利用自制簡(jiǎn)易裝置定量探究過氧化氫酶活性

鄧曉鋒 王楠楠 夏季

摘 要：許多對(duì)“探究pH對(duì)過氧化氫酶活性的影響”這一實(shí)驗(yàn)的定量設(shè)計(jì)方案較為復(fù)雜且難以達(dá)到可視化的定量效果。利用醫(yī)用兩通閥、注射器制作的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置可檢測(cè)到一定時(shí)間內(nèi)過氧化氫所產(chǎn)生的氧氣量，從而達(dá)到操作簡(jiǎn)便、形象直觀、可定量的實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：酶活性；醫(yī)用兩通閥；定量；自制教具；科學(xué)探究

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性基礎(chǔ)學(xué)科，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐”。探究環(huán)境因素（如pH或溫度）對(duì)酶活性影響是教材中的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。開展該實(shí)驗(yàn)有助于幫助學(xué)生達(dá)成次位概念“說(shuō)明絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，酶活性受到環(huán)境因素（如pH和溫度等）的影響”，進(jìn)而理解相應(yīng)的重要概念和核心概念，最終促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。新教材必修一“分子與細(xì)胞”中建議采用過氧化氫酶和過氧化氫探究pH對(duì)酶活性的影響，進(jìn)而自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并根據(jù)方案開展實(shí)驗(yàn)。普遍的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)屬定性實(shí)驗(yàn)，即將過氧化氫酶置于具備不同pH值的溶液中再加入過氧化氫進(jìn)而肉眼觀察氣泡產(chǎn)生的多少。一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為定量實(shí)驗(yàn)，但存在裝置操作復(fù)雜、氧氣不易收集的問題。筆者利用醫(yī)用兩通閥、注射器制作而成的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，不僅操作簡(jiǎn)便，而且氣密閉性良好，可快速收集到過氧化氫酶催化過氧化氫分解所產(chǎn)生的氧氣量，從而達(dá)到操作簡(jiǎn)便、形象直觀、可定量的實(shí)驗(yàn)效果。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

通過過氧化氫酶在不同pH條件下催化過氧化氫分解這一實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生說(shuō)明pH對(duì)過氧化氫酶活性的影響從而理解酶的特性之一——酶的作用條件溫和，需要在適宜的pH條件下發(fā)揮作用；通過實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)控制變量法，思考如何定量檢測(cè)因變量，并且遵循對(duì)照原則。

二、主要材料用具

新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟研磨液、體積分?jǐn)?shù)為3%的過氧化氫（H2O2）溶液、蒸餾水、物質(zhì)的量為0.02mol/L的NaOH溶液、物質(zhì)的量為0.1mol/L的HCl溶液、10mL注射器（3個(gè)）、20mL注射器（3個(gè)）、醫(yī)用兩通閥（3個(gè)）等。

（一）醫(yī)用兩通閥特點(diǎn)

醫(yī)用兩通閥氣密性十分好且兩端可連接兩個(gè)去掉針頭的注射器從而使兩個(gè)注射器中的液體互通。（如圖1所示）

（二）注射器特點(diǎn)

注射器的活塞與注射管體之間的密閉性良好，為定量實(shí)驗(yàn)做鋪墊；注射器具備可視化的刻度，便于對(duì)收集到的氣體進(jìn)行量化，是實(shí)現(xiàn)定量實(shí)驗(yàn)的直接實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。（如圖2所示）

三、主要實(shí)驗(yàn)步驟

（一）制備酶液

取3個(gè)小燒杯并編號(hào)1（水＋酶液）、2（NaOH＋酶液）、3（HCl＋酶液），用量筒分別量取10mL的蒸餾水、0.02mol/L的NaOH溶液、0.02mol/L的HCl溶液放入3個(gè)小燒杯中，分別用滴管吸取1mL 20%的肝臟研磨液加入以上3個(gè)小燒杯中混合，輕輕振蕩搖勻后使酶處在相應(yīng)的pH條件下靜置5分鐘。

