鄧曉鋒 王楠楠 夏季

摘 要：許多對(duì)“探究pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響”這一實(shí)驗(yàn)的定量設(shè)計(jì)方案較為復(fù)雜且難以達(dá)到可視化的定量效果。利用醫(yī)用兩通閥、注射器制作的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置可檢測(cè)到一定時(shí)間內(nèi)過(guò)氧化氫所產(chǎn)生的氧氣量，從而達(dá)到操作簡(jiǎn)便、形象直觀、可定量的實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：酶活性；醫(yī)用兩通閥；定量；自制教具；科學(xué)探究

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性基礎(chǔ)學(xué)科，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐”。探究環(huán)境因素（如pH或溫度）對(duì)酶活性影響是教材中的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)有助于幫助學(xué)生達(dá)成次位概念“說(shuō)明絕大多數(shù)酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)，酶活性受到環(huán)境因素（如pH和溫度等）的影響”，進(jìn)而理解相應(yīng)的重要概念和核心概念，最終促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。新教材必修一“分子與細(xì)胞”中建議采用過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化氫探究pH對(duì)酶活性的影響，進(jìn)而自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并根據(jù)方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。普遍的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)屬定性實(shí)驗(yàn)，即將過(guò)氧化氫酶置于具備不同pH值的溶液中再加入過(guò)氧化氫進(jìn)而肉眼觀察氣泡產(chǎn)生的多少。一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為定量實(shí)驗(yàn)，但存在裝置操作復(fù)雜、氧氣不易收集的問(wèn)題。筆者利用醫(yī)用兩通閥、注射器制作而成的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，不僅操作簡(jiǎn)便，而且氣密閉性良好，可快速收集到過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解所產(chǎn)生的氧氣量，從而達(dá)到操作簡(jiǎn)便、形象直觀、可定量的實(shí)驗(yàn)效果。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)過(guò)氧化氫酶在不同pH條件下催化過(guò)氧化氫分解這一實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生說(shuō)明pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響從而理解酶的特性之一——酶的作用條件溫和，需要在適宜的pH條件下發(fā)揮作用；通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)控制變量法，思考如何定量檢測(cè)因變量，并且遵循對(duì)照原則。

二、主要材料用具

新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟研磨液、體積分?jǐn)?shù)為3%的過(guò)氧化氫（H2O2）溶液、蒸餾水、物質(zhì)的量為0.02mol/L的NaOH溶液、物質(zhì)的量為0.1mol/L的HCl溶液、10mL注射器（3個(gè)）、20mL注射器（3個(gè)）、醫(yī)用兩通閥（3個(gè)）等。

（一）醫(yī)用兩通閥特點(diǎn)

醫(yī)用兩通閥氣密性十分好且兩端可連接兩個(gè)去掉針頭的注射器從而使兩個(gè)注射器中的液體互通。（如圖1所示）

（二）注射器特點(diǎn)

注射器的活塞與注射管體之間的密閉性良好，為定量實(shí)驗(yàn)做鋪墊；注射器具備可視化的刻度，便于對(duì)收集到的氣體進(jìn)行量化，是實(shí)現(xiàn)定量實(shí)驗(yàn)的直接實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。（如圖2所示）

三、主要實(shí)驗(yàn)步驟

（一）制備酶液

取3個(gè)小燒杯并編號(hào)1（水＋酶液）、2（NaOH＋酶液）、3（HCl＋酶液），用量筒分別量取10mL的蒸餾水、0.02mol/L的NaOH溶液、0.02mol/L的HCl溶液放入3個(gè)小燒杯中，分別用滴管吸取1mL 20%的肝臟研磨液加入以上3個(gè)小燒杯中混合，輕輕振蕩搖勻后使酶處在相應(yīng)的pH條件下靜置5分鐘。

（二）取反應(yīng)液

用3個(gè)10mL的注射器分別從以上3個(gè)小燒杯中吸取1mL不同pH條件下的肝臟研磨液，輕輕地排出注射器中的空氣，做好標(biāo)記放置待用。用3個(gè)20mL的注射器分別從盛有H2O2溶液的燒杯中吸取1mL H2O2溶液，輕輕地排出注射器中的空氣，放置待用。

