構建模型 巧解蛋白質計算難題

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　　[摘 要]蛋白質計算”屬于高中生物必修1第二章第二節“生命活動的主要承擔者——蛋白質”一節的難點內容。通過建構“人體”和“牽手”模型，可以很好地解決教師和學生的困擾——構建“人體”模型，展示氨基酸結構;構建“牽手”模型，模擬氨基酸形成蛋白質。學生在輕松愉悅中獲得了知識，更知曉了模型的巧妙、直觀等特點，為今后運用模型和構建模型奠定了良好的基礎。
　　[關鍵詞]高中生物;蛋白質計算;構建模型
　　模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的。有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達?！镀胀ǜ咧猩镎n程標準》（2017年版）在生物科學核心素養部分強調：學生應運用模型與建模等方法，逐步發展科學思維。而“蛋白質計算”這一部分知識正是發展學生科學思維、提升生物學科核心素養的素材之一。
　　“蛋白質計算”這一部分知識對于剛剛升入高中的學生來說，其抽象、陌生、復雜的知識特點讓人望而生畏。大多數情況下，教師會采用結合蛋白質脫水縮合原理，間接或直接總結出計算公式的教學思路，或采用補充大量學生陌生的有機化學知識，試圖通過生物知識和化學知識結合來解決此類問題的教學思路。但不管哪種教學思路，其教學效果都不好。筆者在教學實踐中，通過建構“人體”和“牽手”模型，很好地解決了教師和學生的困擾。
　　一、構建模型，夯實基礎
　　（一）構建“人體”模型，展示氨基酸結構
　　學生在學完氨基酸的結構通式之后（見圖1），教師便可引導學生構建“人體”模型（見圖2）。
　　師（總結）：“左手為氨基，右手為羧基，腳踩一個氫，頭頂R基”（見圖3）。
　　師（強調）：正因為每個人頭有差異（即R基不一樣），所以人才有差異（即氨基酸不一樣）。
　　學生自主構建完成氨基酸通式結構“人體”模型，不僅克服了對有機化學知識空白的恐懼，夯實了氨基酸結構知識，還增強了對該部分知識的興趣，為“蛋白質計算”奠定了良好的基礎。
　?。ǘ嫿ā盃渴帧蹦Ｐ?，模擬氨基酸形成蛋白質
　　學生在學完氨基酸之間結合方式——脫水縮合原理之后，教師便可引導學生構建“氨基酸之間的結合如同人與人的左手牽右手”的“牽手”模型，并以學生為模特分別展示二肽的“牽手”模型（圖4）、三肽的“牽手”模型（圖5）、n肽的“牽手”模型（圖6）。
　　學生在自主構建出“牽手”模型后，教師可引導學生總結出“牽手數=肽鍵數=脫水數”“一條肽鏈首尾末端一定是游離的氨基和游離的羧基”“游離的氨基或羧基總數=首尾末端的左手或右手一個+頭頂的氨基或羧基總數（即R基包含的氨基或羧基總個數）”等結論。于是，學生在歡聲笑語中輕松愉快地夯實了基礎。
　　二、運用模型，破解難題
　?。ㄒ唬┻\用“人體”模型，破解氨基酸判定
　　學生在熟練記住“左手為氨基，右手為羧基，腳踩一個氫，頭頂R基”順口溜后，教師便可引導學生總結出判定氨基酸的關鍵在于找準“人體軀干”（中心C原子），且中心C原子必然連接四個鍵：氨基、羧基、氫及R基。
　　例1 下列物質中，屬于構成蛋白質的氨基酸的是（  ）
　　[解析]根據“人體”模型，A選項中從左到右第一個C原子是中心C原子;B選項由于沒有羧基，故不屬于氨基酸;C選項和D選項中氨基和羧基并未連接在同一個C原子上，沒有中心C原子，故也不是氨基酸。因此，本題選A。
　　（二）運用“牽手”模型，總結蛋白質中氨基酸數、肽鏈數、肽鍵數和脫水數關系
　　學生在熟練掌握氨基酸“人體”模型后，教師便可引導學生構建“牽手”模型并總結出“牽手數=肽鍵數=脫水數”的規律。此時，教師繼續引導學生思考“m個人牽手形成一排，牽手數是多少”“m個人牽手形成兩排，牽手數是多少”及“m個人牽手形成n排，牽手數是多少”等問題。
