生物学叶绿素剖析 4页

uChloroplastpigmentextractionandseparationuistheseniorhighschoolbiologyexperimentsusingchemicalprincipletosolvebiologicalproblemsinatypicalexperiment,theexperimentalprincipleisnoteasyforstudentstounderstandthedetailsoftherequirements,procedures,isarelativelycomplexexperiment.Becausechloroplastsarethesitesofphotosynthesis,throughthisexperimenttounderstandthepigmentdistributionandspecies,forthestudentstounderstandthephysiologicalprocessesofphotosynthesis,isofgreatsignificance.ThefollowingcombinationofPEPtextbookaboutitsteachingorganization.“叶绿体色素的提取和分离”是高中生物学实验中利用化学原理解决生物学问题的一个典型实验，实验的原理学牛不易理解，操作步骤的细节耍求多，是一个相对复杂的验证实验。由于叶绿体是光合作用的场所，通过木实验理解色素的分布及种类，对学生理解光合作用的生理过程，具有重要的意义。下面结合人教版教材谈谈其教学的组织。一、实验的基本原理从实验内容看，该实验包括两个方面，一是从叶绿体中提取色素，一是将不同种类的色索进行分离辨析。这两部分实验操作应用的是化学方法，均与叶绿休色索的化学结构与性质紧密相关。(1)叶绿体的色索。高等植物叶绿体的色索包括叶绿索(含叶绿索a和叶绿索b)和类胡萝卜素(含胡萝卜素和叶黄素)两大类。根据其功能又可分为两类：一类具有吸收和传递光能的作用，包括绝大多数的叶绿素a,以及全部的叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素；另一类是少数处于特殊状态的叶绿索a,能捕获光能，并将受光能激发的电子传递给相邻的电子受体。(2)叶绿体色索的提取。从结构看，叶绿体的色索是一类含脂的色索家族，它们不溶于水，而溶于有机溶剂，如乙醇、丙酮、乙瞇、氯仿等，因此可用侑机溶剂将色素进行提取。在绿色植物光合作用的场所叶绿体中，数冇个色素分子聚合在类囊体膜上，与各种蛋白质结合成复合物，因此提取时耍与有机溶剂充分研辭。冃而，最常用的有机溶剂是无水乙醇，因其毒性较小。(3)叶绿体色索的分离。分离叶绿体色素常用的纸层析法是--种分配层析。分配层析的原理是，利用混合物各组分在流动相和固定相两种不同溶剂中的分配系数差界，将它们分离。在纸层析中的流动相是指层析液，在毛细拉力作用下，层析液能不断由下向上流动。固定相是指被吸附在滤纸纤维之间的水分。由于纤维索上的释基具亲水性使这部分水束缚在纤维素周I韦I，不易扩散而成为固定相。在层析过程中，当层析液在毛细拉力作用下，上升流经色索滤液细线时，滤液细线上的色索就相继融入层析液，随着层析液上升，并发生分配，即有一部分色素从层析液分配溶解到固定相屮，直到平衡。由于分配系数的不同，那些分配系数大的色素分了(即溶解度高的胡萝卜素和叶黄素)，随层析液向上移动得快，形成的色素带集屮在滤纸的上部；而分配系数小的色索分子(即溶解度小的叶绿素a和b),随层析液向上移动得慢，形成的色素带集中在滤纸的下而。Fromtheexperiment,theexperimentincludestwoaspects,oneisfromthechloroplastpigmentisextracted,differentkindsofpigmentseparationanalysis.Thetwopartoftheexperimentaloperationandapplicationisthechemicalmethod,andchloroplastpigmentchemicalstructuresandpropertiesarecloselyrelated.(1)thechloroplastpigment.Higherplantchloroplastpigmentincludingchlorophyll(chlorophyllaandchlorophyllb)andcarotenoids(containcaroteneandLutein)twocategories.Accordingtotheirfunctioncanbedividedintotwocategories:onewithabsorptionandlighttransmissioneffect,ineludingmostofthechlorophylla,chlorophyllb,andtotalcaroteneandlutein;anotherkindistheminorityinaparticularstateofchlorophylla,cancapturelightenergy,andwillbeaffectedbythe\nlightexcitationofelectrontransfertotheadjacentelectronacceptor.