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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 ‘pH가 효소의 작용에 미치는 영향’ 실험의 문제점과 그 원인을 분석하여 현장에서 실험을 실시하는 데 도움을 주고자 한다.
- 본 연구에서는 7차 교육과정 고등학교 생물Ⅰ, 생물Ⅱ 교과서에 소개된 ‘pH가 효소의 작용에 미치는 영향’ 실험을 녹말과 요오드 반응을 중심으로 분석하고, 실험에서 오류가 발생하는 원인을 녹말과 요오드 화합물의 형성 조건과 관련지어 살펴보고자 한다.
가설 설정
- 1 방울은 0.02 mL로 가정하여 계산하였으며, 침 희석액을 효소로 이용한 경우 ‘기준 농도’를 ‘희석하지 않은 침’으로 정하여 기준농도에 대한 비율로 나타냈다.
- 이 때 농도가 제시되지 않은 용액이나 ‘묽은’ 용액이라고 제시된 용액은 10% 농도로 가정하여 계산하였다.
- 이 때 농도가 제시되지 않은 용액이나 ‘묽은’ 용액이라고 제시된 용액은 10% 농도로 가정하여 계산하였다. 중∙고등학교 교육과정에서 묽은 용액의 절대적인 기준이 제시되어 있지 않으며, pH에 따른 효소의 활성 정도를 살펴보는 다른 실험에서 10% 농도의 염산과 수산화나트륨 용액을 이용하는 경우가 많아 10%로 가정하였다. 1 방울은 0.
제안 방법
- 5 종의 교과서에 제시된 실험 조건을 좀 더 자세히 분석하기 위하여 제시된 실험에서 용액의 농도와 양을 고려하여 전체 반응 용액에서의 농도로 변환시켜 보았다. 이 때 농도가 제시되지 않은 용액이나 ‘묽은’ 용액이라고 제시된 용액은 10% 농도로 가정하여 계산하였다.
- 7차 교육과정에 따른 고등학교 생물Ⅰ과 생물Ⅱ 교과서에서 ‘pH가 효소의 작용에 미치는 영향’ 실험을 분석하였다.
- pH 10 이상의 센 염기성 조건에서 녹말-요오드 화합물의 색이 옅어지거나 나타나지 않은 이유를 조사하기 위하여 UV/Visible 흡수 스펙트럼을 이용하여 분석하였다. 분석 결과로 센 염기성 조건에서 침 속의 아밀라아제에 의해 녹말이 완전히 분해되어 색이 나타나지 않은 것이 아니라, 녹말-요오드 화합물의 생성이 감소되었기 때문인 것으로 밝혀졌다.
- 교과서 분석을 바탕으로 ‘pH가 아밀라아제의 녹말 분해에 미치는 영향’에 대한 실험을 실시하였으며, pH에 의한 효과를 알아보기 위해 교과서에 제시된 것보다 pH 조건을 다양하게 설계하였다.
- )이 용액 속에 존재하여야 하며, 요오드화 이온들의 농도가 녹말과 요오드 화합물의 형성에 영향을 미칠 수 있다. 그래서 본 연구에서는 녹말의 영향과 관계없이 요오드화 이온들의 농도가 pH의 영향을 받는가를 알아보기 위하여, 녹말 수용액 대신 증류수를 첨가하고 나머지 조건은 Table 5의 조건과 동일하게 하여 실험을 실시하였다. 실험 조건은 Table 6과 같다.
- pH 2에서 13까지의 조건을 맞춰주기 위해 염산과 수산화나트륨 용액을 첨가한 경우 침의 완충 작용으로 인하여 의도한 pH 조건에서 실험이 진행되지 않았다. 그래서 본 연구에서는 염산과 수산화나트륨 용액 대신 완충 용액을 이용한 실험 설계를 하였다. 실험 조건은 Table 4와 같다.
- 그러므로 a-h는 녹말-요오드 화합물이 형성되었고, i에서 k 및 l로 갈수록 녹말-요오드 화합물이 잘 형성되지 않았다고 할 수 있다. 그러나 육안으로는 관찰의 한계가 있으므로 이를 더 정량적으로 분석하기 위하여 UV/Visible 흡수분광기를 이용하였다. 시료를 2 ㎜두께의 큐벳에 덜어 UV/Visible 흡수분광기로 흡광도를 측정하였고, 결과는 Figure 4와 같다.
