基于核心素養(yǎng)發(fā)展的論證復(fù)習(xí)教學(xué)
——以“酶”的復(fù)習(xí)為例

許桂芬

(福建省廈門第一中學(xué) 廈門 361003)

論證復(fù)習(xí)教學(xué)，遵循論證模型的精髓，側(cè)重于由問題等資料回憶所學(xué)概念，提供合理的證據(jù)或理由，對(duì)概念進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)或有力辯駁。或?qū)⒁褜W(xué)內(nèi)容改造為有價(jià)值的任務(wù)提出，讓學(xué)生來解決并說明理由(進(jìn)行論證)，形成觀點(diǎn)，以達(dá)到更高水平的認(rèn)識(shí)[1]。

現(xiàn)以“酶”的復(fù)習(xí)教學(xué)為例，圍繞“酶的催化作用”和“酶的作用條件較溫和”兩個(gè)重點(diǎn)，按照“提出問題→分析解釋，得出結(jié)論→尋找證據(jù)支持→認(rèn)可觀點(diǎn)，達(dá)成概念→布置新任務(wù)”的順序展開論證復(fù)習(xí)教學(xué)。

1 酶的催化作用

1.1 請(qǐng)解釋什么是活化能 學(xué)生回憶舊知識(shí)、結(jié)合簡(jiǎn)圖解釋： 在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行過程中，存在一道能障，常態(tài)分子需吸收一定能量變成活化分子，才能越過這道屏障，轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。如，H2O2分子經(jīng)加熱分解為H2O和O2，加熱供給的能量即為活化能。結(jié)論： 分子由常態(tài)經(jīng)變成容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需的能量即為活化能。

1.2 酶能提供活化能嗎 請(qǐng)學(xué)生就教材“H2O2在不同條件下的分解”的實(shí)驗(yàn)加以說明。學(xué)生結(jié)合簡(jiǎn)圖解答： 2、 3、 4號(hào)試管的H2O2都能分解，說明都達(dá)到活躍狀態(tài)。但只有加熱提供了反應(yīng)所需的活化能；加FeCl3或H2O2酶均未提供能量，只是降低了反應(yīng)過程的“能障”，促進(jìn)H2O2分子快速分解生成H2O和O2，起到催化作用。結(jié)論： 酶降低了反應(yīng)所需的活化能。

證據(jù)支持： 科學(xué)家在20℃下，檢測(cè)不同條件下H2O2分解所需的活化能不同，表1的數(shù)據(jù)說明催化劑能降低反應(yīng)的活化能。

表1 不同條件下H2O2分解所需活化能不同

1.3 催化劑為什么能降低反應(yīng)所需的活化能 解釋： 因?yàn)榇呋瘎?C)在催化反應(yīng)中，首先與底物(S)結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物(S-C)，中間產(chǎn)物易進(jìn)一步分解形成產(chǎn)物(P)和催化劑(C)本身。經(jīng)過中間產(chǎn)物的反應(yīng)所需要的活化能比由底物直接生成產(chǎn)物(S→P)所需的活化能小很多。結(jié)論： 催化劑和底物結(jié)合成中間產(chǎn)物，從而降低能障(活化能)，提高反應(yīng)速率，也是催化作用的機(jī)理。再問： 什么樣的底物才能和酶結(jié)合成中間產(chǎn)物？解釋： 具有和“酶活性中心結(jié)構(gòu)互補(bǔ)吻合”的結(jié)構(gòu)的底物，才能和酶緊密結(jié)合形成中間復(fù)合物(圖1[2])。結(jié)論： 說明酶具有專一性。

