生物實驗技術復習的重構與整合
——以“光合色素的提取與分離”為例

林玲玲

(浙江省衢州求益中學)

1.實驗技術知識考點分布

分析2016-2022年高考全國卷及浙江學業水平選擇性考試(以下簡稱浙江卷)實驗技術考點的分布情況如表,發現實驗技術相關考點在必修和選修當中均有涉及。

表 2016-2022年高考全國卷及浙江卷實驗技術考點的分布情況

2.“光合色素的提取與分離”的重構與整合

高考試題中實驗技術知識點的考查往往以新情境的形式呈現,要求考生運用課本知識來解決實踐問題,但考生往往不能將所學的知識靈活遷移運用。因此,在高三復習階段,除了對教材主干知識進行必要的梳理,還應在探究與合作學習過程中,訓練學生的科學思維,將不同知識點進行整合,使學生形成完善的生命觀念,從而提高復習課的課堂效率。現以“光合色素的提取與分離”為例進行展示。

首先,筆者根據“光合色素的提取與分離”中涉及的實驗技術歸納為幾個環節:同位素標記、細胞破碎、物質的提取和物質的分離。

其次,分析這幾個環節并設計相應的學習任務和需要解決的問題:

任務一:分析總結“光合色素的提取與分離”實驗所用實驗技術;

任務二:回顧課本中的實驗哪些用到這些實驗技術。

需要解決的問題整合為以下4個核心問題:1.實驗過程中用哪種同位素標記?2.實驗過程中用哪種方法使細胞破碎?3.實驗過程中用哪種方法提取物質?4.實驗過程中用哪種方法分離物質?

重構、整合出核心問題后,對相關任務和問題進行歸納總結,再結合考題,逐個突破。

2.1用哪種方法使細胞破碎

細胞破碎技術是指利用外力破壞細胞膜和細胞壁,使細胞內容物包括目的產物成分釋放出來的技術,主要歸納為機械法和非機械法。

(1)機械法:包括勻漿破碎法、研磨破碎法、超聲波破碎法。

勻漿破碎法:通過高速剪切力破碎細胞。

研磨破碎法:通過快速研磨破碎細胞,操作過程會產生熱量,易造成某些物質破壞。

超聲波破碎法:利用超聲波的空穴作用使細胞破碎。

(2)非機械法:包括滲透壓破碎法、凍融破碎法、酶解破碎法和化學破碎法。

滲透壓破碎法:將細胞放在一定低滲透壓的溶液中,由于滲透壓的作用,胞外的水迅速滲入胞內,引起細胞快速膨脹而破裂。

凍融破碎法:將細胞放在低溫下冷凍,然后在室溫中融化,反復多次而達到破壁作用。冷凍一方面能使細胞膜的疏水鍵結構破裂,從而增加細胞的親水性能,另一方面胞內水結晶,形成冰晶粒,引起細胞膨脹而破裂。

酶解破碎法:利用溶解細胞壁的酶處理菌體細胞,使細胞壁受到部分或完全破壞后,再利用滲透壓沖擊等方法破壞細胞膜,進一步增大胞內產物的通透性。

化學破碎法:采用化學法處理可以溶解細胞或抽提胞內組分。常用酸、堿、表面活性劑和有機溶劑等化學試劑。

課本當中涉及機械破碎細胞的實驗有通過研磨破碎細胞以提取相應物質的“畢希納酵母菌發酵”“光合色素提取分離實驗”“肺炎鏈球菌體外轉化實驗”“DNA半保留復制實驗”和“果酒的制作”等實驗;在“糖類、蛋白質、淀粉檢測實驗”“酶的高效性實驗”“制作果汁”和“亞硝酸鹽的定量測定實驗”中則通過榨汁機勻漿提取相應物質。

在實驗“驗證活細胞吸收物質的選擇性”中通過高溫破壞細胞。在“細胞膜的制備”實驗中利用滲透壓使細胞吸水漲破。這兩個實驗使用的是非機械法。

【例1】(2015年,浙江理綜,第31題節選)現有一種細菌M,能夠合成某種酶,并能分泌到細胞外。為了研究其培養時間與細胞數、細胞外酶濃度和總酶濃度的變化關系,請根據以下提供的實驗材料寫出實驗思路,并預測實驗結果。實驗材料:若干個培養瓶、培養液、細菌M。

