探究温度对酶活性影响剖析

实验能力训练期末实验（实验设计方案）

课题：温度对酶活性腐乳影响

探究温度对酶活性影响

（一）．背景资料

高中生物实验分两种类型，验证性实验和探究性实验（包括研究性课题），由于后者更能体现探究能力、实验设计能力和运用生物学知识和方法分析和解决实际问题能力；更能体现科学态度、科学精神和创新意识，是高考中为高校选拔人才的较好材料，近年来一直被沿用。由于缺乏实验设计的有关理论知识，平时的练习也偏少，因此，遇到这类题型，就会感到茫然。为解决这一问题，现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的类型作一介绍，以期增加理论知识，提高分析问题和解决问题的能力之目的。

“温度对酶活性的影响”是高中生物新教材人教版《分子与细胞》的第五章《细胞的能量供应与利用》第一节降低化学反应活化能的酶第三课时酶的特性中的探究实验《影响酶活性的条件》其中的一个。本实验是一个探索性实验，通过淀粉酶在不同的温度条件下催化淀粉的水解情况。加深对控制实验变量的了解。

探究性实验一般包括：课题、假设、设计实验、预期、完成实验、观察并记录结果（有时需收集数据）、分析结果（数据）并推导结论七个基本内容。

一．探究性实验的基本内容

（一）提出课题

人们对事物作缜密观察以后，常常由于好奇心或想作进一步的了解而提出问题，虽然任何人都能提出问题，但只有意义的问题才值得探讨，课题即为实验的题目，是实验要达到的具体目标，例如“蚯蚓如何借肌肉的收缩和舒张而移动身体？”

（二）假设

科学方法的第三步是假设。假设，也称假说或猜测，指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出的问题所做出的参考答案。假设一般分为两个步骤：第一步，提出假设，即依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过创造性思维，提出初步假定；第二步，做出预期(推断)，即依据提出的假设，进行推理，得出假定性的结论；例如，新编高中生物的“动物激素饲喂小动物的实验”，其假设是：“甲状腺激素对动物的生长发育有影响”；其预期结果是：“用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪，将促使蝌蚪的生长发育加速”。实验预期是较具体的推断。

一个问题常有多个可能的答案，但通常只有一个是正确的。因此，假设是对还是错，还需要加以验证，即依据假设或预期，设计实验方案，进行实验验证。

（三）设计实验

实验是验证假设和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物的变化的一种方法。这是科学方法的最大特色，也是科学方法中最困难的一步。如何求证假设可充分展现研究者的才华。在科学实验中，要掌握或贯彻以下几点：

1、单一变量原则

变量，或称因子，是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同，通常可分为三类：实验变量、反应变量和无关变量。

实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常，实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如，在“温度对酶活性”的实验中，所给定的低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水浴)就是实验变量。而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的活性也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于获得和解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系。

无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。显然，无关变量会对反应变量有干扰作用，例如，上述实验中除实验变量(低温、适温、高温)以外，PH、试管洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度，实验操作程度，温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生干扰，造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量，以减少误差。

2、对照性原则

对照是实验控制的手段之一，目的还是在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比。既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。

通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组：对照组，也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量

的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型：

（1）空白对照指不做任何实验处理的对象组。例如，在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。

（2）自身对照指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。

（3）条件对照指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如，“动物激素饲喂小动物”的实习实验，采用等组实验法，其实验设计方案是：

甲组：饲喂甲状腺激素(实验组)；

乙组：饲喂甲状腺抑制剂(条件对照组)；

丙组：不饲喂药剂(空白对照组)；

显然，乙组为条件对照。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明实验变量——甲状腺激素能促进动物的生长发育。

（4）相互对照指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照，在等组实验法中，大都是运用对照，如“植物的向性”的等组实验中，5个实验组所采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。

3、科学性原则

所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领

域的基本原则，都要具有可行性。如：淀粉酶水解淀粉的顺序问题。要有明确的观测指标（a. 有无特异颜色、沉淀反应 b. 有无气泡、气味产生 c. 在形态结构、生长发育等方面具有明显的特征）

4、重复性原则

在实验设计中也必须注意实验的可重复性。任何实验部必须要有足够的实验次数，才能判断结果的可靠性，尤其是有数据计算的实验，设计的实验不能只能进行一次，在无法重复的情况下，作为正式结论，这样的结论易被推翻。

（四）预期

（五）完成实验

（六）观察并记录结果

（七）分析结果（数据）并推导结论

二．酶的特性

酶是一种生物催化剂。生物体内含有千百种酶，它们支配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程，与生命过程关系密切的反应大多是酶催化反应。酶催化作用实质：降低化学反应活化能。

酶的特性

1．高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快；

2．专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽；

3．多样性：酶的种类很多，大约有4000多种；

4．温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。

5．活性可调节性：包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等。

6.有些酶的催化性与辅因子有关。

7.易变性，由于大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏。

一般来说，动物体内的酶最适温度在35到40℃之间，植物体内的酶最适温度在40-50℃之间；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有的酶最适温度可高达70℃。