圖1 酶的作用示意圖

實(shí)例證據(jù)： ①塞進(jìn)牙縫里的肉絲常常兩天后還沒被消化。因?yàn)槊妇哂袑Ｒ恍裕谇焕锏耐僖旱矸勖钢荒芊纸獾矸郏饨z主要成分是蛋白質(zhì)，需要蛋白酶來水解。②某加酶洗衣粉包裝袋上溫馨提示：“適用于清洗棉、麻、化纖及混紡織物”。這也是因?yàn)槊傅膶Ｒ恍裕用赶匆路垡蚝煌付m合清洗不同污跡的衣物，該洗衣粉含蛋白酶或脂肪酶，適于清洗棉、麻、化纖及混紡織物等衣物上的奶漬或油污，而不適合于清洗絲綢、毛料等衣物。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)： 學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究蔗糖酶的專一性。取2支潔凈試管，在適宜的溫度下，分別注入2mL可溶性淀粉溶液和蔗糖溶液，再注入2mL蔗糖酶溶液，震蕩搖勻后，注入2mL新配制斐林試劑，60℃水浴加熱2min，觀察現(xiàn)象。結(jié)果，加可溶性淀粉的試管無明顯現(xiàn)象，加蔗糖的試管出現(xiàn)磚紅色沉淀，說明蔗糖酶只能催化蔗糖水解，不能催化淀粉水解，說明酶具有專一性。

1.4 酶降低活化能為什么比無機(jī)催化劑更顯著 解釋： 與無機(jī)催化劑相比，酶的活性中心部位是一種柔性的結(jié)構(gòu)。酶一旦與底物結(jié)合，能誘導(dǎo)酶蛋白的構(gòu)象發(fā)生相應(yīng)變化，使酶和底物契合形成酶-底物絡(luò)合物，促進(jìn)了酶與底物的相互作用，改變了底物化學(xué)鍵的性質(zhì)，從而顯著降低了反應(yīng)的活化能。(圖1)結(jié)論： 酶具高效性，酶的本質(zhì)一般是蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)更具柔性。

科學(xué)證據(jù)： 科學(xué)家通過旋光測(cè)定，發(fā)現(xiàn)許多酶在它們的催化循環(huán)中確有構(gòu)象的變化。例如，溶菌酶的X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)： 結(jié)合底物前后酶在構(gòu)象上有很大區(qū)別[3]。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)： 4號(hào)試管加2滴2%H2O2酶溶液，3號(hào)試管加2滴70%FeCl3溶液，這時(shí)3號(hào)試管FeCl3分子數(shù)等于4號(hào)試管H2O2酶分子數(shù)的5000萬倍，但4號(hào)試管比3號(hào)試管產(chǎn)生氣泡(O2)更多，說明酶的催化效率更高。

提出任務(wù)： 請(qǐng)用曲線圖表示酶的高效性。學(xué)生展示解釋圖示： 酶的高效性意味著達(dá)到反應(yīng)平衡點(diǎn)所需的時(shí)間比無催化劑或無機(jī)催化劑都短。學(xué)生質(zhì)疑： 據(jù)圖1酶的催化作用模型，若存在其他與底物類似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，會(huì)不會(huì)與底物競(jìng)爭(zhēng)酶？

教師引導(dǎo)拓展： 會(huì)。細(xì)胞內(nèi)若存在這種化合物，一般是調(diào)控復(fù)雜酶促反應(yīng)的重要因素。這種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制也是某些藥物的作用機(jī)理所在。例如，殺蟲劑殺蟲——?dú)⑾x劑DDT是一種神經(jīng)系統(tǒng)關(guān)鍵酶的抑制劑，對(duì)環(huán)境和人畜具有污染和毒害作用。青霉素殺菌——青霉素會(huì)與細(xì)菌合成細(xì)胞壁的關(guān)鍵酶的活性中心結(jié)合，阻礙細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，從而達(dá)到殺死細(xì)菌的效果，許多抗生素是細(xì)菌中某些特定酶的抑制劑。

2 酶的作用條件較溫和

2.1 家里使用加酶洗衣粉時(shí)，用自來水直接浸泡還是溫水或開水浸泡 解釋： 要用溫水溶液浸泡。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，適當(dāng)升溫促進(jìn)了分子的運(yùn)動(dòng)，提高了底物與酶活性位點(diǎn)的結(jié)合速度和頻率；但如果超過一定的溫度界限，由于酶蛋白肽鏈間氫鍵、離子鍵或其他更弱的作用力被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，很快降低了酶活性，有活性的酶減少則酶促反應(yīng)速率降低。結(jié)論： 酶作用條件一般較溫和，溫度適宜酶的活性高，溫度偏高或偏低，酶的活性都會(huì)明顯降低，溫度過高，酶會(huì)失活。

