酶促反應平衡點和酶活性測定程序的教學探討

陳加敏 朱承慧

摘要在對全國課標卷中一道有關(guān)酶促反應的高考試題分析的基礎(chǔ)上，基于教學課堂實錄、論文文獻和實驗驗證，探討了酶促反應平衡點問題和酶活性影響因素的實驗程序科學設(shè)計問題，指出并非酶促反應都有平衡點，酶活性的測定程序差異會影響酶活性的測定結(jié)果，并為教學過程中遇到的困惑提供建議。

關(guān)鍵詞 酶活性 反應平衡 實驗程序

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

作為生物催化劑的酶，與無機催化劑相比，有相同之處，也有自身的特點。兩者的相同點有：①改變化學反應速率，本身不被消耗；②只能催化熱力學允許進行的反應；③加快化學反應速率，縮短達到平衡時間，但不改變平衡點；④降低活化能，加快反應速率。兩者的不同點有：高效性、專一性、多樣性、易變性、反應條件溫和、受到調(diào)節(jié)和控制、有些酶的催化活性與輔因子有關(guān)等。高中生物學教師在教學過程中，都能通過舉例、實驗探究、作圖等方式闡述相關(guān)內(nèi)容，引導學生理解酶的作用特點。但對酶促反應的平衡點和酶活性影響因素實驗程序的科學設(shè)計問題，通過聽課和學生問題反饋，筆者發(fā)現(xiàn)大多師生或沒能加以關(guān)注，或沒有能夠理解，以至遇到一些問題不能很好地解決。下面從分析一道引起大多教師困惑的全國課標卷高考試題開始，基于教師教學課堂實錄和論文文獻，并對該高考習題涉及的實驗加以驗證，探討酶促反應的平衡點和酶活性影響因素實驗程序的科學設(shè)計問題。

1高考試題分析

2016年全國生物高考課標卷II29題（只節(jié)選與本文討論有關(guān)的問題）：為了研究溫度對某種酶活性的影響，設(shè)置三個實驗組：A組（20℃）、B組（40℃）和C組（60℃），測定各組在不同反應時間內(nèi)的產(chǎn)物濃度（其他條件相同），結(jié)果如圖1所示。回答下列問題：

（3）如果在時間t2時，向C組反應體系中增加2倍量的底物，其他條件保持不變，那么在t3時，C組產(chǎn)物總量，原因是。

參考答案為：C組產(chǎn)物總量不變；60℃條件下，t2時酶已失活，即使增加底物，反應產(chǎn)物總量也不會增加。

試題分析：這道題的難度并不大，答案也一目了然。但如果仔細讀取信息，有兩點值得深究：①酶只能催化熱力學允許進行的反應，并且不能改變平衡點。那么，為什么60℃下反應的最終產(chǎn)物濃度不趨同于20℃或40℃？增加2倍的底物，為什么產(chǎn)物濃度也不增加？②尤其值得注意的是，60℃處理會使酶失活，那么，為什么在t1時間前會有產(chǎn)物的生成？

2酶促反應平衡點

在學習教材中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗后，基本上所有的教師都會使用圖2來解釋、比較和歸納酶的作用特點：酶具有催化作用，只能催化熱力學允許進行的反應；且與無機催化劑相比，酶的催化效率更高，即酶具有高效性；酶不改變反應的平衡點（平衡常數(shù)）。

是否酶促反應都有平衡點呢？基于高中教學，引用人教版《高中化學選修4·化學反應原理》中給出的化學平衡定義：在一定條件下，當正、逆兩個方向的反應速率相等時，反應體系中所有參加反應的物質(zhì)的質(zhì)量（溶液中表現(xiàn)為濃度）可以保持恒定。這時的狀態(tài)也就是在給定條件下，反應達到了“限度”，對于可逆反應體系來說，稱之為“化學平衡狀態(tài)”。構(gòu)成反應平衡體系有兩個基本要求：①反應物和所有產(chǎn)物均處于同一反應體系中，反應條件（溫度、壓強等）保持不變；②達到化學平衡時，體系中所有反應物質(zhì)量（或濃度）保持不變，但是這個體系中的反應并沒有停止，只是正、逆反應的速度相等。反應平衡是可逆反應中的一種現(xiàn)象，而不可逆反應（即反應物能夠徹底反應成產(chǎn)物的反應）一般不認為具有反應平衡現(xiàn)象。