(1)thechloroplastpigmentextraction.Lookfromthestructure,thechloroplastpigmentisakindoflipidcontainingfamilyofpigments,whichareinsolubleinwater,butsolubleinorganicsolvents,suchasethanol,acetone,ethylether,chloroform,andthereforeavailableorganicsolventpigmentcxtraction.Inthegreenplantphotosynthesischloroplastinhundredsofplaces,apigmentmoleculepolymerizationinthethylakoidmembrane,andvariousbindingproteinsintocomplexes,thusextractedwithorganicsolventfullygrinding.Atpresent,themostcommonlyusedorganicsolventisethanol,becauseofitslowtoxicity.(2)theseparationofchloroplastpigment.Separationofchloroplastpigmentsusedinpaperchromatographyisakindofpartitionchromatography.Partitionchromatographyistheprincipleofeachcomponentinthemixture,usingthemobileandstationaryphasesintwodifferentsolventsinthedistributioncoefficientdifference,toseparatethem.Inthepaperchromatographyinthemobilephaseisaliquidchromatography,capillaryforceinundertheactionofliquidchromatography,cancontinuetoflowfrombottomtotop.Thestationaryphaseisdefinedtobeadsorbedonthefilterbetweenthefibermoisture.Asaresultofhydroxylgroupsoncellulosewithhydrophilicmakesthispartofwaterboundtothecellulosearound,noteasytospreadandbecomefixedphase・Inthechromatographicprocess,whenthecapillaryliquidchromatographyundertension,risingthroughthepigmentoffiltratingline,filtratethinpigmenthavebeenintegratedintotheliquidchromatographyliquidchromatography,alongwiththerise,andtheoccuircnccofdistribution,whichisapartofpigmentfromliquidchromatographystationaryphasedistributionofdissolvedinto,untilthebalance.Duetothedifferentpartitioncoefficient,thedistributioncoefficientofthepigmentmolecules(i.e.,highsolubilityofcaroteneandLutein),withliquidchromatographytomovefaster,resultingintheformationofpigmentwithafocusontheupperpartoffilterpaper;andthedistributioncoefficientofsmallpigmentmolecules(i.e.,solubilityofchlorophyllaandb),withchromatographytheliquidupwardmovingslowly,resultingintheformationofpigmentbandcenteredonthefilterpaper.二、影响实验过程的关键因素(1)材料的选择。常用的是菠菜叶，除了新鲜，要选择墨绿色的叶片，色索的含量多，实验效果好。(2)研磨。在研钵中尽量将叶片剪碎，可加快研磨的速度。一定要研髀成糜状，否则色索未充分溶解，影响提取和分离的效果。(3)画滤液细线。画滤液细线时，尽量注意双手不捏纸而，避免手上的油脂或其他物质污染滤纸，而価线的方法，除了教材中所用的毛细吸管，冇各种改良措施，包括盖玻片法、蘸水笔法等。不论哪种方法，一定均匀，重复2〜3次，每次应等上次滤液细线干燥后才画下一次。从肉眼观察，该滤液细线颜色较深。(4)分离色素。分离成功的关键点是滤液细线不能触及或没入层析液中。因此为了便于操作，应用小烧杯盛层析液，注意量不要太多，滤纸条放入烧杯屮注意折亞固定位置。(5)安全问题。层析过程用培养皿盖住小烧杯，避免吸入过多的挥发性物质。实验过程结束，所用的化学试剂及过滤后的材料，都应在指定容器倾倒，实验后耍及吋洗手。三、实验过程常见问题(1)过滤不出滤液。漏斗基部所塞的棉花、尼龙布或纱布不能太厚，只要能阻隔滤渣\n就行，否则滤渣A多乂细，滤液无法滤出。（2）滤液的颜色浅。原因1:提収的色素量少，导致滤液色素浓度低。该实验不是一个定量的实验，教材给出的建议是绿叶5g,无水乙醇1（）mL,二氧化硅和碳酸钙少许。从实验的实际情况看，可适当增多叶片的用超但应在研磨示不影响过滤，二氧化硅和碳酸钙约1/4药匙即可，这样保证提取色索滤液的浓度。原因2：未充分提収。学生往往研磨不充分，让分布于类囊体膜上的色素没有溶解于有机溶剂中。经常看到研钵中还有细小的叶片，学牛就急于过滤。建议做一个研磨示范，让学主明确研磨的程度。（3）层析失败。