深度读：高中生物学新教材—13
今天读书内容：降低反应活化能的酶。这次读书主要是一些教学内容的个性化处理。
新教材此处内容我上课会直接略掉。原因有两点：一方面这个例子所体现的教育价值在“关于酶本质的探索”中也能体现出来；另一方面这部分内容只安排了一个课时实在太紧张了。
个人会直接上细胞代谢。胃蛋白酶参与的反应发生消化道内，严格来说不属于细胞代谢的范畴。学生前面已经学习了细胞的基本结构，对于细胞内发生许多化学反应并不会陌生，直接引入细胞代谢学生也不至于感觉很突兀。
细胞代谢会产生代谢废物，甚至会产生对细胞有害的物质，如过氧化氢。幸而细胞中含有过氧化氢酶，它能够将过氧化氢及时分解为氧气和水。下面就以过氧化氢在不同条件下的分解为例，探究酶的作用。
略。
教材此处安排科学方法栏目，旨在让学生对实验设计的认识上升理论水平，提升探究能力。个人会将这部分内容和函数相联系。
f（x1，x2…）＝y
此处f表示实验程序，y表示实验结果（因变量），x1、x2…表示影响实验结果的实验变量（高中暂不考虑实验变量的交互作用，下同）。影响实验结果y（因变量）的实验变量很多，简单的实验每次通常只考虑一个变量对实验结果的影响，此时被研究的实验变量就是自变量。
这里我们假定研究实验变量xk（自变量）对实验结果（因变量）的影响。
f（x1，x2，…，xk1，…）＝yk1
f（x1，x2，…，xk2，…）＝yk2
……
（yki表示自变量取值为xki时的实验结果）
上述实验中，除了自变量xk取值改变，xk以外其它实验变量（无关变量）都适宜且保持一致，于是上式可以简化为：
f（xk1）＝yk1
f（xk2）＝yk2
……
这样，我们就可以把（xk1，yk1），（xk2，yk2）…这些点描在平面坐标系上，从而直观反映自变量xk和因变量y之间的关系。
上述分析除了建立简单单因子实验的数学模型，同时借用函数的形式，让学生明确在单因子实验中：每一组实验的自变量取值确定以后就保持不变；不同组实验之间除了自变量的差异外要保证正无关变量相同且适宜。其中后一点也被教辅们称为“单一变量原则”，这一提法只适用于单因子实验，现实实验中研究的自变量通常不只一个，“单一变量原则”也并不是实验设计的基本原则。
理解上述数学模型后，一些学生立马就能反应出来，两个自变量的实验可以建立空间坐标系分析，更多的自变量则需要更复杂的数学工具处理，这为学生以后学习实验设计与分析打下基础。
至于对照的类型，学生只需要明确空白对照即可，其余对照类型暂不给学生介绍。
通过比较过氧化氢在不同条件下的分解，学生已经能够体会到过氧化氢酶具有催化作用，能在常温下高效催化过氧化氢的分解，从而避免细胞代谢产生的过氧化氢可能带来的伤害。
这里要求学生对酶的作用从感性认识上升到理性认识。虽然教材给了形象的比喻并配图，但是实践表明，活化能是个很难理解的化学术语。
教材将活化能定义为：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。学生顺着这个意思，可能这样推论：没有反应是因为能量不够，只要给了足够的能量反应就能进行，这样很容易就会把酶的作用理解成“提供”了能量。
我通常会换用活化能的另一种说法来解释：活化的复合物和反应物间能量的差异。简单地说，就是活化状态分子的平均能量减去所有反应物分子的平均能量。处于活化状态的分子数越多，化学反应进行地就越快。
（仿Karp's Cell and Molecular Biology 8th page92 Figure3.9)
生理温度范围内，升高温度活化能基本不变，这是因为升高温度时，不仅反应物分子的平均能量会增加，活化状态分子的平均能量也增加，两者增幅有限且基本相互抵消掉了。但升高温度后，处于活化状态的分子比升温前更多，因此升高温度能够提高化学反应的速率，就像我们在前面实验中看到的那样，90℃水浴下过氧化氢的分解速率比常温下要快。
催化剂能降低活化能，反应物分子就可以在更低的能量水平即处于活化状态，这样反应物中活化分子数目也随之增加，反应速率加快。Fe3+和过氧化氢酶都能降低反应的活化能，从而提高过氧化氢的分解速率。
教材安排了“酶本质的探索”的思考与讨论。这里介绍了我国很早就了解酿酒的相关知识，将传统文化熏陶渗入学习之中。
科学家从酒变酸的生活现象出发，提出问题，不断地探究、实验，最终揭示酶的本质，帮助学生理解绝大多数酶是蛋白质的事实。学生从中也能体现到科学发现是一个长期的过程，是众多科学家共同努力的结果。每个科学家通常都会受到自身研究领域的局限，即便是微生物大牛巴斯德和化学大牛李比希也未能幸免，大牛尚且如此，我们更需要批判辩证地去看待不同的观点，而不是盲从。
略。
酶的专一性是指酶对参与反应的底物有严格的选择性，即一种酶仅能催化一种底物或一类结构相似的底物。酶的专一性与酶活性中心的结构密切相关，由于这个问题比较复杂，教材没有在正文中给出说明，而是选择在课后练习题中呈现了“锁和钥匙”假说。虽然这个假说有很多缺陷，但是对于高中生来说，已经可以帮助他们体会到酶的专一性与酶的结构密切相关。
