利用自制简易装置定量探究过氧化氢酶活性

邓晓锋 王楠楠 夏季

摘 要：许多对“探究pH对过氧化氢酶活性的影响”这一实验的定量设计方案较为复杂且难以达到可视化的定量效果。利用医用两通阀、注射器制作的简易实验装置可检测到一定时间内过氧化氢所产生的氧气量，从而达到操作简便、形象直观、可定量的实验效果。

关键词：酶活性；医用两通阀；定量；自制教具；科学探究

生物学是一门实验性基础学科，《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出“实验教学是促成学生达成生物学学科核心素养的重要支撑”。探究环境因素（如pH或温度）对酶活性影响是教材中的重点实验教学内容。开展该实验有助于帮助学生达成次位概念“说明绝大多数酶是一类能催化生化反应的蛋白质，酶活性受到环境因素（如pH和温度等）的影响”，进而理解相应的重要概念和核心概念，最终促进学生生物学学科核心素养的提升。新教材必修一“分子与细胞”中建议采用过氧化氢酶和过氧化氢探究pH对酶活性的影响，进而自行设计实验方案并根据方案开展实验。普遍的实验设计属定性实验，即将过氧化氢酶置于具备不同pH值的溶液中再加入过氧化氢进而肉眼观察气泡产生的多少。一些实验设计通过改进实验装置将定性实验转为定量实验，但存在装置操作复杂、氧气不易收集的问题。笔者利用医用两通阀、注射器制作而成的简易实验装置，不仅操作简便，而且气密闭性良好，可快速收集到过氧化氢酶催化过氧化氢分解所产生的氧气量，从而达到操作简便、形象直观、可定量的实验效果。

一、实验教学目标

通过过氧化氢酶在不同pH条件下催化过氧化氢分解这一实验，让学生说明pH对过氧化氢酶活性的影响从而理解酶的特性之一——酶的作用条件温和，需要在适宜的pH条件下发挥作用；通过实验探究学习控制变量法，思考如何定量检测因变量，并且遵循对照原则。

二、主要材料用具

新鲜的质量分数为20%的肝脏研磨液、体积分数为3%的过氧化氢（H2O2）溶液、蒸馏水、物质的量为0.02mol/L的NaOH溶液、物质的量为0.1mol/L的HCl溶液、10mL注射器（3个）、20mL注射器（3个）、医用两通阀（3个）等。

（一）医用两通阀特点

医用两通阀气密性十分好且两端可连接两个去掉针头的注射器从而使两个注射器中的液体互通。（如图1所示）

（二）注射器特点

注射器的活塞与注射管体之间的密闭性良好，為定量实验做铺垫；注射器具备可视化的刻度，便于对收集到的气体进行量化，是实现定量实验的直接实验基础。（如图2所示）

三、主要实验步骤

（一）制备酶液

取3个小烧杯并编号1（水＋酶液）、2（NaOH＋酶液）、3（HCl＋酶液），用量筒分别量取10mL的蒸馏水、0.02mol/L的NaOH溶液、0.02mol/L的HCl溶液放入3个小烧杯中，分别用滴管吸取1mL 20%的肝脏研磨液加入以上3个小烧杯中混合，轻轻振荡摇匀后使酶处在相应的pH条件下静置5分钟。

（二）取反应液

用3个10mL的注射器分别从以上3个小烧杯中吸取1mL不同pH条件下的肝脏研磨液，轻轻地排出注射器中的空气，做好标记放置待用。用3个20mL的注射器分别从盛有H2O2溶液的烧杯中吸取1mL H2O2溶液，轻轻地排出注射器中的空气，放置待用。

（三）催化反应

用3个医用两通阀将以上3个10mL的注射器与3个20mL的注射器分别连接起来（如图3）。将10mL注射器中的混合液分别全部推入与之相连接的20mL的注射器中，立即计时，记录3min后三组20mL注射器的终末刻度并计算中性条件下、酸性条件下、碱性条件下酶催化H2O2分解生成氧气的体积。

四、实验结果与分析

将3种条件下生成的氧气体积进行对比，发现一定时间内中性条件下的过氧化氢酶催化过氧化氢分解产生的氧气体积最多，碱性条件下和酸性条件下的过氧化氢酶催化过氧化氢分解产生的氧气体积均极少。

综上得出结论：中性条件下肝脏研磨液中过氧化氢酶的活性最高，酸性条件或碱性条件下肝脏研磨液中过氧化氢酶的活性大大降低甚至失活。

五、装置使用说明

（一）注意排气

用注射器吸取溶液后，注射器内会产生气泡，这时需要轻弹注射器并将其中的气体慢慢推出，以免后续记录得到的氧气体积量比实际过氧化氢分解产生的氧气体积量大，进而影响实验结果。

（二）同时进行催化

酶催化反应并不改变反应平衡点，由于酸碱条件下酶的活性降低，在达到反应平衡点前，随着催化时间延长，氧气产生量会增加。因此，各组反应装置安装完毕后，尽可能同时推动或依次快速推动含有酶液的注射器，使各组装置催化反应同时开启或开启时间误差较小，以便记录不同pH条件下相同时间内氧气产生量。

（三）注射器的选择

过氧化氢酶在中性条件下酶活性很高，短时间内即可催化过氧化氢分解产生大量氧气。因此用来测量氧气体积的注射器应选用大号注射器或减少过氧化氢用量，避免气体超出注射器最大刻度值或气体太多携带反应液冲出注射器。

六、讨论与思考

（一）创新改进实验 定性转为定量

课程标准中提出“加强和完善生物学实验教学”，建议教师采用低成本、低消耗、低（无）污染的实验用具开展实验教学，并建议要重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。本实验利用医用两通阀和注射器作为实验教学用具，具有便宜易得、不易损坏、可循环使用的特点，符合低成本、低消耗、低污染的实验原则；利用医用两通阀和注射器制成的实验装置操作简便、现象直观明显，成功将常规的定性实验转为定量实验。

（二）迁移其他实验 扩大使用范围

本实验装置不仅适用于“探究pH对过氧化氢酶活性影响”的实验，还可用于“探究温度对过氧化氢酶活性影响”的实验或探究其他因素对酶活性影响的实验。此外，此装置不受空间限制，学生在课外也可进行探究，同时此装置不存在地域壁垒，不同发展水平的地区教师均可制作，具有很高的推广性和可行性。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］生物课程教材研发中心.普通高中教科书生物学必修1（分子与细胞）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［*本文系广东省教育科学规划课题“聚焦核心素养的高中生物学教学研究”（课题编号：2022YQJK506）研究成果］