自制簡(jiǎn)易教具探究酶的高效性*

孔凡茹 孫 濤 劉姝昱

（1邯鄲市第一中學(xué) 河北邯鄲 056006 2廣州中學(xué) 廣東廣州 510520）

比較H2O2在不同條件下的分解，屬于酶的高效性實(shí)驗(yàn)，選自人教版必修1第5章第1節(jié)的實(shí)驗(yàn)。存在下列不足：H2O2分解后不僅產(chǎn)生O2，還會(huì)生成水，反應(yīng)產(chǎn)生大量含水分的氣泡，會(huì)影響衛(wèi)生香的復(fù)燃，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大；裝置不嚴(yán)密，H2O2分解產(chǎn)生的O2會(huì)逸出試管，不能用于定量分析；新鮮的豬肝研磨液中H2O2酶的含量無法測(cè)量，很難控制變量；氯化鐵、碘化鉀和二氧化錳都為無機(jī)催化劑，都能催化H2O2分解。要證明酶的催化效率比無機(jī)催化劑高，應(yīng)選一個(gè)催化效率最高的無機(jī)催化劑和相應(yīng)的酶相比；催化劑只改變化學(xué)反應(yīng)速度，不改變化學(xué)反應(yīng)平衡點(diǎn)，在教材的原實(shí)驗(yàn)中無法得到證實(shí)。

師生的需要和現(xiàn)有儀器的配備之間往往存在矛盾，而解決此矛盾的有效途徑之一就是自制教具。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，筆者自制酶的高效性實(shí)驗(yàn)演示儀。

1 教具實(shí)物圖

圖1 酶的高效性演示儀實(shí)物圖

2 教具優(yōu)點(diǎn)

1）收集到的O2幾乎不含水，衛(wèi)生香的復(fù)燃現(xiàn)象更加明顯。

2）裝置氣密性好，可收集 O2，測(cè)出 O2的生成量，將定性觀察上升為定量分析。通過設(shè)置分組情況，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)論，酶有高效性。

3）用無機(jī)催化劑二氧化錳替代氯化鐵，用化學(xué)試劑H2O2酶替代新鮮豬肝研磨液。因?yàn)榛瘜W(xué)試劑H2O2酶的分子數(shù)可測(cè)量、可計(jì)算，可使實(shí)驗(yàn)遵循等量對(duì)照原則。比較H2O2酶和催化效率最高的無機(jī)催化劑二氧化錳探究酶的高效性，更具說服力。

4）可定量收集 O2，用秒表記錄時(shí)間，根據(jù)化學(xué)方程式可以測(cè)算具體的化學(xué)反應(yīng)速率。

5）本裝置幾乎可用于所有的常溫下固體和液體、液體和液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體時(shí)，氣體的收集和氣體體積的測(cè)定。

6）對(duì)于H2O2酶而言，活性測(cè)定方法主要有碘量滴定法、紫外分光光度碘量法、直接紫外分光光度法［1］。與此相關(guān)的儀器設(shè)備成本較高，實(shí)驗(yàn)技能水平要求高，極大限制了高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。而本裝置所需材料易得、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，易于理解酶的高效性結(jié)論，更適合應(yīng)用于高中的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 材料器具與試劑

新配制的體積分?jǐn)?shù)為3%的H2O2溶液、H2O2酶制劑（購(gòu)買自河南金誠(chéng)生物科技公司，酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。據(jù)JacekS等［2］研究，其相對(duì)分子量（Mr）約為 2.7×105，酶活性 20 萬 U／g）、二氧化錳（分子量86.94）。錐形瓶、50 mL注射器、100 mL注射器、三通旋塞、衛(wèi)生香、火柴、底座、單向閥等。

4 使用方法

圖2 酶的高效性演示儀結(jié)構(gòu)圖

4.1 連接儀器

1）連接順序。先將錐形瓶2安裝在底座1上，再將三通旋塞4、玻璃管6、細(xì)管8、粗管9與橡皮塞構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)（圖3）安裝在錐形瓶上方；將50 mL注射器3安裝到三通旋塞上；將100 mL注射器5安裝到三通旋塞上。每次安裝都以旋入的方式進(jìn)行。

圖3 三通旋塞4等構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)

2）保證連接穩(wěn)定及氣密性的細(xì)節(jié)。

圖4 注射器5的一端（連接三通旋塞4的一側(cè)）

在4與5的連接處，100 mL注射器5的一端有外側(cè)和內(nèi)側(cè)2層圓柱形管道，氣體從內(nèi)側(cè)管道通過，外側(cè)管道內(nèi)側(cè)有自制螺紋，4與5的孔徑大小剛好吻合，可保證裝置的氣密性。三通旋塞4的一端為玻璃管，可支撐上方100 mL注射器5，確保裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 3與4的連接處

圖6 細(xì)管8與粗管9

圖7 凹槽

在3與4的連接處，內(nèi)部含有單向閥和軟管8，確保物質(zhì)的單向流動(dòng)。細(xì)管8直徑較小，貫穿3與9，進(jìn)一步防止倒吸現(xiàn)象發(fā)生。在細(xì)管8外側(cè)的粗管9有一定的伸展性，使其與橡皮塞的結(jié)合更加緊密，保證裝置的氣密性。

