２０１１．１１ 酶催化特性探究实验的设计与改进 ◎福建教育学院 林少琴 寿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ｌ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，文章对高中生物一 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１０ｍ１３％ＨｚＯ，溶液的１和２号锥型瓶中分别滴加 ３．５％ＦｅＣ１ 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 ２０ 反应速率的大小，待反应约０．５一ｌｍｉｎ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。 （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％Ｈ ０ 溶液只有 ３ｍｌ，反应所产生的０ 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％ＨｚＯ，溶液的用量至１０ｍｌ，相对其 反应分解产生的０，量增加，且锥型瓶的特点底部大，瓶口较小，反 应产生的０ 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％Ｈ２０：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 １ ２ ３ Ｏ．２％淀粉溶液，ｍｌ １ １ １ ２０％肝研磨液，滴 ２ 稀释唾液，ｍｌ １ 蒸馏桕ｍｌ １ １ 碘试剂检验 蓝色 蓝色 黄色 各管混匀，置３７￣Ｃ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 １ ２ ３ ３％Ｈ２Ｏ２溶液／ｍｌ ２ ２ ２ ２０％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 （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ＤＨ条件会影响过氧化氢溶液自身的稳 定性：ＤＨ为４时较为稳定，ｐＨ≥９时，过氧化氢不稳定易分解而 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。 产生气泡（０ Ｔ）。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。 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 选择唾液淀粉酶来探究ＤＨ对酶活性的影响，也许有人会质 疑，在不同的ＤＨ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 ２Ｏｇ，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ｌｈ，再加蒸馏水１００ｍｌ，离心，取上清液保存于冰箱备用。） 二、ｐＩ－Ｉ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％ＨＣＩ溶液和０．１％ＮａＯＨ溶液。 ２．实验操作步骤 按表３操作。 表３ ｐＨ对酶活性影响的探究实验 ｐＨ ３．０—４．０ ７．Ｏ ９．０一ｌ０．０ １％淀粉溶 瘦，ｍｌ ２ ２ ２ ０．Ｉ％ＨＣ１溶液／ｍｌ １ 无 无 ０．１％ＮａＯＨ溶｝ １ 无 无 ｌ 蒸馏水／ｍｌ 无 ｌ 无 唾液淀粉酶／ｍｌ １ １ １ 混匀，室温放置３ｍｉｎ，每管加入班氏试剂各２ｍｌ，沸水浴ｌｍｉｎ 实验现象 无砖 大量砖 无砖 红色Ｉ 红色４ 红色Ｉ 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ＤＨ＝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。 件下酸水解作用很弱，且本探究实验设计采用稀酸即０．Ｉ％ＨＣ１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 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（ＤＨ＞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＋ＮａｌＯ，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ＤＨ。否则，探 究实验过程中将出现实验假象：在ＤＨ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ＤＨ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一淀粉溶液；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 １ １’ ２ ２’ ３ ３’ ０．