Roux）的回憶，1878年前后，巴斯德試圖從酵母中分離出“酒精酵素”：在研缽中研磨;錘擊冷凍的酵母細(xì)胞;再次把酵母細(xì)胞放在濃溶液中，使糖滲透進(jìn)入細(xì)胞。但是，這些方法都不成功，巴斯德并沒有找到“酒精酵素”。不僅僅是巴斯德，從貝洛特（ （Berthelot）、邁耶（Mayer）、內(nèi)格里（Naegeli）到洛夫（Low），每一次試圖從酵母細(xì)胞中提取或分離這種特殊的化學(xué)物質(zhì)的嘗試都失敗了。

巴斯德說，“糖的分解的化學(xué)過程到底怎樣，其內(nèi)在原因究竟何在？我承認(rèn)我對(duì)此一無所知。對(duì)于這種假定的物質(zhì)（酵素），我既不能承認(rèn)它們也不能否認(rèn)它們，我將永遠(yuǎn)力圖不超出事實(shí)?！逼鋵?shí)，這正體現(xiàn)了巴斯德作為一名科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)性。關(guān)于發(fā)酵的問題，直至巴斯德死后的第二年，畢希納才證明了發(fā)酵的復(fù)雜機(jī)制。

3 畢希納與無細(xì)胞酵解

3.1 背景

1893年，化學(xué)家畢希納（Eduard Biichner）的哥哥漢斯（Hans Buchner）對(duì)細(xì)菌原生質(zhì)蛋白非常感興趣。通常從細(xì)胞中分離蛋白質(zhì)的方法是化學(xué)提取，但這個(gè)過程會(huì)破壞蛋白質(zhì)并降低其活性。所以，漢斯請(qǐng)教了弟弟。他們?cè)谟懻撝械贸鼋Y(jié)論：細(xì)胞必須通過純機(jī)械的方法破碎。畢希納嘗試把酵母的細(xì)胞膜冷凍到一16℃，然后快速解凍，但沒有成功;直接在研缽中研磨也失敗了。最終，他發(fā)現(xiàn)，用石英砂研磨的效果很好。

但是，另外一個(gè)問題又產(chǎn)生：如何從細(xì)胞碎片和石英砂中分離出這種細(xì)胞的內(nèi)含物呢？漢斯的助手哈恩（Martin Hahn）通過在破碎后的酵母團(tuán)中加入硅藻土，用水壓機(jī)將細(xì)胞內(nèi)含物過濾出來，就得到這種酵母汁。當(dāng)時(shí)，過濾出來的酵母汁用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的葡萄糖溶液保存。

1896年，畢希納注意到保存于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的葡萄糖溶液的酵母汁會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡流，他意識(shí)到，這可能是真正的無細(xì)胞酵解。

3.2 無細(xì)胞酵解實(shí)驗(yàn)

1897年，在哈恩的幫助下，畢希納成功地制備出一種酵母提取液，這種酵母提取液不含細(xì)胞，具體過程如下：將酵母與相同重量的石英砂和1/5重量的硅藻土混合，手工研磨幾分鐘，原先干燥、堅(jiān)硬的酵母則很快成為灰黑色的松軟物。研磨裝置由直徑40 cm的研缽和研杵組成，研杵柄部的鐵棒重達(dá)8 kg，由圓環(huán)固定（圖1）。將研磨后的酵母團(tuán)用結(jié)實(shí)的帆布包著放入水壓器（圖2）中。當(dāng)壓力漸增至90 kg/cm2的時(shí)候，液體即被擠壓出來，幾小時(shí)內(nèi)能從1 kg的酵母中得到500 mL的液體。畢希納還發(fā)現(xiàn)，這種酵母提取液可以讓葡萄糖、麥芽糖和蔗糖發(fā)酵，產(chǎn)生酒精。

無細(xì)胞發(fā)酵的發(fā)現(xiàn)，直接開創(chuàng)了酶學(xué)研究，推動(dòng)了酶的應(yīng)用。在1907年，畢希納因此獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

畢希納能夠解決這個(gè)歷時(shí)長(zhǎng)久的爭(zhēng)論，除了當(dāng)時(shí)提取技術(shù)上的發(fā)展之外，在某種程度上有一定的運(yùn)氣。1959年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲得者阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）說過，“巴斯德的運(yùn)氣不佳，

他所用的巴黎酵母是蔗糖酶缺陷型;畢希納則吉星高照，他的慕尼黑酵母抽提液中尚有相當(dāng)量的這種酶保持活力?！碑?dāng)蔗糖存在時(shí)，酵母菌合成蔗糖水解酶的功能被激活，合成后的蔗糖水解酶被分泌到細(xì)胞外，將一分子蔗糖水解為一分子葡萄糖和一分子果糖。而后，葡萄糖進(jìn)入酵母細(xì)胞內(nèi)氧化分解為乙醇。

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