酶催化特性探究实验的设计与改进

更多免费资料请访问：豆丁教育百科更多免费资料请访问：豆丁教育百科酶催化特性探究实验的设计与改进福建教育学院林少琴实验是一切自然科学研究的基础和起点。探究性实验教学在高中生物教学中占有重要的地位。通过探究实验可以将生物学理论、规律等转化为学生的直观体验，有利于学生加深理解、记忆和掌握；同时，还可以培养学生的观察和思维能力，提高科学探究能力。但是，实验教学受限于两个重要的条件：一方面是实验条件的限制，特别是在农村中学，实验室的设备和管理比较落后；另一方面是实验设计的合理性，合理的实验设计能够使得实验成功且现象明显，进而得出正确的实验结论，达到《普通高中生物课程标准（实验）》中有关“发展科学探究能力”的目标。人教版高中生物必修1模块中有4个探究实验，主要围绕有关生物催化剂—酶的催化特性、证实大部分酶的化学本质是蛋白质的实验探究。但在实施探究实验教学过程中，由于教材编排本身或教师在相关实验条件的设计存在某些瑕疵或不严谨之处，影响了探究实验教学的实效性。对此，本文对高中生物一组有关酶催化特性探究实验教学进行了设计与改进。一、酶催化高效性与专一性的探究实验1．酶催化高效性的探究实验根据教材编排，采用观察试管中过氧化氢酶催化过氧化氢的分解反应，并以三氯化铁溶液催化过氧化氢的分解反应为对照，探究酶催化作用的高效性。正确进行操作，其实验现象较为直接明显；若稍作改进，则整个实验过程操作更从容有序，实验现象更清晰、明显。（1）实验改进使用50ml锥型瓶替代试管，实验材料不变;具体操作如图1所示。:在各盛有10ml3%H2O2溶液的1和2号锥型瓶中分别滴加3.5%FeCl3溶液和黄豆粒大小猪肝(相当于20%肝脏研磨液3滴)后，反应即开始，二者均有大量的气泡产生;为了鉴别其催化反应速率的大小，待反应约0.5—1min后，用点燃的卫生香分别伸入两锥型瓶口内，观察比较卫生香燃烧情况。更多免费资料请访问：豆丁教育百科更多免费资料请访问：豆丁教育百科23%H2O2溶液10ml黄豆粒大小的猪肝↓13%H2O2溶液10ml3.5%FeCl32-3滴↓图1Fe3+与过氧化氢酶催化H2O2分解反应（2）实验改进前后的比较改进前,由于反应在试管内进行，其底物3%H2O2溶液只有3ml，反应所产生的O2量有可能不够多，学生在点燃卫生香检验时，现象观察不明显；实验操作紧张，不够简便有序。改进后采用锥型瓶替代试管，可增加底物3%H2O2溶液的用量至10ml，相对其反应分解产生的O2量增加，且锥型瓶的特点底部大，瓶口较小，反应产生的O2量不会迅速逸出，用点燃卫生香检验的实验操作可从容进行，实验现象清晰明显。2.酶催化专一性的探究实验（1）实验材料稀释50-200倍唾液：预先用蒸馏水漱口三次以清洁口腔，再含一口蒸馏水在口腔停留10s后使其流入量筒，以蒸馏水稀释50-200倍(稀释倍数可根据各人唾液淀粉酶活性调整)混匀备用;0.2%淀粉溶液;20%肝脏研磨液；3%H2O2溶液;碘试剂。（2）实验操作步骤按表1，2进行。表1酶催化专一性的探究实验(一)试剂\管号1230.2%淀粉溶液/ml11120%肝研磨液/滴-2-稀释唾液/ml--1蒸馏水/ml11-碘试剂检验*蓝色蓝色黄色更多免费资料请访问：豆丁教育百科更多免费资料请访问：豆丁教育百科*各管混匀，置37℃恒温水浴5min，再取各管样液于白瓷板上，用碘试剂检验。表2酶催化专一性的探究实验(二)试剂\管号1233%H2O2溶液/ml22220%肝研磨液/滴-2-未稀释唾液/滴--2实验现象无气泡大量气泡无气泡（3）实验结果及讨论本实验结果表明：淀粉酶只能催化淀粉的水解，不能催化过氧化氢的分解;过氧化氢酶则只能催化过氧化氢的分解而不能催化淀粉的水解，由此证实一种酶只能催化一种或一类化学反应，即酶催化作用的专一性；使学生更好领会酶的这种高度的专一性是细胞有条不紊地进行代谢活动的保证。