酶促反应平衡点和酶活性测定程序的教学探讨

陈加敏 朱承慧

摘要在对全国课标卷中一道有关酶促反应的高考试题分析的基础上，基于教学课堂实录、论文文献和实验验证，探讨了酶促反应平衡点问题和酶活性影响因素的实验程序科学设计问题，指出并非酶促反应都有平衡点，酶活性的测定程序差异会影响酶活性的测定结果，并为教学过程中遇到的困惑提供建议。

关键词 酶活性 反应平衡 实验程序

中图分类号G633. 91文献标志码B

作为生物催化剂的酶，与无机催化剂相比，有相同之处，也有自身的特点。两者的相同点有：①改变化学反应速率，本身不被消耗；②只能催化热力学允许进行的反应；③加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不改变平衡点；④降低活化能，加快反应速率。两者的不同点有：高效性、专一性、多样性、易变性、反应条件温和、受到调节和控制、有些酶的催化活性与辅因子有关等。高中生物学教师在教学过程中，都能通过举例、实验探究、作图等方式阐述相关内容，引导学生理解酶的作用特点。但对酶促反应的平衡点和酶活性影响因素实验程序的科学设计问题，通过听课和学生问题反馈，笔者发现大多师生或没能加以关注，或没有能够理解，以至遇到一些问题不能很好地解决。下面从分析一道引起大多教师困惑的全国课标卷高考试题开始，基于教师教学课堂实录和论文文献，并对该高考习题涉及的实验加以验证，探讨酶促反应的平衡点和酶活性影响因素实验程序的科学设计问题。

1高考试题分析

2016年全国生物高考课标卷II29题（只节选与本文讨论有关的问题）：为了研究温度对某种酶活性的影响，设置三个实验组：A组（20℃）、B组（40℃）和C组（60℃），测定各组在不同反应时间内的产物浓度（其他条件相同），结果如图1所示。回答下列问题：

（3）如果在时间t2时，向C组反应体系中增加2倍量的底物，其他条件保持不变，那么在t3时，C组产物总量，原因是。

参考答案为：C组产物总量不变；60℃条件下，t2时酶已失活，即使增加底物，反应产物总量也不会增加。

试题分析：这道题的难度并不大，答案也一目了然。但如果仔细读取信息，有两点值得深究：①酶只能催化热力学允许进行的反应，并且不能改变平衡点。那么，为什么60℃下反应的最终产物浓度不趋同于20℃或40℃？增加2倍的底物，为什么产物浓度也不增加？②尤其值得注意的是，60℃处理会使酶失活，那么，为什么在t1时间前会有产物的生成？

2酶促反应平衡点

在学习教材中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验后，基本上所有的教师都会使用图2来解释、比较和归纳酶的作用特点：酶具有催化作用，只能催化热力学允许进行的反应；且与无机催化剂相比，酶的催化效率更高，即酶具有高效性；酶不改变反应的平衡点（平衡常数）。

是否酶促反应都有平衡点呢？基于高中教学，引用人教版《高中化学选修4·化学反应原理》中给出的化学平衡定义：在一定条件下，当正、逆两个方向的反应速率相等时，反应体系中所有参加反应的物质的质量（溶液中表现为浓度）可以保持恒定。这时的状态也就是在给定条件下，反应达到了“限度”，对于可逆反应体系来说，称之为“化学平衡状态”。构成反应平衡体系有两个基本要求：①反应物和所有产物均处于同一反应体系中，反应条件（温度、压强等）保持不变；②达到化学平衡时，体系中所有反应物质量（或浓度）保持不变，但是这个体系中的反应并没有停止，只是正、逆反应的速度相等。反应平衡是可逆反应中的一种现象，而不可逆反应（即反应物能够彻底反应成产物的反应）一般不认为具有反应平衡现象。

那么，酶促反应是否皆为可逆反应呢？事实并非如其，部分酶促反应属于不可逆反应，如在适宜条件中，淀粉酶彻底水解淀粉，过氧化氢酶彻底分解过氧化氢等。笔者取两支试管（A管和B管），分别加入淀粉溶液，在A试管中加入新鲜唾液（含唾液淀粉酶），B试管中加入等量蒸馏水，37℃水浴反应10 min后用斐林试剂检测，可以检测出A试管砖红色出现，而B管中无砖红色出现，产物为零。可见，在一定时间内，A、B试管中的产物并不会出现产物浓度趋同的现象。因此，可以总结出两个有关酶促反应平衡点的事实：①并非酶促反应都有平衡点，部分酶促反应为非可逆反应，可将底物彻底反应，如淀粉酶、蛋白酶等，不具有反应平衡现象；②不同条件下的反应难易程度不同，如由于纯淀粉自发水解反应所需的活化能很高，纯淀粉自发水解基本上不可能的；而淀粉酶可显著降低淀粉水解的活化能，加快淀粉水解。因此，绘制曲线产物量随时间的变化曲线，在不同条件下反应的反应曲线并非皆为图2所示，也会出现图1所示的结果，即当酶失活后，反应随即停止，出现产物量不再增加的现象。

