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11102選修生物一2-1探討活動 影響酵素作用的因子－探究實作真融入

說到生物課本中的探討活動，真的是很有意思的主題。

有的時候還真的不確定在探討什麼.....

有的時候感覺上大部分都在照課本步驟操作，也沒人在乎結果是什麼。

因為就原理來說都可以預期結果，不如預期的就推給誤差。

也有很多其實有更大的問題

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這個實驗是「探討」酸鹼值對酵素作用的影響。

也就是讓學生利用一些實驗操作，得到能回答「環境的酸鹼值如何影響酵素活性？」的答案。

如果用符合探究實作基本作圖概念來思考，能回答這個答案的圖應該是「以酸鹼值為橫軸，酵素活性為縱軸」

不過很妙的是，在課本的作圖指示（步驟五）是「以時間為橫軸，產氣量為縱軸」

真正能得到「以酸鹼值為橫軸，酵素活性為縱軸」這種圖的指示是在步驟六，卻沒有做圖，也沒有就步驟六的數據進行「環境的酸鹼值如何影響酵素活性？」的討論。

（我猜主要是用在問題討論的第五點，用來看重複測試的重要性）

不論是步驟五的「以時間為橫軸，產氣量為縱軸作圖」，或是步驟六「計算各組於 10 分鐘時,A ∼ E 各管產氣體的平均值」都與學生在化學課學到的「以反應速率代表酵素活性」的概念不同。

反應速率是「單位時間中增加的產物量」！！

這樣來看的話，不論是步驟五或六都沒有帶學生計算反應速率啊。

雖然可以說「在同樣時間，有不同的產氣量，也可以代表相對反應速率」

但這樣的設計就導致了後面忽略了「不同時間的反應速率會有不同」帶來的錯誤。

例如根據學生的數據，某個酸鹼值下的產氣量在第六分鐘後就不再增加。

那麼，用第六分鐘與第十分鐘的數據做出來的「酸鹼值對酵素活性的影響」就會很不一樣。

第六分鐘的數據應該會有較大的差異，而第十分鐘則會呈現某兩個酸鹼條件的結果很接近。

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比較詳細的說明在

探究實作Ｂ第十四週 撰寫實驗報告

探究實作中的「科學圖表與表達分享」的「教學」

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所以我在課程開始前，就說明今天最終要請大家分享「環境的酸鹼值如何影響酵素活性？」

可以參考步驟五與六，還有探究實作的學習決定要如何作圖。

可以畫其中一個，也可以兩個都畫。

更可以發展新的作圖。

重點是要能看出「環境的酸鹼值如何影響酵素活性？」

學生很認真的討論

有部分學生有發現步驟五的圖只是拿來確認反應速率的變化，應該要將十分鐘時全班的平均值來做「酸鹼值vs反應速率」的圖才對

更有學生發現要加入標準差才能判定不同酸鹼值間的反應速率是否真的有差別。

要令人落淚的是有學生發現因為在六分鐘後，就有試管中氣體增加的速率減緩，所以不應該用十分鐘的數據，應該用六分鐘！！

太感人了～～

 

11102選修生物一2-1酵素的最重要功能不是降低活化能？！高階理解與學科本質融入

 

這一節課要來介紹酵素。

用的策略是「教師提出與學生、課本不同的衝突假說，讓學生透過綜合課本與教師提供的資訊、評鑑假說可能性，來深化學生在此單元的學習」

（我沒有漏掉任何課本的內容，但學生在接收這些內容資訊時，是以要「更立即的應用」、「學生要提出自己主張」的定位來進行的）

當然也承載了「跟化學人看待酵素相較，生命科學看的是酵素作為系統調控者的角色」這個目的，這樣能提升學生心中價值感，也就是學科本質融入教學。

也可以減少學生覺得「國中理化學過了、高中化學課學過了，生物課又講一樣的東西，生物課果然沒有物理化學厲害」，還有那股廉價感！

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下面提的內容都各有參考資料，隨文附上。

也可以參考這篇由中山大學許清玫老師提供給高中資優生課程中的酵素學講義(109/04/11)--

https://www2.nsysu.edu.tw/Bio/images/commen/enzy1030412.pdf

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首先還是讓有預習的同學舉手，此時要特別讓這些同學覺得自己與眾不同。

