基于STEM教育理念的實驗教學改革

段永平 趙美榮 張春年 陳子怡

摘 要：本文基于STEM教育理念，就酶活測定實驗教學過程中如何落實進行了探討，即對酶活測定的傳統(tǒng)教學模式進行改革，在保證落實基本教學目標的前提下，把常用的酶促反應條件，如反應介質(zhì)的離子強度、緩沖溶液、反應組分及其濃度為自變量條件引入課堂，指導學生主動探究它們對酶促反應的影響.通過指導學生查閱資料、設計初步實驗方案、通過師生討論確定實驗方案，最后實施實驗方案.通過這一教學過程，加深了學生對酶及酶促反應的深刻理解，切實培養(yǎng)、提高了學生的生物科學素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：酶活測定;離子強度;緩沖溶液;輔（助）因子

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）01-0111-02

在傳統(tǒng)的酶活測定實驗教學中，更多的是按照實驗指導，在給定的反應條件下測定酶促反應的一個指標，如某酶的米氏常數(shù)（Km）測定、某酶的活力測定等，而且在實驗教學中，主要是強調(diào)實驗原理、方法的掌握、操作過程規(guī)范、測定過程的先后順序、提取、反應介質(zhì)的最適pH及控制反應的最適溫度等驗證性教.然而，進行這種簡單驗證性的實驗教學，不能培養(yǎng)學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，也不能激發(fā)學生主動探究問題的積極性.

隨著教學改革的深入，STEM[科學（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫]教育的理念更多的引入實驗教學課堂，在完成一個驗證性實驗要求的基礎上，為了使學生能夠?qū)γ讣懊复俜磻^深入完整的理解，還需要探討2個或2個以上因子對酶促反應的影響，這就需要學生在設計實驗時需要跨學科考慮問題，如利用無機化學、生物化學、生理學等學科的知識來解決問題.我們在具體的酶活力測定教學實驗中，經(jīng)常以反應介質(zhì)的離子強度、緩沖溶液種類選擇、反應組分成分及其濃度的選擇等幾個影響酶促反應的因素作為測定酶活的自變量，以加強學生對酶、酶促反應的較完整理解.現(xiàn)在使用的實驗指導書中基本沒有有這方面的指導實驗，因此，這就需要老師在實驗前，指導學生查閱測定酶及影響酶促反應相關(guān)因素的文獻等資料，初步寫出測定酶活實驗的實驗方案，然后經(jīng)過師生共同討論后，確定實驗方案，最后實施實驗方案.這種通過學生主動查閱資料、自己設計實驗方案及實施，把學習過程由被動變主動，把學生的學習主體地位落到實處，促使學生對知識有較全面的理解.在選擇設計性酶活測定實驗教學時，就需要教師需提前提示學生要注意這幾個方面的問題.

1 反應介質(zhì)的離子強度和緩沖溶液的選擇

1.1 反應介質(zhì)的離子強度影響酶的穩(wěn)定性

反應介質(zhì)的離子強度明顯影響著酶的活性和穩(wěn)定性.在一定pH條件下，反應介質(zhì)的離子強度強度可提高蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，即α一螺旋或β-折疊含量，以此增高酶的活性與穩(wěn)定性[1，2]，值得指出的是，這是提取或反應介質(zhì)濃度較稀是情況下的結(jié)果，提取或反應介質(zhì)濃度較高時會發(fā)生鹽析現(xiàn)象，影響酶的提取與反應測定.相對于離子強度，離子的類型對酶穩(wěn)定性的影響較小[1];酶活測定時，加入的離子類型，在不參與反應過程的情況下，可不做考慮.

在學生查閱、學習離子強度影響酶的穩(wěn)定性的相關(guān)材料過程中，會發(fā)現(xiàn)離子強度強度影響酶的活性與蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，即α一螺旋或β-折疊含量有關(guān)的問題，這一發(fā)現(xiàn)，使得學生一方面可以知道，酶的活性大小與酶蛋白分子的空間構(gòu)型有關(guān);另一方面，又提出了新的問題，即蛋白質(zhì)的二結(jié)構(gòu)的變化怎樣獲知等問題，因此，通過這樣的學習，使得學生在學習中，不斷提出問題，激發(fā)學生探究解決問題的好奇心，培養(yǎng)學生積極主動探索生命的奧秘.

