陳加敏 朱承慧

摘要在對(duì)全國(guó)課標(biāo)卷中一道有關(guān)酶促反應(yīng)的高考試題分析的基礎(chǔ)上，基于教學(xué)課堂實(shí)錄、論文文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探討了酶促反應(yīng)平衡點(diǎn)問題和酶活性影響因素的實(shí)驗(yàn)程序科學(xué)設(shè)計(jì)問題，指出并非酶促反應(yīng)都有平衡點(diǎn)，酶活性的測(cè)定程序差異會(huì)影響酶活性的測(cè)定結(jié)果，并為教學(xué)過程中遇到的困惑提供建議。

關(guān)鍵詞 酶活性 反應(yīng)平衡 實(shí)驗(yàn)程序

中圖分類號(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

作為生物催化劑的酶，與無機(jī)催化劑相比，有相同之處，也有自身的特點(diǎn)。兩者的相同點(diǎn)有：①改變化學(xué)反應(yīng)速率，本身不被消耗；②只能催化熱力學(xué)允許進(jìn)行的反應(yīng)；③加快化學(xué)反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡時(shí)間，但不改變平衡點(diǎn)；④降低活化能，加快反應(yīng)速率。兩者的不同點(diǎn)有：高效性、專一性、多樣性、易變性、反應(yīng)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(xué)教師在教學(xué)過程中，都能通過舉例、實(shí)驗(yàn)探究、作圖等方式闡述相關(guān)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生理解酶的作用特點(diǎn)。但對(duì)酶促反應(yīng)的平衡點(diǎn)和酶活性影響因素實(shí)驗(yàn)程序的科學(xué)設(shè)計(jì)問題，通過聽課和學(xué)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(guó)課標(biāo)卷高考試題開始，基于教師教學(xué)課堂實(shí)錄和論文文獻(xiàn)，并對(duì)該高考習(xí)題涉及的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，探討酶促反應(yīng)的平衡點(diǎn)和酶活性影響因素實(shí)驗(yàn)程序的科學(xué)設(shè)計(jì)問題。

1高考試題分析

2016年全國(guó)生物高考課標(biāo)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(duì)某種酶活性的影響，設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)組：A組（20℃）、B組（40℃）和C組（60℃），測(cè)定各組在不同反應(yīng)時(shí)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(shí)間t2時(shí)，向C組反應(yīng)體系中增加2倍量的底物，其他條件保持不變，那么在t3時(shí)，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(shí)酶已失活，即使增加底物，反應(yīng)產(chǎn)物總量也不會(huì)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(xì)讀取信息，有兩點(diǎn)值得深究：①酶只能催化熱力學(xué)允許進(jìn)行的反應(yīng)，并且不能改變平衡點(diǎn)。那么，為什么60℃下反應(yīng)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(huì)使酶失活，那么，為什么在t1時(shí)間前會(huì)有產(chǎn)物的生成？

2酶促反應(yīng)平衡點(diǎn)

在學(xué)習(xí)教材中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)后，基本上所有的教師都會(huì)使用圖2來解釋、比較和歸納酶的作用特點(diǎn)：酶具有催化作用，只能催化熱力學(xué)允許進(jìn)行的反應(yīng)；且與無機(jī)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(yīng)的平衡點(diǎn)（平衡常數(shù)）。

是否酶促反應(yīng)都有平衡點(diǎn)呢？基于高中教學(xué)，引用人教版《高中化學(xué)選修4·化學(xué)反應(yīng)原理》中給出的化學(xué)平衡定義：在一定條件下，當(dāng)正、逆兩個(gè)方向的反應(yīng)速率相等時(shí)，反應(yīng)體系中所有參加反應(yīng)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(shí)的狀態(tài)也就是在給定條件下，反應(yīng)達(dá)到了“限度”，對(duì)于可逆反應(yīng)體系來說，稱之為“化學(xué)平衡狀態(tài)”。構(gòu)成反應(yīng)平衡體系有兩個(gè)基本要求：①反應(yīng)物和所有產(chǎn)物均處于同一反應(yīng)體系中，反應(yīng)條件（溫度、壓強(qiáng)等）保持不變；②達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，體系中所有反應(yīng)物質(zhì)量（或濃度）保持不變，但是這個(gè)體系中的反應(yīng)并沒有停止，只是正、逆反應(yīng)的速度相等。反應(yīng)平衡是可逆反應(yīng)中的一種現(xiàn)象，而不可逆反應(yīng)（即反應(yīng)物能夠徹底反應(yīng)成產(chǎn)物的反應(yīng)）一般不認(rèn)為具有反應(yīng)平衡現(xiàn)象。

