基于STEM教育理念的实验教学改革

段永平 赵美荣 张春年 陈子怡

摘 要：本文基于STEM教育理念，就酶活测定实验教学过程中如何落实进行了探讨，即对酶活测定的传统教学模式进行改革，在保证落实基本教学目标的前提下，把常用的酶促反应条件，如反应介质的离子强度、缓冲溶液、反应组分及其浓度为自变量条件引入课堂，指导学生主动探究它们对酶促反应的影响.通过指导学生查阅资料、设计初步实验方案、通过师生讨论确定实验方案，最后实施实验方案.通过这一教学过程，加深了学生对酶及酶促反应的深刻理解，切实培养、提高了学生的生物科学素养.

关键词：酶活测定;离子强度;缓冲溶液;辅（助）因子

中图分类号：G642  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）01-0111-02

在传统的酶活测定实验教学中，更多的是按照实验指导，在给定的反应条件下测定酶促反应的一个指标，如某酶的米氏常数（Km）测定、某酶的活力测定等，而且在实验教学中，主要是强调实验原理、方法的掌握、操作过程规范、测定过程的先后顺序、提取、反应介质的最适pH及控制反应的最适温度等验证性教.然而，进行这种简单验证性的实验教学，不能培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，也不能激发学生主动探究问题的积极性.

随着教学改革的深入，STEM[科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写]教育的理念更多的引入实验教学课堂，在完成一个验证性实验要求的基础上，为了使学生能够对酶及酶促反应较深入完整的理解，还需要探讨2个或2个以上因子对酶促反应的影响，这就需要学生在设计实验时需要跨学科考虑问题，如利用无机化学、生物化学、生理学等学科的知识来解决问题.我们在具体的酶活力测定教学实验中，经常以反应介质的离子强度、缓冲溶液种类选择、反应组分成分及其浓度的选择等几个影响酶促反应的因素作为测定酶活的自变量，以加强学生对酶、酶促反应的较完整理解.现在使用的实验指导书中基本没有有这方面的指导实验，因此，这就需要老师在实验前，指导学生查阅测定酶及影响酶促反应相关因素的文献等资料，初步写出测定酶活实验的实验方案，然后经过师生共同讨论后，确定实验方案，最后实施实验方案.这种通过学生主动查阅资料、自己设计实验方案及实施，把学习过程由被动变主动，把学生的学习主体地位落到实处，促使学生对知识有较全面的理解.在选择设计性酶活测定实验教学时，就需要教师需提前提示学生要注意这几个方面的问题.

1 反应介质的离子强度和缓冲溶液的选择

1.1 反应介质的离子强度影响酶的稳定性

反应介质的离子强度明显影响着酶的活性和稳定性.在一定pH条件下，反应介质的离子强度强度可提高蛋白质的二级结构，即α一螺旋或β-折叠含量，以此增高酶的活性与稳定性[1，2]，值得指出的是，这是提取或反应介质浓度较稀是情况下的结果，提取或反应介质浓度较高时会发生盐析现象，影响酶的提取与反应测定.相对于离子强度，离子的类型对酶稳定性的影响较小[1];酶活测定时，加入的离子类型，在不参与反应过程的情况下，可不做考虑.

在学生查阅、学习离子强度影响酶的稳定性的相关材料过程中，会发现离子强度强度影响酶的活性与蛋白质的二级结构，即α一螺旋或β-折叠含量有关的问题，这一发现，使得学生一方面可以知道，酶的活性大小与酶蛋白分子的空间构型有关;另一方面，又提出了新的问题，即蛋白质的二结构的变化怎样获知等问题，因此，通过这样的学习，使得学生在学习中，不断提出问题，激发学生探究解决问题的好奇心，培养学生积极主动探索生命的奥秘.

1.2 反应介质的离子强度影响酶的反应速度

反应介质的离子强度也是影响酶反应速度的一个重要因素之一.中间络合物学说[3]认为，酶的催化反应过程是酶（E）首先将底物（S）结合在它的活性部位，生成中间复合物（SE），然后生成产物（P），并释放出酶，即S+E？葑ES→P+E.

