“探究影響酶活性的因素”實(shí)驗(yàn)操作過程的再設(shè)計(jì)

倪娟

摘 要 通過設(shè)置溫度梯度和pH梯度以較全面地探究二者對(duì)唾液淀粉酶活性的影響；引入銅離子和氯離子以了解唾液淀粉酶的活化劑和抑制劑。

關(guān)鍵詞 唾液淀粉酶 溫度 pH 活化劑 抑制劑

中圖分類號(hào) Q-331 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 設(shè)計(jì)背景

“探究影響酶活性的因素”實(shí)驗(yàn)是滬科版高中《生命科學(xué)》第四章第一節(jié)“生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)”中的選做實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)引入了控制變量的概念，即改變溫度、pH等條件后觀察酶活性的變化，讓學(xué)生了解基本的實(shí)驗(yàn)思路和方法。作為選做實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生學(xué)有余力或者利用選修課，教師可以開展本實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

教材以淀粉酶溶液和可溶性淀粉為實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)了探究溫度和pH對(duì)淀粉酶活性的影響的實(shí)驗(yàn)（表1）。

教材實(shí)驗(yàn)以1號(hào)試管作為對(duì)照，通過1、2、3號(hào)試管的相互比較探討pH對(duì)淀粉酶活性的影響，通過1、3、4號(hào)試管的相互比較探討溫度對(duì)淀粉酶活性的影響，從而得出“溫度和pH都會(huì)影響酶的活性”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)可以取得較為理想的效果。

但是結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的控制單一變量原則，學(xué)生對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的操作提出了如下幾點(diǎn)質(zhì)疑：① 調(diào)節(jié)pH時(shí)加入的鹽酸中的H+、Cl-會(huì)對(duì)顯色反應(yīng)造成影響嗎？② pH調(diào)節(jié)到相應(yīng)值以后，又在試管中加入了1 mL淀粉酶溶液，酶溶液的加入會(huì)改變反應(yīng)體系的酸堿度嗎？③不同溫度和pH條件下碘液的顯色反應(yīng)會(huì)有差異嗎？

并且實(shí)驗(yàn)只探究了35℃和4℃這兩個(gè)溫度條件，以及pH=4和pH=7這兩個(gè)pH條件，導(dǎo)致很多學(xué)生在完成本實(shí)驗(yàn)后，非常想知道其他溫度和pH條件下酶活性的變化規(guī)律。

針對(duì)學(xué)生在初次實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的諸多疑問，筆者組織學(xué)生進(jìn)行了第二次探究實(shí)驗(yàn)。學(xué)生分組設(shè)計(jì)探究方案并實(shí)施探究操作，教師在實(shí)驗(yàn)前收集探究方案并做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

2 探究實(shí)驗(yàn)的再設(shè)計(jì)

2.1 溫度對(duì)唾液淀粉酶活性影響的探究實(shí)驗(yàn)

材料、儀器和試劑：稀釋的唾液淀粉酶溶液，1%可溶性淀粉溶液，蒸餾水，記號(hào)筆，試管，滴管，水浴鍋，碘液。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟如下：

（1） 取6支潔凈的試管并編號(hào)，各注入1 mL 1%可溶性淀粉溶液；另取6支試管，其中3支分別注入1 mL稀釋的唾液淀粉酶溶液，剩余3支分別注入1 mL蒸餾水。

（2） 將裝有淀粉、淀粉酶溶液和蒸餾水的試管分成3組，分別放入4℃、37℃和95℃的恒溫水浴鍋中，維持各自的溫度5 min。

（3） 分別將各組的淀粉酶溶液或蒸餾水注入到相同溫度下的淀粉溶液中，快速振蕩均勻，維持各自的溫度30 min。

（4） 在6支試管中各滴入5滴碘液，搖勻，觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（表2）。

實(shí)驗(yàn)：結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄見表2。

表2中1、3、5號(hào)試管產(chǎn)生現(xiàn)象差異的原因分析：1號(hào)試管呈藍(lán)色說明存在淀粉，說明4℃條件下酶沒有活性或者活性較低；3號(hào)和5號(hào)試管都不呈藍(lán)色，可能是因?yàn)槊冈?7℃和95℃下都有活性將淀粉完全分解，也有可能是因?yàn)闇囟壬哂绊懙庖号c淀粉的反應(yīng)所致。再結(jié)合2、4、6號(hào)試管中的現(xiàn)象，4號(hào)試管中的藍(lán)色證明了3號(hào)試管中的酶有活性，淀粉的分解導(dǎo)致了藍(lán)色的消失；而6號(hào)試管的不變藍(lán)，說明95℃的高溫肯定影響了碘液與淀粉的顯色反應(yīng)，但是酶活性有無受溫度影響尚且不能確定。此時(shí)，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生自行解決這個(gè)問題，也可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生將5號(hào)和6號(hào)兩支試管冷卻后再加碘液，就能發(fā)現(xiàn)試管中溶液都變藍(lán)色，顯示淀粉的存在，從而進(jìn)一步說明95℃的高溫也影響了酶的活性。至于高溫影響碘液顯色的原因，教師可以結(jié)合碘液顯色反應(yīng)原理進(jìn)行解釋，也可以留給學(xué)生在課后進(jìn)一步探究。

