“探究影响酶活性的因素”实验操作过程的再设计

倪娟

摘 要 通过设置温度梯度和pH梯度以较全面地探究二者对唾液淀粉酶活性的影响；引入铜离子和氯离子以了解唾液淀粉酶的活化剂和抑制剂。

关键词 唾液淀粉酶 温度 pH 活化剂 抑制剂

中图分类号 Q-331 文献标志码 B

1 设计背景

“探究影响酶活性的因素”实验是沪科版高中《生命科学》第四章第一节“生物体内的化学反应”中的选做实验。该实验引入了控制变量的概念，即改变温度、pH等条件后观察酶活性的变化，让学生了解基本的实验思路和方法。作为选做实验，如果学生学有余力或者利用选修课，教师可以开展本实验，以进一步培养和提高学生的科学探究能力。

教材以淀粉酶溶液和可溶性淀粉为实验材料，设计了探究温度和pH对淀粉酶活性的影响的实验（表1）。

教材实验以1号试管作为对照，通过1、2、3号试管的相互比较探讨pH对淀粉酶活性的影响，通过1、3、4号试管的相互比较探讨温度对淀粉酶活性的影响，从而得出“温度和pH都会影响酶的活性”的实验结论，实验可以取得较为理想的效果。

但是结合实验设计应遵循的控制单一变量原则，学生对于本实验的操作提出了如下几点质疑：① 调节pH时加入的盐酸中的H+、Cl-会对显色反应造成影响吗？② pH调节到相应值以后，又在试管中加入了1 mL淀粉酶溶液，酶溶液的加入会改变反应体系的酸碱度吗？③不同温度和pH条件下碘液的显色反应会有差异吗？

并且实验只探究了35℃和4℃这两个温度条件，以及pH=4和pH=7这两个pH条件，导致很多学生在完成本实验后，非常想知道其他温度和pH条件下酶活性的变化规律。

针对学生在初次实验中产生的诸多疑问，笔者组织学生进行了第二次探究实验。学生分组设计探究方案并实施探究操作，教师在实验前收集探究方案并做好实验准备。

2 探究实验的再设计

2.1 温度对唾液淀粉酶活性影响的探究实验

材料、仪器和试剂：稀释的唾液淀粉酶溶液，1%可溶性淀粉溶液，蒸馏水，记号笔，试管，滴管，水浴锅，碘液。

实验设计步骤如下：

（1） 取6支洁净的试管并编号，各注入1 mL 1%可溶性淀粉溶液；另取6支试管，其中3支分别注入1 mL稀释的唾液淀粉酶溶液，剩余3支分别注入1 mL蒸馏水。

（2） 将装有淀粉、淀粉酶溶液和蒸馏水的试管分成3组，分别放入4℃、37℃和95℃的恒温水浴锅中，维持各自的温度5 min。

（3） 分别将各组的淀粉酶溶液或蒸馏水注入到相同温度下的淀粉溶液中，快速振荡均匀，维持各自的温度30 min。

（4） 在6支试管中各滴入5滴碘液，摇匀，观察记录实验现象（表2）。

实验：结果分析

实验结果记录见表2。

表2中1、3、5号试管产生现象差异的原因分析：1号试管呈蓝色说明存在淀粉，说明4℃条件下酶没有活性或者活性较低；3号和5号试管都不呈蓝色，可能是因为酶在37℃和95℃下都有活性将淀粉完全分解，也有可能是因为温度升高影响碘液与淀粉的反应所致。再结合2、4、6号试管中的现象，4号试管中的蓝色证明了3号试管中的酶有活性，淀粉的分解导致了蓝色的消失；而6号试管的不变蓝，说明95℃的高温肯定影响了碘液与淀粉的显色反应，但是酶活性有无受温度影响尚且不能确定。此时，教师可以鼓励学生自行解决这个问题，也可以适当引导学生将5号和6号两支试管冷却后再加碘液，就能发现试管中溶液都变蓝色，显示淀粉的存在，从而进一步说明95℃的高温也影响了酶的活性。至于高温影响碘液显色的原因，教师可以结合碘液显色反应原理进行解释，也可以留给学生在课后进一步探究。