1.2 反應介質(zhì)的離子強度影響酶的反應速度

反應介質(zhì)的離子強度也是影響酶反應速度的一個重要因素之一.中間絡合物學說[3]認為，酶的催化反應過程是酶（E）首先將底物（S）結(jié)合在它的活性部位，生成中間復合物（SE），然后生成產(chǎn)物（P），并釋放出酶，即S+E？葑ES→P+E.

對于我們實驗教學中常用的磷酸緩沖液來講，其含有Na+、K+離子，在含有這些離子的提取、反應體系中，具有較高的離子強度，可誘使底物和酶的鄰近效應或定向效應，大大加快了ES復合物進入活化狀態(tài)的機率，以此促使酶的活性得以提高[4]，對于Zn2+、Ag+等這類離子來講，既是低濃度，也會對酶的活性有抑制作用[4].

在學生獲取反應介質(zhì)的離子強度影響酶的反應速度的材料過程中，不同的離子及離子濃度使底物與酶的鄰近效應或定向效應是不同的，由此，使得學生對中間絡合物學說有更深層次理解.同時，還能了解離子對酶促反應的多樣性，如有些離子會使酶活性增強，有些離子還會致使酶失活.

1.3 緩沖溶液的選擇

長期以來，我們在教學過程中，強調(diào)提取、測定酶活使用緩沖溶液的作用是維持酶的活性和提供反應的最適條件，而忽視了緩沖溶液的物質(zhì)對測定酶促反應速度的影響.在教學實踐中，我們經(jīng)常會遇到，選用不同的緩沖溶液，即使使用相同pH控制反應介質(zhì)，我們得到的最大反應速度也有差異.更有甚者，有些酶活測定實驗，有的緩沖溶液還不能選用，例如，我們要測定醫(yī)學臨床上常常測定的堿性磷酸酶活性，就不應該選擇磷酸緩沖溶液，因為，磷酸鹽可抑制磷酸酶活性[5].

在學生學習緩沖溶液選擇相關(guān)的文獻過程中，使得學生更進一步認識到，緩沖溶液除了給酶促反應提供反應環(huán)境的pH穩(wěn)定的反應環(huán)境外，其中緩沖溶液的離子還會影響酶促反應的進行.在酶學的研究中，盡可能給研究對象提供它在自然狀態(tài)下的介質(zhì)環(huán)境，這樣才能達到預期的結(jié)果.

2 反應組分及其濃度的選擇

在酶活測定的反應體系中，主要就是緩沖溶液、反應底物和酶.緩沖溶液是反應環(huán)境的主要提供者，反應底物和酶是反應的直接參與者.其中，底物濃度的大小直接影響酶促反應的速度及最終反應時間長短.

2.1 反應底物濃度的確定

米氏常數(shù)（Km）數(shù)值等于酶促反應達到其最大速度一半時的底物濃度，對于每一種酶來講，Km在一定條件下為一常數(shù)，在實驗設計中，基本都是以此來確定加入底物的濃度.理論上是底物濃度只有無窮大時才能實現(xiàn)，實際上，在考慮實驗成本和環(huán)境保護因素情況下，課堂實驗時，基本都控制在10-20倍之間的量.但是對于一些特殊的酶活測定實驗需要特殊考慮，如乳酸脫氫酶，當丙酮酸濃度超過一定量時，酶活性反而下降，故丙酮酸濃度不能過高[6];還有我們經(jīng)常開的實驗——過氧化氫酶活性的測定實驗，如果加入過氧化氫濃度過大時，也會使過氧化氫酶失活[6].

通過查閱、學習底物濃度對酶促反應的影響等知識，使得學生了解實驗時為什么要把反應底物加入過量及過量水平，另一方面，有些酶活測定實驗又為什么加入不能高于一定的量，引起學生對具體酶促反應的思考.

2.2 酶的輔（助）因子濃度確定

在測定酶活實驗教學過程中，有些測定的酶屬于結(jié)合酶，即酶的蛋白部分需要非蛋白的參與才能表現(xiàn)酶的活力，我們把凡能促進酶及反應物進入活化狀態(tài)，加速酶催化反應的物質(zhì)都能稱為輔（助）因子[7].這種輔（助）因子可能是一種金屬離子激活劑或一種小分子有機物;根據(jù)小分子有機物與酶蛋白結(jié)合情況分為2種類型，結(jié)合較松散的稱為輔酶，如很多還原酶需要輔酶Ⅰ（NAD+）等參與還原;非蛋白質(zhì)部分與酶蛋白結(jié)合牢固的稱為輔基，如磷酸吡哆醛是各種轉(zhuǎn)氨酶的輔基.