那么，酶促反應是否皆為可逆反應呢？事實并非如其，部分酶促反應屬于不可逆反應，如在適宜條件中，淀粉酶徹底水解淀粉，過氧化氫酶徹底分解過氧化氫等。筆者取兩支試管（A管和B管），分別加入淀粉溶液，在A試管中加入新鮮唾液（含唾液淀粉酶），B試管中加入等量蒸餾水，37℃水浴反應10 min后用斐林試劑檢測，可以檢測出A試管磚紅色出現(xiàn)，而B管中無磚紅色出現(xiàn)，產(chǎn)物為零。可見，在一定時間內(nèi)，A、B試管中的產(chǎn)物并不會出現(xiàn)產(chǎn)物濃度趨同的現(xiàn)象。因此，可以總結(jié)出兩個有關(guān)酶促反應平衡點的事實：①并非酶促反應都有平衡點，部分酶促反應為非可逆反應，可將底物徹底反應，如淀粉酶、蛋白酶等，不具有反應平衡現(xiàn)象；②不同條件下的反應難易程度不同，如由于純淀粉自發(fā)水解反應所需的活化能很高，純淀粉自發(fā)水解基本上不可能的；而淀粉酶可顯著降低淀粉水解的活化能，加快淀粉水解。因此，繪制曲線產(chǎn)物量隨時間的變化曲線，在不同條件下反應的反應曲線并非皆為圖2所示，也會出現(xiàn)圖1所示的結(jié)果，即當酶失活后，反應隨即停止，出現(xiàn)產(chǎn)物量不再增加的現(xiàn)象。

此外，還需要說明的是，平衡點并非固定的，反應條件改變，如壓強、溫度等環(huán)境改變時，平衡點可能也會改變，因此平時所說的酶促反應不改變平衡點，需要與特定條件下的對照試驗相比較。

3“探究溫度對酶活性影響”的實驗程序差異對產(chǎn)物的影響

在教學過程中，許多師生對2016年全國生物高考課標卷Ⅱ29題中60℃處理的反應曲線感到困惑，即：60℃處理會使酶失活，那么為什么在t1時間前，仍然有產(chǎn)物的生成？該題探究的是溫度對某種酶活性的影響，高中人教版教材《生物選修1·生物技術(shù)實踐》給出了“探究溫度對酶活性的影響”具體的實驗流程圖。依據(jù)該流程圖，2016年課標卷Ⅱ29題中，“探究20℃、40℃和60℃對酶活性影響”的實驗程序應該如下（方案一）：①將分別裝有底物和酶的試管在20℃、40℃和60℃充分水浴保溫；②將酶和底物混合反應一段時間；③測定產(chǎn)物的生成量。按照此實驗程序，預測結(jié)果：如果60℃使酶失活，那么按照此流程圖操作，60℃條件下測得的產(chǎn)物濃度應該為零。筆者以唾液淀粉酶和淀粉溶液為材料模擬了該實驗，按照此方案，60℃條件下用斐林試劑檢測，并無磚紅色產(chǎn)物出現(xiàn)，符合預期產(chǎn)物為零的結(jié)果。

可是觀察題目圖1可以看出，60℃條件下，在t1時間前酶表現(xiàn)出一定的活性，t1時間后，酶才徹底失活的，顯然2016年課標卷Ⅱ29題中探究“溫度對酶活性的影響”并非按照上述方案一程序操作，那么該題的試驗結(jié)果是按照什么操作程序獲得的呢？

由于酶促反應中緩沖液和底物的體積較大，而酶因具有微量高效的特點，加入量較少，且酶都在低溫下保存，在科研工作中，普遍的做法是在一定的條件下充分處理底物和緩沖液的混合混合物后，再加入體積較小的酶。根據(jù)科學研究中常用的酶促反應程序，筆者利用唾液淀粉酶和淀粉溶液為材料模擬了本實驗，操作程序（方案二）：①在20℃、40℃和60℃中分別充分水浴淀粉；②將獲得的新鮮唾液（含唾液淀粉酶）和底物混合，反應一段時間；③用斐林試劑測定產(chǎn)物的生成量。實驗結(jié)果表明，測定的產(chǎn)物曲線變化與圖1曲線吻合。60℃會使淀粉酶失活，那么為什么在按照方案二實驗操作，60℃條件下加入酶在t1時間前會表現(xiàn)出一定的酶活性呢？原因主要有：①在60℃水浴反應物溶液中，加入常溫（或底溫）的酶液，由于溫度的差異，在反應體系不同溫度混合處可發(fā)生酶促反應產(chǎn)生產(chǎn)物；②60℃高溫雖然會使酶失活，但酶的完全失活需要一定的過程，在完全失活前，能表現(xiàn)出一定的酶活性。

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，在“探究溫度對酶活性的影響”實驗中，操作程序不同會導致酶促反應結(jié)果的差異。在此需要強調(diào)的是，雖然人教版教材《生物選修1·生物技術(shù)實踐》中給出了“溫度對酶活性影響”的實驗程序（同上述方案一），但筆者通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，迄今為止，全國卷生物學高考試題考查“酶活性的影響因素”知識時，實驗流程皆按照上述方案二程序進行，如2010年海南卷考查“激活劑或抑制劑對酶活性的影響”，2012年全國大綱卷考查“pH對唾液淀粉酶活性影響”，2016全國生物學課標1卷題3“測定酶活性的合理順序”等。因此，在教學過程中，教師在教授“酶活性的影響因素實驗”時，可以結(jié)合高考試題，科學地分析實驗程序以及實驗程序的差異導致的預期結(jié)果的不同。

參考文獻：

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