（二）取反應(yīng)液

用3個(gè)10mL的注射器分別從以上3個(gè)小燒杯中吸取1mL不同pH條件下的肝臟研磨液，輕輕地排出注射器中的空氣，做好標(biāo)記放置待用。用3個(gè)20mL的注射器分別從盛有H2O2溶液的燒杯中吸取1mL H2O2溶液，輕輕地排出注射器中的空氣，放置待用。

（三）催化反應(yīng)

用3個(gè)醫(yī)用兩通閥將以上3個(gè)10mL的注射器與3個(gè)20mL的注射器分別連接起來(lái)（如圖3）。將10mL注射器中的混合液分別全部推入與之相連接的20mL的注射器中，立即計(jì)時(shí)，記錄3min后三組20mL注射器的終末刻度并計(jì)算中性條件下、酸性條件下、堿性條件下酶催化H2O2分解生成氧氣的體積。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將3種條件下生成的氧氣體積進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)中性條件下的過氧化氫酶催化過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣體積最多，堿性條件下和酸性條件下的過氧化氫酶催化過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣體積均極少。

綜上得出結(jié)論：中性條件下肝臟研磨液中過氧化氫酶的活性最高，酸性條件或堿性條件下肝臟研磨液中過氧化氫酶的活性大大降低甚至失活。

五、裝置使用說(shuō)明

（一）注意排氣

用注射器吸取溶液后，注射器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氣泡，這時(shí)需要輕彈注射器并將其中的氣體慢慢推出，以免后續(xù)記錄得到的氧氣體積量比實(shí)際過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣體積量大，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（二）同時(shí)進(jìn)行催化

酶催化反應(yīng)并不改變反應(yīng)平衡點(diǎn)，由于酸堿條件下酶的活性降低，在達(dá)到反應(yīng)平衡點(diǎn)前，隨著催化時(shí)間延長(zhǎng)，氧氣產(chǎn)生量會(huì)增加。因此，各組反應(yīng)裝置安裝完畢后，盡可能同時(shí)推動(dòng)或依次快速推動(dòng)含有酶液的注射器，使各組裝置催化反應(yīng)同時(shí)開啟或開啟時(shí)間誤差較小，以便記錄不同pH條件下相同時(shí)間內(nèi)氧氣產(chǎn)生量。

（三）注射器的選擇

過氧化氫酶在中性條件下酶活性很高，短時(shí)間內(nèi)即可催化過氧化氫分解產(chǎn)生大量氧氣。因此用來(lái)測(cè)量氧氣體積的注射器應(yīng)選用大號(hào)注射器或減少過氧化氫用量，避免氣體超出注射器最大刻度值或氣體太多攜帶反應(yīng)液沖出注射器。

六、討論與思考

（一）創(chuàng)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn) 定性轉(zhuǎn)為定量

課程標(biāo)準(zhǔn)中提出“加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，建議教師采用低成本、低消耗、低（無(wú)）污染的實(shí)驗(yàn)用具開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并建議要重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)利用醫(yī)用兩通閥和注射器作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)用具，具有便宜易得、不易損壞、可循環(huán)使用的特點(diǎn)，符合低成本、低消耗、低污染的實(shí)驗(yàn)原則；利用醫(yī)用兩通閥和注射器制成的實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象直觀明顯，成功將常規(guī)的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為定量實(shí)驗(yàn)。

（二）遷移其他實(shí)驗(yàn) 擴(kuò)大使用范圍

本實(shí)驗(yàn)裝置不僅適用于“探究pH對(duì)過氧化氫酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)，還可用于“探究溫度對(duì)過氧化氫酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)或探究其他因素對(duì)酶活性影響的實(shí)驗(yàn)。此外，此裝置不受空間限制，學(xué)生在課外也可進(jìn)行探究，同時(shí)此裝置不存在地域壁壘，不同發(fā)展水平的地區(qū)教師均可制作，具有很高的推廣性和可行性。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］生物課程教材研發(fā)中心.普通高中教科書生物學(xué)必修1（分子與細(xì)胞）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［*本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“聚焦核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)教學(xué)研究”（課題編號(hào)：2022YQJK506）研究成果］