(3)測定總酶濃度時,應對細胞做________處理。

【答案】破碎

【例2】(2016年4月,浙江卷,第33題節選)為研究某生物制劑(W)具有促進細菌B增殖的作用,請根據以下提供的實驗材料,以細胞數變化為檢測指標,提出實驗思路,并預測實驗結果。

實驗材料:培養瓶若干個、液體培養基、W、細菌B、血細胞計數板、顯微鏡等。

請回答:

(3)②為提取細菌B內的酶,對該菌進行破碎時,應將其____________。

A.置于蒸餾水中 B.用纖維素酶水解

C.置于稀鹽酸中 D.冷凍研磨

【答案】D

2.2用哪種方法提取物質

提取就是利用物質特性運用不同溶劑提取物質。例如課本中的“光合色素提取分離實驗”利用95%乙醇提取光合色素。“肺炎鏈球菌體外轉化實驗”用一定的化學試劑抽提S型肺炎鏈球菌的DNA、RNA、蛋白質、脂質等物質分別去轉染R型肺炎鏈球菌。“DNA半保留復制實驗”用化學試劑(酚/氯仿)抽提大腸桿菌的DNA進行離心。

【例3】(2018年11月,浙江卷,第30題節選)光合作用是整個生物圈的物質基礎和能量基礎。回答下列問題:

(1)為研究光合作用中碳的同化與去向,用________________的CO2供給小球藻,每隔一定時間取樣,并將樣品立即加入到煮沸的甲醇中。甲醇用以殺死小球藻并________標記化合物。

【答案】同位素14C標記 提取

2.3用哪種方法分離物質

實驗過程中為了將相互混在一起的不同物質彼此分開而得到相應組分的各純凈物,常根據不同物質不同的物理、化學性質采用不同的方法。生物實驗中常用的分離方法有過濾、離心、沉淀、層析等。

(1)過濾:使液固或氣固混合物中的流體強制通過多孔性過濾介質,將其中的懸浮固體顆粒加以截留從而將所需物質分離開。

(2)離心:借助于離心力,使比重不同的物質進行分離的方法。

(3)沉淀:在試液中加入適當的沉淀劑,使某一成分以一定組成的固相析出,經過濾而與液相分離的方法。

(4)層析:利用物質在固定相與流動相之間不同的分配比例,達到分離目的的技術。

例如課本當中“光合色素提取分離實驗”用單層尼龍布過濾光合色素提取液,使用紙層析法利用不同光合色素在層析液中的溶解度不同分離光合色素,其中的固定相為層析紙中的水,流動相是層析液(乙醚或者石油醚)。“α-淀粉酶的固定化”實驗中采用了親和層析法分離產物糊精,固定相是石英砂吸附的酶,流動相是淀粉溶液。在“制作果汁”實驗中利用95%乙醇沉淀果膠。在“亞硝酸鹽的定量測定”實驗中,利用濾紙得到泡菜濾液,用氫氧化鈉和硫酸鋅溶液沉淀去除泡菜濾液中的蛋白質和脂質等雜質。在“果酒的制作”實驗中通過紗布過濾除去葡萄皮和籽,利用靜置、沉淀獲得上清液葡萄酒。在“DNA半保留復制實驗”中利用密度梯度離心法將不同分子量的DNA區分開從而證明DNA的半保留復制方式。在“噬菌體侵染細菌實驗”中通過離心使大腸桿菌沉淀在試管底部,上清液中含有噬菌體;在“肺炎鏈球菌體外轉化實驗”中通過離心將提取的DNA、蛋白質等物質分離出來。

【例4】(2016年4月,浙江卷,第32題節選)請回答與“果汁中的果膠和果膠酶”實驗有關的問題:

(3)由于果膠不溶于乙醇,故可用乙醇對果膠粗提物(經酶處理后的混合物)進行________處理,從而得到干制品。

【答案】沉淀/脫水

【例5】(2022年1月,浙江卷,第27題節選)(題干略)(1)高等綠色植物葉綠體中含有多種光合色素,常用________方法分離。

【答案】紙層析/層析