但不用「顯性稱讚」，而要用「隱性稱讚」。

我都會說，「有預習的同學今天可以特別享受思考的快樂。因為我今天會提出跟課本不同的說法，讓大家評斷是相信我還是課本～～」

然後再加一句「沒有預習的同學，就可能會在我評論課本內容時，搞不清楚課本說了哪些東西」

此時沒預習的同學就會趕快翻課本哈哈。

我又落井下石（但語氣不能幸災樂禍）補了一句，現在不用翻了，因為時間大概不夠看內容。
倒是想想我們下週上課前，大家可以在行事曆上安排哪個時段做預習～～

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以下都是我的上課口說稿。

如果有要講給生物老師聽的，會特別註明，就不是上課會講出來給學生聽的。

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還是到學科本質。

[口說稿]

我們今天是用複雜系統的調控來學酵素。

讓大家看到生物學上看待酵素跟化學上是很不一樣的。

但不代表會違反物理化學喔～因為生物學上所有的基本現象都是建立在物理化學原理之上。

只是我們看的是更高階的系統觀!

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我們今天還是會從自由能出發，帶大家看其實之前化學課說的能量變化，就是自由能。

而在生物課中，在意的是氫鍵導致的構形變化，來調控整個系統中，哪些反應要多一些、哪些要少一些！

即使是催化反應本身，酵素的確可以提高反應速率，但不一定是透過建立替代反應來降低活化能門檻～

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接下來我們要開始用生物學的眼睛看酵素囉～

大家（學生）

可以留意我解釋的角度，看我能不能說服你（學生）其實酵素的重要性跟課本上寫的不一樣～

課本上有提到酵素有三個特性。

• 降低活化能，所以能提高反應速率
• 有受質專一性
• 可重複利用

（認真看完整篇的夥伴會得到彩蛋～）

酵素的確可以降低活化能、提高反應速率，但對於細胞來說，這可能不是最重要的功能。

而是受質專一性帶來的調控可能性。

(給生物老師：幾乎所有的酵素都有被抑制的機制，也就是說有踩煞車的需求。能利用結構形成專一性，引出可以選擇性的加速與減速才是生物設計用蛋白質作為催化劑的原因）

(還是給生物老師：提高反應速率是起點，但並不是終點或目的。降低活化能的機制也跟化學課中的催化劑不太一樣。後面有參考文獻）

可重複利用這個特性更不是對於細胞來說太重要的功能，畢竟有太多不是酵素的分子也都是可以重複利用的.....

(給生物老師：隨便想隨便有，更重要的概念是細胞本來就是盡量重複利用很多分子，不要從零開始)

