“血紅蛋白的提取與分離”實驗教學設計

朱昊

摘要 以大學實驗室為平臺，以實驗操作順序為主線，以問題串為引領，采用“先講解原理后實踐提升”的教學策略，突破了教學的重點和難點，實現了教師行為和學生行為的有效對接，有效達成了教學目標。

關鍵詞 血紅蛋白 分離 色譜法 電泳

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0049-03

1實驗內容分析

“血紅蛋白的提取和分離”是人教版選修1專題5“DNA和蛋白質技術”中課題3的內容。該實驗目的使學生能夠體驗從復雜體系中提取生物大分子的基本過程和方法。該實驗涉及的分子生物學技術較多，如凝膠色譜法、SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法、透析等。大部分學生對該實驗的實驗原理不易理解，操作難度大，但是理科生對這部分內容卻充滿興趣。由于大多數學校缺乏相應的實驗設備，都采取“講實驗代替做實驗”的方式。而新課標理念注重學生的實踐過程，為了培養學生的創新精神，筆者借助大學實驗室平臺，解決了中學無法開展此課題的難題。

2實驗教學目標

說出從血液中初步獲取血紅蛋白的原理和方法;說明凝膠色譜法的原理和方法;說出SDS-PAGE電泳的基本原理和方法;進行樣品的預處理;運用凝膠色譜法對血紅蛋白進行分離純化;運用SDS-PAGE電泳對血紅蛋白進行純度鑒定。

嘗試提取和分離血液中的血紅蛋白，體驗從復雜體系中提取生物大分子的基本過程和方法;通過了解有關蛋白質研究領域的新進展，以血紅蛋白為實驗材料，學習提取和分離蛋白質的基本技術，激發學生興趣，培養學生的實際操作能力。

真切體會到真實的科學探究實踐活動，初步形成科學的思維方式。

3實驗教學內容

第一課時安排：講解血液的基本成分、實驗選材問題以及如何從血液中提取和分離血紅蛋白的實驗思路等基礎知識。組織學生對血液樣品進行處理（紅細胞的洗滌、血紅蛋白的釋放、分離血紅蛋白溶液、透析等實驗操作步驟）。課后，組織部分學生配制電泳相關溶液及試劑、組裝電泳裝置、制膠等。

第二課時安排：講解凝膠色譜法的原理以及運用凝膠色譜法對血紅蛋白進行純化。

第三課時安排：講解SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳原理以及通過電泳法對提取的蛋白質進行純度鑒定。

4教學設計思路

5教學過程

5.1課前的實驗準備

實驗材料：課前教師去屠宰場采集牛血，放在4℃冰箱過夜，以備第二天用。

實驗器材：磁力攪拌器、冰箱、電子天平、燒杯、量筒、吸管、離心管、離心機、漏斗、KDM型調溫電熱套、透析袋、超聲波清洗器、恒溫水浴鍋、錐形瓶、蛋白質電泳槽、梳子、商品化凝膠色譜柱、Bio-Rad蛋白純化系統、注射器、eppendorf管、各量程的移液槍（1000uL、200uL、10uL）、脫色搖床、電泳儀電源、培養皿、恒溫金屬浴。

實驗試劑及藥品：新鮮牛血、檸檬酸鈉、甲苯、生理鹽水、20nmol/L磷酸緩沖液、Sephadexg-75凝膠、考馬斯亮藍R250染液、脫色液、1M Tris-HCL PH6.8緩沖液、1.5M Tris-HCL PH8.8緩沖液、30% Acr-Bis（29：1）、10% SDS、10%過硫酸銨、TEMED、蛋白質Marker、蛋白質電泳上樣緩沖液、5X蛋白質電泳緩沖液。

5.2第一課時：樣品的處理和粗分離

5.2.1創設情境，導入新課

教師出示資料：血紅蛋白是人體紅細胞的主要蛋白質，由血紅素和蛋白質組成。珠蛋白肽鏈結構異常和某些肽鏈合成不足常導致血紅蛋白疾病，前者稱異常血紅蛋白病，后者為地中海貧血。隨著現代分子生物學的發展，電泳分析是研究和分離異常血紅蛋白的有效方法，是診斷血紅蛋白分子病不可缺少的手段。如何檢測新生兒是否患有血紅蛋白疾病呢？通過本節課的學習，這個問題便迎刃而解。

5.2.2設置問題串，引導學生構建實驗思路

教師提出問題：血紅蛋白的結構有什么特點，具有哪些特性？并組織學生閱讀教材中血紅蛋白結構的相關文字。教師繼續設問：了解了血紅蛋白的結構，應該選擇什么樣的實驗材料提取血紅蛋白？為什么？選好材料以后，如何從中分離出血紅蛋白呢？首先應該了解血液中除血紅蛋白外還含有哪些成分？教師利用一系列問題，引導學生分析血液的成分，尋求獲得血紅蛋白的思路。最后，學生閱讀教材并思考：若整個實驗按照上述思路完成，實驗分為幾個環節？從而過渡到“樣品處理”環節。

