“探究pH對過氧化氫酶活性的影響”的實驗教學

牛袁園 白建秀

（1北京市日壇中學 北京 100020 2北京市朝陽區教育研究中心 北京 100028）

“影響酶活性的條件”實驗探究出自人民教育出版社生物學必修1《分子與細胞》中第5章第1節“降低化學反應活化能的酶”。當選擇用過氧化氫酶進行pH對酶活性影響的探究時，使用教材中給定的實驗用具和方法，以觀察過氧化氫酶在不同pH值影響下，過氧化氫分解的劇烈程度為實驗現象，即氣泡產生的多少，進行記錄和分析。這樣的實驗操作雖簡單，但基本上為定性實驗。通過嘗試改進實驗裝置和藥品選用后的實驗，可用數據證實在不同pH條件下，過氧化氫酶催化過氧化氫分解產生的氣體量確實存在差異，并有一定規律，從而利于學生理解“酶活性受環境因素影響”的概念，符合“尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物”的生物學科核心素養的要求。

1 實驗裝置的改進

1.1 實驗裝置的組成 10 mL玻璃試管、0號膠塞、20 mL塑料注射器（圖1①）。塑料注射器的金屬針頭與針筒部分分開待用（圖1②）；用金屬針頭穿透0號膠塞（圖1③）。檢測時或實驗需要時將裝置組裝成型。即膠塞塞入玻璃試管、針筒插入針頭（圖 1④）。

圖1 實驗裝置

1.2 實驗裝置的檢驗 本裝置的氣密性檢查和穩定性檢驗可同時進行。

1）將針筒活塞拔出5 mL高度，然后將針管與裝置其他部分組裝完成。將待檢測的裝置全部準備完畢，開始檢驗。

2）將裝置的3個主要組成部分的銜接處浸沒于水面之下。

3）推動活塞將針筒中的氣體推入試管中，此過程水中若無氣泡產生，即為該裝置氣密性良好。

4）在向試管內補注入氣體的同時，氣體壓縮后有一個回復原壓力的膨脹過程，活塞在此作用的推動下又回復到刻度5 mL左右，在每個裝置完成氣體膨脹回復的過程后要記錄回復數值，用以進行裝置的穩定性檢驗。

根據計算，本裝置的穩定性在顯著性水平為0.05的條件下，回復力數值呈正態分布，均值為4.67，標準差 0.17（圖 2）。

圖2 裝置穩定性檢驗結果

2 實驗材料的選用

2.1 實驗材料的選擇 新鮮的質量分數為20%的肝臟研磨液，質量分數為10%的過氧化氫溶液，pH 分別為 5、6、7、8、9 的磷酸緩沖液，滴管，試管架，小燒杯。

2.2 材料選擇的說明

1）選擇“質量分數為10%的過氧化氫液0.5 mL”的依據。質量分數為10%的過氧化氫液的d 值（相對密度）為 1.0351［1］。

①每個實驗體系所使用的過氧化氫的質量：

密 度 ×體 積 ：1.0351 g/mL×0.5 mL×10%=0.05175 g；

②每個實驗體系所使用的過氧化氫的摩爾數：

質量÷分子量：0.05175 g÷34 g/mol=0.0015 mol；

③每個實驗體系所使用的過氧化氫完全分解產生的氣體體積：

摩爾數×22.4 L/mol∵2H2O2→2H2O+O2↑

如上述公式，1 mol過氧化氫完全分解產生0.5 mol氧氣。

∴0.0015 mol×22.4 L/mol÷2=0.017 L=17 mL。

綜上所述，0.5 mL質量分數為10%的過氧化氫液完全分解，會釋放氧氣17 mL，與之前選用的裝置中的量程20 mL針筒相匹配。

2）選擇“pH值5~9的磷酸緩沖液”的原因。磷酸緩沖液適用的pH值范圍寬，可配制各種pH值的緩沖液；磷酸緩沖液pH受溫度影響較小；緩沖能力強；使用方便，能夠簡化實驗程序。

3 實驗方案的優化

3.1 實驗步驟 準備5支實驗裝置依次排列在試管架上，每個實驗裝置是一個pH反應體系。5個實驗裝置中的反應同時開始，觀察在不同pH環境下的反應體系針筒上升的快慢。此時可選擇記錄相同時間內不同體系中產生的氣體量，進行比較；也可以選擇記錄不同體系中氣體量達到相同值所用的時間，進行比較，從而篩選出過氧化氫酶的相對最適pH值。操作過程如下：

①5支試管中分別加入pH=5~9的磷酸緩沖液2 mL，并按順序碼入試管架；

②5支試管中再分別滴入1滴肝液，并將針頭膠塞組合塞入試管，調整緊度；

③5支針筒中分別吸入0.5 mL待用過氧化氫液，將針筒組裝到實驗裝置上，完成實驗前準備。

④待步驟②即不同體系中的肝液（過氧化氫酶）與pH環境充分接觸一段時間后，同時按下針筒，將等量的過氧化氫液注入相應的反應體系中，開始實驗。

3.2 結果呈現 通過針筒上升的高度，觀察不同實驗體系中反應進行的快慢，了解各體系中過氧化氫酶活性受到pH環境的影響，并從5個實驗體系中找到過氧化氫酶的相對最適pH值。

3.2.1 以相同時間、不同產物量進行數據記錄和分析（表 1、圖 3、圖 4）

表1 相同時間內不同pH條件下產生的氣體量

圖3 實驗現象

圖4 實驗結果

3.2.2 以反應進行1/3（即氣體產物量為5 mL時）所用的時間進行數據記錄和分析（表2、圖5、圖6）

表2 不同pH條件下產生相同量氣體所用的時間

圖5 實驗現象

圖6 實驗結果

3.3 改進效果

1）傳統實驗為定性實驗，改進后為定量實驗。定量實驗分為計數實驗和計量實驗，本改進為計量實驗，相比計數實驗（需要人工同時對各反應體系中的氣泡進行計數）準確度高且省力，實驗結果也更加明顯。

2）本裝置可控制多個對比實驗樣本同時進行實驗。

3）由于針筒中黑色活塞的“運動”便于觀察，且標有刻度，故本裝置也利于教師在課堂教學中進行演示實驗。

4）用磷酸緩沖液代替鹽酸或氫氧化鈉調節反應體系pH值，能更穩定地控制pH值，并在分組實驗時，能在全班范圍內穩定控制各小組做對比實驗時的pH值，有利于匯集更多的數據。