“探究不同pH对H2O2酶活性的影响”定量实验研究

刘高云 （武汉市第一中学 湖北武汉 430020）

探究pH 对H2O2酶活性的影响实验是引导学生深入了解影响酶活性条件的重要素材，有助于学生全面理解影响酶活性的因素，进而理解酶在细胞内的物质和能量转变中的地位和作用[1]。人教版生物学教材中通过设置6 个问题提示，引导学生讨论探究实验方案，这只能使学生定性了解酸、碱及中性条件下酶活性的变化。同时教材中未给出明确的实验装置及具体的实验步骤，这对实际实验教学造成较大的困难[2]。因此，笔者通过摸索与探究设计了一种简易可行的定量检测方案，既创新设计实验装置，又能简化实验步骤。设置该课题的探究实验旨在使学生亲自设计实验获得酶的活性受pH 影响的实验证据，培养学生的证据意识。定量化的实验研究不仅可使学生认识酶活性的差别及范围[3]，还可让学生通过实际操作了解变量控制的一般方法，提高学生科学探究能力，培养实事求是的科学态度[4]。笔者也希望通过改进创新教学实验，为一线教师引导学生进行该部分实验探究提供部分参考。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂 3%的H2O2溶液、H2O2酶（新鲜肝脏研磨液）、pH 分别为3、5、7、9、11 的缓冲液。

1.2 实验思路的设计 配制不同pH 的缓冲液，用不同pH 的缓冲液处理酶一段时间，再与底物充分反应。用1 min 内氧气的产生量，代表pH 对酶活性的影响。

1.3 实验装置的设计

教师引导学生思考：1）如何定量测定生成的氧气？2）实验试剂添加的部位和顺序？3）如何实现5 组实验中，酶与底物同时反应，以减小实验误差？ 各小组分组讨论，如何利用试管、橡皮塞和20 mL 注射器设计合适的实验装置。

小组讨论后，小组代表汇报各组讨论的结果，其他组评价改进。教师总结归纳如下：试管作为H2O2反应室，注射器用于收集气体，试管内气体的变化量代表了O2的产生量。二者之间用带有注射器针头的橡皮塞连接，紧密连接保证实验装置的气密性。该设计装置有以下特点：实验用具简单，易操作；可收集氧气，以便定量测定；气体产生量可直接读取；可实现5 组同时进行测定，实验数据更准确。装置如图1。

图1 探究不同pH 对H2O2 酶活性的影响实验装置

2 实验操作

2.1 酶液的制备 取新鲜的猪肝剪碎研磨，用4 层纱布过滤，加水稀释至质量分数为2.5%。静置吸取上清液备用。

2.2 缓冲液的配制 称取71.6 g Na2HPO4·12H2O，在1 000 mL 容量瓶内溶于蒸馏水中并定容，配制成0.2 mol/L Na2HPO4溶液。称取31.2 g NaH2PO4·2H2O，在1 000 mL 容量瓶内溶于蒸馏水中并定容，配制成0.2 mol/L NaH2PO4溶液。然后用上述2 种溶液及稀盐酸、稀NaOH 配制pH 分别为3、5、7、9、11 的缓冲液，并用pH 计校正。

2.3 试剂的添加 取5 支洁净的试管，分别编号并加入3 滴肝脏研磨液，再分别加入3 mL 不同pH的缓冲液。用5 支注射器分别吸入3 mL H2O2。

2.4 装置的连接 依次将试管、橡皮塞、注射器紧密连接（图2）。

图2 实验装置连接

2.5 分组操作 6 人一组，其中5 人每人手持一套实验装置，1 人做计时员。5 人听从计时员口令，同时将H2O2推送至试管中，轻微振荡，1 min 后记录实验数据（图3）。每组实验依次按2.3～2.5 步骤重复3 次，记录各组实验数据，求平均值。

图3 实验操作过程

2.6 结果处理 计时员统计收集数据后，小组长将实验数据输入Excel 软件表格中进行数据处理，绘制相应的不同pH 对H2O2酶活性影响的曲线图，从而训练学生实验数据的处理能力。由于试管内气体的变化量代表了O2的产生量，而3 mL 的H2O2液体注入试管会引起试管内3 mL 的体积变化，所以需使用Excel 软件对实验数据进行校正，即O2的实际产生量（mL）=注射器内气体变化量-3。教师引导学生分析曲线变化，得出相关结论。

3 实验注意事项

1）橡皮塞上有针头，使用时注意安全；2）反应过程中要用手握紧橡皮塞和试管接口处；3）分工合作，装置组装完后，统一听计时员口令；4）每次量取不同pH 的缓冲液前，应冲洗量筒。

4 实验结果及结论

按照实验步骤进行实验，每组实验按2.3～2.5步骤重复3 次，记录数据，求不同pH 条件下H2O2酶催化H2O2分解生成O2量的平均值。实验结果如表1 所示，使用Excel 软件绘制曲线如图4。教师引导学生总结实验结论：不同pH 对H2O2酶活性的影响不同，pH=7 左右时H2O2酶活性最大；pH＜7 时，随pH 的增加酶活性增强，且pH=3 时H2O2酶活性几乎完全丧失；pH＞7 时，随pH 的增加酶活性降低，且pH=11 时H2O2酶活性极低。

表1 不同pH 条件下过氧化氢酶催化H2O2 分解生成的O2 量

图4 不同pH 对过氧化氢酶活性的影响

5 讨论

5.1 实验方案设计优点 本实验方案具有以下优点：①实验装置简易，实验步骤简化，容易操作，使不同动手能力的学生均能顺利完成实验；②实验数据读取简易且准确，注射器密封效果好，数据直接读取，方便准确；③实验时间缩短，实际操作约需7～8 min，学生可在课堂有限时间内完成该实验；④增强学生合作探究能力，有效提升学生科学思维。该实验操作需要6 名学生同时分工合作共同完成，极大增强学生在实验课上合作探究的兴趣和能力，使学生在合作学习和探究的过程中落实教学目标。

5.2 实验反思 实验课堂教学时不能仅停留在理论的探讨上，更要引导学生在主动探究设计实验思路（装置）的基础上，在实际操作中发现和解决更多的问题。本课题通过将定性的实验转化为定量的实验，使学生更为细致地探讨pH 对酶活性范围的影响，体现定量分析的价值。同时在实际教学中，通过本课题学习可提高学生根据实验目的设计明确的实验思路的能力、设计合理的实验装置的能力及对结果进行分析处理的能力。学生全程参与实验设计和操作活动，进一步理解了科学探究的过程、方法和技能。实验教学中既有小组合作探究、讨论、分享和数据处理，又有个人观察、思考等形式，不仅能培养学生合作学习的能力，更能有效提升学生科学思维，真正落实学科核心素养。