自制酵母蔗糖酶進(jìn)行“酶的專一性”實(shí)驗(yàn)探究

夏 天

(浙江省余姚市第四中學(xué) 315400)

李 暉

(浙江省余姚市教育局教研室 315400)

“探究酶的專一性”是浙科版高中生物學(xué)必修1“酶”一節(jié)中的活動[1]。《浙江省普通高中學(xué)業(yè)水平考試暨高考選考科目考試說明》對本實(shí)驗(yàn)要求為c(應(yīng)用)[2]：通過比較唾液淀粉酶和蔗糖酶對淀粉和蔗糖的作用，分析酶的專一性，體驗(yàn)控制變量，并加深對對照實(shí)驗(yàn)的理解。然而，市售的蔗糖酶(蔗糖轉(zhuǎn)化酶)大多數(shù)為酸性蔗糖酶，最適pH在4.5左右，最適溫度在50℃左右，與唾液淀粉酶的最適pH、溫度等反應(yīng)條件差異大。此外，酶的催化效果并不理想。本實(shí)驗(yàn)從酵母菌中提取蔗糖酶，結(jié)果表明，在與唾液淀粉酶一致的實(shí)驗(yàn)條件下(pH中性，37℃)，酵母蔗糖酶水解蔗糖能力仍較好，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

1 酶溶液和淀粉溶液的制備

新鮮唾液(含唾液淀粉酶)：漱口，收集唾液，注意除去唾液里的氣泡(影響稀釋倍數(shù))，稀釋200倍(不同人的唾液淀粉酶活性有差異，稀釋倍數(shù)可適當(dāng)調(diào)整)[3]。

蔗糖酶溶液：取2g高活性干酵母置于研缽中，加0.2g石英砂和5mL蒸餾水，研磨15min，取出勻漿，稀釋10倍。置于45℃水浴5min使雜蛋白失活。過濾，保存濾液[4]。

1%淀粉溶液：用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的NaCl溶液配置淀粉溶液(可溶性淀粉含量1%)，加熱至略透明、無沉淀，即制成淀粉膠體(液溶膠)。Cl-為唾液淀粉酶的激活劑。

2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)過程 ①取6支試管，分別編號1號～6號，按表1所示添加試劑；充分混勻后，置于37℃恒溫水浴中保溫(可用恒溫水浴鍋；或用燒杯、石棉網(wǎng)、三腳架和酒精燈等搭建簡易水浴裝置)，反應(yīng)15min；②向6支試管各加2mL本尼迪特試劑(班氏試劑)，搖勻，熱水浴3min(若現(xiàn)象不明顯，可適當(dāng)延長反應(yīng)時間)；③記錄各試管的顏色。

表1 酶促反應(yīng)體系

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。3號試管呈紅黃色，6號試管呈橙黃色(產(chǎn)生的還原糖量相對較少)，靜置后均沉淀。其余試管均呈藍(lán)色。說明3號試管中淀粉在唾液淀粉酶的作用下水解產(chǎn)生還原糖，6號試管中蔗糖在蔗糖酶的作用下水解產(chǎn)生還原糖，其余試管由于未加酶或沒有對應(yīng)的酶，淀粉或蔗糖沒有水解。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：酶具有專一性。

表2 “探究酶的專一性”實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 討論

教師針對本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提問，引導(dǎo)學(xué)生討論。問題一：根據(jù)單一變量原則，找出作為對照實(shí)驗(yàn)的2支試管。學(xué)生會給出多種回答：① 1號和3號試管是對照實(shí)驗(yàn)，2號和6號試管是對照實(shí)驗(yàn)，其中1號試管、2號試管是各自組中的空白對照，用以表明本實(shí)驗(yàn)所用淀粉、蔗糖不與本尼迪特試劑反應(yīng)，不是還原糖，或未混有還原糖(排除假陽性)。② 3號和4號試管是對照實(shí)驗(yàn)，5號和6號試管是對照實(shí)驗(yàn)，各組中酶一致而底物不一致，相應(yīng)的酶只能催化對應(yīng)的底物水解，說明酶具有專一性。③ 3號和5號試管是對照實(shí)驗(yàn)，4號和6號試管是對照實(shí)驗(yàn)，各組中底物一致而酶不一致，相應(yīng)的底物只能被對應(yīng)的酶水解，說明酶具有專一性。

問題二：教師向?qū)W生展示使用實(shí)驗(yàn)室中久置的蔗糖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，2號和4號試管呈綠色，其他試管的現(xiàn)象與預(yù)期一致。2號和4號試管實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的不一致會引起學(xué)生思考這種反常現(xiàn)象的原因是什么。首先，教師提問為什么2號和4號試管會呈綠色，而不是藍(lán)色或紅黃色？有學(xué)生提出可能是藍(lán)色的本尼迪特試劑和紅黃色沉淀的混合色。那么怎么去證明？教師提示靜置后觀察。靜置一段時間后，顏色區(qū)分明顯，底部出現(xiàn)紅黃色沉淀，而上層清液呈藍(lán)色。接著，學(xué)生會進(jìn)一步去分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在排除試管未洗凈等可能性后，通過分析2號和4號試管都加入了蔗糖，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)用的蔗糖混有少量還原糖。

4 反思

教師在平時的教學(xué)中，應(yīng)盡可能地創(chuàng)造條件讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)過程中，可將“錯誤”呈現(xiàn)給學(xué)生，或讓學(xué)生自己去試錯。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期不一致時，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析原因，并鼓勵學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自己的假設(shè)。例如，教材中本實(shí)驗(yàn)的第4個討論題：如果5號試管(淀粉溶液+蔗糖酶溶液)內(nèi)呈現(xiàn)輕度陽性反應(yīng)，你認(rèn)為該怎么解釋？教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過比較各試管的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出多種解釋和檢驗(yàn)方案：①蔗糖酶溶液混有少量還原糖，檢驗(yàn)方案：用本尼迪特試劑檢測蔗糖酶溶液；②蔗糖酶溶液混有少量淀粉酶，檢驗(yàn)方案：新購蔗糖酶后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；③淀粉溶液混有少量蔗糖，檢驗(yàn)方案：新購淀粉后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；④試管沒清洗干凈，檢驗(yàn)方案：試管洗凈后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計進(jìn)行簡單評估的能力。鼓勵學(xué)生自己思考實(shí)驗(yàn)流程有什么不妥，應(yīng)如何改進(jìn)。例如，“酶的催化效率”實(shí)驗(yàn)中，1號試管加了少許雞肝勻漿或馬鈴薯勻漿(含過氧化氫酶)，2號試管加了少許MnO2，這意味著無法衡量兩種催化劑的用量，也就很難說哪種催化劑更高效了。針對此實(shí)驗(yàn)，可改用過氧化氫酶，分別加入等量過氧化氫酶和MnO2即可。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，應(yīng)盡可能做到量化，遵循等量原則。

本實(shí)驗(yàn)還應(yīng)注意若蔗糖放置過久，會產(chǎn)生少量還原糖，會使2號和4號試管(加了蔗糖)反應(yīng)后呈綠色，靜置后出現(xiàn)紅黃色沉淀。若有上述現(xiàn)象，應(yīng)新購蔗糖。也可以購買冰糖，用蒸餾水洗去表層，得到純凈的蔗糖[3]。

(基金項(xiàng)目：2017年寧波市基礎(chǔ)教育教研課題“基于核心素養(yǎng)的高中生物實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與教學(xué)研究”，No. LX2017208)