酶活力測定實驗的分析與思考

彭二雄

2016年高考生物新課標乙卷選擇題第三題在生物教學論壇和QQ群中引發(fā)了生物教師的熱烈討論。許多教師對題干中“除酶外所有試劑已預保溫”的表述表示不解，也有部分教師對各選項中的操作順序表示質疑，甚至有個別教師直言題干信息不明確需要修改才會更規(guī)范。在參與討論的過程中，筆者對該題進行了分析與思考。

考題再現(xiàn)：若除酶外所有試劑已預保溫，則在測定酶活力的實驗中，下列操作順序合理的是（ ）

A. 加入酶→加入底物→加入緩沖液→保溫并計時→一段時間后檢測產物的量

B. 加入底物→加入酶→計時→加入緩沖液→保溫→一段時間后檢測產物的量

C. 加入緩沖液→加入底物→加入酶→保溫并計時→一段時間后檢測產物的量

D. 加入底物→計時→加入酶→加入緩沖液→保溫→一段時間后檢測產物的量

參考答案：C。

1 明確題目要求，確定實驗目的

本題是一道考查酶活力測定的題目，要求選擇出實驗的合理操作順序，該實驗目的是測定酶活力。許多教師受教材中實驗影響，往往會自主地將實驗轉化成“溫度對酶活力的影響”或“pH對酶活力的影響”。這種定勢轉化是導致許多教師錯誤分析題干信息的重要原因。

酶活力也稱酶活性，是指酶催化某一化學反應的能力。酶活力的大小常用酶在一定條件下所催化的某一化學反應的反應速率表示，即單位時間內底物（或反應物）的消耗量，或單位時間內產物（或生成物）的生成量。由于底物濃度可以影響酶促反應速率，且實驗中底物往往是過量的，而底物減少量占比太小則難以準確測定，因此在實際酶活力測定時一般以產物的增加量為準。酶促反應速率很快，一旦底物與酶混合，反應就會快速發(fā)生，所以計時必須從酶與底物接觸的那一刻開始，由此可以排除A、D選項。

2 實驗操作中的問題探討

根據(jù)酶促反應動力學原理，酶促反應速率易受底物濃度、抑制劑、激活劑、溫度和pH等多種因素的影響。酶活力測定必須控制在一定的條件下進行，而且必須保證實際的實驗過程中相關條件的相對穩(wěn)定。因此，如何保證適宜而穩(wěn)定的溫度和pH條件以最大化地降低誤差，是實驗操作最核心的要求。

2.1 在反應前控制溫度和pH

不同條件下的酶促反應速率不同，對酶活力的測定一般是在酶的最適條件下進行的。因此，為了排除溫度、pH等無關變量的干擾，反應之前必須控制實驗條件盡可能達到酶的最適溫度和最適pH的適宜環(huán)境，以保障酶促反應的正常進行，保證酶活力測定的準確、有效。由此該題中對試劑預保溫的處理——提前對除酶外的所有試劑預保溫是為了控制溫度這一無關變量，以盡量排除溫度變化對酶促反應速率的影響。同樣也需提前控制pH，所以得在底物和酶混合之前添加緩沖液。由此可再排除B選項，答案便只能是C選項。

2.2 不提前對酶進行預保溫的原因

生物實驗強調“單一變量原則”和“等量原則”，因此許多教師認定為了避免溫度等無關變量對實驗的干擾，必須要在反應前對酶和底物進行相同的處理。因此，雖然之前的分析已經(jīng)能夠選擇出正確答案，但大多數(shù)教師仍存疑慮：為什么不在反應前將酶和所有試劑一起保溫呢？

理論上，對酶和其他試劑同時進行相同的溫度和pH控制是完全合理的。但以下問題也是需要考慮的：對酶提前預保溫，溫度對酶活性會有影響嗎？預保溫后的“酶”和需要測定酶活力的“酶”的活性還是一樣的嗎？因此，為了保證被測定的酶活力是未受干擾的，在反應之前不對酶進行包括預保溫在內的任何處理是更有必要的。從操作層面講，加入少量的酶對反應體系的溫度影響不大，而同步的保溫操作可以將加酶對溫度的影響降到最低。

2.3 加酶后繼續(xù)保溫的原因

實驗條件不僅需適宜還必須穩(wěn)定。雖然已提前進行了預保溫，但是加酶的操作以及反應時間的延長都會引發(fā)溫度的變化，反應發(fā)生（與加酶同時發(fā)生）后的保溫措施可以有效防止這種溫度波動。緩沖液能夠很好地長時間維持pH的相對恒定，因此無需反復添加。

3 實驗操作順序的確定

綜合以上分析，合理的操作順序應該是：對除酶外的所有試劑預保溫（創(chuàng)設適宜條件，控制無關變量）→加緩沖液（創(chuàng)設適宜條件，控制無關變量）→加底物→加酶（反應發(fā)生）→保溫（防止溫度波動的干擾），并計時（與反應開始同步）→檢測產物的量。

4 對該題的進一步思考

從該實驗可以看出，生物學有著極其嚴密和復雜的邏輯系統(tǒng)的。只是這種邏輯體系缺乏數(shù)學或物理學的精準專業(yè)術語和符號，生物學邏輯往往是系統(tǒng)性和非線性（甚至是具有一定概率性）的。

不像一般化學反應中反應速率與反應物濃度成正比，酶促反應速率往往受到底物的反饋抑制而呈現(xiàn)明顯的非線性關系（如圖1所示），這也是常用酶促反應初速率（V0）來代表酶活力的原因。溫度對酶促反應速率的影響既有適度升高溫度增強反應底物動能來提高反應速率的直接影響，也有通過溫度改變酶活力對反應速率的間接影響。正是這種復雜的非線性關系，酶活力測定實驗一方面要模擬機體溫和的酶促反應條件（適宜的溫度和pH），另一方面又要避免真實機體內隨時發(fā)生的環(huán)境微變化對酶活力的調節(jié)作用（相對穩(wěn)定的溫度和pH），所以該題目C選項所表述的操作順序或許不是最科學、最經(jīng)濟的測定方法，卻是最符合實際、最真實有效的測定途徑。

參考文獻：

[1] 王鏡巖等主編.生物化學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2002.9：335，336.

[2] （美）黑姆斯等著.王學敏，焦炳華譯.精要速覽系列：生物化學[M].北京：科學出版社，2010.8：72，73，73.