- 둘째, 교과서 분석 결과를 바탕으로 교과서에 제시된 방법에 따라 실험을 실시하되, 본 연구의 목적에 맞게 pH 조건을 교과서에 제시된 것보다 다양하게 하여 실험 결과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 ‘pH가 효소의 작용에 미치는 영향’ 실험에 대해 녹말과 요오드 반응을 중심으로 교과서 분석을 실시하였다. 또한 본 실험에서 나타날 수 있는 문제점 및 그 원인을 분석하였다.
- 본 연구에서는 ‘pH가 효소의 작용에 미치는 영향’ 실험에 대해 녹말과 요오드 반응을 중심으로 교과서 분석을 실시하였다.
- 셋째, 강한 염기성 조건일 때는 녹말과 요오드 화합물이 형성되지 않은 이유를 분석하기 위해 pH가 녹말과 요오드의 반응 및 요오드화 이온의 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 좀 더 정확한 분석을 위해 UV/Visible 흡수분광기를 이용하여 흡광도를 비교하였다.
- a-g는 옅은 노란색을 띠나 h, i, j, k, l은 무색을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 요오드화 이온은 자외선 영역의 빛을 주로 흡수하므로 정확한 분석을 위해 시료를 10 ㎜ 큐벳에 덜어 UV/Visible 흡수분광기를 이용하여 분석하였다.
- 분석에 사용된 교과서를 가, 나, 다 순으로 나열하여, ‘생물Ⅰ’ 교과서에는 A부터 H까지 알파벳을 부여하였고, ‘생물Ⅱ’ 교과서에는 a부터 h까지 알파벳을 부여하였다. 이 중 녹말과 I2/KI 용액을 이용하여 pH에 따른 소화효소의 작용을 알아보는 실험에 대해 각 교과서에 제시된 시약의 첨가량과 농도를 전체 반응 용기 속 각 시약의 몰농도로 변환하여 실험 조건을 비교 분석하였다.
- /KI 용액을 떨어뜨렸을 때 옅은 파란색이나 무색이 나타난 원인은 침 속의 효소와는 관계가 없을 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위하여 침 희석액 대신에 증류수를 첨가하고 다른 조건은 Table 3에 제시된 조건과 동일하게 하여 녹말과 I2/KI 용액의 반응이 pH의 영향을 받는지를 알아냈다. 수행한 실험 조건은 Table 5와 같다.
- 셋째, 강한 염기성 조건일 때는 녹말과 요오드 화합물이 형성되지 않은 이유를 분석하기 위해 pH가 녹말과 요오드의 반응 및 요오드화 이온의 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 좀 더 정확한 분석을 위해 UV/Visible 흡수분광기를 이용하여 흡광도를 비교하였다. 본 연구에서 증류수는 ELGA사의 PURELAB UHQ를 이용하여 실험실에서 제조하였고, 시약은 별도의 정제과정 없이 구입한대로 이용하였다.
- 첫째, 7차 교육과정에 따른 고등학교 ‘생물Ⅰ’ 교과서 8종, ‘생물Ⅱ’ 교과서 8종 총 16종의 교과서에서 제시된 ‘효소의 활성에 영향을 주는 요인’ 실험을 분석하였다.
대상 데이터
- 5%), 완충용액(pH 2, 3, 6, 8, 10, 11, 13: Samchun Pure Chemical; pH 4, 7, 9: Shinyo Pure Chemicals; pH 5: Crown Analytical Reagents; pH 12: 대정화금주식회사)을 사용하였으며, UV/Visble 흡수분광기는 Varian사의 CARY 300 BIO를 이용하였다. UV/Visble 흡수분광기에 이용한 큐벳은 두께 2 ㎜의 석영유리 큐벳과 10 ㎜ 일회용 플라스틱 큐벳을 이용하였다. 0.
- 좀 더 정확한 분석을 위해 UV/Visible 흡수분광기를 이용하여 흡광도를 비교하였다. 본 연구에서 증류수는 ELGA사의 PURELAB UHQ를 이용하여 실험실에서 제조하였고, 시약은 별도의 정제과정 없이 구입한대로 이용하였다. 시약은 수산화나트륨 (NaOH, 대정화금주식회사, 98.
