“探究影響酶活性的因素”實驗操作過程的再設(shè)計

倪娟

摘 要 通過設(shè)置溫度梯度和pH梯度以較全面地探究二者對唾液淀粉酶活性的影響；引入銅離子和氯離子以了解唾液淀粉酶的活化劑和抑制劑。

關(guān)鍵詞 唾液淀粉酶 溫度 pH 活化劑 抑制劑

中圖分類號 Q-331 文獻標(biāo)志碼 B

1 設(shè)計背景

“探究影響酶活性的因素”實驗是滬科版高中《生命科學(xué)》第四章第一節(jié)“生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)”中的選做實驗。該實驗引入了控制變量的概念，即改變溫度、pH等條件后觀察酶活性的變化，讓學(xué)生了解基本的實驗思路和方法。作為選做實驗，如果學(xué)生學(xué)有余力或者利用選修課，教師可以開展本實驗，以進一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

教材以淀粉酶溶液和可溶性淀粉為實驗材料，設(shè)計了探究溫度和pH對淀粉酶活性的影響的實驗（表1）。

教材實驗以1號試管作為對照，通過1、2、3號試管的相互比較探討pH對淀粉酶活性的影響，通過1、3、4號試管的相互比較探討溫度對淀粉酶活性的影響，從而得出“溫度和pH都會影響酶的活性”的實驗結(jié)論，實驗可以取得較為理想的效果。

但是結(jié)合實驗設(shè)計應(yīng)遵循的控制單一變量原則，學(xué)生對于本實驗的操作提出了如下幾點質(zhì)疑：① 調(diào)節(jié)pH時加入的鹽酸中的H+、Cl-會對顯色反應(yīng)造成影響嗎？② pH調(diào)節(jié)到相應(yīng)值以后，又在試管中加入了1 mL淀粉酶溶液，酶溶液的加入會改變反應(yīng)體系的酸堿度嗎？③不同溫度和pH條件下碘液的顯色反應(yīng)會有差異嗎？

并且實驗只探究了35℃和4℃這兩個溫度條件，以及pH=4和pH=7這兩個pH條件，導(dǎo)致很多學(xué)生在完成本實驗后，非常想知道其他溫度和pH條件下酶活性的變化規(guī)律。

針對學(xué)生在初次實驗中產(chǎn)生的諸多疑問，筆者組織學(xué)生進行了第二次探究實驗。學(xué)生分組設(shè)計探究方案并實施探究操作，教師在實驗前收集探究方案并做好實驗準(zhǔn)備。

2 探究實驗的再設(shè)計

2.1 溫度對唾液淀粉酶活性影響的探究實驗

材料、儀器和試劑：稀釋的唾液淀粉酶溶液，1%可溶性淀粉溶液，蒸餾水，記號筆，試管，滴管，水浴鍋，碘液。

實驗設(shè)計步驟如下：

（1） 取6支潔凈的試管并編號，各注入1 mL 1%可溶性淀粉溶液；另取6支試管，其中3支分別注入1 mL稀釋的唾液淀粉酶溶液，剩余3支分別注入1 mL蒸餾水。

（2） 將裝有淀粉、淀粉酶溶液和蒸餾水的試管分成3組，分別放入4℃、37℃和95℃的恒溫水浴鍋中，維持各自的溫度5 min。

（3） 分別將各組的淀粉酶溶液或蒸餾水注入到相同溫度下的淀粉溶液中，快速振蕩均勻，維持各自的溫度30 min。

（4） 在6支試管中各滴入5滴碘液，搖勻，觀察記錄實驗現(xiàn)象（表2）。

實驗：結(jié)果分析

實驗結(jié)果記錄見表2。

表2中1、3、5號試管產(chǎn)生現(xiàn)象差異的原因分析：1號試管呈藍(lán)色說明存在淀粉，說明4℃條件下酶沒有活性或者活性較低；3號和5號試管都不呈藍(lán)色，可能是因為酶在37℃和95℃下都有活性將淀粉完全分解，也有可能是因為溫度升高影響碘液與淀粉的反應(yīng)所致。再結(jié)合2、4、6號試管中的現(xiàn)象，4號試管中的藍(lán)色證明了3號試管中的酶有活性，淀粉的分解導(dǎo)致了藍(lán)色的消失；而6號試管的不變藍(lán)，說明95℃的高溫肯定影響了碘液與淀粉的顯色反應(yīng)，但是酶活性有無受溫度影響尚且不能確定。此時，教師可以鼓勵學(xué)生自行解決這個問題，也可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生將5號和6號兩支試管冷卻后再加碘液，就能發(fā)現(xiàn)試管中溶液都變藍(lán)色，顯示淀粉的存在，從而進一步說明95℃的高溫也影響了酶的活性。至于高溫影響碘液顯色的原因，教師可以結(jié)合碘液顯色反應(yīng)原理進行解釋，也可以留給學(xué)生在課后進一步探究。

