探究pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性恢復(fù)的影響*

葛 暄 徐海麗

(合肥一六八中學(xué) 安徽合肥 230031)

科學(xué)探究是生物學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，在中學(xué)生物教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“教學(xué)過(guò)程要重實(shí)踐，教師既要讓學(xué)生參與動(dòng)手活動(dòng)，又要讓學(xué)生積極地融入涉及動(dòng)腦的環(huán)節(jié)；通過(guò)探究類學(xué)習(xí)活動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力；同時(shí)將STEM整合到實(shí)踐活動(dòng)中。”生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，探究活動(dòng)在新課改中的應(yīng)用較為廣泛，通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，一方面鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，另一方面也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，對(duì)于提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)具有重要意義。

“影響酶活性的條件”是人教版高中生物必修一第五章中的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，是個(gè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的方案可以有很多種。關(guān)于pH對(duì)酶活性的影響，教材中探究的是pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響。結(jié)合科學(xué)家的定量分析，將酶分別置于不同的pH條件下，分別測(cè)定酶活性的大小，然后繪制出酶活性受pH影響的曲線圖。 通過(guò)對(duì)曲線圖的進(jìn)一步分析我們不難得出結(jié)論：過(guò)酸、過(guò)堿都會(huì)使酶變性失活，不同的酶都有特定條件下的最適pH。

一、研究的背景和意義

1.研究背景

教育的任務(wù)不是避免某種偶然事件，而是充分發(fā)揮它的教育價(jià)值所在。本課題來(lái)源于課堂生成的問(wèn)題，筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生對(duì)于pH影響酶活性的曲線圖有些疑惑，他們已經(jīng)知道過(guò)酸、過(guò)堿會(huì)使酶變性失活，但還有問(wèn)題：如果把酶放置在低于(或高于)最適pH的溶液中一段時(shí)間以后，再將酶所處溶液的pH調(diào)至最適pH時(shí)，酶的活性將如何變化？筆者查閱了《中學(xué)生物教學(xué)》和《生物學(xué)通報(bào)》等相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)關(guān)于pH對(duì)酶活性恢復(fù)影響的研究并不是很多，然而此問(wèn)題一直是一大教學(xué)困惑。由于高中學(xué)生對(duì)于探究實(shí)驗(yàn)有很大的熱情，也為了解決這一教學(xué)問(wèn)題，所以師生一起設(shè)計(jì)了“探究pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性恢復(fù)的影響”這一實(shí)驗(yàn)。

2.研究意義

通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)一方面解決了教學(xué)疑惑，另一方面激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)生物的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手操作能力、思維能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、研究過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，教材中并沒(méi)有明確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，但是探究實(shí)驗(yàn)的一般流程學(xué)生已經(jīng)掌握，因此學(xué)生可以根據(jù)已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的步驟。為了使探究實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期效果，教師應(yīng)該首先分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，然后確定教學(xué)目標(biāo)，最后指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

筆者對(duì)本校學(xué)生進(jìn)行了學(xué)情分析。知識(shí)方面：學(xué)生已經(jīng)掌握了酶的作用和本質(zhì)，以及pH對(duì)酶活性的影響規(guī)律，同時(shí)已經(jīng)具備相關(guān)的化學(xué)知識(shí)。技能方面：學(xué)生對(duì)傳感器并不陌生，會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作。基于以上學(xué)情，筆者將本實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目標(biāo)確立為以下四個(gè)方面：1.形成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的生命觀念；2.培養(yǎng)生物學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的理性思維；3.通過(guò)“設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)步驟，改變自變量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論”，體會(huì)科學(xué)探究的過(guò)程；4.了解酶制品的貯藏、運(yùn)輸和使用過(guò)程；根據(jù)食物特質(zhì)，指導(dǎo)健康飲食。

1.實(shí)驗(yàn)裝置、儀器、試劑和材料等

本實(shí)驗(yàn)裝置由學(xué)生結(jié)合跨學(xué)科知識(shí)自主設(shè)計(jì)而成，具有一定的創(chuàng)新性，主要利用氧氣傳感器、借助于計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。該裝置能夠定量測(cè)定氧氣含量，比教材中提供的實(shí)驗(yàn)裝置更加直觀、精確。

實(shí)驗(yàn)儀器：燒杯,量筒,膠頭滴管，移液管，錐形瓶，氧氣傳感器等，電子秤等。

實(shí)驗(yàn)試劑：過(guò)氧化氫酶，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過(guò)氧化氫溶液，濃鹽酸，NaOH固體，新配置的不同pH值溶液。

實(shí)驗(yàn)材料：教材中探究酶活性的實(shí)驗(yàn)材料選用的是肝臟研磨液，但肝臟研磨液不易存儲(chǔ)，學(xué)生查閱資料后發(fā)現(xiàn)土豆中也含有較多的過(guò)氧化氫酶，于是選用土豆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用土豆中的過(guò)氧化氫酶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)效果并不明顯，分析原因可能是酶的濃度不夠。于是教師提供純的過(guò)氧化氫酶制劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)分組

在正式進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生通過(guò)查閱資料和興趣小組的探究實(shí)驗(yàn)已經(jīng)得出結(jié)論：室溫下，該過(guò)氧化氫酶的最適pH為7，圍繞最適pH，教師將全班學(xué)生分為以下6組(如表1)。

表1

3.實(shí)驗(yàn)重、難點(diǎn)突破(以A組為例)

本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何保證在無(wú)關(guān)變量不變的情況下，將含酶溶液從pH=5調(diào)至pH=7，以及因變量(氧氣的含量)如何定量測(cè)定。關(guān)于重、難點(diǎn)的突破，筆者采取的策略是小組合作：先自主討論，再相互評(píng)價(jià)，最后師生共同歸納總結(jié)。討論的過(guò)程激發(fā)學(xué)生的積極性，有助于推動(dòng)學(xué)生思維的發(fā)展。