實(shí)例證據(jù)： 天熱或生病時(shí)，氣溫或體溫越高食欲卻往往較差，因?yàn)橄傅幕钚韵陆怠?/p>

實(shí)驗(yàn)證據(jù)： 學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“溫度對(duì)α-淀粉酶活性的影響”。取3支潔凈試管，在條件適宜情況下，往3支試管各加入2mL淀粉溶液，并分別置于0℃、 60℃、 100℃，保溫一段時(shí)間；另取3支試管，各加入1mL淀粉酶，并分別置于0℃、60℃、100℃，保溫一段時(shí)間。將相同溫度下的淀粉酶和淀粉混合反應(yīng)5min，各加入2滴碘液振蕩均勻。觀察到0℃和100℃ 2支試管均出現(xiàn)藍(lán)色、60℃的試管仍呈褐色，60℃酶的催化效率最高，淀粉被分解了。

科學(xué)證據(jù)： 大部分酶在60℃以上變性，少數(shù)酶能耐受較高的溫度。例如，細(xì)菌淀粉酶在93℃活力最高，又如牛胰核糖核酸酶加熱到100℃仍不失活[3]。

2.2 消化不良服用多酶片時(shí)，應(yīng)整片吞服還是嚼碎服用 解釋： 整片吞服。因?yàn)槎嗝钙泻卸喾N消化酶，整片吞服使腸溶衣在胃液中不被破壞，確保腸溶衣包裹的酶在腸溶液中發(fā)揮作用。如果是嚼碎服用，腸溶衣包裹的酶釋放后會(huì)在酸性的胃液中失去活性，無法發(fā)揮作用。(注： 多酶片是雙層藥片，內(nèi)層是腸溶衣不易溶于胃液，可溶于腸液，包裹含胰淀粉酶、胰蛋白酶、胰脂肪酶等胰酶。外層糖衣可溶于胃液，包裹胃蛋白酶。)pH對(duì)酶活性的影響，主要是因?yàn)閜H會(huì)影響酶或底物的解離，也會(huì)影響底物的極性，從而影響酶分子對(duì)底物分子的結(jié)合和催化。只有在特定的pH范圍內(nèi)，酶、底物和輔酶的解離狀態(tài)，才最適宜它們相互結(jié)合，并發(fā)生催化作用，從而使酶的反應(yīng)速度達(dá)到最大值，這個(gè)pH稱為酶的最適pH。結(jié)論： 酶作用需要適宜pH， pH適宜酶的活性高，pH偏高或偏低都會(huì)使酶蛋白變性而使酶的活性喪失。

實(shí)例證據(jù)： 加酶洗衣粉洗衣服用水的pH值一般不大于10。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)： 學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“pH對(duì)H2O2酶活性的影響”。(過程類似溫度對(duì)酶活性的影響)。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)為曲線圖表示pH對(duì)酶活性的影響，該結(jié)果支持上述結(jié)論。

2.3 影響酶促反應(yīng)速率的因素 提出問題： 請(qǐng)從誘導(dǎo)契合學(xué)說模型出發(fā)，找找除溫度、pH外，影響酶促反應(yīng)速率的因素還有哪些？分析： 酶濃度和底物濃度，它們會(huì)通過影響底物與酶的接觸來影響酶促反應(yīng)速率，[底物]或[酶]越大，相互接觸機(jī)會(huì)越多，酶促反應(yīng)速率越大，可用曲線圖來表示。(注： 不影響酶活性。)

歸納： 影響酶促反應(yīng)速率的因素： 溫度、pH、酶的濃度、底物濃度、酶的抑制劑等。其中，溫度、pH和酶的抑制劑通過影響酶活性來影響酶促反應(yīng)速率；酶濃度和底物濃度通過影響底物與酶的接觸來影響酶促反應(yīng)速率，不影響酶活性。