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首先，酵素的確可以降低活化能、提高反應速率。

這兩張圖的橫軸是反應進行的時間，而縱軸，在化學課是用「能量」帶過，但其實就是自由能。

如果需要的話，大家（學生）可以去翻大學的化學課本，縱軸就會直接寫自由能。

在化學課有提到，不論反應終末的能量是高於還是低於起點，中間都必須跨越一個能量門檻。

這個門檻就是「活化能」。

酵素可以降低活化能門檻，這一點是完全正確的！

但酵素在細胞真正的重要性不是降低活化能

因為細胞有其他兩個方法降低活化能障礙～～

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第一是把單一反應拆解成很多小反應

圖片來源（在這邊順便偷渡下一節課要講的糖解作用）

像是將葡萄糖氧化為水與二氧化碳的過程，如果是單一反應，活化能門檻就很高。

但是細胞演化出將這個反應拆解成很多小步驟，每個小步驟的門檻就大幅降低了！

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第二個克服活化能障礙的方法就是耦合一個放（自由）能反應

（這邊就等於在複習ATP了，但效果跟「我們現在來複習高一學過的ATP」完全不同喔）

ADP有兩團磷酸根，已經有很多負電荷，如果有第三團磷酸根要擠上去，會變得更不穩定。

等於是亂度降低，系統比較不穩定，也就是自由能較高。

所以需要外加能量才有可能發生。

反過來ATP是三團磷酸根、不穩定的狀況，自由能較高。

第三團磷酸根分開後，是比較穩定的狀態，自由能較低。

所以磷酸根分開會釋出自由能，這個能量就可以提供給細胞那些反應越過活化能門檻。

不過，這沒有就真的確定足以克服活化能門檻。

也要看剛才切成小段的各個反應的活化能是否小到可以用ATP水解來完成。

１莫耳的ATP水解會有7.3kcal的能量釋出。

而細胞中化學反應的活化能是多少呢？

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參考資料。

（在這邊順便偷渡下一節課要講的糖解作用）

這張是我們在下一節課要學的內容，但別怕～

起點是葡萄糖，終點是丙酮酸。

被切成十個反應，每個反應的總自由能變化都很小，沒有任何一個超過ATP水解可以提供的。

雖然這是總自由能變化，但活化能與自由能變化有比例關係（下附參考資料）

大致上也在ATP水解能提供的能量範圍內。

而且這些步驟中有許多活化能很小的反應也還是有專屬的酵素

例如G6P變成同分異構物F6P. [參考資料] 

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[給生物老師的]

首先，活化能小並不是我的主要論點。也沒有要推翻酵素會降低活化能、加速反應。。

第二

參考資料

反應物跨越形成中間產物之能量障礙變為生成物狀態所需之額外能量，活化能的大小由阿倫尼亞斯定律(Arrhenius law)決定：

　　K＝Ae-Ea/RT

　　其中K＝反應速率常數

　　A＝頻率常數(Frequency factor)

　　Ea＝活化能(Jmol-1)

　　R＝氣體常數(8.314JK-1mol-1)

　　T＝溫度(K)

　　將上式整理成

　　lnk＝lnA (-Ea/ RT)

　　

資料來源：

結合阿倫尼亞斯定律S．A．Arrhenius與H．Eyring對化學反應的速度常數k與transition state的推導，可得

k=k（KT/h）exp（－ΔG*/RT）

  =k（KT/h）exp（ΔS*/R）exp（-ΔH*/RT）

k為通透係數，K是波爾茲曼常數，h是普朗克常數

ΔG*、ΔS*、ΔH*分別為活化自由能、活化熵和活化焓。

且活化自由能與活化焓大致相等。

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那麼，酵素真正關鍵的功能是什麼？

真正重要（非蛋白質的催化劑無法扮演）的角色是什麼呢？

這就要從酵素的作用機制來看。

酵素跟化學課中常提到的催化劑很不一樣。

酵素遠比反應物來得大，其中有一個空間在與反應物結合後，會改變胺基酸間的氫鍵及凡德瓦力，讓結合空間的立體形狀有些微的改變，會讓後續的反應更容易發生。

這個「反應更容易發生」是利用空間上需要吻合，讓原本是要等到隨機碰撞（而且是剛好對的方向對的位置的碰撞）才會發生的反應，變成在空間上可以準準對好、時間上可以延長一些。

在無機化學上是形成另一個能量狀態較接近產物的中間產物。

就像這世界上一定有個很適合你的人，但你們只有機會擦肩而過，那麼要讓對方在那一瞬間看到你（會讓他愛上的那個）優點，會需要你們擦肩而過很多次，而且在各種不同情境下，才有可能發生那麼一次有效碰撞。

酵素就像媒人，知道你適合什麼樣的人，約了彼此吃頓飯，有更長時間相處，就可以讓兩個人看的彼此的優點而建立關係。

如果要從這個比喻來看無機催化劑就可以看出不同。

無機催化劑的媒人會跟其中一方在一起，讓他的優點顯露出來，更容易被你愛上。

但隨機碰撞還是隨機碰撞......

