“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的物質和能量轉變中的地位和作用[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，培養學生的證據意識。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，培養實事求是的科學態度[4]。筆者也希望通過改進創新教學實驗，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 內氧氣的產生量，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果，其他組評價改進。教師總結歸納如下：試管作為H2O2反應室，注射器用于收集氣體，試管內氣體的變化量代表了O2的產生量。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；氣體產生量可直接讀取；可實現5 組同時進行測定，實驗數據更準確。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，加水稀釋至質量分數為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 后記錄實驗數據（圖3）。每組實驗依次按2.3～2.5 步驟重復3 次，記錄各組實驗數據，求平均值。

圖3 實驗操作過程

2.6 結果處理 計時員統計收集數據后，小組長將實驗數據輸入Excel 軟件表格中進行數據處理，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據的處理能力。由于試管內氣體的變化量代表了O2的產生量，而3 mL 的H2O2液體注入試管會引起試管內3 mL 的體積變化，所以需使用Excel 軟件對實驗數據進行校正，即O2的實際產生量（mL）=注射器內氣體變化量-3。教師引導學生分析曲線變化，得出相關結論。

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 實驗結果及結論

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，記錄數據，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。教師引導學生總結實驗結論：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 實驗方案設計優點 本實驗方案具有以下優點：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實驗數據讀取簡易且準確，注射器密封效果好，數據直接讀取，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，在實際操作中發現和解決更多的問題。本課題通過將定性的實驗轉化為定量的實驗，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、分享和數據處理，又有個人觀察、思考等形式，不僅能培養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。