那么，酶促反應(yīng)是否皆為可逆反應(yīng)呢？事實(shí)并非如其，部分酶促反應(yīng)屬于不可逆反應(yīng)，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(yīng)10 min后用斐林試劑檢測(cè)，可以檢測(cè)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?？梢姡谝欢〞r(shí)間內(nèi)，A、B試管中的產(chǎn)物并不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)物濃度趨同的現(xiàn)象。因此，可以總結(jié)出兩個(gè)有關(guān)酶促反應(yīng)平衡點(diǎn)的事實(shí)：①并非酶促反應(yīng)都有平衡點(diǎn)，部分酶促反應(yīng)為非可逆反應(yīng)，可將底物徹底反應(yīng)，如淀粉酶、蛋白酶等，不具有反應(yīng)平衡現(xiàn)象；②不同條件下的反應(yīng)難易程度不同，如由于純淀粉自發(fā)水解反應(yīng)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(shí)間的變化曲線，在不同條件下反應(yīng)的反應(yīng)曲線并非皆為圖2所示，也會(huì)出現(xiàn)圖1所示的結(jié)果，即當(dāng)酶失活后，反應(yīng)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(diǎn)并非固定的，反應(yīng)條件改變，如壓強(qiáng)、溫度等環(huán)境改變時(shí)，平衡點(diǎn)可能也會(huì)改變，因此平時(shí)所說的酶促反應(yīng)不改變平衡點(diǎn)，需要與特定條件下的對(duì)照試驗(yàn)相比較。

3“探究溫度對(duì)酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)程序差異對(duì)產(chǎn)物的影響

在教學(xué)過程中，許多師生對(duì)2016年全國(guó)生物高考課標(biāo)卷Ⅱ29題中60℃處理的反應(yīng)曲線感到困惑，即：60℃處理會(huì)使酶失活，那么為什么在t1時(shí)間前，仍然有產(chǎn)物的生成？該題探究的是溫度對(duì)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(shí)踐》給出了“探究溫度對(duì)酶活性的影響”具體的實(shí)驗(yàn)流程圖。依據(jù)該流程圖，2016年課標(biāo)卷Ⅱ29題中，“探究20℃、40℃和60℃對(duì)酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)程序應(yīng)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(yīng)一段時(shí)間；③測(cè)定產(chǎn)物的生成量。按照此實(shí)驗(yàn)程序，預(yù)測(cè)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(cè)得的產(chǎn)物濃度應(yīng)該為零。筆者以唾液淀粉酶和淀粉溶液為材料模擬了該實(shí)驗(yàn)，按照此方案，60℃條件下用斐林試劑檢測(cè)，并無磚紅色產(chǎn)物出現(xiàn)，符合預(yù)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(shí)間前酶表現(xiàn)出一定的活性，t1時(shí)間后，酶才徹底失活的，顯然2016年課標(biāo)卷Ⅱ29題中探究“溫度對(duì)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(yàn)結(jié)果是按照什么操作程序獲得的呢？

由于酶促反應(yīng)中緩沖液和底物的體積較大，而酶因具有微量高效的特點(diǎn)，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(xué)研究中常用的酶促反應(yīng)程序，筆者利用唾液淀粉酶和淀粉溶液為材料模擬了本實(shí)驗(yàn)，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(yīng)一段時(shí)間；③用斐林試劑測(cè)定產(chǎn)物的生成量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)定的產(chǎn)物曲線變化與圖1曲線吻合。60℃會(huì)使淀粉酶失活，那么為什么在按照方案二實(shí)驗(yàn)操作，60℃條件下加入酶在t1時(shí)間前會(huì)表現(xiàn)出一定的酶活性呢？原因主要有：①在60℃水浴反應(yīng)物溶液中，加入常溫（或底溫）的酶液，由于溫度的差異，在反應(yīng)體系不同溫度混合處可發(fā)生酶促反應(yīng)產(chǎn)生產(chǎn)物；②60℃高溫雖然會(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在“探究溫度對(duì)酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)中，操作程序不同會(huì)導(dǎo)致酶促反應(yīng)結(jié)果的差異。在此需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然人教版教材《生物選修1·生物技術(shù)實(shí)踐》中給出了“溫度對(duì)酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)程序（同上述方案一），但筆者通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，迄今為止，全國(guó)卷生物學(xué)高考試題考查“酶活性的影響因素”知識(shí)時(shí)，實(shí)驗(yàn)流程皆按照上述方案二程序進(jìn)行，如2010年海南卷考查“激活劑或抑制劑對(duì)酶活性的影響”，2012年全國(guó)大綱卷考查“pH對(duì)唾液淀粉酶活性影響”，2016全國(guó)生物學(xué)課標(biāo)1卷題3“測(cè)定酶活性的合理順序”等。因此，在教學(xué)過程中，教師在教授“酶活性的影響因素實(shí)驗(yàn)”時(shí)，可以結(jié)合高考試題，科學(xué)地分析實(shí)驗(yàn)程序以及實(shí)驗(yàn)程序的差異導(dǎo)致的預(yù)期結(jié)果的不同。

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