（三）催化反應(yīng)

用3個(gè)醫(yī)用兩通閥將以上3個(gè)10mL的注射器與3個(gè)20mL的注射器分別連接起來(lái)（如圖3）。將10mL注射器中的混合液分別全部推入與之相連接的20mL的注射器中，立即計(jì)時(shí)，記錄3min后三組20mL注射器的終末刻度并計(jì)算中性條件下、酸性條件下、堿性條件下酶催化H2O2分解生成氧氣的體積。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將3種條件下生成的氧氣體積進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)中性條件下的過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣體積最多，堿性條件下和酸性條件下的過(guò)氧化氫酶催化過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣體積均極少。

綜上得出結(jié)論：中性條件下肝臟研磨液中過(guò)氧化氫酶的活性最高，酸性條件或堿性條件下肝臟研磨液中過(guò)氧化氫酶的活性大大降低甚至失活。

五、裝置使用說(shuō)明

（一）注意排氣

用注射器吸取溶液后，注射器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氣泡，這時(shí)需要輕彈注射器并將其中的氣體慢慢推出，以免后續(xù)記錄得到的氧氣體積量比實(shí)際過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣體積量大，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（二）同時(shí)進(jìn)行催化

酶催化反應(yīng)并不改變反應(yīng)平衡點(diǎn)，由于酸堿條件下酶的活性降低，在達(dá)到反應(yīng)平衡點(diǎn)前，隨著催化時(shí)間延長(zhǎng)，氧氣產(chǎn)生量會(huì)增加。因此，各組反應(yīng)裝置安裝完畢后，盡可能同時(shí)推動(dòng)或依次快速推動(dòng)含有酶液的注射器，使各組裝置催化反應(yīng)同時(shí)開(kāi)啟或開(kāi)啟時(shí)間誤差較小，以便記錄不同pH條件下相同時(shí)間內(nèi)氧氣產(chǎn)生量。

（三）注射器的選擇

過(guò)氧化氫酶在中性條件下酶活性很高，短時(shí)間內(nèi)即可催化過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生大量氧氣。因此用來(lái)測(cè)量氧氣體積的注射器應(yīng)選用大號(hào)注射器或減少過(guò)氧化氫用量，避免氣體超出注射器最大刻度值或氣體太多攜帶反應(yīng)液沖出注射器。

六、討論與思考

（一）創(chuàng)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn) 定性轉(zhuǎn)為定量

課程標(biāo)準(zhǔn)中提出“加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，建議教師采用低成本、低消耗、低（無(wú)）污染的實(shí)驗(yàn)用具開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并建議要重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)利用醫(yī)用兩通閥和注射器作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)用具，具有便宜易得、不易損壞、可循環(huán)使用的特點(diǎn)，符合低成本、低消耗、低污染的實(shí)驗(yàn)原則；利用醫(yī)用兩通閥和注射器制成的實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象直觀明顯，成功將常規(guī)的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為定量實(shí)驗(yàn)。

（二）遷移其他實(shí)驗(yàn) 擴(kuò)大使用范圍

本實(shí)驗(yàn)裝置不僅適用于“探究pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)，還可用于“探究溫度對(duì)過(guò)氧化氫酶活性影響”的實(shí)驗(yàn)或探究其他因素對(duì)酶活性影響的實(shí)驗(yàn)。此外，此裝置不受空間限制，學(xué)生在課外也可進(jìn)行探究，同時(shí)此裝置不存在地域壁壘，不同發(fā)展水平的地區(qū)教師均可制作，具有很高的推廣性和可行性。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］生物課程教材研發(fā)中心.普通高中教科書(shū)生物學(xué)必修1（分子與細(xì)胞）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［*本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“聚焦核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)教學(xué)研究”（課題編號(hào)：2022YQJK506）研究成果］