裁取定性滤纸条时，在一侧剪去两角示，用铅笔距离一端所曲细横线的距离不宜太知，太短易在画滤液细线层析的时候浸没在层析液中，实验火败。（4）分不清各色素带。正常情况下，叶绿体的色素在滤纸条上呈带状峰分布，最上面的是橙黄色的胡萝卜素，其次是黄色的叶黄素，再下是蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素bo实验屮，由于提取色素不够及画滤液细线不均匀，见不全4条色索带或出现色素带波峰人及辨不清的情况。此时对滤纸条上所呈现的色索带结果，教师应多选择儿个学生的实验结果，进行比较，分析操作的失误，同样会达到较好的效果。卩4、教学建议http://www.xttclt.com/“叶绿体色素的提取和分离”是高中生物学必修1学习光合作用中必做的一个分组实验，按教材提供的方法，可基本达成实验H标，但效果不甚理想，不但过程复杂，且所用药品有机物浓度人，环境污染严重。因此，目前有人量的关于该实验的改进拓展，设计许多更实用更环保的层析装置，如“用水浴法提取叶绿体中的色索”、“用蘸水笔替代毛细管価线”等，简化实验步骤，减少药品用量，大家可以在课堂教学尝试参考比较。一节实验课最核心的目标，是学生能否理解实验原理，明确进行操作的原因，进而达到实验教学的冃的。本节课问题主耍是学生对实验的原理，特别是层析分离的原理不是很清楚,许多学生往往可照教师的要求完成实验，却不知道为什么一定要这样做。为解决该问题，笔者尝试改进了实验的组织策略，从改变评价方式带动整个课堂学习策略的改变。（1）课前布置学生预习，理解实验过程。对学生提出预习要求，对实验的原理步骤进行自我学习，鼓励学生以小组为单位尝试针对实验内容提出问题，在理解实验内容的棊础上敢于创新，并收集学生的问题。（2）课上分组实验，以非正式评价促实验操作与思考。重点讲解实验的原理，并选出学生提出的典型问题，如“教材的材料是绿叶，我们还看见非绿色的植物叶片，是否含冇同样的色素呢？”、“纸层析为什么可以将色素分离呢？”之后让学生在分组实验过程屮通过操作和思考分析解决自己所提的问题。为了达到实验教学目标，把评价表发给大家，让学生对遇到问题进行研究解决，对课前讨论内容大胆尝试创新。此时教师则根据学牛实验的情况,巡视每一小组，针对实验的过程，提出问题，评价学生对原理和操作方法的理解，对有创新的小组，给予肯定。具体评价内容见下页评价表。http://www.xinhuigm.com/（3）课后根据学生实验情况作好总结。收集评价表，学生按评价表完成小组白评部分,教师评价则在课堂完成，如有还未解决的问题，可在评价表上注明。教师从评价表获取的信息及学生实验中发现的问题，与学生进行总结分析。五、经验体会http://www.tsbanli.com/由于没有详细讲解整个实验步骤,学牛会遇到许多问题，这些问题其实不需要教师回答,可反问学生,如“菠菜叶片取哪个部位？”、“为什么要加”、“过滤吋，滤液流不下去怎么办？”、“叶绿素a和叶绿素b好像没分开，为什么？”整节实验课正是由于有这样的师生互动评价\n坏节，让教师和*牛都对实验屮岀现的许多问题有了更深的思考，不是简单照着步骤动手去做实验，更重要的是动脑去完成实验，清楚操作的原因。当然，以这样组织的方式，实验操作的划i及实验结果显著性可能不理想。而且由于要布置预习任务，收集问题，课堂上的互动评价等，学牛和教师的工作量都将增大，但通过预习、实验中的操作与评价思考，及课后的分析，学生对整节实验课的理解比常规的实验操作收获更多，对本节课的难点实验原理理解更深入。Duetotheabsenceofdetailedtoexplainthestepsoftheexperiment,studentswillencountermanyproblems,theseproblemsdonotneedteacherscanaskstudentstoanswer,suchasspinachleavesfromthewhichpart?MHwhyshouldadd蔦Hfiltering,filtrateflowcannotbehowtodo?n「chlorophyllaandchlorophyllbdidn'tseemtobeseparate,why?HThewholeexperimentlessonjustbecauseofthiskindofinteractionbetweenteachersandstudentsevaluation,maketeachersandstudentshavetoappearintheexperimentofmanyproblemtohavedeeperthinking,notsimplyfollowthestepstobegintodoexperiments,moreimportantisthebrainstocompletetheexperiment,clearreasonforoperation.Ofcourse,insuchorganizedmanner,experimentaloperationandexperimentalresultsaresignificantmaynotbeideal.Butduetothelayoutpreviewtask,collection,evaluation,classroominteraction,studentsandteachersworkloadwillincrease,butthepreview,experimentaloperationandevaluationontheanalysis,andafterclass,studentsonthewholeexperimentlessonunderstandingthanconventionalexperimentaloperationharvestmore,aboutthislessondifficultyunderstandingfurtherexperimentalprinciple.