“探究pH对酶活性影响”实验的几点改进

杨忞

“探究影响酶活性的因素”是人教版高中生物必修一第五章第1节第二课时的内容。通过开展此项实验，有利于学生达成对概念“酶活性受到环境因素（如pH和温度等）的影响”的理解，促进学生科学探究素养的提升。“探究pH对酶活性影响”的定量实验，既有利于学生在探究过程中学习和运用控制变量，设置对照实验的方法，也有利于训练学生构建模型的科学思维。但该实验操作较复杂，影响实验结果的因素较多。为使全班学生能当堂完成实验，得到理想的实验结果;运用事实构建概念的方法，阐述酶活性随pH变化的规律，对“探究pH对酶活性影响”的定量实验进行了一些改进。

一、实验方案的改进

在定量实验中，学生需要测量每组实验中的实验数据。但中学的实验检测条件有限，学生实验操作能力有限。这就需要教师优化实验方案，提高各组实验间现象的差异性，进而提高学生实验的成功率，得到有利于学生知识构建的实验结果。

1.溶液添加顺序

在强红艳^[1]提供的实验方案中，先向反应装置中加入一定体积的H₂O₂溶液、不同pH缓冲液，再加入一定体积的过氧化氢酶溶液，混匀，观察实验现象。预实验结果显示，如果按上述顺序加入溶液，在 pH=5～9条件下的氧气产生速率差异不明显。推测这与不同pH条件下H₂O₂溶液自身分解率、底物浓度和过氧化氢酶酸碱耐受性有关。

H₂O₂溶液呈弱酸性，在酸性条件下不容易发生分解，在碱性条件下不稳定。H₂O₂溶液在不同pH条件下分解率不同^[2]。向H₂O₂溶液中加入大量不同pH缓冲液会影响过氧化氢自身的分解率，也会降低底物浓度。底物浓度越低，氧气的产生速率越小，短时间内观察到的实验现象差异越不明显。此外，文献中显示过氧化氢酶的酸碱耐受性好。

因此，将实验方案改进为先用不同pH的溶液处理过氧化氢酶，再依次将2mL的3%H₂O₂溶液、0.5mL用不同pH溶液处理后的过氧化氢酶溶液加入反应装置。这既可减少H₂O₂溶液中pH的改变程度，尽量避免对其自身分解率产生影响，又可增加不同pH条件下过氧化氢酶活性的差异性，提高学生完成定量实验的成功率。

2.pH梯度设定

王江源^[6]推荐选择pH=5、pH=6、pH=7、pH=8、pH=9几个pH梯度进行实验。预实验结果显示，选用上述几个pH梯度进行实验，各组实验氧气产生速率差异不明显。在pH=9时氧气产生速率最高。推测这与H₂O₂溶液在碱性条件下不稳定，且pH=9时过氧化氢酶活性仍较高有关。

刘中兴等在pH3.1～13.2范围内研究pH对H₂O₂溶液分解率的影响。实验结果显示，随pH的增加，H₂O₂溶液分解率逐渐增加。pH为9左右时，H₂O₂溶液分解率达到最大，比pH为7时的分解率增加23.3%。此后随pH的进一步增加，H₂O₂溶液分解率下降。pH为13.2时的分解率比pH为9时降低了24.8%。相关文献显示，过氧化氢酶在pH5～9范围内活性均较高。

因此，为提高学生完成定量实验的成功率，有利于学生的知识构建，直观展示过酸或过碱对酶活性的影响，实验增大了pH梯度间的间隔，并减少了碱性pH梯度的设置。最终设定pH=2、pH=3、pH=7、pH=10四个pH梯度开展实验。

3.过氧化氢酶溶液处理方法的改进

因实验所用pH梯度跨度大，难以在同一缓冲体系中实现不同pH缓冲液的配制。所以通过不断摸索实验条件，采用将过氧化氢酶溶液与预先配制的不同pH梯度的HCl和NaOH溶液等体积混合的方式，将过氧化氢酶溶液的pH分别调节至2、3、7、10。

二、实验装置的改进

过氧化氫在过氧化氢酶的催化下，会分解产生水和氧气。实验可以用单位时间内氧气的产生量表示过氧化氢酶的活性。定量实验对学生实验操作能力要求很高。因此实验装置设计是否合理、装置操作难度是否符合大多数高中学生的实际动手能力，是决定学生实验成功与否的关键因素之一。

1.采用排水集气法收集氧气

2019年人教版《教师教学用书 必修一》中介绍的实验装置采用推动活塞法收集氧气。2019年北师大版《分子与细胞》教材中介绍的实验装置采用排水集气法收集氧气。推动活塞法收集氧气操作简便，但推动活塞时存在阻力，氧气产生量越小实验误差越大。排水集气法操作相对复杂，但实验结果准确。于是本实验采用排水集气法收集氧气。

2.实验装置的设计与改进

北师大版教材中介绍的装置多为玻璃器皿，实验装置笨重且制作工艺复杂。实验装置通过含酶的滤纸片加入过氧化氢酶，操作难度很高，极易出现酶片提前掉落的现象，而且无法准确控制加入的酶量。将反应装置放在水浴环境下完成反应，学生在操作时很容易将水槽中的水溢到实验台上，造成桌面积水，影响课堂教学效果。利用倒扣在水槽中的量筒收集并测量氧气，量筒口不平，立不稳。预实验发现，利用教材中介绍的装置进行实验，学生实验成功率很低。

于是教师与学生一起设计了多种实验装置，并检测每种装置的使用效果，最终将实验装置改进如下。

3.改进后的实验装置具有的优点

改进后的实验装置操作简便、成本低廉、方便学生亲手制作、实验成功率高。

三、实验材料和方法

1.实验材料

3%H₂O₂溶液、不同pH值的HCl和NaOH溶液、过氧化氢酶制剂、自制的反应装置、20mL注射器（集气装置）、水槽、计时器

2.实验方法

四、实验结果与分析

收集6个小组的实验数据，分别计算pH为2、3、7、10时氧气产生速率的平均值，绘制成曲线。

实验结果显示，过氧化氢酶在pH=7时活性最高。pH高于或低于7时酶活性降低。pH过高或过低，酶活性完全丧失。

五、实验改进效果评价

通过改进实验方案，不同pH组间实验现象差异明显;通过改进实验装置，有效降低实验操作难度。最终，学生实验的成功率大幅提高，班级中每个小组的学生都得到了理想的实验结果。学生亲自参与实验装置的设计与改进，利用身边简单易得的材料，亲手制作装置。学生学习热情充分调动，创新性思维灵感得到展现。在定量实验中，学生通过分析量的变化，绘制曲线模型，得出酶活性受pH影响的规律。在上述过程中，学生收获了成功的喜悦，科学思维和科学探究素养得到了发展。