此外，还需要说明的是，平衡点并非固定的，反应条件改变，如压强、温度等环境改变时，平衡点可能也会改变，因此平时所说的酶促反应不改变平衡点，需要与特定条件下的对照试验相比较。

3“探究温度对酶活性影响”的实验程序差异对产物的影响

在教学过程中，许多师生对2016年全国生物高考课标卷Ⅱ29题中60℃处理的反应曲线感到困惑，即：60℃处理会使酶失活，那么为什么在t1时间前，仍然有产物的生成？该题探究的是温度对某种酶活性的影响，高中人教版教材《生物选修1·生物技术实践》给出了“探究温度对酶活性的影响”具体的实验流程图。依据该流程图，2016年课标卷Ⅱ29题中，“探究20℃、40℃和60℃对酶活性影响”的实验程序应该如下（方案一）：①将分别装有底物和酶的试管在20℃、40℃和60℃充分水浴保温；②将酶和底物混合反应一段时间；③测定产物的生成量。按照此实验程序，预测结果：如果60℃使酶失活，那么按照此流程图操作，60℃条件下测得的产物浓度应该为零。笔者以唾液淀粉酶和淀粉溶液为材料模拟了该实验，按照此方案，60℃条件下用斐林试剂检测，并無砖红色产物出现，符合预期产物为零的结果。

可是观察题目图1可以看出，60℃条件下，在t1时间前酶表现出一定的活性，t1时间后，酶才彻底失活的，显然2016年课标卷Ⅱ29题中探究“温度对酶活性的影响”并非按照上述方案一程序操作，那么该题的试验结果是按照什么操作程序获得的呢？

由于酶促反应中缓冲液和底物的体积较大，而酶因具有微量高效的特点，加入量较少，且酶都在低温下保存，在科研工作中，普遍的做法是在一定的条件下充分处理底物和缓冲液的混合混合物后，再加入体积较小的酶。根据科学研究中常用的酶促反应程序，笔者利用唾液淀粉酶和淀粉溶液为材料模拟了本实验，操作程序（方案二）：①在20℃、40℃和60℃中分别充分水浴淀粉；②将获得的新鲜唾液（含唾液淀粉酶）和底物混合，反应一段时间；③用斐林试剂测定产物的生成量。实验结果表明，测定的产物曲线变化与图1曲线吻合。60℃会使淀粉酶失活，那么为什么在按照方案二实验操作，60℃条件下加入酶在t1时间前会表现出一定的酶活性呢？原因主要有：①在60℃水浴反应物溶液中，加入常温（或底温）的酶液，由于温度的差异，在反应体系不同温度混合处可发生酶促反应产生产物；②60℃高温虽然会使酶失活，但酶的完全失活需要一定的过程，在完全失活前，能表现出一定的酶活性。

根据上述实验结果可知，在“探究温度对酶活性的影响”实验中，操作程序不同会导致酶促反应结果的差异。在此需要强调的是，虽然人教版教材《生物选修1·生物技术实践》中给出了“温度对酶活性影响”的实验程序（同上述方案一），但笔者通过统计发现，迄今為止，全国卷生物学高考试题考查“酶活性的影响因素”知识时，实验流程皆按照上述方案二程序进行，如2010年海南卷考查“激活剂或抑制剂对酶活性的影响”，2012年全国大纲卷考查“pH对唾液淀粉酶活性影响”，2016全国生物学课标1卷题3“测定酶活性的合理顺序”等。因此，在教学过程中，教师在教授“酶活性的影响因素实验”时，可以结合高考试题，科学地分析实验程序以及实验程序的差异导致的预期结果的不同。

参考文献：

[1]朱正威，赵占良.生物1分子与细胞教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2007：95.

[2]宋心崎.高中化学·选修4·化学反应原理[M].北京：人民教育出版社，2007：26.

[3]朱正威，孙万儒，赵占良.生物选修1·生物技术实践[M].北京：人民教育出版社，2007：43.