“血红蛋白的提取与分离”实验教学设计

朱昊

摘要 以大学实验室为平台，以实验操作顺序为主线，以问题串为引领，采用“先讲解原理后实践提升”的教学策略，突破了教学的重点和难点，实现了教师行为和学生行为的有效对接，有效达成了教学目标。

关键词 血红蛋白 分离 色谱法 电泳

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

文件编号：1003-7586（2018）11-0049-03

1实验内容分析

“血红蛋白的提取和分离”是人教版选修1专题5“DNA和蛋白质技术”中课题3的内容。该实验目的使学生能够体验从复杂体系中提取生物大分子的基本过程和方法。该实验涉及的分子生物学技术较多，如凝胶色谱法、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法、透析等。大部分学生对该实验的实验原理不易理解，操作难度大，但是理科生对这部分内容却充满兴趣。由于大多数学校缺乏相应的实验设备，都采取“讲实验代替做实验”的方式。而新课标理念注重学生的实践过程，为了培养学生的创新精神，笔者借助大学实验室平台，解决了中学无法开展此课题的难题。

2实验教学目标

说出从血液中初步获取血红蛋白的原理和方法;说明凝胶色谱法的原理和方法;说出SDS-PAGE电泳的基本原理和方法;进行样品的预处理;运用凝胶色谱法对血红蛋白进行分离纯化;运用SDS-PAGE电泳对血红蛋白进行纯度鉴定。

尝试提取和分离血液中的血红蛋白，体验从复杂体系中提取生物大分子的基本过程和方法;通过了解有关蛋白质研究领域的新进展，以血红蛋白为实验材料，学习提取和分离蛋白质的基本技术，激发学生兴趣，培养学生的实际操作能力。

真切体会到真实的科学探究实践活动，初步形成科学的思维方式。

3实验教学内容

第一课时安排：讲解血液的基本成分、实验选材问题以及如何从血液中提取和分离血红蛋白的实验思路等基础知识。组织学生对血液样品进行处理（红细胞的洗涤、血红蛋白的释放、分离血红蛋白溶液、透析等实验操作步骤）。课后，组织部分学生配制电泳相关溶液及试剂、组装电泳装置、制胶等。

第二课时安排：讲解凝胶色谱法的原理以及运用凝胶色谱法对血红蛋白进行纯化。

第三课时安排：讲解SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳原理以及通过电泳法对提取的蛋白质进行纯度鉴定。

4教学设计思路

5教学过程

5.1课前的实验准备

实验材料：课前教师去屠宰场采集牛血，放在4℃冰箱过夜，以备第二天用。

实验器材：磁力搅拌器、冰箱、电子天平、烧杯、量筒、吸管、离心管、离心机、漏斗、KDM型调温电热套、透析袋、超声波清洗器、恒温水浴锅、锥形瓶、蛋白质电泳槽、梳子、商品化凝胶色谱柱、Bio-Rad蛋白纯化系统、注射器、eppendorf管、各量程的移液枪（1000uL、200uL、10uL）、脱色摇床、电泳仪电源、培养皿、恒温金属浴。

实验试剂及药品：新鲜牛血、柠檬酸钠、甲苯、生理盐水、20nmol/L磷酸缓冲液、Sephadexg-75凝胶、考马斯亮蓝R250染液、脱色液、1M Tris-HCL PH6.8缓冲液、1.5M Tris-HCL PH8.8缓冲液、30% Acr-Bis（29：1）、10% SDS、10%过硫酸铵、TEMED、蛋白质Marker、蛋白质电泳上样缓冲液、5X蛋白质电泳缓冲液。

5.2第一课时：样品的处理和粗分离

5.2.1创设情境，导入新课

教师出示资料：血红蛋白是人体红细胞的主要蛋白质，由血红素和蛋白质组成。珠蛋白肽链结构异常和某些肽链合成不足常导致血红蛋白疾病，前者称异常血红蛋白病，后者为地中海贫血。随着现代分子生物学的发展，电泳分析是研究和分离异常血红蛋白的有效方法，是诊断血红蛋白分子病不可缺少的手段。如何检测新生儿是否患有血红蛋白疾病呢？通过本节课的学习，这个问题便迎刃而解。

5.2.2设置问题串，引导学生构建实验思路

教师提出问题：血红蛋白的结构有什么特点，具有哪些特性？并组织学生阅读教材中血红蛋白结构的相关文字。教师继续设问：了解了血红蛋白的结构，应该选择什么样的实验材料提取血红蛋白？为什么？选好材料以后，如何从中分离出血红蛋白呢？首先应该了解血液中除血红蛋白外还含有哪些成分？教师利用一系列问题，引导学生分析血液的成分，寻求获得血红蛋白的思路。最后，学生阅读教材并思考：若整个实验按照上述思路完成，实验分为几个环节？从而过渡到“样品处理”环节。