2.2 pH對(duì)唾液淀粉酶活性影響的探究實(shí)驗(yàn)

材料、儀器和試劑：稀釋的唾液淀粉酶溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的可溶性淀粉溶液，蒸餾水，記號(hào)筆，試管，滴管，水浴鍋，碘液，廣泛pH試紙，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的HCl溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1） 取6支潔凈的試管并編號(hào)，各注入1 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的可溶性淀粉溶液；另取6支試管，其中3支分別注入1 mL稀釋的唾液淀粉酶溶液，剩余3支分別注入1 mL蒸餾水。

（2） 將裝有淀粉、淀粉酶溶液和蒸餾水的試管分成3組，第一組試管中滴加3%HCl溶液把溶液pH調(diào)為2，第二組試管中測(cè)得溶液pH為7，第三組試管中滴加5%NaOH溶液把溶液pH調(diào)為12。將12支試管都放入37℃恒溫水浴鍋中，維持5 min。

（3） 分別將各組的淀粉酶溶液或蒸餾水注入到相同pH的淀粉溶液中，快速振蕩均勻，維持各自的溫度30 min。

（4） 在6支試管中各滴入5滴碘液，搖勻，觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（表3）。

結(jié)果分析：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄見表3。

表3中1、3、5號(hào)試管產(chǎn)生現(xiàn)象差異的原因分析：1號(hào)試管呈藍(lán)色說明存在淀粉，說明pH=2條件下酶沒有活性或者活性較低；3號(hào)和5號(hào)試管中都不顯藍(lán)色，可能是酶在pH=7和pH=12下都有活性將淀粉完全分解，也有可能是堿性環(huán)境影響碘與淀粉的反應(yīng)所致。再結(jié)合2、4、6號(hào)試管中的現(xiàn)象，4號(hào)試管中的藍(lán)色證明了3號(hào)試管中的酶有活性，淀粉的分解導(dǎo)致了藍(lán)色的消失；而6號(hào)試管的不變藍(lán)，說明pH=12的堿性條件肯定影響了碘液與淀粉的顯色反應(yīng)，但是酶活性有無受影響尚不能通過現(xiàn)象的比較而得出。

此時(shí)，有兩種解決辦法：

① 將5號(hào)和6號(hào)兩支試管的pH調(diào)至7以后再滴加碘液觀察顏色變化；

② 把碘液換成班氏試劑，檢測(cè)淀粉分解產(chǎn)物還原性糖的生成量。

最終都能檢測(cè)出pH=12的條件下淀粉幾乎沒有分解，從而說明堿性也影響了酶的活性。至于堿性影響碘液顯色的原理，教師可以聯(lián)系碘與NaOH的化學(xué)反應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)要解釋。

3 探究實(shí)驗(yàn)的拓展研究

3.1 酶的激活劑和抑制劑的探究實(shí)驗(yàn)

通過上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于溫度和pH這兩個(gè)影響酶活性的主要因素，學(xué)生有了比較全面的認(rèn)識(shí)。此時(shí)，學(xué)生很可能會(huì)聯(lián)系教材中關(guān)于“輔助因子”和“抑制劑”的描述，想進(jìn)一步知道唾液淀粉酶的輔助因子和抑制劑分別是什么物質(zhì)，教師可以對(duì)這部分同學(xué)介紹以下實(shí)驗(yàn)“探究NaCl和CuSO4對(duì)唾液淀粉酶活性的影響”（表4）。

實(shí)驗(yàn)完成后，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，從而使學(xué)生認(rèn)識(shí)到Cl-和Cu2+對(duì)唾液淀粉酶活性的影響：Cl-能增強(qiáng)唾液淀粉酶的活性，是唾液淀粉酶的輔助因子即激活劑；相反，Cu2+會(huì)抑制唾液淀粉酶的活性，是唾液淀粉酶的抑制劑。

3.2 保溫時(shí)間的研究

因?yàn)榍捌谟忻傅摹案咝浴钡膶W(xué)習(xí)，故學(xué)生認(rèn)為酶和底物混合以后的30 min保溫時(shí)間完全沒有必要。學(xué)生在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上設(shè)置時(shí)間梯度進(jìn)行探究，最后確定了5 min的最短保溫時(shí)間。

3.3 溫度和pH會(huì)影響其他酶的活性嗎

在唾液淀粉酶的有關(guān)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)基本的研究思路和方法，從而可以推廣到對(duì)其他酶的研究中。

4 反思

通過擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)探究的溫度及pH范圍，學(xué)生不僅較全面地認(rèn)識(shí)了不同溫度和pH條件下酶活性的變化規(guī)律，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的控制單一變量原則有了更為深入的體驗(yàn)；激活劑和抑制劑的研究拓寬了學(xué)生的視野；對(duì)保溫時(shí)間的質(zhì)疑和研究，既讓學(xué)生品嘗了成功的喜悅，也為提高實(shí)驗(yàn)課的效率做出了貢獻(xiàn)。酶影響因素的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓筆者深深感到：實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂上，存在很多生成性的問題，教師要積極鼓勵(lì)學(xué)生的質(zhì)疑精神，并善于把學(xué)生的疑問轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)探究課題，才能激發(fā)學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。只有在這樣的課堂上，師生才會(huì)共同提高，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的最高境界。