難點(diǎn)1：在控制無(wú)關(guān)變量一致的情況下，如何把酶的pH從5調(diào)至7呢？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論，結(jié)合化學(xué)知識(shí)，采取策略a：將pH=5的溶液稀釋100倍。教師進(jìn)一步提問(wèn)：pH從3到7怎么改變呢？學(xué)生思考以后發(fā)現(xiàn)，如果用稀釋的方法，1 mL原液也要稀釋到10000 mL,在這樣的錐形瓶中暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。于是學(xué)生發(fā)散思維，想到策略b：用pH=11的溶液等體積中和。此時(shí)，學(xué)生自然想到可以用策略b解決pH從1調(diào)至7的問(wèn)題，這時(shí)候教師鼓勵(lì)學(xué)生采取新的方法，經(jīng)過(guò)學(xué)生討論，有了策略c：加入一定量的氫氧化鈉固體。

難點(diǎn)2：因變量如何定量測(cè)定？學(xué)生最先想到的可能是觀察氣泡多少，或者是用帶火星的小木條檢測(cè)，但這些都無(wú)法定量測(cè)量，那么怎么解決呢？于是教師拿出氧氣傳感器來(lái)解決這一難題，此時(shí)學(xué)生能夠體會(huì)到技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)的推動(dòng)作用。

4.實(shí)驗(yàn)步驟(以A1組為例)

(1)取3個(gè)潔凈的錐形瓶，分別編號(hào)為A、B、C,氧氣傳感器進(jìn)行校零。

(2)向A、B、C瓶中分別加入新配制的pH=5，pH=5,pH=7的溶液各1 mL。

(3)向A、B、C瓶分別加入等量的過(guò)氧化氫酶1 g,輕晃30 s。

(4)向A瓶中加入pH=5的溶液調(diào)至100 mL，向B瓶中加入蒸餾水調(diào)至100 mL,向C瓶中加入pH=7的溶液調(diào)至100 mL。

(5)向A、B、C瓶分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過(guò)氧化氫溶液2 mL，同時(shí)打開(kāi)傳感器進(jìn)行氧氣測(cè)定。

(6)統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)論。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論(如圖1、圖2)

圖2

圖1顯示的是各組氧氣含量變化動(dòng)態(tài)曲線圖。如何能更加直觀地反映出酶活性的變化規(guī)律？學(xué)生可以聯(lián)想到教材，用反應(yīng)速率來(lái)體現(xiàn)酶活性的大小，于是繪制出不同pH條件下每3秒的平均反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化圖(如圖2)。學(xué)生能夠?qū)?shù)字信息轉(zhuǎn)化為圖像信息，說(shuō)明其對(duì)數(shù)據(jù)分析、處理的能力有所提高。至此學(xué)生得出結(jié)論：室溫下，當(dāng)過(guò)氧化氫酶從pH=5調(diào)至pH=7時(shí)，其活性可以部分恢復(fù)， 最大活性仍然低于最適pH時(shí)的值。

師生用類似的方法完成了其他組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。圖3和圖4是學(xué)生繪制的酶促反應(yīng)速率圖。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，A1組與B1組結(jié)果相似，A2、A3、B2組和B3組結(jié)果相似。

圖3

圖4

學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得出如下結(jié)論：(1)pH≤3或pH≥11時(shí)，過(guò)氧化氫酶已經(jīng)失活，恢復(fù)最適pH時(shí)酶的活性已經(jīng)不能恢復(fù)。同時(shí)也證明了確實(shí)存在使酶變性的臨界pH。(2)在酶失活之前，改變酶的pH至最適pH時(shí)，酶的活性確實(shí)可以部分恢復(fù)。

6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以及繼續(xù)探究

學(xué)生嘗試分析上述結(jié)論可能的原因：a.酶(蛋白質(zhì))的空間結(jié)構(gòu)可能部分被改變，使其活性不能完全恢復(fù)；b.酸性環(huán)境影響過(guò)氧化氫酶中部分氨基酸的解離狀態(tài)，從而影響了酶的活性……

學(xué)生可以繼續(xù)探究以下問(wèn)題：如何進(jìn)一步確定使酶失活的臨界pH值呢？pH=5調(diào)至pH=7時(shí)，酶的活性為什么能夠部分恢復(fù)呢？在酶失活之前，其活性減弱的程度是否與偏離最適pH差值有關(guān)？……

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處以及對(duì)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示

1.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

本實(shí)驗(yàn)是基于教材實(shí)驗(yàn)的拓展和延伸，創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。首先，實(shí)驗(yàn)材料的改進(jìn)：用純的過(guò)氧化氫酶做材料，便于控制酶的用量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。其次，實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)：通過(guò)3種不同的方式改變自變量，發(fā)散學(xué)生的思維。再次，檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)：利用氧氣傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加動(dòng)態(tài)、直觀；pH測(cè)試儀+pH試紙，使數(shù)據(jù)更加精確。

2.對(duì)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示

通過(guò)“pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性恢復(fù)的影響”這一探究實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生自主思考、合作探究的能力，同時(shí)也解決了一線教師教學(xué)中的一些困惑。

創(chuàng)新是教育的核心，教育培養(yǎng)的人才不僅要有全面的知識(shí)結(jié)構(gòu)，更要有創(chuàng)新的活力，以適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，承擔(dān)知識(shí)創(chuàng)新的重任。在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師也應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的看法，充分利用各種器材設(shè)備和技術(shù)手段來(lái)大膽地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，在探究的過(guò)程中充分挖掘自身的創(chuàng)新能力,培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,從而全面提升自身的生物科學(xué)素養(yǎng)。