“探究pH對酶活性影響”實驗的幾點改進

楊忞

“探究影響酶活性的因素”是人教版高中生物必修一第五章第1節(jié)第二課時的內(nèi)容。通過開展此項實驗，有利于學(xué)生達成對概念“酶活性受到環(huán)境因素（如pH和溫度等）的影響”的理解，促進學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的提升。“探究pH對酶活性影響”的定量實驗，既有利于學(xué)生在探究過程中學(xué)習(xí)和運用控制變量，設(shè)置對照實驗的方法，也有利于訓(xùn)練學(xué)生構(gòu)建模型的科學(xué)思維。但該實驗操作較復(fù)雜，影響實驗結(jié)果的因素較多。為使全班學(xué)生能當(dāng)堂完成實驗，得到理想的實驗結(jié)果;運用事實構(gòu)建概念的方法，闡述酶活性隨pH變化的規(guī)律，對“探究pH對酶活性影響”的定量實驗進行了一些改進。

一、實驗方案的改進

在定量實驗中，學(xué)生需要測量每組實驗中的實驗數(shù)據(jù)。但中學(xué)的實驗檢測條件有限，學(xué)生實驗操作能力有限。這就需要教師優(yōu)化實驗方案，提高各組實驗間現(xiàn)象的差異性，進而提高學(xué)生實驗的成功率，得到有利于學(xué)生知識構(gòu)建的實驗結(jié)果。

1.溶液添加順序

在強紅艷^[1]提供的實驗方案中，先向反應(yīng)裝置中加入一定體積的H₂O₂溶液、不同pH緩沖液，再加入一定體積的過氧化氫酶溶液，混勻，觀察實驗現(xiàn)象。預(yù)實驗結(jié)果顯示，如果按上述順序加入溶液，在 pH=5～9條件下的氧氣產(chǎn)生速率差異不明顯。推測這與不同pH條件下H₂O₂溶液自身分解率、底物濃度和過氧化氫酶酸堿耐受性有關(guān)。

H₂O₂溶液呈弱酸性，在酸性條件下不容易發(fā)生分解，在堿性條件下不穩(wěn)定。H₂O₂溶液在不同pH條件下分解率不同^[2]。向H₂O₂溶液中加入大量不同pH緩沖液會影響過氧化氫自身的分解率，也會降低底物濃度。底物濃度越低，氧氣的產(chǎn)生速率越小，短時間內(nèi)觀察到的實驗現(xiàn)象差異越不明顯。此外，文獻中顯示過氧化氫酶的酸堿耐受性好。

因此，將實驗方案改進為先用不同pH的溶液處理過氧化氫酶，再依次將2mL的3%H₂O₂溶液、0.5mL用不同pH溶液處理后的過氧化氫酶溶液加入反應(yīng)裝置。這既可減少H₂O₂溶液中pH的改變程度，盡量避免對其自身分解率產(chǎn)生影響，又可增加不同pH條件下過氧化氫酶活性的差異性，提高學(xué)生完成定量實驗的成功率。

2.pH梯度設(shè)定

王江源^[6]推薦選擇pH=5、pH=6、pH=7、pH=8、pH=9幾個pH梯度進行實驗。預(yù)實驗結(jié)果顯示，選用上述幾個pH梯度進行實驗，各組實驗氧氣產(chǎn)生速率差異不明顯。在pH=9時氧氣產(chǎn)生速率最高。推測這與H₂O₂溶液在堿性條件下不穩(wěn)定，且pH=9時過氧化氫酶活性仍較高有關(guān)。

劉中興等在pH3.1～13.2范圍內(nèi)研究pH對H₂O₂溶液分解率的影響。實驗結(jié)果顯示，隨pH的增加，H₂O₂溶液分解率逐漸增加。pH為9左右時，H₂O₂溶液分解率達到最大，比pH為7時的分解率增加23.3%。此后隨pH的進一步增加，H₂O₂溶液分解率下降。pH為13.2時的分解率比pH為9時降低了24.8%。相關(guān)文獻顯示，過氧化氫酶在pH5～9范圍內(nèi)活性均較高。

