“探究不同pH對H2O2酶活性的影響”定量實驗研究

劉高云 （武漢市第一中學 湖北武漢 430020）

探究pH 對H2O2酶活性的影響實驗是引導學生深入了解影響酶活性條件的重要素材，有助于學生全面理解影響酶活性的因素，進而理解酶在細胞內(nèi)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)變中的地位和作用[1]。人教版生物學教材中通過設置6 個問題提示，引導學生討論探究實驗方案，這只能使學生定性了解酸、堿及中性條件下酶活性的變化。同時教材中未給出明確的實驗裝置及具體的實驗步驟，這對實際實驗教學造成較大的困難[2]。因此，筆者通過摸索與探究設計了一種簡易可行的定量檢測方案，既創(chuàng)新設計實驗裝置，又能簡化實驗步驟。設置該課題的探究實驗旨在使學生親自設計實驗獲得酶的活性受pH 影響的實驗證據(jù)，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識。定量化的實驗研究不僅可使學生認識酶活性的差別及范圍[3]，還可讓學生通過實際操作了解變量控制的一般方法，提高學生科學探究能力，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度[4]。筆者也希望通過改進創(chuàng)新教學實驗，為一線教師引導學生進行該部分實驗探究提供部分參考。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑 3%的H2O2溶液、H2O2酶（新鮮肝臟研磨液）、pH 分別為3、5、7、9、11 的緩沖液。

1.2 實驗思路的設計 配制不同pH 的緩沖液，用不同pH 的緩沖液處理酶一段時間，再與底物充分反應。用1 min 內(nèi)氧氣的產(chǎn)生量，代表pH 對酶活性的影響。

1.3 實驗裝置的設計

教師引導學生思考：1）如何定量測定生成的氧氣？2）實驗試劑添加的部位和順序？3）如何實現(xiàn)5 組實驗中，酶與底物同時反應，以減小實驗誤差？ 各小組分組討論，如何利用試管、橡皮塞和20 mL 注射器設計合適的實驗裝置。

小組討論后，小組代表匯報各組討論的結(jié)果，其他組評價改進。教師總結(jié)歸納如下：試管作為H2O2反應室，注射器用于收集氣體，試管內(nèi)氣體的變化量代表了O2的產(chǎn)生量。二者之間用帶有注射器針頭的橡皮塞連接，緊密連接保證實驗裝置的氣密性。該設計裝置有以下特點：實驗用具簡單，易操作；可收集氧氣，以便定量測定；氣體產(chǎn)生量可直接讀取；可實現(xiàn)5 組同時進行測定，實驗數(shù)據(jù)更準確。裝置如圖1。

圖1 探究不同pH 對H2O2 酶活性的影響實驗裝置

2 實驗操作

2.1 酶液的制備 取新鮮的豬肝剪碎研磨，用4 層紗布過濾，加水稀釋至質(zhì)量分數(shù)為2.5%。靜置吸取上清液備用。

2.2 緩沖液的配制 稱取71.6 g Na2HPO4·12H2O，在1 000 mL 容量瓶內(nèi)溶于蒸餾水中并定容，配制成0.2 mol/L Na2HPO4溶液。稱取31.2 g NaH2PO4·2H2O，在1 000 mL 容量瓶內(nèi)溶于蒸餾水中并定容，配制成0.2 mol/L NaH2PO4溶液。然后用上述2 種溶液及稀鹽酸、稀NaOH 配制pH 分別為3、5、7、9、11 的緩沖液，并用pH 計校正。

2.3 試劑的添加 取5 支潔凈的試管，分別編號并加入3 滴肝臟研磨液，再分別加入3 mL 不同pH的緩沖液。用5 支注射器分別吸入3 mL H2O2。

2.4 裝置的連接 依次將試管、橡皮塞、注射器緊密連接（圖2）。

圖2 實驗裝置連接

2.5 分組操作 6 人一組，其中5 人每人手持一套實驗裝置，1 人做計時員。5 人聽從計時員口令，同時將H2O2推送至試管中，輕微振蕩，1 min 后記錄實驗數(shù)據(jù)（圖3）。每組實驗依次按2.3～2.5 步驟重復3 次，記錄各組實驗數(shù)據(jù)，求平均值。

