教材中“關于酶本質的探索”的幾點探討

何曉瑩 李楚華

摘要 人教版高中生物必修1的教材在“關于酶本質的探索”這部分科學史中的相關描述較為簡略，易使師生產生疑問和誤解。通過查閱相關文獻，嘗試對巴斯德、畢希納實驗的背景和具體過程等問題進行探討和分析，為該部分科學史的教學設計提供一些參考和依據。

關鍵詞 巴斯德 畢希納 無細胞酵解實驗

中圖分類號Q-49

文獻標志碼 E

在人教版高中生物《必修1.分子與細胞》的第五章第一節“降低化學反應活化能的酶”中插入了“關于酶本質的探索”的科學史內容，但是關于巴斯德、李比希、畢希納的相關描述比較簡略，容易引發師生的疑問和誤解。例如，巴斯德實驗的反應物是葡萄糖，這是真的嗎？當巴斯德和李比希的觀點相悖時，偉大的科學家巴斯德竟想不出做活酵母和死亡酵母提取物的對比實驗嗎？如果巴斯德嘗試了，為什么不成功？畢希納所做的實驗看起來比較簡單，在30年間，竟沒有一個人嘗試這種方法嗎？畢希納的實驗過程真的是這樣的嗎？

通過查閱國內外的相關文獻，發現，有關畢希納的無細胞酵解實驗在國內的文章中極少，國外則比較多。在此基礎上，嘗試對上述的問題做出較科學的回答，呈現較清晰的有關酶的發現的科學史，以便為該部分的教學設計提供一定的參考。

1 背景

酶在古代就已經比較廣泛地應用于生產和生活實踐，比如我國人民夏禹時代就會釀酒，周朝就會制飴、制醬，春秋戰國時期就會用曲來治療消化不良的疾病等。但在很長一段時間內，人們并不清楚發酵的具體過程是怎樣的。

直至18世紀末，人們才認識到，在發酵過程中糖類分解成了酒精和二氧化碳。1810年，蓋·呂薩克（CayLussac）表明發酵后酒精和二氧化碳的重量之和幾乎等于糖的重量。當時人們認為，發酵中產生的酵母不過是其中的一種副產品。

在1837年，拉圖爾（Cagniard Latour）、庫茨因格（Friedrich Kutzing）和施旺（Theodor Schwann）先后用顯微鏡（放大倍數約為500倍）觀察酵母，他們得出了一致的結論：酵母是活的有機體。但這個觀點被當時的大多數化學家反對甚至嘲笑，當時化學界的權威李比希（Justus von Liebig）認為，酵素的形成是空氣與糖液相互作用的結果，正在分解的酵素可通過接觸使糖也發生同種變化，即分解成酒精和二氧化碳。值得一提的是，李比希似乎沒有做過發酵相關的實驗來證明他的觀點。

2 巴斯德與活酵母發酵

2.1 活力論的提出

19世紀初，拿破侖戰爭期間，英國對法國進行封鎖使其無法進口蔗糖，所以當時法國北部廣泛種植甜菜并建造了許多甜菜酒精廠。1854年，巴斯德（LouisPasteur）被任命為里爾地區的化學教授，當時用甜菜汁（主要是蔗糖）生產工業酒精是里爾地區的主要工業。1856年11月，里爾的工業家就酒液變酸的問題請教巴斯德。巴斯德開始研究發酵，并于1857年發表《關于乳酸發酵的記錄》，于1860年發表《論酒精發酵》，提出著名的“活力論”：發酵是與酵母細胞的生命活動密不可分的。

在設計該節課時，有些教師會比較巴斯德和畢希納的實驗，認為兩個實驗的反應物都是葡萄糖。但是，根據科學史這是不準確的。巴斯德從開始研究發酵到提出活力論這兩年多，研究的一直是甜菜糖，也就是蔗糖。直至1863年，拿破侖三世委托巴斯德研究葡萄酒（主要含葡萄糖）變酸的問題，巴斯德去法國各地研究，發現了葡萄酒變質的不同問題是由不同微生物引起的，并發明了著名的“巴氏消毒法”。

2.2 李比希與巴斯德之爭

1859年前后，當時國際著名的化學家李比希認為巴斯德搞錯了。李比希認為發酵是一種化學作用而不是生物作用;重要的不是酵母的存活，而是它的死亡，“是酵母已經死亡的那部分（即酵素），即剛死亡并正在變質的那部分對糖發生作用”。