- 본 연구에서는 완충용액의 종류에 따라 288-292 ㎚에서 완충용액에 의한 밴드가 나타나는 경우가 있어 349-352 ㎚의 밴드만 분석 대상으로 정했으며, 분석 결과는 Figure 7과 같다. a, b, c, d, e, f 조건에서 349-352 ㎚ 영역의 흡수밴드는 흡광도가 0.
- 본 연구에서 증류수는 ELGA사의 PURELAB UHQ를 이용하여 실험실에서 제조하였고, 시약은 별도의 정제과정 없이 구입한대로 이용하였다. 시약은 수산화나트륨 (NaOH, 대정화금주식회사, 98.0%), 염산 (HCl, Merck, 37%), 녹말 (Junsei Chemical, chemical pure), 요오드(I2, 대정화금주식회사, 99%), 요오드화칼륨(KI, Junsei Chemical, 99.5%), 완충용액(pH 2, 3, 6, 8, 10, 11, 13: Samchun Pure Chemical; pH 4, 7, 9: Shinyo Pure Chemicals; pH 5: Crown Analytical Reagents; pH 12: 대정화금주식회사)을 사용하였으며, UV/Visble 흡수분광기는 Varian사의 CARY 300 BIO를 이용하였다. UV/Visble 흡수분광기에 이용한 큐벳은 두께 2 ㎜의 석영유리 큐벳과 10 ㎜ 일회용 플라스틱 큐벳을 이용하였다.
- 7차 교육과정의 고등학교 ‘생물Ⅰ’ 교과서 8종, ‘생물Ⅱ’ 교과서 8종을 분석한 결과(Figure 1), 실험이 제시되어 있지 않은 A교과서를 제외한 총 15종의 교과서에서 ‘효소의 작용에 영향을 미치는 요인’에 대한 실험을 소개하고 있었다. 이 중 B, C, D, E, F, H, d, e, h 9종의 교과서에서 녹말을 기질, 아밀라아제를 효소로 이용하고 있었으며, 아밀라아제와 녹말을 이용한 실험의 지시약은 베네딕트 용액을 지시약으로 이용한 E교과서를 제외한 7종의 교과서에서 I2/KI 용액을 지시약으로 이용하고 있었다. 또한 D교과서는 I2/KI 용액과 베네딕트 용액 둘 다를 지시약으로 이용하고 있었다.
- 전체 반응 용액에서 기질의 농도는 0.33%에서 0.91%로 다양했으나 1%를 넘지 않았으며, 산의 종류는 대부분 염산(HCl)을 이용하였으나 d 교과서에서만 아세트산(CH3COOH)을 이용하였다. 산의 농도는 교과서마다 달라 0.
성능/효과
- 교과서 분석 결과 본 실험에 사용되는 효소의 농도 및 첨가량, 기질의 농도 및 첨가량, 산과 염기의 농도 및 첨가량, I2/KI 용액의 농도 및 첨가량이 모두 정확히 명시된 교과서는 1종도 없었다. 또한 본 실험에서 중요한 변인인 산과 염기의 농도가 명시되지 않거나 불충분하게 제시되어 있는 교과서도 있었다.
- 교과서의 실험 조건을 기준으로 염산과 수산화나트륨을 첨가해 pH 조건을 설정해 준 결과, 침수용액의 완충작용으로 인해 의도한 값으로 pH가 맞추어지지 않았고, 이를 보완하기 위하여 완충 용액을 이용하여 pH 조건을 설정한 결과, 의도한 pH 조건으로 실험을 실시할 수 있었다. 즉, 완충용액을 사용하지 않고 산과 염기의 양을 조절하는 것으로는 정확한 실험을 수행할 수 없음을 확인하였다.
- )이 수산화이온(OH-)과 반응하여 농도가 감소했기 때문이라고 할 수 있다. 그 결과 녹말의 아밀로오스 나선에 내포되는 폴리요오드화 이온이 형성되지 못했고, 녹말-요오드 화합물이 형성되지 못해 색을 띄지 않은 것이다. 따라서 효소 활성에 미치는 요인으로 pH 의 영향을 소개하는 실험에서 녹말 반응에 의한 색 변화를 이용하는 실험이라면 염기성 조건을 설정할 때 pH 10을 넘지 않도록 실험 조건을 설정할 필요가 있다.