圖3 實驗操作過程

2.6 結(jié)果處理 計時員統(tǒng)計收集數(shù)據(jù)后，小組長將實驗數(shù)據(jù)輸入Excel 軟件表格中進行數(shù)據(jù)處理，繪制相應的不同pH 對H2O2酶活性影響的曲線圖，從而訓練學生實驗數(shù)據(jù)的處理能力。由于試管內(nèi)氣體的變化量代表了O2的產(chǎn)生量，而3 mL 的H2O2液體注入試管會引起試管內(nèi)3 mL 的體積變化，所以需使用Excel 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行校正，即O2的實際產(chǎn)生量（mL）=注射器內(nèi)氣體變化量-3。教師引導學生分析曲線變化，得出相關結(jié)論。

3 實驗注意事項

1）橡皮塞上有針頭，使用時注意安全；2）反應過程中要用手握緊橡皮塞和試管接口處；3）分工合作，裝置組裝完后，統(tǒng)一聽計時員口令；4）每次量取不同pH 的緩沖液前，應沖洗量筒。

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

按照實驗步驟進行實驗，每組實驗按2.3～2.5步驟重復3 次，記錄數(shù)據(jù)，求不同pH 條件下H2O2酶催化H2O2分解生成O2量的平均值。實驗結(jié)果如表1 所示，使用Excel 軟件繪制曲線如圖4。教師引導學生總結(jié)實驗結(jié)論：不同pH 對H2O2酶活性的影響不同，pH=7 左右時H2O2酶活性最大；pH＜7 時，隨pH 的增加酶活性增強，且pH=3 時H2O2酶活性幾乎完全喪失；pH＞7 時，隨pH 的增加酶活性降低，且pH=11 時H2O2酶活性極低。

表1 不同pH 條件下過氧化氫酶催化H2O2 分解生成的O2 量

圖4 不同pH 對過氧化氫酶活性的影響

5 討論

5.1 實驗方案設計優(yōu)點 本實驗方案具有以下優(yōu)點：①實驗裝置簡易，實驗步驟簡化，容易操作，使不同動手能力的學生均能順利完成實驗；②實驗數(shù)據(jù)讀取簡易且準確，注射器密封效果好，數(shù)據(jù)直接讀取，方便準確；③實驗時間縮短，實際操作約需7～8 min，學生可在課堂有限時間內(nèi)完成該實驗；④增強學生合作探究能力，有效提升學生科學思維。該實驗操作需要6 名學生同時分工合作共同完成，極大增強學生在實驗課上合作探究的興趣和能力，使學生在合作學習和探究的過程中落實教學目標。

5.2 實驗反思 實驗課堂教學時不能僅停留在理論的探討上，更要引導學生在主動探究設計實驗思路（裝置）的基礎上，在實際操作中發(fā)現(xiàn)和解決更多的問題。本課題通過將定性的實驗轉(zhuǎn)化為定量的實驗，使學生更為細致地探討pH 對酶活性范圍的影響，體現(xiàn)定量分析的價值。同時在實際教學中，通過本課題學習可提高學生根據(jù)實驗目的設計明確的實驗思路的能力、設計合理的實驗裝置的能力及對結(jié)果進行分析處理的能力。學生全程參與實驗設計和操作活動，進一步理解了科學探究的過程、方法和技能。實驗教學中既有小組合作探究、討論、分享和數(shù)據(jù)處理，又有個人觀察、思考等形式，不僅能培養(yǎng)學生合作學習的能力，更能有效提升學生科學思維，真正落實學科核心素養(yǎng)。