２％淀粉／ｍｌ ２ ／ ２ ， ２ ， 稀释唾液（５０—１００倍）／ｍｌ ， １ ／ １ ， ｌ 温度条件 ３７℃水浴 冰水浴４℃ 沸水浴１００℃ 班氏试剂２ｍｌ沸水浴 砖红色ｌ 砖红色Ｉ少 无砖红色Ｉ ２ｍｉｎ碘试剂检验 黄色 蓝色 深蓝色 酶活性 高 低 无 ｌ、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。Ｃ）及沸水浴（约ｌｏｏ℃）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 １２ｉ） ２０１１．１１ 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 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。 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。） 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（从低温一最适温度一高 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。 （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 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与淀粉溶液，而不选 择来源同样易得的过氧化氢酶——过氧化氢或Ｏｔ一淀粉酶，是因 为过氧化氢对热不稳定，遇高温如９０℃即加速分解；Ｏｔ一淀粉酶 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 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。 （责任编辑：陈欣） （上接第９８页）总电解池反应方程式由阴、阳两极电极反应相 加而得。如用惰性电极电解硫酸铜溶液，溶液中有ＣＬＩ２＋、ｓｏ２～、 Ｈ＋、ＯＨ一等离子，在阴极是铜离子先放电，电极反应为２Ｃｕ２＋＋ Ｃ．Ｋ闭合时，Ⅱ中ｓｏ２一向ｃ电极迁移 Ｄ．Ｋ闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，ｄ电极为正极 该题考查的是学生对电解池、原电池等电化学知识的综合 ４ｅ－一２ｃｕ，在阳极是ＯＨ一先放电，电极反应为４０Ｈ—＋２Ｈ ＋０ Ｔ ＋４ｅ一，阳极放电的ＯＨ一是由水电离而得到的，写总电解池反应方 应用，要求学生要有较高的综合能力，按上述四个层次分析能快 速的解决问题。首先，分析是什么池，该图中无外接电源，一定 程式时将阴极、阳极和水的电离三个式子相加即得：２Ｃｕ２＋＋２Ｈ２０ 电解２Ｃｕ＋４Ｈ＋＋Ｏ，Ｔ，在电解质溶液中阳离子移向阴极（得电子 一有一个原电池，从题给铅蓄电池的工作原理不难得出当闭合Ｋ 时，Ｉ为原电池，则Ⅱ为电解池。第二，判断电极，ａ极ＰｂＯ 得电 子为正极，ｂ极Ｐｂ失电子为负极，则ｃ与电池负极相连，ｃ为阴 极，ｄ与电池正极相连，ｄ为阳极。第三，写电极反应，ａ极：ＰｂＯ，＋ ４Ｈ＋＋ＳＯ２一＋２ｅ一＝ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２０，ｂ极：Ｐｂ＋Ｓ０４２—２ｅ一＝ＰｂＳＯ４，ｃ极： ＰｂＳＯ４＋２ｅ一＝Ｐｂ＋ＳＯ？一，ｄ极：ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２０—２ｅ一＝ＰｂＯ２＋４Ｈ ＋ＳＯ，２一。第 极），阴离子移向阳极（失电子一极），电解后溶液呈酸性。若 用纯铜（或粗铜）作阳极电解硫酸铜溶液，则阳极首先是铜（还有 其他更活动金属）失电子，该电解池为电镀（或电解精炼铜）。 第四，相关计算。有关电化学的计算主要根据的原理是电子 守恒，即在一个串联的电路中，不论是正、负极还是阴、阳极通过 电子的物质的量是相同的。掌握电子守恒这一核心，加上有关物 质的量的基本计算、根据化学方程式计算和溶液中的计算，就能 四，由铅蓄电池的工作原理可知转移２ｍ０ｌ电子时参加反应的硫 酸为２ｍｏｌ，则当电路中转移０．２ｔｏｏｌ电子时，Ｉ中消耗的Ｈ：ＳＯ 为 ０．２ｍｏｌ。不论是电解池还是原电池阴离子ｓｏ２一都向失电子的一 很好地完成相关电化学的计算。 以２０１０年高考福建理综第１１小题为例。铅蓄电池的工作 原理为：Ｐｂ＋ＰｂＯ ＋２ＨｚＳ０４ 不正确的是（ ）。 极移动，即Ｉ中移向ｂ极，Ⅱ中移向ｄ极。Ｋ闭合一段时间后Ⅱ 的组成与Ｋ闭合前的Ｉ相同，且电极材料ｄ与ａ相同，ｃ与ｂ相 ２ＰｂＳＯ ＋２Ｈ２０，研读下图，下列判断 同。本题答案：ｃ。 按这四个层次复习电化学知识能化繁为简，帮助学生在格 式塔视野下系统、完整、简约的构建电化学原理知识体系，掌握 解决电化学问题的核心方法，提高学生分析问题、解决问题的综 合能力。 Ａ．Ｋ闭合时，ｄ电极反应式： ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２０—２ｅ一＝ＰｂＯ２＋４Ｈ ＋ ８０４２～ Ｂ．当电路中转移０．２ｍｏｌ电子 时，Ｉ中消耗的Ｈ２ＳＯ 为Ｏ．２ｍｏｌ （责任编辑：张贤金） １２２ （