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利用空間上必須吻合的特性，酵素就可以做為在很小空間中，複雜反應系統的調控點。

只要調控各種酵素含量的時間差，就可以決定各種反應的時間順序。

例如青春期開始時，各種合成生殖激素的酵素才開始變多。

或是只要增加各種不同機制的抑制性調控分子，就可以在該踩煞車的時間，減緩特定反應

例如在高一時寫的考題中，常常有問ATP/ADP比值對呼吸作用的影響。

（停下來問有哪些同學還記得）

其實是因為ATP是這個酵素的抑制物。

當細胞中ATP很多的時候，減緩這這一系列的反應是很合理的設計。

其實，這十個步驟中的所有酵素，都有踩剎車的開關。而且還可能一個酵素同時有好幾個可以踩剎車的地方。

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而且，細胞中有各式各樣的方式精準降低酵素的活性。像是佔據活化位，或是某些分子在其他位置可以結合上去，改變活化位的位置。

剛才糖解作用中的ATP就是透過非競爭型抑制來踩剎車的。

（有注意到嗎，我還是有介紹兩種抑制物的概念。但並不是在「我們來認識兩種抑制機制」的情境，而是作為要來判定主張成立與否的證據，承載了更立即的用途）

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[給生物老師]

圖片來源

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如果酵素「在細胞中的功能」主要是「加速化學反應」，何須有這麼多踩剎車的機制？

又例如，剛才提到的能將Ｇ６Ｐ轉換為Ｆ６Ｐ的酵素是phosphohexose isomerase，在受質與產物濃度不同時，會讓反應轉向合成脂肪酸！

如果酵素「在細胞中的功能」主要是「加速化學反應」，為何有這麼多酵素的角色利用濃度差是作為反應間的轉換器？

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參考資料 Bistability in Glycolysis Pathway as a Physiological Switch in Energy Metabolism

參考資料phosphohexose phathway

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所以，請大家（學生）現在思考看看，我的主張跟說明是否能說服你（學生）支持「酵素在細胞中的主要功能並不是降低活化能」

我再整理一下喔～

第一，細胞有至少兩個主要的方法降低單一反應要克服的活化能門檻。

例如把單一反應拆解成很多小反應＋耦合一個放（自由）能反應

（這兩個就超級有效了）

第二，如果酵素「在細胞中的功能」主要是「加速化學反應」，何須有這麼多踩剎車的機制？

第三，如果酵素「在細胞中的功能」主要是「加速化學反應」，為何有這麼多酵素的角色利用濃度差是作為反應間的轉換器？

第四，如果如果酵素「在細胞中的功能」主要是「加速化學反應」，簡單的無機催化劑就可以做到。難道不是因為使用蛋白質，才能有足夠構形變化度做到踩剎車與轉換器的功能嗎～

所以我主張「雖然酵素的確可以降低活化能、加速反應，但酵素在細胞中的主要功能並不是降低活化能、加速反應，而是透過專一性的加減速，來調控各種反應」

這時我會問學生

1. 請問，我有說服你「酵素對細胞中真正重要的功能並不『只是』降低活化能、加速反應而已」的舉手。
   
   
2. 我沒說服你「酵素對細胞中真正重要的功能並不『只是』降低活化能、加速反應而已」的舉手。
   
   
3. 還要回去想想才能決定的舉手。

（看學生舉手很有趣）

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再補一槍。
（一樣，目的是講輔因子，但在上面的情境中）

對生物很重要的維生素中，超多都是作為酵素的輔助因子，有他們才能讓酵素作用。

如果只是單純要加速反應，細胞顯然可以做出很多不需要輔因子也可以全速運轉的酵素，為什麼還要多此一舉的設計一個缺口？

當然不能算入重金屬啦，這些重金屬不是細胞要的，也是透過讓整個酵素的構形無法做輕微改變，來讓酵素整個變性。像這個就是特定酵素受到重金屬的影響

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到這邊已經接近下課，我們來看這兩張圖。其實跟大家想的不一樣