- 본 연구 결과를 바탕으로 ‘pH가 효소의 작용에 미치는 영향’ 실험을 정확하게 진행하기 위해 염산이나 수산화나트륨 대신 완충 용액을 사용할 것을 제안한다. 또한 센 염기성 조건에서는 요오드화 이온의 낮은 농도로 인하여 녹말-요오드 화합물이 형성되지 못해 정확한 실험 결과를 얻을 수 없으므로 교과서 서술 및 실험 설계 시 녹말-요오드 화합물 형성에 적합한 pH 10 미만의 조건을 고려해야할 것이다.
- pH 10 이상의 센 염기성 조건에서 녹말-요오드 화합물의 색이 옅어지거나 나타나지 않은 이유를 조사하기 위하여 UV/Visible 흡수 스펙트럼을 이용하여 분석하였다. 분석 결과로 센 염기성 조건에서 침 속의 아밀라아제에 의해 녹말이 완전히 분해되어 색이 나타나지 않은 것이 아니라, 녹말-요오드 화합물의 생성이 감소되었기 때문인 것으로 밝혀졌다. 녹말-요오드 화합물이 형성될 때는 녹말의 아밀로오스 나선에 폴리요오드화 이온이 내포되어야 한다.
- 91%로 다양했으나 1%를 넘지 않았으며, 산의 종류는 대부분 염산(HCl)을 이용하였으나 d 교과서에서만 아세트산(CH3COOH)을 이용하였다. 산의 농도는 교과서마다 달라 0.001 M에서 0.9 M까지 그 분포 범위가 넓었으며, 산을 제외한 다른 용액을 증류수로 가정하여 pH를 계산한 결과 pH 3 이내의 산성 조건에 해당했다. 염기의 종류는 모든 교과서에서 수산화나트륨(NaOH)을 이용하였고, 0.
- 반응 용액을 24 홈판에 조금씩 덜어 비교한 결과는 Figure 3에 제시되어 있다. 실험 결과 pH 2.2 - 9.0 사이에 해당하는 a, b, c, d, e, f, g, h는 청남색을 띠며, pH 10인 i부터는 색이 옅어져 pH 10.8인 j는 무색에 가까웠고, 각각 pH 12.0, 12.7인 k, l은 무색이었다.
- 그 외 카탈라아제(효소)와 과산화 수소(기질)를 이용한 실험은 a, b, c, f, g 교과서에 제시되어 있었고, 펩신(효소)과 단백질(기질)을 이용한 교과서는 G교과서 1종뿐이었다. 아밀라아제의 작용에 영향을 미치는 요인을 다룬 교과서 9종(B, C, D, E, F, H, d, e, h )중에서 온도만 다룬 것은 3종(B, H, e), pH만 다룬 것은 1종(E)이 있었으며, 온도와 pH를 모두 다룬 것은 5종(C, F, D, d, h)이 있었다.
- 1도 채 되지 않았다. 이로부터 pH 10부터 녹말-요오드 화합물의 생성이 감소되며, pH 11이상의 센 염기성 조건에서 녹말-요오드 화합물이 거의 형성되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
- 교과서의 실험 조건을 기준으로 염산과 수산화나트륨을 첨가해 pH 조건을 설정해 준 결과, 침수용액의 완충작용으로 인해 의도한 값으로 pH가 맞추어지지 않았고, 이를 보완하기 위하여 완충 용액을 이용하여 pH 조건을 설정한 결과, 의도한 pH 조건으로 실험을 실시할 수 있었다. 즉, 완충용액을 사용하지 않고 산과 염기의 양을 조절하는 것으로는 정확한 실험을 수행할 수 없음을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구 결과를 바탕으로 ‘pH가 효소의 작용에 미치는 영향’ 실험을 정확하게 진행하기 위해 염산이나 수산화나트륨 대신 완충 용액을 사용할 것을 제안한다. 또한 센 염기성 조건에서는 요오드화 이온의 낮은 농도로 인하여 녹말-요오드 화합물이 형성되지 못해 정확한 실험 결과를 얻을 수 없으므로 교과서 서술 및 실험 설계 시 녹말-요오드 화합물 형성에 적합한 pH 10 미만의 조건을 고려해야할 것이다.
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