动物体内的酶最适PH大多在6.5-8.0之间，但也有例外，如胃蛋白酶的最适PH为1.8，植物体内的酶最适PH大多在4.5-6.5之间。

酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应．若因遗传缺陷造成某个酶缺损，或其它原因造成酶的活性减弱，均可导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至发生疾病．因此酶与医学的关系十分密切。每个细胞由于酶的存在才表现出种种生命活动，体内的新陈代谢才能进行。酶是人体内新陈代谢的催化剂，只有酶存在，人体内才能进行各项生化反应。

三．温度影响酶活性的机理

．酶的催化作用受温度的影响很大，一方面与一般化学反应一样，提高温度可以增加酶促反应的速度。通常温度每升高10℃，反应速度加快一倍左右，最后反应速度达到最大值。另一方面酶的化学本质是蛋白质，温度过高可引起蛋白质变性，导致酶的失活。因此，反应速度达到最大值以后，随着温度的升高，反应速度反而逐渐下降，以至完全停止反应。反应速度达到最大值时的温度称为某种酶作用的最适温度。高于或低于最适温度时，反应速度逐渐降低。大多数动物酶的最通温度为37℃一40℃，植物酶的最适温度50℃一60℃。但是，一种酶的最适温度不是完全固定的，它与作用的时间长短有关，反应时间增长时，最适温度向数值较低的方向移动。通常测定酶的活性时，在酶反应的最适温度下进行。为了维持反应过程中温度的恒定，一般利用恒温水浴等恒温装置。

酶对温度的稳定性与其存在形式有关。已经证明大多数酶在干燥的固体状态下比较稳定，能在室温下保存数月以至一年。溶液中的酶，一般不如固体的酶稳定，而且容易为微生物污染，通常很难长期保存而不夹失其活性，在高温的情况下，更不稳定。

四．淀粉遇碘变蓝得原理

淀粉具有遇碘变蓝的特性，这是由淀粉本身的结构特点决定的。淀粉是白色无定形的粉末，由10％～30％的直链淀粉和70％～90％的支链淀粉组成。溶于水的直链淀粉借助分子内的氢键卷曲成螺旋状。如果加入碘液，碘液中的碘分子便嵌入到螺旋结构的空隙处，并且借助范德华力与直链淀粉联系在一起，形成了一种络合物。这种络合物能够比较均匀地吸收除了蓝光以外的其他可见光(波长范围为400～750 nm)，从而使淀粉溶液呈现出蓝色来。

淀粉和碘的显色机理直链淀粉遇碘呈蓝色，支链淀粉遇碘呈紫红色，糊精遇碘呈蓝紫、紫、橙等颜色。这些显色反应的灵敏度很高，可以用作鉴别淀粉的定量和定性的方法，也可以用它来分析碘的含量。纺织工业上用它来衡量布匹退浆的完全度。为什么碘遇淀粉或糊精

会出现不同的颜色呢?

以前认为，淀粉能吸附碘，使碘吸收的可见光的波长向短的波长方向移动，棕色的碘液就变成蓝色。同理，支链淀粉和糊精也能吸附碘，不过吸附的程度不同，因此呈现的颜色不同。这种解释的有力根据是碘的淀粉液在加热时蓝色消失。这就被认为是加热后分子动能增大，引起解吸的缘故。

近年来用先进的分析技术(如X射线、红外光谱等)研究碘跟淀粉生成的蓝色物，证明碘和淀粉的显色除吸附原因外，主要是由于生成包合物的缘故。什么是包合物呢?直链淀粉是由α-葡萄糖分子缩合而成螺旋状的长长的螺旋体，每个葡萄糖单元都仍有羟基暴露在螺旋外。碘分子跟这些羟基作用，使碘分子嵌入淀粉螺旋体的轴心部位。碘跟淀粉的这种作用叫做包合作用，生成物叫做包合物。

在淀粉跟碘生成的包合物中，每个碘分子跟6个葡萄糖单元配合，淀粉链以直径0.13 pm 绕成螺旋状，碘分子处在螺旋的轴心部位。

淀粉跟碘生成的包合物的颜色，跟淀粉的聚合度或相对分子质量有关。在一定的聚合度或相对分子质量范围内，随聚合度或相对分子质量的增加，包合物的颜色的变化由无色、橙色、淡红、紫色到蓝色。例如，直链淀粉的聚合度是200～980或相对分子质量范围是32 000～160 000时，包合物的颜色是蓝色。分支很多的支链淀粉，在支链上的直链平均聚合度20～28，这样形成的包合物是紫色的。糊精的聚合度更低，显棕红色、红色、淡红色等。下表就是淀粉的聚合度和生成碘包合物的颜色。表7-1淀粉的聚合度和生成碘包合物的颜色葡萄糖单位的聚合度3.8 7.4 12.9 18.3 20.2 29.3 34.7以上