酵素是蛋白質，二級結構的氫鍵本來就會受到溫度的影響而改變構形，自然就會影響催化的效果。（連結到第一章）

這張圖常被用來說明「一般生物體內的酵素多半在體溫範圍有最佳活性」

可是常常說明的角度比較像是「這些酵素演化成剛好可以在體溫範圍有最佳活性」

但其實並不是的。

這些酵素是「演化成在體溫範圍有足夠的活性」而已。

這也是前面的論點能夠延伸支持的，酵素在生物體內最重要的功能並不是加速反應，而是能搭配出適當速度差的反應系統。

沒有必要搞出在生物體溫下可以全速作用的東西。

例如

我們後面做實驗的馬鈴薯中的過氧化氫酶最適宜作用溫度是21 - 38 °C。

大家在國中學的人體唾液中的α-澱粉酶的最適作用溫度為60～70℃。

難道馬鈴薯的體溫會到30多度，而我們的體溫是60度嗎？

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同樣的，這張圖如果拿來說「每個酵素都有自己適合作用的酸鹼環境」就太浪費了。

更精準的講法是

酵素是蛋白質，二級結構的氫鍵本來就會受到酸鹼環境的影響而改變構形，自然就會影響催化的效果。

但不同酵素有不同的最適酸鹼條件可以讓生物體控制特定反應發生的空間，

例如胃蛋白酶與胰蛋白酶的最佳作用酸鹼值沒有重疊，就可以讓他們兩個「即使在同一個空間，也只有一個會產生作用」！

以上就是我帶著大家（學生）認識不同於化學角度的酵素。

也就是回歸到我們的學科本質，雖然不脫離化學原理，但我們要認識的是酵素與複雜系統的調控～～～

結束！

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這兩張真的沒有必要講。

跟是不是酵素沒關，是催化劑的特性。

學生全部都很熟悉，生物老師再講是畫蛇添足

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Here comes the 彩蛋~

認識催化劑（看看化學人也同意的酵素跟其他催化劑不同的特點）

摘要

酵素為生物界中的催化劑，是一種具有高催化活性、高催化效率的蛋白質或 核酸分子，藉由活性區塊上的官能基團或金屬中心與活化複體作用，能大幅降低活化能並提升反應速率，其催化效率大約是勻相催化劑的100～100000倍。 值得一提的一點，酵素的活性區塊大多深埋於分子內部，此一舉動能讓活性區塊避開水分子的干擾，使得官能基團或金屬中心仍保有高帶電性、高反應性；因此，有 趣的是，酵素雖然是以勻相方式與反應系作混合，但因活性中心位於分子內部，與異相催化劑相同，亦受分子擴散速率限制。除了高活性以外，酵素還擁有高專一性、可調節性的優點

 

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Here comes the 彩蛋２~

通常我會出一題段考題，是給仔細聽我上課（而不是覺得背課本就好）的學生一些鼓勵。

不會超過五分，也會盡量是填空。

這邊我會提供課本中提到的三個特性，請學生選出一個不同於非生物性催化劑的。

並且說明該特性在生物體內的功能。

（會用限定句型與前後文字，減少答案歧異度）

（不是減少開放性，因為只有一個方向的答案）

或是請學生就「酵素在生物體中的主要功能為降低活化能、加速反應速率」這個主張提出一個反駁。

（主張與反駁在探究實作已經教過了，而且我會提供一段warrant讓他們參考）

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Here comes the 彩蛋３~

我的（各個融入自由能與物化原理）課程分享常常有這樣的回饋

「我在課堂上不會講這麼多物理化學，我都叫他們去問物理化學老師」

。。。。。。

這是很危險的一句話。

因為學生可以分辨

生物老師「沒有要」用物理化學原理說明生物現象

還是

生物老師「沒辦法」用物理化學原理說明生物現象。

我常聽到的是

會引出「沒辦法」感受的說法。

這又很可能營造「物理化學果然是比生物困難（厲害）的科目」、「生物還是只能用背的，不像物理化學可以用理解的」的印象。

教育夥伴們，不要讓自己的科目價值感一路下滑啊啊啊～～～

（（（尤其是「生物本來就很多例外」、「背起來就對了」）））