为了更好地让学生理解酶的专一性，除了教材中脲酶可以催化尿素分解这一反映酶绝对专一性的例子，教师还可以举一些反映酶相对专一性的例子，如淀粉酶和蛋白酶等。
教材通过“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”实验，让学生体会到：淀粉酶能够催化淀粉的水解，而不能催化蔗糖的水解。这有助于学生理解酶的专一性。这里有一个问题需要澄清一下，那就是这个实验并不能证明酶具有专一性。
该实验能够得出这样的结论：淀粉酶能催化淀粉的分解，而不能催化蔗糖的水解。此处实验结果提出（不完全归纳）：淀粉酶具有专一性，它只能催化淀粉的分解，而不能催化其它物质的分解。要想证明这个“结论”，我们需要测试蔗糖以外的其它物质，如脂肪、蛋白质、核酸以及其它糖类等物质，结果发现对于自然界的所有物质，淀粉酶都只能催化淀粉的分解，对其它物质不起作用。这样我们才能说淀粉酶的专一性得到了证明。完全归纳的结果才是真实可靠的，只有完全归纳才能做到证明。
生物学和其它科学研究中，通常都不可能穷尽研究对象。因此，难以做到完全归纳。此时我们先通过不完全归纳得出一个假说，然后根据假说进行演绎推理，并继续用实验对演绎推理的结果进行检验。如果实验结果和演绎推理的结果一致，我们就说假说得到了验证，但这仍然不能保证假说就是正确的，所以我们不能说假说得到了证明。
举个例子，萨姆纳发现脲酶是蛋白质，随后他又结晶了一些酶，也被确认为蛋白质，此时可以提出假说：酶是蛋白质。上世纪五六十科学家又分离纯化了一些酶，也被鉴定为蛋白质，这些发现使“酶是蛋白质”得到了“验证”，但并没有证明酶就是蛋白质，因为没有穷尽所有的酶。1982年，切赫和奥特曼发现了有些RNA也具有催化功能，这一结果不支持“酶是蛋白质”，虽然“酶是蛋白质”的假说得到了前面一系列实验的支持，但是一个不符合预期的结果就足以否定“酶是蛋白质”。
假说只要不断被验证，而没有出现否定假说的例子，并且能够解释已知的现象，还能帮助人们在实践中做出预测，假说就是有价值的，就可以将假说上升为理论。也许某一天理论会被新的证据证伪，此时我们再建立新的假说，形成新的理论。因此，科学知识反映的只是现阶段我们对客观世界的最合理认识，并不是终极知识。教师在讲授实验时，一定要注意我们的认识通常都是基于不完全归纳，要慎用“证明”，多用“验证”。像淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用这个实验，我们可以说这个实验验证了淀粉酶具有专一性，而不说证明了淀粉酶具有专一性。
教材这一部分提供了充分的信息，让学生提出问题并作出假设，然后提供材料用具，提出一系列实验设计过程中的问题供学生参考，以便于学生设计自己的实验方案，然后在小组讨论的基础上，完善实验方案，最终付诸实施。实验结束后，分析实验结果，得出结论，并进行表达和交流。
学生的情况不同，要求也不尽相同。可以分层要求设计成定性实验或定量实验。该探究活动有助于学生掌握探究的基本思路和方法（如刚学过的如何控制变量），提高实践能力；在探究中培养学生的团队合作。
新教材建议用淀粉酶探究温度对酶活性的影响，用过氧化氢酶探究pH对酶活性的影响。这里主要是基于自变量控制的考虑。由于酸也能催化淀粉的分解，因此不适合用淀粉酶探究pH对酶活性的影响；由于温度也能显著影响过氧化氢的分解，因此不适合用过氧化氢酶探究温度对酶活性的影响。
由于淀粉在高温下会发生糊化反应，尤其是淀粉浓度偏高时还会形成好吃的凉粉，和原来的淀粉在性质上有很大的区别。因此这个实验我都会建议学生不要采用70℃以上的高温。
探究温度对淀粉酶活性的实验中，对因变量指标进行检测时，一般都强调不要用斐林试剂，因为斐林试剂检测还原糖的生成时需要加热，而实验过程中温度是自变量，理论上实验过程中自变量应该保持不变，加热会引入额外的变量，导致实验结果不准确。
我个人的观点，高中生能注意到这个问题就好，没必要过分强调。这是因为：酶促反应可以采用特定试剂终止反应，如加酸、加碱或加入蛋白沉降剂等等。在因变量检测前，加入相应试剂终止酶促反应，这样即使后续操作引入了额外的实验变量也不会影响因变量检测的结果。酶促反应动力学研究中，终止反应是常用的手段。本实验中，斐林试剂所用的NaOH和CuSO4可以使淀粉酶变性。为了保证淀粉酶充分变性，可以在加入斐林试剂前先加入NaOH终止反应，随后再加入斐林试剂，这样做并不会影响因变量的检测结果。
本节需要学生明确：细胞内复杂的物质变化在温和条件下进行，这是依赖酶实现的。酶能显著地降低反应的活化能。绝大多数酶是蛋白质。酶具有高效性、专一性，酶活性受到环境因素的影响。
本节安排了3个探究实践活动，意在让学生体验科学探究的过程，学习控制变量、观察和检验因变量，能设置对照试验。这些探究实践活动，有助于学生提升科学探究方面的素养。
通过酶本质的探索历程学习，认同科学是在实验和争论中前进的，伟大科学家的观点也有其局限性。科学工作者要善于汲取不同的学术见解，又要有创新精神。
教材还安排了科学技术社会的栏目，让学生关注酶在生活中的广泛应用，认同科学技术的重要价值。