“探究pH对过氧化氢酶活性的影响”的实验教学

牛袁园 白建秀

（1北京市日坛中学 北京 100020 2北京市朝阳区教育研究中心 北京 100028）

“影响酶活性的条件”实验探究出自人民教育出版社生物学必修1《分子与细胞》中第5章第1节“降低化学反应活化能的酶”。当选择用过氧化氢酶进行pH对酶活性影响的探究时，使用教材中给定的实验用具和方法，以观察过氧化氢酶在不同pH值影响下，过氧化氢分解的剧烈程度为实验现象，即气泡产生的多少，进行记录和分析。这样的实验操作虽简单，但基本上为定性实验。通过尝试改进实验装置和药品选用后的实验，可用数据证实在不同pH条件下，过氧化氢酶催化过氧化氢分解产生的气体量确实存在差异，并有一定规律，从而利于学生理解“酶活性受环境因素影响”的概念，符合“尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物”的生物学科核心素养的要求。

1 实验装置的改进

1.1 实验装置的组成 10 mL玻璃试管、0号胶塞、20 mL塑料注射器（图1①）。塑料注射器的金属针头与针筒部分分开待用（图1②）；用金属针头穿透0号胶塞（图1③）。检测时或实验需要时将装置组装成型。即胶塞塞入玻璃试管、针筒插入针头（图 1④）。

图1 实验装置

1.2 实验装置的检验 本装置的气密性检查和稳定性检验可同时进行。

1）将针筒活塞拔出5 mL高度，然后将针管与装置其他部分组装完成。将待检测的装置全部准备完毕，开始检验。

2）将装置的3个主要组成部分的衔接处浸没于水面之下。

3）推动活塞将针筒中的气体推入试管中，此过程水中若无气泡产生，即为该装置气密性良好。

4）在向试管内补注入气体的同时，气体压缩后有一个回复原压力的膨胀过程，活塞在此作用的推动下又回复到刻度5 mL左右，在每个装置完成气体膨胀回复的过程后要记录回复数值，用以进行装置的稳定性检验。

根据计算，本装置的稳定性在显著性水平为0.05的条件下，回复力数值呈正态分布，均值为4.67，标准差 0.17（图 2）。

图2 装置稳定性检验结果

2 实验材料的选用

2.1 实验材料的选择 新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液，质量分数为10%的过氧化氢溶液，pH 分别为 5、6、7、8、9 的磷酸缓冲液，滴管，试管架，小烧杯。

2.2 材料选择的说明

1）选择“质量分数为10%的过氧化氢液0.5 mL”的依据。质量分数为10%的过氧化氢液的d 值（相对密度）为 1.0351［1］。

①每个实验体系所使用的过氧化氢的质量：

密 度 ×体 积 ：1.0351 g/mL×0.5 mL×10%=0.05175 g；

②每个实验体系所使用的过氧化氢的摩尔数：

质量÷分子量：0.05175 g÷34 g/mol=0.0015 mol；

③每个实验体系所使用的过氧化氢完全分解产生的气体体积：

摩尔数×22.4 L/mol∵2H2O2→2H2O+O2↑

如上述公式，1 mol过氧化氢完全分解产生0.5 mol氧气。

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

综上所述，0.5 mL质量分数为10%的过氧化氢液完全分解，会释放氧气17 mL，与之前选用的装置中的量程20 mL针筒相匹配。

2）选择“pH值5~9的磷酸缓冲液”的原因。磷酸缓冲液适用的pH值范围宽，可配制各种pH值的缓冲液；磷酸缓冲液pH受温度影响较小；缓冲能力强；使用方便，能够简化实验程序。

3 实验方案的优化

3.1 实验步骤 准备5支实验装置依次排列在试管架上，每个实验装置是一个pH反应体系。5个实验装置中的反应同时开始，观察在不同pH环境下的反应体系针筒上升的快慢。此时可选择记录相同时间内不同体系中产生的气体量，进行比较；也可以选择记录不同体系中气体量达到相同值所用的时间，进行比较，从而筛选出过氧化氢酶的相对最适pH值。操作过程如下：

①5支试管中分别加入pH=5~9的磷酸缓冲液2 mL，并按顺序码入试管架；

②5支试管中再分别滴入1滴肝液，并将针头胶塞组合塞入试管，调整紧度；

③5支针筒中分别吸入0.5 mL待用过氧化氢液，将针筒组装到实验装置上，完成实验前准备。

④待步骤②即不同体系中的肝液（过氧化氢酶）与pH环境充分接触一段时间后，同时按下针筒，将等量的过氧化氢液注入相应的反应体系中，开始实验。

3.2 结果呈现 通过针筒上升的高度，观察不同实验体系中反应进行的快慢，了解各体系中过氧化氢酶活性受到pH环境的影响，并从5个实验体系中找到过氧化氢酶的相对最适pH值。

3.2.1 以相同时间、不同产物量进行数据记录和分析（表 1、图 3、图 4）

表1 相同时间内不同pH条件下产生的气体量

图3 实验现象

图4 实验结果

3.2.2 以反应进行1/3（即气体产物量为5 mL时）所用的时间进行数据记录和分析（表2、图5、图6）

表2 不同pH条件下产生相同量气体所用的时间

图5 实验现象

图6 实验结果

3.3 改进效果

1）传统实验为定性实验，改进后为定量实验。定量实验分为计数实验和计量实验，本改进为计量实验，相比计数实验（需要人工同时对各反应体系中的气泡进行计数）准确度高且省力，实验结果也更加明显。

2）本装置可控制多个对比实验样本同时进行实验。

3）由于针筒中黑色活塞的“运动”便于观察，且标有刻度，故本装置也利于教师在课堂教学中进行演示实验。

4）用磷酸缓冲液代替盐酸或氢氧化钠调节反应体系pH值，能更稳定地控制pH值，并在分组实验时，能在全班范围内稳定控制各小组做对比实验时的pH值，有利于汇集更多的数据。