因此，為提高學(xué)生完成定量實驗的成功率，有利于學(xué)生的知識構(gòu)建，直觀展示過酸或過堿對酶活性的影響，實驗增大了pH梯度間的間隔，并減少了堿性pH梯度的設(shè)置。最終設(shè)定pH=2、pH=3、pH=7、pH=10四個pH梯度開展實驗。

3.過氧化氫酶溶液處理方法的改進

因?qū)嶒炈胮H梯度跨度大，難以在同一緩沖體系中實現(xiàn)不同pH緩沖液的配制。所以通過不斷摸索實驗條件，采用將過氧化氫酶溶液與預(yù)先配制的不同pH梯度的HCl和NaOH溶液等體積混合的方式，將過氧化氫酶溶液的pH分別調(diào)節(jié)至2、3、7、10。

二、實驗裝置的改進

過氧化氫在過氧化氫酶的催化下，會分解產(chǎn)生水和氧氣。實驗可以用單位時間內(nèi)氧氣的產(chǎn)生量表示過氧化氫酶的活性。定量實驗對學(xué)生實驗操作能力要求很高。因此實驗裝置設(shè)計是否合理、裝置操作難度是否符合大多數(shù)高中學(xué)生的實際動手能力，是決定學(xué)生實驗成功與否的關(guān)鍵因素之一。

1.采用排水集氣法收集氧氣

2019年人教版《教師教學(xué)用書 必修一》中介紹的實驗裝置采用推動活塞法收集氧氣。2019年北師大版《分子與細胞》教材中介紹的實驗裝置采用排水集氣法收集氧氣。推動活塞法收集氧氣操作簡便，但推動活塞時存在阻力，氧氣產(chǎn)生量越小實驗誤差越大。排水集氣法操作相對復(fù)雜，但實驗結(jié)果準(zhǔn)確。于是本實驗采用排水集氣法收集氧氣。

2.實驗裝置的設(shè)計與改進

北師大版教材中介紹的裝置多為玻璃器皿，實驗裝置笨重且制作工藝復(fù)雜。實驗裝置通過含酶的濾紙片加入過氧化氫酶，操作難度很高，極易出現(xiàn)酶片提前掉落的現(xiàn)象，而且無法準(zhǔn)確控制加入的酶量。將反應(yīng)裝置放在水浴環(huán)境下完成反應(yīng)，學(xué)生在操作時很容易將水槽中的水溢到實驗臺上，造成桌面積水，影響課堂教學(xué)效果。利用倒扣在水槽中的量筒收集并測量氧氣，量筒口不平，立不穩(wěn)。預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，利用教材中介紹的裝置進行實驗，學(xué)生實驗成功率很低。

于是教師與學(xué)生一起設(shè)計了多種實驗裝置，并檢測每種裝置的使用效果，最終將實驗裝置改進如下。

3.改進后的實驗裝置具有的優(yōu)點

改進后的實驗裝置操作簡便、成本低廉、方便學(xué)生親手制作、實驗成功率高。

三、實驗材料和方法

1.實驗材料

3%H₂O₂溶液、不同pH值的HCl和NaOH溶液、過氧化氫酶制劑、自制的反應(yīng)裝置、20mL注射器（集氣裝置）、水槽、計時器

2.實驗方法

四、實驗結(jié)果與分析

收集6個小組的實驗數(shù)據(jù)，分別計算pH為2、3、7、10時氧氣產(chǎn)生速率的平均值，繪制成曲線。

實驗結(jié)果顯示，過氧化氫酶在pH=7時活性最高。pH高于或低于7時酶活性降低。pH過高或過低，酶活性完全喪失。

五、實驗改進效果評價

通過改進實驗方案，不同pH組間實驗現(xiàn)象差異明顯;通過改進實驗裝置，有效降低實驗操作難度。最終，學(xué)生實驗的成功率大幅提高，班級中每個小組的學(xué)生都得到了理想的實驗結(jié)果。學(xué)生親自參與實驗裝置的設(shè)計與改進，利用身邊簡單易得的材料，親手制作裝置。學(xué)生學(xué)習(xí)熱情充分調(diào)動，創(chuàng)新性思維靈感得到展現(xiàn)。在定量實驗中，學(xué)生通過分析量的變化，繪制曲線模型，得出酶活性受pH影響的規(guī)律。在上述過程中，學(xué)生收獲了成功的喜悅，科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)得到了發(fā)展。