备课素材：酶本质的探索问题释疑-2023-2024学年高一上学期生物人教版必修1

酶本质的探索问题释疑 人教版高中生物《必修1·分子与细胞》的第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”中插入了“关于酶本质的探索”的科学史内容，但是关于巴斯德、李比希、毕希纳的相关描述比较简略，容易引发师生的疑问和误解。例如，巴斯德实验的反应物是葡萄糖，这是真的吗？当巴斯德和李比希的观点相悖时，伟大的科学家巴斯德竟想不出做活酵母和死亡酵母提取物的对比实验吗？如果巴斯德尝试了，为什么不成功？毕希纳所做的实验看起来比较简单，在30年间，竟没有一个人尝试这种方法吗？毕希纳的实验过程真的是这样的吗？ 1.背景 酶在古代就已经比较广泛地应用于生产和生活实践，比如我国人民夏禹时代就会酿酒，周朝就会制饴、制酱，春秋战国时期就会用曲来治疗消化不良的疾病等。但在很长一段时间内，人们并不清楚发酵的具体过程是怎样的。 直至18世纪末，人们才认识到，在发酵过程中糖类分解成了酒精和二氧化碳。1810年，盖·吕萨克（Gay Lussac）表明发酵后酒精和二氧化碳的重量之和几乎等于糖的重量。当时人们认为，发酵中产生的酵母不过是其中的一种副产品。 在1837年，拉图尔（Cagniard Latour）、库茨因格（Friedrich Kutzing）和施旺（Theodor Schwann）先后用显微镜（放大倍数约为500倍）观察酵母，他们得出了一致的结论：酵母是活的有机体。但这个观点被当时的大多数化学家反对甚至嘲笑，当时化学界的权威李比希（Justus von Liebig）认为，酵素的形成是空气与糖液相互作用的结果，正在分解的酵素可通过接触使糖也发生同种变化，即分解成酒精和二氧化碳。值得一提的是，李比希似乎没有做过发酵相关的实验来证明他的观点。 2.巴斯德与活酵母发酵 2.1 活力论的提出 19世纪初，拿破仑战争期间，英国对法国进行封锁使其无法进口蔗糖，所以当时法国北部广泛种植甜菜并建造了许多甜菜酒精厂。1854年，巴斯德（Louis Pasteur）被任命为里尔地区的化学教授，当时用甜菜汁（主要是蔗糖）生产工业酒精是里尔地区的主要工业。1856 年 11 月，里尔的工业家就酒液变酸的问题请教巴斯德。巴斯德开始研究发酵，并于1857年发表《关于乳酸发酵的记录》，于 1860 年发表《论酒精发酵》，提出著名的“活力论”：发酵是与酵母细胞的生命活动密不可分的。 在设计该节课时，有些教师会比较巴斯德和毕希纳的实验，认为两个实验的反应物都是葡萄糖。但是，根据科学史这是不准确的。巴斯德从开始研究发酵到提出活力论这两年多，研究的一直是甜菜糖，也就是蔗糖。直至1863年，拿破仑三世委托巴斯德研究葡萄酒（主要含葡萄糖）变酸的问题，巴斯德去法国各地研究，发现了葡萄酒变质的不同问题是由不同微生物引起的，并发明了著名的“巴氏消毒法” 2.2 李比希与巴斯德之争 1859年前后，当时国际著名的化学家李比希认为巴斯德搞错了。李比希认为发酵是一种化学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，“是酵母已经死亡的那部分（即酵素），即刚死亡并正在变质的那部分对糖发生作用”。 巴斯德想跟对手会面，但李比希拒绝进行任何讨论。关于发酵的问题一直争论不断。引起发酵的到底是酵母细胞的生命活动，还是酵母细胞死亡后的某种酵素呢？相信如果不考虑当时的技术条件限制的话，大多数学生都可以想到设置一组对比实验来验证：一组加入酵母活细胞，一组加入死亡的酵母提取物，看两者的结果如何。作为一名出色的科学家，巴斯德难道想不到这一点吗？ 根据巴斯德的主要助手、后来成为巴斯德研究所所长的埃米尔·鲁（Emile Roux）的回忆，1878年前后，巴斯德试图从酵母中分离出“酒精酵素”：在研钵中研磨；锤击冷冻的酵母细胞；再次把酵母细胞放在浓溶液中，使糖渗透进入细胞。但是，这些方法都不成功，巴斯德并没有找到“酒精酵素”。不仅仅是巴斯德，从贝洛特（（Berthelot）、迈耶（Mayer）、内格里（Naegeli）到洛夫（Low），每一次试图从酵母细胞中提取或分离这种特殊的化学物质的尝试都失败了。 巴斯德说，“糖的分解的化学过程到底怎样，其内在原因究竟何在？我承认我对此一无所知。对于这种假定的物质（酵素），我既不能承认它们也不能否认它们，我将永远力图不超出事实。”其实，这正体现了巴斯德作为一名科学家的严谨性。关于发酵的问题，直至巴斯德死后的第二年，毕希纳才证明了发酵的复杂机制。 3.毕希纳与无细胞酵解 3.1 背景 1893 年，化学家毕希纳（Eduard Biichner）的哥哥汉斯（Hans Buchner）对细菌原生质蛋白非常感兴趣。通常从细胞中分离蛋白质的方法是化学提取，但这个过程会破坏蛋白质并降低其活性。所以，汉斯请教了弟弟。他们在讨论中得出结论：细胞必须通过纯机械的方法破碎。毕希纳尝试把酵母的细胞膜冷冻到-