“蛋白质变性”生物化学实验教学实践研究

张芳萍

（宝鸡市陈仓高级中学，陕西 宝鸡 721300）

蛋白质是高中生物课程的重要内容，也是高中生物教学的难点。蛋白质实验教学是学生初步建立结构与功能观的重要工具。通过分析近年的新高考试卷不难发现，“蛋白质”相关知识的分值比例越来越高，同时也是学生容易丢分的内容。原因主要是学生对蛋白质的形成过程等缺乏直接的感性认识，未能充分掌握蛋白质的结构成分。“蛋白质变性”是历年高考的重点，因此，笔者结合多年工作经验，详细阐述“蛋白质变性”生物化学实验教学方案。

1 蛋白质的变性原理

蛋白质是由多种氨基酸通过肽键构成的高分子化合物。蛋白质变性就是蛋白质受物理或者化学因素影响，改变分子内部结构和性质的作用。蛋白质变性的结果就是改变蛋白质的理化性质，导致其丧失生物活性。例如蛋白质变性后，其分子结构较为松散，不易形成结晶，容易被蛋白酶水解。如果蛋白质变性后，空间构象遭到严重破坏且不可复原，则被称为不可逆变性。如果变性程度较轻，去除变性因素后可以恢复原有的构象和活性，则被称为复性。例如离子浓度和pH可以使蛋白质变性，但是通过纠正离子浓度和pH可以使蛋白质复性。人们在生活中使用的酒精就是利用其对细菌蛋白质的变性作用。又如生活中常见的煮鸡蛋就是利用高温快速变性微生物蛋白质，使病原微生物灭活。实践调查发现，导致蛋白质变性的因素较多：（1）化学因素，主要是强酸、强碱、重金属离子以及某些弱酸等化学成分。（2）物理因素。剧烈振荡或搅拌、超声波、强磁、紫外线照射及X射线等都是造成蛋白质变性的物理因素[1]。

2 “蛋白质变性”生物实验教学的设计

高中生物课程在新高考体系中占据重要地位，是理科专业的必选课程之一。根据新课标要求，“分子与细胞”模块内容的价值就是让学生深入了解生命的物质基础与结构基础，理解生命活动中物质的变化。蛋白质变性是物质运动的最高形式，由于蛋白质的结构层次比较复杂，容易受外界环境变化的影响而发生改变，为了加深学生对蛋白质化学知识的认知，教师要开展“蛋白质变性”实验教学，让学生掌握蛋白质结构的相关知识。

通过对蛋白质化学成分的研究可知，蛋白质分子主要由肽链组成，肽链呈现规则而紧密排列的结构形式[2]。如果蛋白质结构发生变化，变性的蛋白质分子就会聚集，导致蛋白质沉淀。由于导致蛋白质变性的因素比较多，教师选择学生在日常生活中常见的因素作为“蛋白质变性”实验的诱导因素。

2.1 不同温度对蛋白质性质的影响

蛋白质受温度的影响比较大，因此，教师以生活中常见的烫发为例进行实验。根据生物分析，人类头发的主要成分是角蛋白，其结构中含有连接肽链的硫键，利用高温可以使硫键出现断裂而改变其结构形式，造成头发变性。在科学界，关于烫发是否属于蛋白质变性还存在争议。为了保证实验教学的严谨性，让学生掌握不同温度对蛋白质的影响，以生活中常见的鸡蛋为例实施以下实验。

（1）实验原理。研究表明，不同温度对蛋白质的影响不同。鸡蛋的主要成分是蛋白，根据生活常理，鸡蛋蛋白液在75 ℃以上会凝固，原理就是鸡蛋蛋白质的肽链受热造成氢键断裂。

（2）实验步骤。首先，教师要为学生提供必要的实验材料。准备一个生鸡蛋、1个碗、1个恒温水浴锅、4个20 mL试管以及刻度吸液管等。其次，学生按照教师的要求分别在4个20 mL试管中做出标号，分别标记为①、②、③、④。再次，学生将生鸡蛋打破，将蛋黄和蛋清分离（利用刻度吸液管吸取蛋白液），将吸取的蛋白液分别注入等量蛋白液中[3]。最后，以不同温度对试管进行加温处理，观察不同温度下试管蛋白液的状态。具体实验结果见表1。为了保证实验的严谨性，在对试管蛋白液进行加温时，需要在60～80 ℃依次递增。从表1可以清晰地看出，蛋白液在不同的温度作用下会出现不同的状态，例如在60 ℃以下时蛋白液未出现明显的凝固现象，表明其蛋白质结构没有发生不可逆变性。当温度上升到75 ℃以上时，蛋白液发生了凝固，表明蛋白质发生了变化。可见，蛋白质变性受温度的影响，尤其是温度达到75 ℃时，蛋白质变性现象更加突出。

表1 不同温度影响蛋白液的实验结果

2.2 重金属对蛋白质性质的影响

实践证明，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+等）作用，结合成不溶性盐而沉淀。例如在民间如果出现铅中毒，人们经常会让中毒者饮用蛋清液，主要原理就是蛋白质与重金属离子结合产生盐，导致中毒者呕吐，从而帮助解毒。