底座1材質(zhì)為密度較大的松木塊，外部用錫箔紙包裹，挖有凹槽7，使上方的裝置穩(wěn)定，不宜傾斜。在凹槽內(nèi)側(cè)有塑料圈，直徑大小剛好能容納下錐形瓶底部，因其有一定的伸縮性，可方便旋入和旋出錐形瓶。

4.2 檢查裝置氣密性 轉(zhuǎn)動(dòng)三通旋塞使玻璃管一側(cè)處于關(guān)閉狀態(tài)，100 mL注射器與錐形瓶處于連通狀態(tài)。50 mL注射器與三通旋塞的連接部分內(nèi)含單向閥，不會(huì)使氣體倒吸進(jìn)入小注射器內(nèi)部。輕輕向外拉動(dòng)或向里推動(dòng)大注射器的活塞，一段時(shí)間后活塞能回到原來的位置，表明裝置的氣密性良好。

4.3 加入試劑 實(shí)驗(yàn)分為甲、乙2組。甲組：向注射器3中加入1.5 mL H2O2溶液，錐形瓶2中加入2 g H2O2酶制劑（由于制劑中酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，2 g酶制劑中實(shí)際含 H2O2酶 0.8 g，即為2.96×10-6mol）；乙組：向注射器 3 中加入 1.5 mL H2O2溶液，錐形瓶 2中加入 2 g二氧化錳（2.3×10-2mol）；此時(shí)二氧化錳的摩爾數(shù)大約是過H2O2酶的7 770.27倍。理論上對(duì)照實(shí)驗(yàn)應(yīng)該保持H2O2酶和二氧化錳摩爾數(shù)相同，但2.57×10-4g的二氧化錳太少，稱量誤差較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中O2生成速率也太慢，所以都選用了2 g的用量。

4.4 操作儀器，記錄數(shù)據(jù) 在50 mL注射器與三通旋塞的連接處安裝1個(gè)單向閥，防止O2倒吸進(jìn)入50 mL注射器中。將錐形瓶2固定在底座1上，轉(zhuǎn)動(dòng)三通旋塞4，使錐形瓶2與小注射器3連通，推動(dòng)小注射器3的活塞使H2O2溶液進(jìn)入錐形瓶2，同時(shí)用秒表記錄反應(yīng)開始的時(shí)間，及轉(zhuǎn)動(dòng)三通旋塞4使錐形瓶2與大注射器5連通，錐形瓶2中產(chǎn)生的O2進(jìn)入到大注射器5中，大注射器5的活塞被向上頂起，當(dāng)大注射器5的活塞不再向上移動(dòng)時(shí)，記錄下所產(chǎn)生的O2體積和反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間。測(cè)算具體的化學(xué)反應(yīng)速率，記錄數(shù)據(jù)。

4.5 觀察衛(wèi)生香復(fù)燃現(xiàn)象 轉(zhuǎn)動(dòng)三通旋塞4，使大注射器5與玻璃管6連通，向下按壓大注射器5的活塞，同時(shí)在玻璃管口6處放置帶火星的衛(wèi)生香，觀察復(fù)燃現(xiàn)象。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）衛(wèi)生香復(fù)燃現(xiàn)象明顯。

圖8 衛(wèi)生香復(fù)燃現(xiàn)象

2）進(jìn)行定量分析，收集O2，測(cè)定氧氣含量和化學(xué)反應(yīng)速率，在坐標(biāo)紙上繪制曲線，如圖4所示。

圖9 2種不同催化劑催化作用下O2的生成量隨時(shí)間變化的曲線

6 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和解決方法

1）若加入的 H2O2或產(chǎn)生的O2過多，可更換更大容量的注射器。

2）若反應(yīng)速度過快，有大量氣體迅速產(chǎn)生，避免三通旋塞被氣體沖出，可轉(zhuǎn)動(dòng)三通旋塞，使玻璃管一側(cè)處于開放狀態(tài)，讓氣體從玻璃管一側(cè)釋放即可。可先做一個(gè)預(yù)實(shí)驗(yàn)，以確定好實(shí)驗(yàn)中過氧化氫酶和過氧化氫溶液的用量。

3）若學(xué)生操作不熟練，為節(jié)約時(shí)間和能夠觀察到明顯的衛(wèi)生香復(fù)燃現(xiàn)象，可在加入試劑前點(diǎn)燃衛(wèi)生香，放置一側(cè)。

真實(shí)的課堂不會(huì)僅是預(yù)設(shè)的再現(xiàn)，更多的是非預(yù)設(shè)生成性資源［3］。當(dāng)出現(xiàn)一些和預(yù)期不相符的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，要抓住契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生以生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)為基礎(chǔ)分析其中的原因，獲得相關(guān)生物學(xué)概念，有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維等生物學(xué)核心素養(yǎng)，并使整個(gè)教學(xué)過程充滿科學(xué)性和趣味性。學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力需要在構(gòu)建情境活動(dòng)中培養(yǎng)［4］，需要教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)和長(zhǎng)期耐心的引導(dǎo)。