关于酶催化专一性的探究实验，也可采用唾液淀粉酶与蔗糖酶，通过淀粉酶只能催化淀粉的水解，不能催化蔗糖的水解;蔗糖酶只能催化蔗糖的水解，而不能催化淀粉的水解实验观察，达到探究酶催化专一性的实验目的。(蔗糖酶的制备：干酵母20g，置于研钵中，添加适量的蒸馏水及少量细砂，用力研磨，提取约1h，再加蒸馏水100ml，离心，取上清液保存于冰箱备用。)二、pH对酶催化活性影响的探究实验1.实验条件（1）实验用酶及底物溶液人唾液稀释液的制备方法与2.（1）相同；底物为1%淀粉溶液。（2）检验试剂班氏试剂（改良斐林试剂）：先称取1.74g硫酸铜加蒸馏水15ml溶解；另称取柠檬酸钠17.3g和无水碳酸钠10.0g，加入蒸馏水85ml溶解；将两溶液混合均匀即可。（3）pH调节试剂0.1%HCl溶液和0.1%NaOH溶液;2.实验操作步骤按表3操作。更多免费资料请访问：豆丁教育百科更多免费资料请访问：豆丁教育百科表3pH对酶活性影响的探究实验pH3.0-4.07.09.0-10.01%淀粉溶液/ml2220.1%HCl溶液/ml1无无0.1%NaOH溶液/ml无无1蒸馏水/ml无1无唾液淀粉酶/ml111混匀，室温放置3min，每管加入班氏试剂各2ml，沸水浴1min实验现象无砖红色↓大量砖红色↓无砖红色↓3.实验结果与讨论按上述实验设计操作，其实验现象非常明显：在pH=7条件下，唾液淀粉酶与淀粉溶液作用，酶活最大，与班氏试剂作用产生大量砖红色沉淀；而在pH为酸性（3-4）或碱性（9-10）条件下，酶活基本丧失，故不产生砖红色沉淀；由此得出实验结论：不同的pH条件将影响酶的催化活性。唾液淀粉酶的最适pH为7，过酸或过碱条件易使其变性失活。但本探究实验，其实验用酶、检验试剂等的条件设计若不合理，就无法得到正确的实验结果与科学结论。（1）实验用酶本探究实验设计采用唾液淀粉酶，而非教材建议的过氧化氢酶作为实验用酶，是因为若选择过氧化氢酶，则其底物溶液即为过氧化氢，而不同的pH条件会影响过氧化氢溶液自身的稳定性：pH为4时较为稳定，pH≥9时，过氧化氢不稳定易分解而产生气泡（O2↑）。显然，教材p84选择用过氧化氢酶来探究pH对酶活性的影响是不严谨、不可取的。选择唾液淀粉酶来探究pH对酶活性的影响，也许有人会质疑：在不同的pH条件如在酸性条件下，酶失活，底物淀粉溶液也会发生部分水解，从而干扰实验。但通过实验表明：淀粉溶液在常温条件下酸水解作用很弱，且本探究实验设计采用稀酸即0.1%HCl溶液，酶与底物作用时间只有3分钟，酸水解作用的影响可忽略不计，因此，实验结果用班氏试剂检验呈阴性，不干扰反应。（2）检验试剂更多免费资料请访问：豆丁教育百科更多免费资料请访问：豆丁教育百科有关检验淀粉酶活性的检验试剂，最经典、简单的是碘试剂，但本实验却采用改良斐林试剂—班氏试剂来检验，其特点是可以长期保存，避免了斐林试剂不稳定、须临用时配制的缺点。在本实验中不选用碘试剂检验，因为其一，淀粉只有在中性/弱酸性条件遇碘才会变蓝，在强酸性溶液中，反应呈蓝紫色；碱性（pH＞9）条件下碘则不能使淀粉变蓝。其二，碘在碱液中会发生歧化反应：I2+NaOH→NaI+NaIO，影响实验现象的观察。（3）实验操作细节本探究实验要严格按表3设计操作，加样顺序不可颠倒；即不能先加唾液淀粉酶与底物淀粉溶液，再调节体系pH。否则，探究实验过程中将出现实验假象：在pH为酸性（3-4）或碱性（9-10）条件下，酶促反应体系加入班氏试剂，也会观察到砖红色沉淀产生的异常现象，并由此得出在上述酸碱pH条件下，唾液淀粉酶也有催化活性的错误结论。三、温度条件对酶催化活性影响的探究实验本实验探究不同温度冰水浴（4℃）、37℃和沸水浴（100℃）对酶催化活性的影响。