“蛋白质变性”的实验设计与实施

赵 竹 （北京师范大学实验华夏女子中学 北京 100032）

生命是物质运动的最高形式。在生命物质体系中，蛋白质是生命体现者，蛋白质结构的复杂性是其承载生命活动的基础。为了促使学生深入理解蛋白质结构与功能之间的关系，在研究性学习活动中，笔者引导学生实验探究蛋白质变性或沉淀的原因及其影响因素，取得良好的实验教学效益。

1 问题提出

《全日制普通高中生物课程标准》中指出，“分子与细胞”模块课程内容的价值在于：帮助学生较深入地认识生命的物质基础和结构基础，理解生命活动中物质的变化、能量的转换和信息的传递，以及细胞更新的方式。 尤其强调蛋白质和核酸等生物大分子对生命活动的重要性及其变化。

不同版本的高中生物学教材都描述了蛋白质的重要性，例如“一切生命活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者”“蛋白质在生物体中的作用非常重要”“生物体的一切生命活动都与蛋白质有关”。 浙科版教材还提到“蛋白质的每种特定功能都与其特定的结构有关”。 可见，蛋白质是高中生物学课程内容的重点之一。

蛋白质属于生物大分子，其结构层次复杂，易受环境因素影响发生改变，从而影响其化学性质和生理功能。在蛋白质化学知识体系中，结构、性质和功能三者的关系概括如图1。 但囿于教学时间、学生认知水平等限制，高中生物学教材对蛋白质空间结构稳定性的阐述有限，也没有介绍蛋白质性质及其影响因素。 这样，学生对蛋白质功能处于机械记忆的状态，难以认识和理解蛋白质结构与功能之间的关系，不利于发展学生的学科核心素养。

为了更好地培养学生的理性思维、 科学探究和实践能力，将“蛋白质变性与沉淀”作为一项实验研究课题，引领学生自主探究蛋白质变性或沉淀的原因及其影响因素，并尝试将蛋白质变性原理应用于制作某种食品的实践活动中。

2 实验方案设计

蛋白质化学研究得知，天然蛋白质分子是由肽链组成的，一条或多条肽链呈现的规则而紧密排列的结构形式，是由氢键及其他次级键维持的，氢键等次级键一旦被破坏，天然蛋白质结构就变为不规则而松散的排列方式，变性蛋白质分子聚集或缠结在一起而凝固或结絮。 蛋白质溶液也会因加酸、碱、醇、中性盐、重金属盐等，降低其溶解度而形成蛋白质沉淀。

诱发蛋白质变性或沉淀的因素很多，从高一学生的知识基础和生活经历出发，笔者选择高温、重金属离子、酒精、酸性物质（pH）等因素，设计了4组诱发蛋白质性质改变的开放性实验活动，以及探讨豆腐制作原理的实践活动，鼓励学生利用课余时间到实验室自主选择并完成某些探究性实验活动。

2.1 温度对蛋白质性质的影响

2.1.1 实验1：烫发

1）实验原理：头发的主要成分是角蛋白，其结构中含有连接肽链的硫键，高温使硫键断裂而改变结构形式，直顺的毛发呈卷曲状，遇水后角蛋白结构又会重新组合而恢复原状。

2）材料设备：卷发棒、喷壶、吹风机。

3）方法步骤：学生2 人一组，一位学生为另一位同伴烫发。 具体操作过程：事先将卷发棒加热到130℃，随意烫出心怡的形状，再用吹风机冷风定型；用喷壶喷水，木梳梳头，吹干后观察头发的形态。

4）注意事项：卷发棒的温度应设置为130℃，过高头发会烫焦，过低无法改变头发的结构，导致烫发失败。

2.1.2 实验2：探究不同温度对蛋白液的影响

1）实验原理：不同温度对生鸡蛋蛋白液的影响不同，在75℃以上条件下，卵清蛋白变为蛋白块而凝固。 蛋白质的热变性主要是肽链受热引起氢键破坏的结果。

2）材料设备：鸡（鸭）蛋2 个、碗1 个、汤匙1个、 恒温水浴锅、250 mL 烧杯4 个、20 mL 试管4支、油性标记笔1 支、刻度吸液管1 支。

3）方法步骤：①用记号笔在4 支试管上分别做A、B、C、D 标记；②破碎鸡蛋壳，将蛋清和蛋黄倾入碗里。用汤匙蔽住蛋黄，用刻度吸液管吸取卵蛋白液；③分别向4 支试管注入等量的卵蛋白液；④按下列方案（表1）对样品依次进行恒温水浴处理10 min，然后比较观察各个试管中蛋白质状态，并记录；⑤分析实验数据，得出相应结论。