巴斯德想跟對手會面，但李比希拒絕進行任何討論。關于發酵的問題一直爭論不斷。引起發酵的到底是酵母細胞的生命活動，還是酵母細胞死亡后的某種酵素呢？相信如果不考慮當時的技術條件限制的話，大多數學生都可以想到設置一組對比實驗來驗證：一組加入酵母活細胞，一組加入死亡的酵母提取物，看兩者的結果如何。作為一名出色的科學家，巴斯德難道想不到這一點嗎？

根據巴斯德的主要助手、后來成為巴斯德研究所所長的埃米爾·魯（Emile Roux）的回憶，1878年前后，巴斯德試圖從酵母中分離出“酒精酵素”：在研缽中研磨;錘擊冷凍的酵母細胞;再次把酵母細胞放在濃溶液中，使糖滲透進入細胞。但是，這些方法都不成功，巴斯德并沒有找到“酒精酵素”。不僅僅是巴斯德，從貝洛特（ （Berthelot）、邁耶（Mayer）、內格里（Naegeli）到洛夫（Low），每一次試圖從酵母細胞中提取或分離這種特殊的化學物質的嘗試都失敗了。

巴斯德說，“糖的分解的化學過程到底怎樣，其內在原因究竟何在？我承認我對此一無所知。對于這種假定的物質（酵素），我既不能承認它們也不能否認它們，我將永遠力圖不超出事實。”其實，這正體現了巴斯德作為一名科學家的嚴謹性。關于發酵的問題，直至巴斯德死后的第二年，畢希納才證明了發酵的復雜機制。

3 畢希納與無細胞酵解

3.1 背景

1893年，化學家畢希納（Eduard Biichner）的哥哥漢斯（Hans Buchner）對細菌原生質蛋白非常感興趣。通常從細胞中分離蛋白質的方法是化學提取，但這個過程會破壞蛋白質并降低其活性。所以，漢斯請教了弟弟。他們在討論中得出結論：細胞必須通過純機械的方法破碎。畢希納嘗試把酵母的細胞膜冷凍到一16℃，然后快速解凍，但沒有成功;直接在研缽中研磨也失敗了。最終，他發現，用石英砂研磨的效果很好。

但是，另外一個問題又產生：如何從細胞碎片和石英砂中分離出這種細胞的內含物呢？漢斯的助手哈恩（Martin Hahn）通過在破碎后的酵母團中加入硅藻土，用水壓機將細胞內含物過濾出來，就得到這種酵母汁。當時，過濾出來的酵母汁用質量分數為40%的葡萄糖溶液保存。

1896年，畢希納注意到保存于質量分數為40%的葡萄糖溶液的酵母汁會產生穩定的氣泡流，他意識到，這可能是真正的無細胞酵解。

3.2 無細胞酵解實驗

1897年，在哈恩的幫助下，畢希納成功地制備出一種酵母提取液，這種酵母提取液不含細胞，具體過程如下：將酵母與相同重量的石英砂和1/5重量的硅藻土混合，手工研磨幾分鐘，原先干燥、堅硬的酵母則很快成為灰黑色的松軟物。研磨裝置由直徑40 cm的研缽和研杵組成，研杵柄部的鐵棒重達8 kg，由圓環固定（圖1）。將研磨后的酵母團用結實的帆布包著放入水壓器（圖2）中。當壓力漸增至90 kg/cm2的時候，液體即被擠壓出來，幾小時內能從1 kg的酵母中得到500 mL的液體。畢希納還發現，這種酵母提取液可以讓葡萄糖、麥芽糖和蔗糖發酵，產生酒精。

無細胞發酵的發現，直接開創了酶學研究，推動了酶的應用。在1907年，畢希納因此獲得了諾貝爾化學獎。

畢希納能夠解決這個歷時長久的爭論，除了當時提取技術上的發展之外，在某種程度上有一定的運氣。1959年諾貝爾生理學和醫學獎的獲得者阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）說過，“巴斯德的運氣不佳，

他所用的巴黎酵母是蔗糖酶缺陷型;畢希納則吉星高照，他的慕尼黑酵母抽提液中尚有相當量的這種酶保持活力。”當蔗糖存在時，酵母菌合成蔗糖水解酶的功能被激活，合成后的蔗糖水解酶被分泌到細胞外，將一分子蔗糖水解為一分子葡萄糖和一分子果糖。而后，葡萄糖進入酵母細胞內氧化分解為乙醇。

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