（1）实验材料与试剂。本实验主要使用水、蛋清、牛奶、4个试管、大烧杯以及0.1 mol/L硝酸铅溶液等物品。

（2）实验方法与步骤。首先，学生利用记号笔分别在4个试管中标记①、②、③、④。其次，学生将等量的水、蛋清、牛奶以及豆浆分别倒入①、②、③、④试管中，加入浓度为0.1 mol/L的硝酸铅溶液0.5 mL，将其充分摇晃后，保证硝酸铅溶液与试管内的原料完全融合。最后，学生要观察试管内是否出现沉淀现象，如果出现沉淀，说明蛋白质与重金属发生了反应。具体结果见表2。通过表2可知，编号③的试管中出现大量沉淀物，表明牛奶中的蛋白质在硝酸铅溶液的作用下发生了变质，而豆浆中的蛋白质也在硝酸铅溶液的作用下发生了变质。导致沉淀物量不同的原因就是牛奶中的蛋白质含量高于豆浆以及蛋清。

表2 不同试管的反应情况

2.3 酸性物质对蛋白质性质的影响

酸性物质会对蛋白质产生影响，例如蛋白质在酸性溶液中会带正电荷，进而与带负电荷的酸根相结合，形成盐类沉淀物。为了让学生清晰地了解酸性物质对蛋白质变性的具体影响，进行以下实验操作。

（1）实验材料。实验前准备蛋清液、不同浓度的醋酸溶液、4支试管、试管架、胶头滴管等物品。

（2）实验方法与步骤。步骤同2.1、2.2实验基本相同。首先，学生利用记号笔在4支试管中标号（①、②、③、④）。其次，学生在不同的试管中注入等量蛋清液（2.0 mL）。再次，学生分别在试管中加入0.5 mL不同浓度的醋酸溶液（表3）。最后，学生观察不同试管中的现象并且做好相关记录[4]。

表3 酸性物质对蛋白质性质影响的实验

3 “蛋白质变性”实验操作的注意事项

在“蛋白质变性”实验教学过程中，需要注意以下事项。

3.1 做好实验准备工作，让学生熟悉实验室管理制度

由于“蛋白质变性”实验教学需要借助大量的实验器材及设备，在“蛋白质变性”实验操作中，教师要做好各项准备工作。一是要提前为学生提供必要的实验器材。例如教师需要在课前准备实验操作要用的酸性物质，有效提升课堂的教学效率。同时，为了激发学生参与实验操作的积极性，教师可以有目的地让学生按照本节课实验教学的要求准备自己认为有用的实验材料，加深学生对“蛋白质变性”实验的认知。例如在操作实验2时，教师可以让学生自己准备蛋白质含量不同的物品，让学生在寻找含蛋白质物品时对蛋白质的性质、结构知识进行回顾与复习。二是加强学生管理工作，让学生提前熟悉实验室的安全管理制度。“蛋白质变性”实验需要在特定的实验教室内进行操作，为了保证实验室各项器材的安全使用，避免出现实验事故，教师在学生进入实验室前要求学生认真预习实验内容，并且熟悉实验室管理制度；在实验操作时要遵守记录，保证实验室安静，不得大声喧哗。

3.2 教师加强实验指导，鼓励学生自主探索

在“蛋白质变性”实验教学过程中，教师必须改变以往的教学模式，将实验操作的主动权归还学生，让学生自主完成实验操作，一是教师要有的放矢，给予学生一定的自主权，让学生按照自己的思维、知识水平独立操作。长期以来，在高中生物实验教学中存在学生按照教师实验步骤进行操作的现象，学生在整个实验操作中完全处于被动地位，违背实验教学的本质目的。因此，在生物实验教学中，教师要改变传统的授课模式，让学生独立操作。当然，教师“放权”并不是完全放任不管，而是要深入学生群体，根据学生实验操作的具体步骤，提供有效的指导。根据学生的不同问题进行有针对性的实验指导，可以有效提升实验教学的质量，调动学生参与实验操作的积极性[5]。二是教师要做好总结工作，及时将实验操作发布到作业群，让学生进行探讨。教师也可以将学生实验操作得出的结论发到班级群中，让学生利用课外时间分析实验数据是否合理，发表自己的看法。通过相互讨论的方式，可以加深学生对“蛋白质变性”实验的认知，从而将理论知识转化为实践应用能力。

3.3 规范学生实验操作行为，保护各类实验器材

“蛋白质变性”实验操作需要学生独立完成，而在整个实验过程中，需要使用大量实验器材，例如恒温水浴锅、各类酸性物质等，如果使用不当，就会发生安全事故。例如学生在实验操作过程中由于行为不规范碰掉恒温水浴锅，将里面的热水洒到自己或者他人身上，造成烫伤。因此，在实验操作中，一方面教师要加强对学生实验行为规范的管理。对不规范的行为要及时制止，全面做好学生的安全管理工作；另一方面，学生要从自身做起，严格按照实验操作规范要求进行操作，在使用各类实验器材时轻拿轻放、安全有序，有效保护各类实验器材的安全。例如学生在完成实验操作后要及时清理实验台卫生，保证实验台面、药品架、水池清洁整齐，各类实验试剂按照实验要求规格使用，多余的试剂及材料要按照教师的要求进行回收，防止随意丢弃污染环境。

3.4 做好实验数据记录，及时转化为自身知识

在“蛋白质变性”实验操作过程中，教师要及时指导学生做好相关实验结果的记录工作，学生通过记录实验数据不仅能对所学知识加深记忆，还可以及时对实验结果是否准确与他人进行对比。因此，学生要及时做好实验数据记录工作。由于“蛋白质变性”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[6]。

4 结语

“蛋白质”是高中生物教学的重点与难点，生物实验教学是提高学生知识水平的重要途径。基于核心素养教育的深入实施，为了提升学生的认知能力，增强学生运用所学理论知识解决生活实际问题的能力，教师要积极开展“蛋白质变性”实验教学，让学生更加直观地了解蛋白质变性的机理，获悉影响蛋白质变性的具体因素，促进学生的全面发展。