2.2.1 酶的輔酶和輔基濃度的確定

作為反應體系中的輔酶來講，它雖然不同于反應底物，特異性不強，但往往參加酶促反應的過程，即在酶反應過程中與酶結(jié)合、分離及反復循環(huán).因此，它在作用方式上和底物類似，在酶的輔酶濃度的確定上，可將輔酶按底物處理，即可按米氏常數(shù)求出其Km，按底物規(guī)律選擇其濃度.

對于反應體系中的輔基來講，由于它是與酶的蛋白部分結(jié)合才能使酶及反應物進入活化狀態(tài)，所以確定測定酶活的反應體系輔基的加入量，與反應體系酶的量有關(guān)，需要我們在具體的實驗教學中摸索確定.值得注意的是，對于需要加入輔基的酶活測定實驗，在酶活測定時，需要提前10-15分鐘先加入足量輔基，然后再加入底物開始酶反應.

在學生獲取輔酶和輔基濃度如何確定的材料中，使學生了解了輔酶和輔基的區(qū)別，對輔酶、輔基的加入濃度、加入時間等有了進一步的認識及理解.

2.2.2 酶的金屬離子激活劑的確定

對于金屬離子激活酶活性的測定來講，需要加入特定離子才能使其反應達到最大速度，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+等金屬離子.由于這些離子在酶促反應中的作用機制不同而發(fā)揮不同作用，因此，在酶活測定實驗中，離子的種類及濃度確定需要我們具體解決.

用，因此，在酶活測定實驗中，離子的種類及濃度確定需要我們具體解決.

在學生獲取如何確定金屬離子激活劑的相關(guān)材料中，使學生了解到，金屬離子作為酶的活化劑并不是所有酶都需要，只是部分酶的活性需要金屬離子，并且每個酶所需的離子是不同的，即使是帶相同電荷的離子，它們對酶的激活效能也是不同的.

以上是我們提示學生查找某種單因素對測定酶活的影響.但是，在具體到利用某種酶活測定實驗教學中，需要提示學生要對各個因素進行綜合來考慮，從中選擇優(yōu)化的實驗方案，如在緩沖溶液的選擇上，除了考慮緩沖溶液的種類外，還需要考慮在提取、反應介質(zhì)中的離子強度、離子類型、緩沖容量等因素.在教學過程中，需要具體問題具體分析，在要求學生全面了解具體某個酶的特性的前提下，確定實驗方案，確保達到理想的實驗效果.在設計實驗方案的過程中，促使學生不斷地提出問題、分析問題、解決問題，從而達到以學生設計過程為主導，以學生的主動實踐為中心，通過真實情景中的學習，從而落實STEM教育的理念，把培養(yǎng)學生提出問題、科學嚴謹?shù)胤治鰡栴}、解決問題等生物科學素養(yǎng)落到實處.

參考文獻：

〔1〕沈鴻雁，周闖，葉蘊華，等.α-胰凝乳蛋白酶在不同介質(zhì)中穩(wěn)定性的研究[J].北京大學學報（自然科學版），2014，40 （4）：578-582.

〔2〕張秋會，李苗云，柳艷霞，等.離子強度對11S大豆球蛋白和雞肌球蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)及凝膠特性的影響[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報，2018，52（3）：424-428.

〔3〕王鏡巖，朱圣庚，徐長法，等.生物化學[M].北京：高等教育出版社，2002.355-356.

〔4〕謝喜珍，林娟，謝勇，等，海洋來源瓊膠酶的分離純化及酶學性質(zhì)研究[J].中國生物工程雜志，2017，37（1）：47-50.

〔5〕洪燕飛，廖金花，吳國欣等.巰基化合物和磷酸鹽及其類似物對鮑魚堿性磷酸酶的抑制作用[J].廈門大學學報（自然科學版），2004，43（S1）：16-18.

〔6〕[德]H.比斯瓦根（Hans Bisswanger）[德]著.劉曉晴譯.酶學實驗手冊[M].北京，化學工業(yè)出版社，2009.21.

〔7〕袁勤生，等.現(xiàn)代酶學（第二版）[M].上海：華東理工大學出版社，2007.23-24.