1．实验材料实验用酶及底物仍选择唾液淀粉酶-淀粉溶液；检验试剂：班氏试剂或碘试剂；2.实验操作步骤按表4操作。表4温度对酶活性影响的探究实验管号11'22'33'0.2%淀粉/ml2/2/2/稀释唾液（50-100倍）/ml/1/1/1温度条件*37℃水浴冰水浴4℃沸水浴100℃班氏试剂2ml沸水浴2min碘试剂检验酶活性砖红色↓黄色高砖红色↓少蓝色低无砖红色↓深蓝色无更多免费资料请访问：豆丁教育百科更多免费资料请访问：豆丁教育百科*1、2、3试管中的底物溶液与1'、2'、3'试管的酶溶液分别在各设定37℃水浴、冰水浴（约4℃）及沸水浴（约100℃）温度条件下保温5min后，将1+1'、2+2'、3+3'底物与酶溶液混匀后，继续在各设定温度下严格保温3min。（2号管内液体分为两半待用。）3.实验结果与讨论由实验结果可知：温度条件可影响酶的催化活性。不同种或不同来源的酶，其最适温度不同；唾液淀粉酶的最适温度为体温37℃。高温可使酶变性失活，低温则抑制其催化活性，但不能使酶变性。（若将2号管冰浴后剩余一半溶液重新放入37℃水浴保温5min，酶的活性可恢复正常。）在本探究实验中，为使实验现象明显、实验结果和结论正确，在实验设计和操作过程中同样也涉及实验材料、检验试剂的选择、具体的操作细节问题。（1）实验材料的选择本实验用酶及底物仍选择唾液淀粉酶—淀粉溶液，而不选择来源同样易得的过氧化氢酶—过氧化氢或α-淀粉酶，是因为过氧化氢对热不稳定，遇高温如90℃即加速分解；α-淀粉酶则是由于其价格较高和农村中学购买不方便问题；选择采用唾液淀粉酶，是因为唾液来自人体随时可取，制备容易，学生通过亲历观察来自人体的淀粉酶，更能直接体验作为生物催化剂的酶的基本特性。检验试剂则选择班氏试剂；若用碘试剂检验，则必须在白瓷板中进行，且沸水浴高温的反应体系不能直接用碘试剂检验，而需放置冷却至室温后才可取样检验；若直接在试管中检验，无法清晰地辨别颜色的变化。（2）实验操作的要点实验中各组淀粉和淀粉酶溶液首先应该分装于两支试管中，置于各设定温度的水浴中保温约5min，而后将两管溶液混匀，再继续保温3min。若将淀粉和淀粉酶溶液直接混合后，再置于设定温度水浴中保温，实验结果误差较大，可能导致不同的实验结论。以高温沸水浴组实验为例：若将淀粉与唾液直接混合后再置于沸水浴中，则在逐渐升温的过程（从低温→最适温度→高温）中，唾液淀粉酶在温度升高到酶失活的高温前，其酶促反应就已发生：淀粉被分解成还原糖，故加入班氏试剂检验，即会产生砖红色沉淀，由此实验假象而得到违背实验原理的结论。更多免费资料请访问：豆丁教育百科更多免费资料请访问：豆丁教育百科（3）实验异常现象的解析本实验结果用班氏试剂检验时，反应需在沸水浴中进行，2号管（冰浴）从理论上分析，在冰浴低温条件下酶的活性受到抑制，试管中不应产生砖红色沉淀，但在加入班氏试剂的沸水浴加热过程中，由于逐渐升温，酶活性可能部分恢复而导致最后会出现少量砖红色沉淀。表面上看这是异常现象，但分析解释清楚，也就属正常现象。由此可引导学生得出结论，酶在低温条件下其活性暂时性被抑制，不是变性导致永久性失活；升温后酶的活性又可恢复。在探究实验过程中，能够通过发现实验异常现象，并应用相关理论知识分析解释之，也是一种训练和收获。许多学校尤其是农村中学，由于条件限制，不能有效开展学生探究实验教学，只能以讲实验、背实验取而代之，这种现状必须改变。本文通过对有关生物催化剂—酶特性的探究实验进行设计和改进，使实验设计更严谨、科学；实验材料更经济易得；实验操作更简化便利和实验现象更直观明显；不断完善探究实验教学环节。引导学生主动参与探究过程，通过动手、动脑，培养创新精神、发展科学探究能力，提高生物科学素养。