“探究pH對(duì)過氧化氫酶活性的影響”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

牛袁園 白建秀

（1北京市日壇中學(xué) 北京 100020 2北京市朝陽區(qū)教育研究中心 北京 100028）

“影響酶活性的條件”實(shí)驗(yàn)探究出自人民教育出版社生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》中第5章第1節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”。當(dāng)選擇用過氧化氫酶進(jìn)行pH對(duì)酶活性影響的探究時(shí)，使用教材中給定的實(shí)驗(yàn)用具和方法，以觀察過氧化氫酶在不同pH值影響下，過氧化氫分解的劇烈程度為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即氣泡產(chǎn)生的多少，進(jìn)行記錄和分析。這樣的實(shí)驗(yàn)操作雖簡(jiǎn)單，但基本上為定性實(shí)驗(yàn)。通過嘗試改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和藥品選用后的實(shí)驗(yàn)，可用數(shù)據(jù)證實(shí)在不同pH條件下，過氧化氫酶催化過氧化氫分解產(chǎn)生的氣體量確實(shí)存在差異，并有一定規(guī)律，從而利于學(xué)生理解“酶活性受環(huán)境因素影響”的概念，符合“尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物”的生物學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置的組成 10 mL玻璃試管、0號(hào)膠塞、20 mL塑料注射器（圖1①）。塑料注射器的金屬針頭與針筒部分分開待用（圖1②）；用金屬針頭穿透0號(hào)膠塞（圖1③）。檢測(cè)時(shí)或?qū)嶒?yàn)需要時(shí)將裝置組裝成型。即膠塞塞入玻璃試管、針筒插入針頭（圖 1④）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置的檢驗(yàn) 本裝置的氣密性檢查和穩(wěn)定性檢驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行。

1）將針筒活塞拔出5 mL高度，然后將針管與裝置其他部分組裝完成。將待檢測(cè)的裝置全部準(zhǔn)備完畢，開始檢驗(yàn)。

2）將裝置的3個(gè)主要組成部分的銜接處浸沒于水面之下。

3）推動(dòng)活塞將針筒中的氣體推入試管中，此過程水中若無氣泡產(chǎn)生，即為該裝置氣密性良好。

4）在向試管內(nèi)補(bǔ)注入氣體的同時(shí)，氣體壓縮后有一個(gè)回復(fù)原壓力的膨脹過程，活塞在此作用的推動(dòng)下又回復(fù)到刻度5 mL左右，在每個(gè)裝置完成氣體膨脹回復(fù)的過程后要記錄回復(fù)數(shù)值，用以進(jìn)行裝置的穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

根據(jù)計(jì)算，本裝置的穩(wěn)定性在顯著性水平為0.05的條件下，回復(fù)力數(shù)值呈正態(tài)分布，均值為4.67，標(biāo)準(zhǔn)差 0.17（圖 2）。

圖2 裝置穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)材料的選用

2.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇 新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟研磨液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的過氧化氫溶液，pH 分別為 5、6、7、8、9 的磷酸緩沖液，滴管，試管架，小燒杯。

2.2 材料選擇的說明

1）選擇“質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的過氧化氫液0.5 mL”的依據(jù)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的過氧化氫液的d 值（相對(duì)密度）為 1.0351［1］。

①每個(gè)實(shí)驗(yàn)體系所使用的過氧化氫的質(zhì)量：

密 度 ×體 積 ：1.0351 g/mL×0.5 mL×10%=0.05175 g；

②每個(gè)實(shí)驗(yàn)體系所使用的過氧化氫的摩爾數(shù)：

質(zhì)量÷分子量：0.05175 g÷34 g/mol=0.0015 mol；

③每個(gè)實(shí)驗(yàn)體系所使用的過氧化氫完全分解產(chǎn)生的氣體體積：

摩爾數(shù)×22.4 L/mol∵2H2O2→2H2O+O2↑

如上述公式，1 mol過氧化氫完全分解產(chǎn)生0.5 mol氧氣。

∴0.0015 mol×22.4 L/mol÷2=0.017 L=17 mL。

綜上所述，0.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的過氧化氫液完全分解，會(huì)釋放氧氣17 mL，與之前選用的裝置中的量程20 mL針筒相匹配。

2）選擇“pH值5~9的磷酸緩沖液”的原因。磷酸緩沖液適用的pH值范圍寬，可配制各種pH值的緩沖液；磷酸緩沖液pH受溫度影響較??；緩沖能力強(qiáng)；使用方便，能夠簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)程序。

3 實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟 準(zhǔn)備5支實(shí)驗(yàn)裝置依次排列在試管架上，每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)pH反應(yīng)體系。5個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中的反應(yīng)同時(shí)開始，觀察在不同pH環(huán)境下的反應(yīng)體系針筒上升的快慢。此時(shí)可選擇記錄相同時(shí)間內(nèi)不同體系中產(chǎn)生的氣體量，進(jìn)行比較；也可以選擇記錄不同體系中氣體量達(dá)到相同值所用的時(shí)間，進(jìn)行比較，從而篩選出過氧化氫酶的相對(duì)最適pH值。操作過程如下：

①5支試管中分別加入pH=5~9的磷酸緩沖液2 mL，并按順序碼入試管架；

②5支試管中再分別滴入1滴肝液，并將針頭膠塞組合塞入試管，調(diào)整緊度；

③5支針筒中分別吸入0.5 mL待用過氧化氫液，將針筒組裝到實(shí)驗(yàn)裝置上，完成實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。

④待步驟②即不同體系中的肝液（過氧化氫酶）與pH環(huán)境充分接觸一段時(shí)間后，同時(shí)按下針筒，將等量的過氧化氫液注入相應(yīng)的反應(yīng)體系中，開始實(shí)驗(yàn)。

3.2 結(jié)果呈現(xiàn) 通過針筒上升的高度，觀察不同實(shí)驗(yàn)體系中反應(yīng)進(jìn)行的快慢，了解各體系中過氧化氫酶活性受到pH環(huán)境的影響，并從5個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中找到過氧化氫酶的相對(duì)最適pH值。

3.2.1 以相同時(shí)間、不同產(chǎn)物量進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析（表 1、圖 3、圖 4）

表1 相同時(shí)間內(nèi)不同pH條件下產(chǎn)生的氣體量

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 以反應(yīng)進(jìn)行1/3（即氣體產(chǎn)物量為5 mL時(shí)）所用的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析（表2、圖5、圖6）

表2 不同pH條件下產(chǎn)生相同量氣體所用的時(shí)間

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 改進(jìn)效果

1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后為定量實(shí)驗(yàn)。定量實(shí)驗(yàn)分為計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)量實(shí)驗(yàn)，本改進(jìn)為計(jì)量實(shí)驗(yàn)，相比計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)（需要人工同時(shí)對(duì)各反應(yīng)體系中的氣泡進(jìn)行計(jì)數(shù)）準(zhǔn)確度高且省力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也更加明顯。

2）本裝置可控制多個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣本同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3）由于針筒中黑色活塞的“運(yùn)動(dòng)”便于觀察，且標(biāo)有刻度，故本裝置也利于教師在課堂教學(xué)中進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

4）用磷酸緩沖液代替鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH值，能更穩(wěn)定地控制pH值，并在分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，能在全班范圍內(nèi)穩(wěn)定控制各小組做對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)的pH值，有利于匯集更多的數(shù)據(jù)。