2.2 pH对唾液淀粉酶活性影响的探究实验

材料、仪器和试剂：稀释的唾液淀粉酶溶液，质量分数为1%的可溶性淀粉溶液，蒸馏水，记号笔，试管，滴管，水浴锅，碘液，广泛pH试纸，质量分数为3%的HCl溶液，质量分数为5%的NaOH溶液。

实验步骤如下：

（1） 取6支洁净的试管并编号，各注入1 mL 质量分数为1%的可溶性淀粉溶液；另取6支试管，其中3支分别注入1 mL稀释的唾液淀粉酶溶液，剩余3支分别注入1 mL蒸馏水。

（2） 将装有淀粉、淀粉酶溶液和蒸馏水的试管分成3组，第一组试管中滴加3%HCl溶液把溶液pH调为2，第二组试管中测得溶液pH为7，第三组试管中滴加5%NaOH溶液把溶液pH调为12。将12支试管都放入37℃恒温水浴锅中，维持5 min。

（3） 分别将各组的淀粉酶溶液或蒸馏水注入到相同pH的淀粉溶液中，快速振荡均匀，维持各自的温度30 min。

（4） 在6支试管中各滴入5滴碘液，摇匀，观察记录实验现象（表3）。

结果分析：

实验结果记录见表3。

表3中1、3、5号试管产生现象差异的原因分析：1号试管呈蓝色说明存在淀粉，说明pH=2条件下酶没有活性或者活性较低；3号和5号试管中都不显蓝色，可能是酶在pH=7和pH=12下都有活性将淀粉完全分解，也有可能是碱性环境影响碘与淀粉的反应所致。再结合2、4、6号试管中的现象，4号试管中的蓝色证明了3号试管中的酶有活性，淀粉的分解导致了蓝色的消失；而6号试管的不变蓝，说明pH=12的碱性条件肯定影响了碘液与淀粉的显色反应，但是酶活性有无受影响尚不能通过现象的比较而得出。

此时，有两种解决办法：

① 将5号和6号两支试管的pH调至7以后再滴加碘液观察颜色变化；

② 把碘液换成班氏试剂，检测淀粉分解产物还原性糖的生成量。

最终都能检测出pH=12的条件下淀粉几乎没有分解，从而说明碱性也影响了酶的活性。至于碱性影响碘液显色的原理，教师可以联系碘与NaOH的化学反应对学生进行简要解释。

3 探究实验的拓展研究

3.1 酶的激活剂和抑制剂的探究实验

通过上述两个实验，对于温度和pH这两个影响酶活性的主要因素，学生有了比较全面的认识。此时，学生很可能会联系教材中关于“辅助因子”和“抑制剂”的描述，想进一步知道唾液淀粉酶的辅助因子和抑制剂分别是什么物质，教师可以对这部分同学介绍以下实验“探究NaCl和CuSO4对唾液淀粉酶活性的影响”（表4）。

实验完成后，教师引导学生对结果进行分析，从而使学生认识到Cl-和Cu2+对唾液淀粉酶活性的影响：Cl-能增强唾液淀粉酶的活性，是唾液淀粉酶的辅助因子即激活剂；相反，Cu2+会抑制唾液淀粉酶的活性，是唾液淀粉酶的抑制剂。

3.2 保温时间的研究

因为前期有酶的“高效性”的学习，故学生认为酶和底物混合以后的30 min保温时间完全没有必要。学生在质疑的基础上设置时间梯度进行探究，最后确定了5 min的最短保温时间。

3.3 温度和pH会影响其他酶的活性吗

在唾液淀粉酶的有关实验中，学生已经学会基本的研究思路和方法，从而可以推广到对其他酶的研究中。

4 反思

通过扩大实验探究的温度及pH范围，学生不仅较全面地认识了不同温度和pH条件下酶活性的变化规律，而且对于实验设计中的控制单一变量原则有了更为深入的体验；激活剂和抑制剂的研究拓宽了学生的视野；对保温时间的质疑和研究，既让学生品尝了成功的喜悦，也为提高实验课的效率做出了贡献。酶影响因素的相关实验教学，让笔者深深感到：实验教学的课堂上，存在很多生成性的问题，教师要积极鼓励学生的质疑精神，并善于把学生的疑问转变为一个个探究课题，才能激发学生的探究热情，培养他们的创新精神和严谨的科学态度。只有在这样的课堂上，师生才会共同提高，达到教学相长的最高境界。