对于我们实验教学中常用的磷酸缓冲液来讲，其含有Na+、K+离子，在含有这些离子的提取、反应体系中，具有较高的离子强度，可诱使底物和酶的邻近效应或定向效应，大大加快了ES复合物进入活化状态的机率，以此促使酶的活性得以提高[4]，对于Zn2+、Ag+等这类离子来讲，既是低浓度，也会对酶的活性有抑制作用[4].

在学生获取反应介质的离子强度影响酶的反应速度的材料过程中，不同的离子及离子浓度使底物与酶的邻近效应或定向效应是不同的，由此，使得学生对中间络合物学说有更深层次理解.同时，还能了解离子对酶促反应的多样性，如有些离子会使酶活性增强，有些离子还会致使酶失活.

1.3 缓冲溶液的选择

长期以来，我们在教学过程中，强调提取、测定酶活使用缓冲溶液的作用是维持酶的活性和提供反应的最适条件，而忽视了缓冲溶液的物质对测定酶促反应速度的影响.在教学实践中，我们经常会遇到，选用不同的缓冲溶液，即使使用相同pH控制反应介质，我们得到的最大反应速度也有差异.更有甚者，有些酶活测定实验，有的缓沖溶液还不能选用，例如，我们要测定医学临床上常常测定的碱性磷酸酶活性，就不应该选择磷酸缓冲溶液，因为，磷酸盐可抑制磷酸酶活性[5].

在学生学习缓冲溶液选择相关的文献过程中，使得学生更进一步认识到，缓冲溶液除了给酶促反应提供反应环境的pH稳定的反应环境外，其中缓冲溶液的离子还会影响酶促反应的进行.在酶学的研究中，尽可能给研究对象提供它在自然状态下的介质环境，这样才能达到预期的结果.

2 反应组分及其浓度的选择

在酶活测定的反应体系中，主要就是缓冲溶液、反应底物和酶.缓冲溶液是反应环境的主要提供者，反应底物和酶是反应的直接参与者.其中，底物浓度的大小直接影响酶促反应的速度及最终反应时间长短.

2.1 反应底物浓度的确定

米氏常数（Km）数值等于酶促反应达到其最大速度一半时的底物浓度，对于每一种酶来讲，Km在一定条件下为一常数，在实验设计中，基本都是以此来确定加入底物的浓度.理论上是底物浓度只有无穷大时才能实现，实际上，在考虑实验成本和环境保护因素情况下，课堂实验时，基本都控制在10-20倍之间的量.但是对于一些特殊的酶活测定实验需要特殊考虑，如乳酸脱氢酶，当丙酮酸浓度超过一定量时，酶活性反而下降，故丙酮酸浓度不能过高[6];还有我们经常开的实验——过氧化氢酶活性的测定实验，如果加入过氧化氢浓度过大时，也会使过氧化氢酶失活[6].

通过查阅、学习底物浓度对酶促反应的影响等知识，使得学生了解实验时为什么要把反应底物加入过量及过量水平，另一方面，有些酶活测定实验又为什么加入不能高于一定的量，引起学生对具体酶促反应的思考.

2.2 酶的辅（助）因子浓度确定

在测定酶活实验教学过程中，有些测定的酶属于结合酶，即酶的蛋白部分需要非蛋白的参与才能表现酶的活力，我们把凡能促进酶及反应物进入活化状态，加速酶催化反应的物质都能称为辅（助）因子[7].这种辅（助）因子可能是一种金属离子激活剂或一种小分子有机物;根据小分子有机物与酶蛋白结合情况分为2种类型，结合较松散的称为辅酶，如很多还原酶需要辅酶Ⅰ（NAD+）等参与还原;非蛋白质部分与酶蛋白结合牢固的称为辅基，如磷酸吡哆醛是各种转氨酶的辅基.