5.2.3样品的处理

教师在讲解原理阶段，先提出问题：样品处理分为几个环节？红细胞洗涤干净的标准是什么？为什么要低速短时离心？洗涤的目的是什么？怎样才能让红细胞破裂使其中的血红蛋白析出呢？学生根据已有的经验很容易想到“吸水涨破”的方法。教师继续设问：为了加速释放过程，采取了什么措施？这样做的目的是什么？这时，红细胞破裂，蛋白质释放，同时也有很多的细胞内容物和残留细胞膜，此时离心管中的成分比较复杂，接下来该做什么？学生会想到下一步的实验目的，过渡到下一步“分离血红蛋白溶液”。教师提出问题：采用什么方法分离血红蛋白？离心分层后，各层的成分是什么？用滤纸过滤，去除了什么成分？教师引导学生找到所需要的那一层，让学生从宏观上明确血红蛋白所处的位置，并思考：用什么方法可以得到这一层物质？通过阅读教材，学生可以找到“过滤”的方法。教师继续设问：过滤掉的是什么？如何获得下层的血红蛋白溶液？学生很容易想到利用分液漏斗获取。由于此时的血红蛋白水溶液仍含有很多杂质，教师提出用透析法进行粗分离去除杂质。

在实践提升阶段，教師组织学生进入实验室对采集的牛血进行样品的处理（红细胞的洗涤、血红蛋白的释放、分离血红蛋白溶液）。

5.2.4粗分离——透析

在原理讲解阶段，教师播放多媒体动画，让学生理解透析的原理：透析只能去除小分子杂质，蛋白质进一步纯化要用凝胶色谱法。接着，教师组织学生进入实验室进行实验操作环节，将理论与实践相结合。

在实践提升阶段，教师组织学生对分离得到的血红蛋白溶液进行粗分离——透析。

5.3第二课时：凝胶色谱法

在原理讲解阶段，教师提出问题：凝胶色谱法用到一种特殊材料，具有什么特点？然后播放凝膠色谱的动画，进一步强化学生对凝胶色谱法原理的理解，并追问：凝胶色谱法的实验具体怎么操作的呢？学生通过阅读教材很容易得出凝胶色谱法的实验分四步：凝胶色谱柱的制作一凝胶色谱柱的装填一样品的加入和洗脱一收集样品。教师继续设问：凝胶颗粒是怎么填的？凝胶材料如何选择？G的含义是什么？在装填凝胶之前还应该对凝胶进行什么处理？为了加速膨胀还可以如何处理？在装填过程中需要注意什么？如果色谱柱内有气泡行吗？教师利用问题，引导学生思考在装填过程的注意事项：色谱柱内存在气泡，会搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱顺序，降低分离效果。教师提出质疑：这样装填就结束了吗？从而引入最后一步洗涤平衡，并提出问题：什么时候开始收集样品？

在实践提升阶段，教师组织部分学生去大学实验室，利用蛋白纯化系统对样品进行纯化，录成视频。课上播放视频，让学生直观地理解凝胶色谱法的具体操作过程。接着，要求学生判断流出来的物质是血红蛋白，由此过渡到SDS-PAGE电泳的教学。

5.4第三课时：SDS-PACE电泳

5.4.1纯度鉴定-SDS-PAGE电泳

在原理讲解阶段，教师引导学生阅读教材找出电泳的概念：“指带电粒子在电场作用下发生迁移的过程”。引导学生利用物理学知识，分析电泳的原理：蛋白质在一定的pH下，羧基电离带负电，而氨基水解带正电，但一般情况下认为蛋白质带负电，在电场的作用下，蛋白质分子向凝胶的正极端迁移。教师补充提问：“电泳除了利用蛋白质带电性质对蛋白质进行分离，还利用了蛋白质的哪些特性？”学生参照教材图，可发现：凝胶是网状结构，使小分子容易通过，而大分子不易通过。因此，学生得出结论：除了利用蛋白质带电性质对蛋白质进行分离，还利用了蛋白质分子本身的大小和形状。学生阅读教材小字部分内容，了解凝胶电泳的种类及原理。教师设问：“为了使电泳只受到蛋白质分子大小的影响，而不受带电性质的影响，加入哪种化学试剂？SDS是怎么做到的？”引导学生在教材中找到SDS的作用。教师补充提问：“除此之外SDS还有什么作用？”这个问题让学生了解到SDS使蛋白质完全变性，将蛋白质解聚成单链，因此测定的结果只是单条肽链的分子量。

在实践提升阶段，教师讲解完电泳原理之后，带领学生进入实验室进行实际操作（蛋白样品处理、加样、电泳、剥胶、染色、脱色、观察）。

5.4.2知识迁移，学以致用

教师展示图2，图中1～15泳道代表不同的血红蛋白病或者正常人，让学生思考：如何检测新生儿是否患有血红蛋白疾病呢？请说出实验思路。然后，教师再介绍一种全自动毛细血管电泳法进行血红蛋白的检测，让学生了解科技前沿。

5.5课堂小结

教师板书本节课血红蛋白提取和分离的过程，每一步用到的技术，各项技术的原理及实验过程中的注意事项。

6教学反思

本节实验课以血红蛋白作为“主线分子”，包括了样品的处理、透析、凝胶色谱法、SDS-PACE法等4个子实验。本节课的难点在于凝胶色谱法和SDS-PACE法的原理比较难懂。为了突破此难点，笔者采用“先讲解原理后实践提升”的教学策略，让学生通过实际操作将实验原理内化。在讲解每个子实验时，通过设置问题串，激发学生思考，从而理解实验操作步骤的原理及目的。