表1 探究温度影响蛋白质性质的实验方案

4）注意事项：恒温水浴锅的使用要从60～80℃依次递增，严格控制温度值及其处理时间。

2.2 重金属对蛋白质性质的影响

1）实验原理：蛋白质分子在碱性溶液中带负电荷，可与重金属离子（Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pe2+、Fe3+）作用，结合成不溶性盐而沉淀。若发生饮食铅中毒或汞中毒时，及时饮用蛋清液等，蛋白质与重金属离子结合引起呕吐，有解毒作用。

2）实验材料和试剂:水、蛋清、豆浆、牛奶、4 支试管、试管架、大烧杯、4 支胶头滴管、量筒、0.1 mol/L硝酸铅溶液或硫酸铜溶液

3）方法与步骤:①用记号笔在4 支试管上分别做A、B、C、D 标记； ②分别向4 支试管注入等量（2 mL）的水、蛋清、豆浆、牛奶；③按下列方案（表2）向各个样液分别滴加浓度为0.1 mol/L 的硝酸铅溶液0.5 mL，充分摇匀；④比较观察各个样液中发生沉淀的现象，并记录。

表2 探究重金属离子影响蛋白质性质的实验方案

4）注意事项：重金属有毒，操作需小心，若溅到皮肤上，立即用清水反复冲洗。 也可改用1%硫酸铜溶液。

2.3 酒精浓度对蛋白质变性的影响

1）实验原理：乙醇能吸水，破坏蛋白质胶粒的水化层，使蛋白质凝固或沉淀。 医疗常用75%乙醇消毒，该浓度的乙醇分子能更多地扩散到细菌体内，细菌因体内蛋白质沉淀而死亡。95%乙醇吸水力强，可使细菌体表蛋白迅速变性，形成保护膜，乙醇分子不能扩散到细菌体内，无法杀死细菌。

2）材料和试剂：蛋清、50%乙醇溶液、75%乙醇溶液、无水乙醇、4 支试管、试管架、带刻度的塑料滴管。

3）方法与步骤: ①用记号笔在4 支试管上分别做A、B、C、D 标记； ②分别向4 支试管注入等量的蛋清液，再分别加入少许NaCl 晶体（小盐粒）；③待盐粒溶解后，按下列方案（表3）向各个样液分别加入处理液2 mL；④比较观察各个样液中发生沉淀的现象，并记录。

表3 探究不同浓度乙醇影响蛋白质性质的实验方案

2.4 酸性物质对蛋白质性质的影响

1）实验原理：蛋白质在酸性溶液中带正电荷，能与带负电荷的酸根相结合，形成溶解度小的盐类而沉淀。 浓酸可以使蛋白质中的氢键断裂，变为不溶性变性蛋白质。 加热会加速酸化蛋白质的沉淀。

2）材料和试剂：蛋清液、不同浓度的醋酸溶液、4 支试管、试管架、胶头滴管。

3）方法与步骤：①用记号笔在4 支试管上分别做A、B、C、D 标记； ②分别向4 支试管注入等量的蛋清液（2 mL）；③按下列方案（表4）向各个样液分别加入不同浓度的醋酸溶液0.5 mL；④比较观察各个样液中发生沉淀的现象，并记录在表格中。

表4 探究酸性物质影响蛋白质性质的实验方案

2.5 探讨豆腐花的制作原理 前面的实验课题都是学生遵循实验原理，完成规定的实验操作活动，观察蛋白质变性的现象。制作豆腐花的实践活动，则是促使学生探究豆腐的制作原理。

1）实验目的：参与豆腐花的制作活动，依据材料性质、凝固剂成分和制作方法等，推测豆腐花的制作原理，并用搜集的资料信息加以证实。

2）材料与用具：自制的豆浆、凝固剂(石膏或内酯)、电炉、奶锅、勺、饮食器具。

3）方法步骤：①制豆浆：夏天将干黄豆浸泡3～4 h，冬天泡7～8 h。 泡好后将其放入豆浆机内制成热豆浆；②点浆：按凝固剂包装上的用量说明［一般石膏粉用量为豆浆量的（3～5）‰，内酯用量为（1～2）‰］，将适量的凝固剂用少量水调匀，倒入装豆腐脑的容器内。 然后，将煮好的豆浆趁热（内酯豆腐脑85℃左右，石膏豆腐脑95℃左右）冲入，冲完后用勺搅动几下，使豆浆与凝固剂混合充分，但不能搅动太多太快；③墩脑：浆点好后，将容器盖好，静置5～10 min，即成鲜嫩可口的豆腐脑；④调味：内酯豆腐脑会有稍许酸味，石膏豆腐脑有点苦涩味。可根据自己的习惯调味。若喜欢吃甜的，也可在制浆时加入适量的白糖。