2.2.1 酶的辅酶和辅基浓度的确定

作为反应体系中的辅酶来讲，它虽然不同于反应底物，特异性不强，但往往参加酶促反应的过程，即在酶反应过程中与酶结合、分离及反复循环.因此，它在作用方式上和底物类似，在酶的辅酶浓度的确定上，可将辅酶按底物处理，即可按米氏常数求出其Km，按底物规律选择其浓度.

对于反应体系中的辅基来讲，由于它是与酶的蛋白部分结合才能使酶及反应物进入活化状态，所以确定测定酶活的反应体系辅基的加入量，与反应体系酶的量有关，需要我们在具体的实验教学中摸索确定.值得注意的是，对于需要加入辅基的酶活测定实验，在酶活测定时，需要提前10-15分钟先加入足量辅基，然后再加入底物开始酶反应.

在学生获取辅酶和辅基浓度如何确定的材料中，使学生了解了辅酶和辅基的区别，对辅酶、辅基的加入浓度、加入时间等有了进一步的认识及理解.

2.2.2 酶的金属离子激活剂的确定

对于金属离子激活酶活性的测定来讲，需要加入特定离子才能使其反应达到最大速度，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+等金属离子.由于這些离子在酶促反应中的作用机制不同而发挥不同作用，因此，在酶活测定实验中，离子的种类及浓度确定需要我们具体解决.

用，因此，在酶活测定实验中，离子的种类及浓度确定需要我们具体解决.

在学生获取如何确定金属离子激活剂的相关材料中，使学生了解到，金属离子作为酶的活化剂并不是所有酶都需要，只是部分酶的活性需要金属离子，并且每个酶所需的离子是不同的，即使是带相同电荷的离子，它们对酶的激活效能也是不同的.

以上是我们提示学生查找某种单因素对测定酶活的影响.但是，在具体到利用某种酶活测定实验教学中，需要提示学生要对各个因素进行综合来考虑，从中选择优化的实验方案，如在缓冲溶液的选择上，除了考虑缓冲溶液的种类外，还需要考虑在提取、反应介质中的离子强度、离子类型、缓冲容量等因素.在教学过程中，需要具体问题具体分析，在要求学生全面了解具体某个酶的特性的前提下，确定实验方案，确保达到理想的实验效果.在设计实验方案的过程中，促使学生不断地提出问题、分析问题、解决问题，从而达到以学生设计过程为主导，以学生的主动实践为中心，通过真实情景中的学习，从而落实STEM教育的理念，把培养学生提出问题、科学严谨地分析问题、解决问题等生物科学素养落到实处.

参考文献：

〔1〕沈鸿雁，周闯，叶蕴华，等.α-胰凝乳蛋白酶在不同介质中稳定性的研究[J].北京大学学报（自然科学版），2014，40 （4）：578-582.

〔2〕张秋会，李苗云，柳艳霞，等.离子强度对11S大豆球蛋白和鸡肌球蛋白质的二级结构及凝胶特性的影响[J].河南农业大学学报，2018，52（3）：424-428.

〔3〕王镜岩，朱圣庚，徐长法，等.生物化学[M].北京：高等教育出版社，2002.355-356.

〔4〕谢喜珍，林娟，谢勇，等，海洋来源琼胶酶的分离纯化及酶学性质研究[J].中国生物工程杂志，2017，37（1）：47-50.

〔5〕洪燕飞，廖金花，吴国欣等.巯基化合物和磷酸盐及其类似物对鲍鱼碱性磷酸酶的抑制作用[J].厦门大学学报（自然科学版），2004，43（S1）：16-18.

〔6〕[德]H.比斯瓦根（Hans Bisswanger）[德]著.刘晓晴译.酶学实验手册[M].北京，化学工业出版社，2009.21.

〔7〕袁勤生，等.现代酶学（第二版）[M].上海：华东理工大学出版社，2007.23-24.