2.2 pH對唾液淀粉酶活性影響的探究實驗

材料、儀器和試劑：稀釋的唾液淀粉酶溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的可溶性淀粉溶液，蒸餾水，記號筆，試管，滴管，水浴鍋，碘液，廣泛pH試紙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的HCl溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液。

實驗步驟如下：

（1） 取6支潔凈的試管并編號，各注入1 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的可溶性淀粉溶液；另取6支試管，其中3支分別注入1 mL稀釋的唾液淀粉酶溶液，剩余3支分別注入1 mL蒸餾水。

（2） 將裝有淀粉、淀粉酶溶液和蒸餾水的試管分成3組，第一組試管中滴加3%HCl溶液把溶液pH調(diào)為2，第二組試管中測得溶液pH為7，第三組試管中滴加5%NaOH溶液把溶液pH調(diào)為12。將12支試管都放入37℃恒溫水浴鍋中，維持5 min。

（3） 分別將各組的淀粉酶溶液或蒸餾水注入到相同pH的淀粉溶液中，快速振蕩均勻，維持各自的溫度30 min。

（4） 在6支試管中各滴入5滴碘液，搖勻，觀察記錄實驗現(xiàn)象（表3）。

結(jié)果分析：

實驗結(jié)果記錄見表3。

表3中1、3、5號試管產(chǎn)生現(xiàn)象差異的原因分析：1號試管呈藍(lán)色說明存在淀粉，說明pH=2條件下酶沒有活性或者活性較低；3號和5號試管中都不顯藍(lán)色，可能是酶在pH=7和pH=12下都有活性將淀粉完全分解，也有可能是堿性環(huán)境影響碘與淀粉的反應(yīng)所致。再結(jié)合2、4、6號試管中的現(xiàn)象，4號試管中的藍(lán)色證明了3號試管中的酶有活性，淀粉的分解導(dǎo)致了藍(lán)色的消失；而6號試管的不變藍(lán)，說明pH=12的堿性條件肯定影響了碘液與淀粉的顯色反應(yīng)，但是酶活性有無受影響尚不能通過現(xiàn)象的比較而得出。

此時，有兩種解決辦法：

① 將5號和6號兩支試管的pH調(diào)至7以后再滴加碘液觀察顏色變化；

② 把碘液換成班氏試劑，檢測淀粉分解產(chǎn)物還原性糖的生成量。

最終都能檢測出pH=12的條件下淀粉幾乎沒有分解，從而說明堿性也影響了酶的活性。至于堿性影響碘液顯色的原理，教師可以聯(lián)系碘與NaOH的化學(xué)反應(yīng)對學(xué)生進行簡要解釋。

3 探究實驗的拓展研究

3.1 酶的激活劑和抑制劑的探究實驗

通過上述兩個實驗，對于溫度和pH這兩個影響酶活性的主要因素，學(xué)生有了比較全面的認(rèn)識。此時，學(xué)生很可能會聯(lián)系教材中關(guān)于“輔助因子”和“抑制劑”的描述，想進一步知道唾液淀粉酶的輔助因子和抑制劑分別是什么物質(zhì)，教師可以對這部分同學(xué)介紹以下實驗“探究NaCl和CuSO4對唾液淀粉酶活性的影響”（表4）。

實驗完成后，教師引導(dǎo)學(xué)生對結(jié)果進行分析，從而使學(xué)生認(rèn)識到Cl-和Cu2+對唾液淀粉酶活性的影響：Cl-能增強唾液淀粉酶的活性，是唾液淀粉酶的輔助因子即激活劑；相反，Cu2+會抑制唾液淀粉酶的活性，是唾液淀粉酶的抑制劑。

3.2 保溫時間的研究

因為前期有酶的“高效性”的學(xué)習(xí)，故學(xué)生認(rèn)為酶和底物混合以后的30 min保溫時間完全沒有必要。學(xué)生在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上設(shè)置時間梯度進行探究，最后確定了5 min的最短保溫時間。

3.3 溫度和pH會影響其他酶的活性嗎

在唾液淀粉酶的有關(guān)實驗中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)會基本的研究思路和方法，從而可以推廣到對其他酶的研究中。

4 反思

通過擴大實驗探究的溫度及pH范圍，學(xué)生不僅較全面地認(rèn)識了不同溫度和pH條件下酶活性的變化規(guī)律，而且對于實驗設(shè)計中的控制單一變量原則有了更為深入的體驗；激活劑和抑制劑的研究拓寬了學(xué)生的視野；對保溫時間的質(zhì)疑和研究，既讓學(xué)生品嘗了成功的喜悅，也為提高實驗課的效率做出了貢獻。酶影響因素的相關(guān)實驗教學(xué)，讓筆者深深感到：實驗教學(xué)的課堂上，存在很多生成性的問題，教師要積極鼓勵學(xué)生的質(zhì)疑精神，并善于把學(xué)生的疑問轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€個探究課題，才能激發(fā)學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。只有在這樣的課堂上，師生才會共同提高，達到教學(xué)相長的最高境界。