4）问题思考：

①北方人将豆腐花称为豆腐脑。豆腐花是制作豆腐的半成品，它含有丰富的大豆蛋白质，还含有很多钙、磷等人体所需矿物质和微量元素，可促进骨骼的成长和预防骨质疏松，特别适合儿童和老年人食用。 为什么制作豆腐花要用煮好的热豆浆？

②豆腐凝固剂主要有3 种：石膏、内酯、盐卤。做豆腐脑主要用石膏或葡萄糖酸内酯。 为什么石膏和葡萄糖酸内酯能促使热豆浆凝固？

③民间有南、北豆腐之分，北豆腐的凝固剂是盐卤，南豆腐的凝固剂是石膏。为什么盐卤能促使热豆浆凝固？ 你知道使用盐卤制作豆腐的利与弊吗？

5）课后作业：利用习得的有关蛋白质变性的知识，以及网络等渠道搜集的现象，撰写“制作豆腐花”实验报告。

3 实验实施

本项实验活动的参与对象是高一对生物学实验感兴趣的学生，以及高二参与研究性学习活动的学生。学生以研究性学习活动小组为单位（每组4～5 人），利用课余或小组活动时间，到开放式实验室在教师协助下，自主选择和开展某些（建议3项）探究活动。 该实验活动的具体实施方法如下。

3.1 做好实验准备 实验准备工作主要有2 项：①各项实验的材料、试剂和设备；②引领学生独立操作的实验指导。实验准备分为3 类：①烫发的实践活动，安排在相对较安静的实验准备室里进行。②4 项探究蛋白质变性的实验活动，分别布置在实验室的4 个实验台上，既防止材料、试剂和器具的混用，又方便学生规范性操作。③制作豆腐花的实践活动，教师提前制备热豆浆和称量凝固剂，学生实施制作过程。提前发放实验指导，以利于各小组选择、预习和搜集资料信息，以及协助教师完成某些实验准备工作。

3.2 协助小组选择 该项探究性实验安排1 课时完成。 由于实验内容丰富，在规定时间内，学生不能参与全部活动。 通常建议每小组在研究性活动时间内选择2 项探究性实验和1 项实践活动，有兴趣的学生可利用课余时间继续实验。

3.3 提供必要服务 弹性时间安排和持续日期长，是开放式实验活动的特点之一。为了保证给学生的实验探究活动提供必要的服务，实验室提早知会学生实验时间、 地点和必要的自我准备。 同时，要求每小组确定具体活动时间后，提前一天与实验教师取得联系，必要时参与某些实验准备。

3.4 提醒规范操作 在开放性实验室开展的研究性活动，是以学生自主探究为主，教师主要是设计、组织和协助者。 但在实验或实践过程中，学生会接触到电器、热源（恒温水浴锅、高温豆浆）、有毒或腐蚀性试剂等，因此，教师要适当监督学生的操作活动，并要求依照实验指导的注意事项进行规范性操作。

3.5 开展网络交流 在该项研究性学习活动中，师生共同尝试利用电脑或手机开展网络交流。 主要内容包括：①将实验指导发到活动群里，便于学生提前预习或提出疑问； ②将实验数据及分析结论发到群里，实验成果共享和相互启发；③交流网上搜集并加工整理的资料信息，实现资源共享和提高学习效率。此外，还尝试利用网络进行学习评价，以实验成果和资料信息为评价内容，采取学生间评议与教师评定相结合的方式。 表5、图2是学生网传的一组实验数据及分析结论。

表5 探究重金属离子影响蛋白质性质的实验数据及分析结论

4 教学反思

笔者是一名年轻的中学生物学科实验员，除为一线教师充分做好实验准备等工作外，在领导和教师的鼓励与大力支持下，尝试挖掘和捕捉教材中的生活信息，围绕某个重要概念开发一些生活化、趣味性的探究学习活动。通过教学实践体会到，实验探索不仅有助于提高教师自身的专业素质，且有助于扩大学生的知识视野，提高学习生物学科的兴趣，发展学生的生物学科核心素养。在深化基础教育体制机制改革的新时期，笔者将继续探索生物学实验教学改革的途径和方法。