　　問題層層深入，直觀化教學更是將抽象的知識變得更為具體，學生也學得輕松。經過短暫的思考，學生便會總結出：①m個人牽手形成一排，牽手數=m-1;②m個人牽手形成2排，牽手數可看成在①情境下，其中有一處牽手分開了，即牽手數=m-1-1=m-2;③m個人牽手形成n排，牽手數可看成在①情境下，其中有n-1處牽手分開了，即牽手數=m-1-（n-1）=m-n。
　　例2 血紅蛋白分子中含574個氨基酸，4條肽鏈。在形成此蛋白質分子時，脫下的水分子數和形成的肽鍵數目分別是（  ）
　　A.574和573    B.573和573    C.570和573    D.570和570
　　[解析]根據“牽手”模型，肽鍵數=脫水數=氨基酸數-肽鏈數，即570個肽鍵或脫570個水分子。故此題選D。
　　例3 全世界每年都有成千上萬人由于吃毒蘑菇而身亡，其中鵝膏蕈堿就是一種毒菇的毒素，它是一種環狀八肽。若20種氨基酸的平均分子量為128，則鵝膏蕈堿的分子量約為（  ）
　　A.1024       B.898       C.880       D.862
　　[解析]根據“牽手”模型，環狀8肽相當于一條8肽首尾末端的氨基和羧基再次結合形成一個肽鍵，即環狀8肽的肽鍵數=（8-1）+1=8。蛋白質的相對分子質量=氨基酸數×氨基酸的平均相對分子質量-脫水數×18（水的相對分子質量），即鵝膏蕈堿的分子量=128×8-8×18=880。故此題選C。
　?。ㄈ┻\用“牽手”模型，突破蛋白質游離氨基或羧基數目計算
　　對于此類問題，教師可以引導學生構建如下“牽手”模型：5個同學代表5個氨基酸，左右牽手排成一排就形成5肽;7個同學代表7個氨基酸，左右牽手隨機排成兩排（如一排4個人，另一排3個人）…… 　　學生參與活動后，都能自行總結出蛋白質游離的氨基或羧基來源于每排首尾末端的左手或右手（每排提供一個氨基和一個羧基）及所有人“頭頂”（R基）含的氨基或羧基總數。
　　例4 某蛋白質分子由3條多肽鏈組成，內有肽鍵109個，則此分子中含有—NH3或—COOH的數目至少為（  ）
　　A.112，112     B.109，109     C.9，9       D.3，3
　　[解析]根據“牽手”模型，此蛋白質游離的氨基或羧基來源于兩部分：其一，每條肽鏈首尾末端各一個氨基和一個羧基，即3條肽鏈一共提供3個氨基和3個羧基;其二，所有氨基酸R基所含的氨基或羧基。但此題要求“至少”，故第二部分不考慮。因此，本題選擇D。
　　（四）運用“牽手”模型，解答蛋白質（多肽）種類
　　高一新生并未學習數學知識“排列組合”，如按此思路講解此題，效果可想而知。因此，教師可借助如下“牽手”模型：①在2位同學（A和B）必須都參與的情況下，手牽手站一排有多少種站法？②假如在2位同學有跟自己一樣的替身的情況下，手牽手站一排又有多少種站法？
　　對于情況①，學生很快發現只有兩種看似相同卻不同的站法，即A-B和B-A;對于情況②，在A、B同學有替身的情況下，還多出了兩種（A-A和B-B），即4種。
　　例5 如果有足量的3種氨基酸，分別為甲、乙、丙，則它們能形成的三肽種類以及包含3種氨基酸的三肽種類最多是（  ）
　　A.9種、9種     B.6種、3種     C.27種、6種     D.3種、3種
　　[解析]對于能形成的三肽種類本質上就是情況②，因此是27種;對于包含3種氨基酸的三肽種類本質上就是情況①，因此是6種。故此題選擇C。
　　綜上所述，筆者通過模型構建，極好地攻克了“蛋白質計算”這一難點。學生也在輕松愉悅中獲得了知識，更知曉了模型的巧妙、直觀等特點，為今后運用模型和構建模型奠定了良好的基礎。
　　[參 考 文 獻]
　　[1]朱正威，趙占良.普通高中課程標準實驗教科書：生物[M].北京：人民教育出版社，2007.
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