包合物的颜色无色淡红红棕红紫色蓝紫色蓝色淀粉跟碘生成的包合物在pH＝4时最稳定，所以它的显色反应在微酸性溶液里最明显。

三．教学目标

知识目标

识记：酶的作用原理及影响酶活性的因素。

应用：探索淀粉酶在不同温度下催化淀粉水解的情况。

能力目标

1.初步学会探索影响酶活性条件的方法。

2.掌握科学探究的基本规律。

情感目标

1.培养学生实事求是的科学态度。

2.培养学生的合作精神。

（二）、实验材料：

（1）新鲜的唾液淀粉酶

唾液制备方法：要求学生实验前用蒸馏水漱口彻底清除食物残渣。在制备唾液前先给学生讲吃酸杏子或望梅止渴的故事, 3~5min后取自然分泌的唾液。目的是缩小他们在制备唾液淀粉酶时分泌量的差异;然后混合4~5人的唾液,目的是减小酶的个体差异及得到相对一致的酶浓度。

（2）10g／L淀粉溶液。

配制方法：取可溶性淀粉1克，加5毫升蒸馏水，调成糊状，再加蒸馏水80毫升，加热，使其溶解，最后用蒸馏水稀释至100毫升。

（3）0.1mol/L的碘溶液

配置方法1.称取碘12.7g和碘化钾25g。

2.用去离子水溶解并定容至1L。

（三）、实验器具

试管、试管架、烧杯、电炉、冰块

恒温水浴锅

水浴锅结构：箱外壳用冷轧钢板，表面烘漆，内胆采用不锈钢制成，中层用聚胺脂隔热，并装有恒温控制器，电热器。主要零部件：

1．热恒温控制器，采用因钢和黄铜管为感热元件，装置于箱内室之隔板下，直接浸在水里传热快、灵敏度高。

2．电热管用U型钢管，烧结氧化镁和电热丝制成，直接浸在水里热能损耗少。

水浴锅工作原理：恒温水浴锅内水平放置不锈钢管状加热器，水槽的内部放有带孔的铝制搁板。上盖上配有不同口径的组合套圈，可适应不同口径的烧瓶。水浴锅左侧有放水管，恒温水浴锅右侧是电气箱，电气箱前面板上装有温度控制仪表、电源开关。电气箱内有电热管和传感器。该温度控制系统采用了优质电子元件，控温灵敏、性能可靠、使用方便。其工作原理：Cu50传感器将水槽内水的温度转换为电阻值，经过集成放大器的放大、比较后，输出控制信号，有效地控制电加热管的平均加热功率，使水槽内的水保持恒温。控温范围：RT-100℃±1℃

（四）实验原理

对温度敏感是酶的一个重要特性，酶作为生物催化剂，和一般催化剂一样呈现出温度效应，提高温度可以提高酶促反应速度，但另一方面又会加速酶蛋白的变性速度，所以在较低的温度范围内，酶反应速度随温度升高而增大，但是超过一定温度后，反应速度反而下降。酶反应速度达到最大时的温度称为酶的最适温度。酶的最适温度不是一个常数，它与作用时间的长短有关系。1．淀粉遇碘后，形成紫蓝色的复合物。2．淀粉酶可以使淀粉逐步水解成麦芽糖和葡萄糖，麦芽糖和葡萄糖遇碘后不显色。3、高温和低温都会导致唾液淀粉酶失活，阻止唾液淀粉酶对淀粉的水解。

（五）实验步骤：

1、取6支洁净的试管，编上1、1′、

2、2′、

3、3′号，向1、2、3号试管分别注入1mL 新鲜的唾液淀粉酶，向1′、2′、3′号试管加入1mL可溶性淀粉溶液；

2、将1和1′号试管放置在100度左右的热水、2和2′号试管放置于37度左右的的温水、3和3′号试管放置于冰块中，维持各自温度5分钟；

3、分别将同温度下的淀粉溶液注入淀粉酶溶液中（既是1′号试管注入到１号试管中）摇匀后，维持各自的温度5分钟；

4、在3支试管中各滴入1滴碘液，摇匀；

5、观察并记录颜色变化。

（预期实验现象：1号试管加碘后出现蓝色（原因：高温破坏酶的活性，淀粉酶无法分解淀粉）；2号试管加碘后不出现蓝色（原因：37℃为唾液淀粉酶最适合温度，此时酶的活性最高，淀粉被水解）；3号试管加碘后出现蓝色（原因：低温抑制酶的活性，淀粉水解受阻）实验结论：酶活性的发挥需要最适宜的温度，温度过高或过低都影响酶的活性。唾液淀粉酶的最适温度为37℃。）

（六）思考题

1、影响酶促反映速度的因素有哪些？

答：PH和温度可以影响酶的活性，此外酶的浓度和底物的浓度也可以增加反应速度。

2实验可否用斐林试剂来代替碘液，为什么？

答：不能，斐林试剂与可溶性还原糖需要在沸水条件下反应生成砖红色沉淀，冰水中的酶与淀粉几乎不反应，但在煮沸的过程中会发生反应，从而影响实验结果。

3为什么不能用过氧化氢酶做探究温度的实验？

答：因为过氧化氢酶的反应底物过氧化氢受热会分解，所以用其做温度探究的实验，会对实验结果带来干扰。