生物实验技术复习的重构与整合——以“光合色素的提取与分离”为例

林玲玲

(浙江省衢州求益中学)

1.实验技术知识考点分布

分析2016-2022年高考全国卷及浙江学业水平选择性考试(以下简称浙江卷)实验技术考点的分布情况如表,发现实验技术相关考点在必修和选修当中均有涉及。

表 2016-2022年高考全国卷及浙江卷实验技术考点的分布情况

2.“光合色素的提取与分离”的重构与整合

高考试题中实验技术知识点的考查往往以新情境的形式呈现,要求考生运用课本知识来解决实践问题,但考生往往不能将所学的知识灵活迁移运用。因此,在高三复习阶段,除了对教材主干知识进行必要的梳理,还应在探究与合作学习过程中,训练学生的科学思维,将不同知识点进行整合,使学生形成完善的生命观念,从而提高复习课的课堂效率。现以“光合色素的提取与分离”为例进行展示。

首先,笔者根据“光合色素的提取与分离”中涉及的实验技术归纳为几个环节:同位素标记、细胞破碎、物质的提取和物质的分离。

其次,分析这几个环节并设计相应的学习任务和需要解决的问题:

任务一:分析总结“光合色素的提取与分离”实验所用实验技术;

任务二:回顾课本中的实验哪些用到这些实验技术。

需要解决的问题整合为以下4个核心问题:1.实验过程中用哪种同位素标记?2.实验过程中用哪种方法使细胞破碎?3.实验过程中用哪种方法提取物质?4.实验过程中用哪种方法分离物质?

重构、整合出核心问题后,对相关任务和问题进行归纳总结,再结合考题,逐个突破。

2.1用哪种方法使细胞破碎

细胞破碎技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁,使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术,主要归纳为机械法和非机械法。

(1)机械法:包括匀浆破碎法、研磨破碎法、超声波破碎法。

匀浆破碎法:通过高速剪切力破碎细胞。

研磨破碎法:通过快速研磨破碎细胞,操作过程会产生热量,易造成某些物质破坏。

超声波破碎法:利用超声波的空穴作用使细胞破碎。

(2)非机械法:包括渗透压破碎法、冻融破碎法、酶解破碎法和化学破碎法。

渗透压破碎法:将细胞放在一定低渗透压的溶液中,由于渗透压的作用,胞外的水迅速渗入胞内,引起细胞快速膨胀而破裂。

冻融破碎法:将细胞放在低温下冷冻,然后在室温中融化,反复多次而达到破壁作用。冷冻一方面能使细胞膜的疏水键结构破裂,从而增加细胞的亲水性能,另一方面胞内水结晶,形成冰晶粒,引起细胞膨胀而破裂。

酶解破碎法:利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞,使细胞壁受到部分或完全破坏后,再利用渗透压冲击等方法破坏细胞膜,进一步增大胞内产物的通透性。

化学破碎法:采用化学法处理可以溶解细胞或抽提胞内组分。常用酸、碱、表面活性剂和有机溶剂等化学试剂。

课本当中涉及机械破碎细胞的实验有通过研磨破碎细胞以提取相应物质的“毕希纳酵母菌发酵”“光合色素提取分离实验”“肺炎链球菌体外转化实验”“DNA半保留复制实验”和“果酒的制作”等实验;在“糖类、蛋白质、淀粉检测实验”“酶的高效性实验”“制作果汁”和“亚硝酸盐的定量测定实验”中则通过榨汁机匀浆提取相应物质。

在实验“验证活细胞吸收物质的选择性”中通过高温破坏细胞。在“细胞膜的制备”实验中利用渗透压使细胞吸水涨破。这两个实验使用的是非机械法。

【例1】(2015年,浙江理综,第31题节选)现有一种细菌M,能够合成某种酶,并能分泌到细胞外。为了研究其培养时间与细胞数、细胞外酶浓度和总酶浓度的变化关系,请根据以下提供的实验材料写出实验思路,并预测实验结果。实验材料:若干个培养瓶、培养液、细菌M。