5.2.3樣品的處理

教師在講解原理階段，先提出問題：樣品處理分為幾個環節？紅細胞洗滌干凈的標準是什么？為什么要低速短時離心？洗滌的目的是什么？怎樣才能讓紅細胞破裂使其中的血紅蛋白析出呢？學生根據已有的經驗很容易想到“吸水漲破”的方法。教師繼續設問：為了加速釋放過程，采取了什么措施？這樣做的目的是什么？這時，紅細胞破裂，蛋白質釋放，同時也有很多的細胞內容物和殘留細胞膜，此時離心管中的成分比較復雜，接下來該做什么？學生會想到下一步的實驗目的，過渡到下一步“分離血紅蛋白溶液”。教師提出問題：采用什么方法分離血紅蛋白？離心分層后，各層的成分是什么？用濾紙過濾，去除了什么成分？教師引導學生找到所需要的那一層，讓學生從宏觀上明確血紅蛋白所處的位置，并思考：用什么方法可以得到這一層物質？通過閱讀教材，學生可以找到“過濾”的方法。教師繼續設問：過濾掉的是什么？如何獲得下層的血紅蛋白溶液？學生很容易想到利用分液漏斗獲取。由于此時的血紅蛋白水溶液仍含有很多雜質，教師提出用透析法進行粗分離去除雜質。

在實踐提升階段，教師組織學生進入實驗室對采集的牛血進行樣品的處理（紅細胞的洗滌、血紅蛋白的釋放、分離血紅蛋白溶液）。

5.2.4粗分離——透析

在原理講解階段，教師播放多媒體動畫，讓學生理解透析的原理：透析只能去除小分子雜質，蛋白質進一步純化要用凝膠色譜法。接著，教師組織學生進入實驗室進行實驗操作環節，將理論與實踐相結合。

在實踐提升階段，教師組織學生對分離得到的血紅蛋白溶液進行粗分離——透析。

5.3第二課時：凝膠色譜法

在原理講解階段，教師提出問題：凝膠色譜法用到一種特殊材料，具有什么特點？然后播放凝膠色譜的動畫，進一步強化學生對凝膠色譜法原理的理解，并追問：凝膠色譜法的實驗具體怎么操作的呢？學生通過閱讀教材很容易得出凝膠色譜法的實驗分四步：凝膠色譜柱的制作一凝膠色譜柱的裝填一樣品的加入和洗脫一收集樣品。教師繼續設問：凝膠顆粒是怎么填的？凝膠材料如何選擇？G的含義是什么？在裝填凝膠之前還應該對凝膠進行什么處理？為了加速膨脹還可以如何處理？在裝填過程中需要注意什么？如果色譜柱內有氣泡行嗎？教師利用問題，引導學生思考在裝填過程的注意事項：色譜柱內存在氣泡，會攪亂洗脫液中蛋白質的洗脫順序，降低分離效果。教師提出質疑：這樣裝填就結束了嗎？從而引入最后一步洗滌平衡，并提出問題：什么時候開始收集樣品？

在實踐提升階段，教師組織部分學生去大學實驗室，利用蛋白純化系統對樣品進行純化，錄成視頻。課上播放視頻，讓學生直觀地理解凝膠色譜法的具體操作過程。接著，要求學生判斷流出來的物質是血紅蛋白，由此過渡到SDS-PAGE電泳的教學。

5.4第三課時：SDS-PACE電泳

5.4.1純度鑒定-SDS-PAGE電泳

在原理講解階段，教師引導學生閱讀教材找出電泳的概念：“指帶電粒子在電場作用下發生遷移的過程”。引導學生利用物理學知識，分析電泳的原理：蛋白質在一定的pH下，羧基電離帶負電，而氨基水解帶正電，但一般情況下認為蛋白質帶負電，在電場的作用下，蛋白質分子向凝膠的正極端遷移。教師補充提問：“電泳除了利用蛋白質帶電性質對蛋白質進行分離，還利用了蛋白質的哪些特性？”學生參照教材圖，可發現：凝膠是網狀結構，使小分子容易通過，而大分子不易通過。因此，學生得出結論：除了利用蛋白質帶電性質對蛋白質進行分離，還利用了蛋白質分子本身的大小和形狀。學生閱讀教材小字部分內容，了解凝膠電泳的種類及原理。教師設問：“為了使電泳只受到蛋白質分子大小的影響，而不受帶電性質的影響，加入哪種化學試劑？SDS是怎么做到的？”引導學生在教材中找到SDS的作用。教師補充提問：“除此之外SDS還有什么作用？”這個問題讓學生了解到SDS使蛋白質完全變性，將蛋白質解聚成單鏈，因此測定的結果只是單條肽鏈的分子量。

在實踐提升階段，教師講解完電泳原理之后，帶領學生進入實驗室進行實際操作（蛋白樣品處理、加樣、電泳、剝膠、染色、脫色、觀察）。

5.4.2知識遷移，學以致用

教師展示圖2，圖中1～15泳道代表不同的血紅蛋白病或者正常人，讓學生思考：如何檢測新生兒是否患有血紅蛋白疾病呢？請說出實驗思路。然后，教師再介紹一種全自動毛細血管電泳法進行血紅蛋白的檢測，讓學生了解科技前沿。

5.5課堂小結

教師板書本節課血紅蛋白提取和分離的過程，每一步用到的技術，各項技術的原理及實驗過程中的注意事項。

6教學反思

本節實驗課以血紅蛋白作為“主線分子”，包括了樣品的處理、透析、凝膠色譜法、SDS-PACE法等4個子實驗。本節課的難點在于凝膠色譜法和SDS-PACE法的原理比較難懂。為了突破此難點，筆者采用“先講解原理后實踐提升”的教學策略，讓學生通過實際操作將實驗原理內化。在講解每個子實驗時，通過設置問題串，激發學生思考，從而理解實驗操作步驟的原理及目的。