(3)测定总酶浓度时,应对细胞做________处理。

【答案】破碎

【例2】(2016年4月,浙江卷,第33题节选)为研究某生物制剂(W)具有促进细菌B增殖的作用,请根据以下提供的实验材料,以细胞数变化为检测指标,提出实验思路,并预测实验结果。

实验材料:培养瓶若干个、液体培养基、W、细菌B、血细胞计数板、显微镜等。

请回答:

(3)②为提取细菌B内的酶,对该菌进行破碎时,应将其____________。

A.置于蒸馏水中 B.用纤维素酶水解

C.置于稀盐酸中 D.冷冻研磨

【答案】D

2.2用哪种方法提取物质

提取就是利用物质特性运用不同溶剂提取物质。例如课本中的“光合色素提取分离实验”利用95%乙醇提取光合色素。“肺炎链球菌体外转化实验”用一定的化学试剂抽提S型肺炎链球菌的DNA、RNA、蛋白质、脂质等物质分别去转染R型肺炎链球菌。“DNA半保留复制实验”用化学试剂(酚/氯仿)抽提大肠杆菌的DNA进行离心。

【例3】(2018年11月,浙江卷,第30题节选)光合作用是整个生物圈的物质基础和能量基础。回答下列问题:

(1)为研究光合作用中碳的同化与去向,用________________的CO2供给小球藻,每隔一定时间取样,并将样品立即加入到煮沸的甲醇中。甲醇用以杀死小球藻并________标记化合物。

【答案】同位素14C标记 提取

2.3用哪种方法分离物质

实验过程中为了将相互混在一起的不同物质彼此分开而得到相应组分的各纯净物,常根据不同物质不同的物理、化学性质采用不同的方法。生物实验中常用的分离方法有过滤、离心、沉淀、层析等。

(1)过滤:使液固或气固混合物中的流体强制通过多孔性过滤介质,将其中的悬浮固体颗粒加以截留从而将所需物质分离开。

(2)离心:借助于离心力,使比重不同的物质进行分离的方法。

(3)沉淀:在试液中加入适当的沉淀剂,使某一成分以一定组成的固相析出,经过滤而与液相分离的方法。

(4)层析:利用物质在固定相与流动相之间不同的分配比例,达到分离目的的技术。

例如课本当中“光合色素提取分离实验”用单层尼龙布过滤光合色素提取液,使用纸层析法利用不同光合色素在层析液中的溶解度不同分离光合色素,其中的固定相为层析纸中的水,流动相是层析液(乙醚或者石油醚)。“α-淀粉酶的固定化”实验中采用了亲和层析法分离产物糊精,固定相是石英砂吸附的酶,流动相是淀粉溶液。在“制作果汁”实验中利用95%乙醇沉淀果胶。在“亚硝酸盐的定量测定”实验中,利用滤纸得到泡菜滤液,用氢氧化钠和硫酸锌溶液沉淀去除泡菜滤液中的蛋白质和脂质等杂质。在“果酒的制作”实验中通过纱布过滤除去葡萄皮和籽,利用静置、沉淀获得上清液葡萄酒。在“DNA半保留复制实验”中利用密度梯度离心法将不同分子量的DNA区分开从而证明DNA的半保留复制方式。在“噬菌体侵染细菌实验”中通过离心使大肠杆菌沉淀在试管底部,上清液中含有噬菌体;在“肺炎链球菌体外转化实验”中通过离心将提取的DNA、蛋白质等物质分离出来。

【例4】(2016年4月,浙江卷,第32题节选)请回答与“果汁中的果胶和果胶酶”实验有关的问题:

(3)由于果胶不溶于乙醇,故可用乙醇对果胶粗提物(经酶处理后的混合物)进行________处理,从而得到干制品。

【答案】沉淀/脱水

【例5】(2022年1月,浙江卷,第27题节选)(题干略)(1)高等绿色植物叶绿体中含有多种光合色素,常用________方法分离。

【答案】纸层析/层析