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构建模型 巧解蛋白质计算难题

作者:未知

  [摘 要]蛋白质计算”属于高中生物必修1第二章第二节“生命活动的主要承担者——蛋白质”一节的难点内容。通过建构“人体”和“牵手”模型,可以很好地解决教师和学生的困扰——构建“人体”模型,展示氨基酸结构;构建“牵手”模型,模拟氨基酸形成蛋白质。学生在轻松愉悦中获得了知识,更知晓了模型的巧妙、直观等特点,为今后运用模型和构建模型奠定了良好的基础。
  [关键词]高中生物;蛋白质计算;构建模型
  模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的描述,这种描述可以是定性的,也可以是定量的。有的借助于具体的实物或其他形象化的手段,有的则通过抽象的形式来表达。《普通高中生物课程标准》(2017年版)在生物科学核心素养部分强调:学生应运用模型与建模等方法,逐步发展科学思维。而“蛋白质计算”這一部分知识正是发展学生科学思维、提升生物学科核心素养的素材之一。
  “蛋白质计算”这一部分知识对于刚刚升入高中的学生来说,其抽象、陌生、复杂的知识特点让人望而生畏。大多数情况下,教师会采用结合蛋白质脱水缩合原理,间接或直接总结出计算公式的教学思路,或采用补充大量学生陌生的有机化学知识,试图通过生物知识和化学知识结合来解决此类问题的教学思路。但不管哪种教学思路,其教学效果都不好。笔者在教学实践中,通过建构“人体”和“牵手”模型,很好地解决了教师和学生的困扰。
  一、构建模型,夯实基础
  (一)构建“人体”模型,展示氨基酸结构
  学生在学完氨基酸的结构通式之后(见图1),教师便可引导学生构建“人体”模型(见图2)。
  师(总结):“左手为氨基,右手为羧基,脚踩一个氢,头顶R基”(见图3)。
  师(强调):正因为每个人头有差异(即R基不一样),所以人才有差异(即氨基酸不一样)。
  学生自主构建完成氨基酸通式结构“人体”模型,不仅克服了对有机化学知识空白的恐惧,夯实了氨基酸结构知识,还增强了对该部分知识的兴趣,为“蛋白质计算”奠定了良好的基础。
  (二)构建“牵手”模型,模拟氨基酸形成蛋白质
  学生在学完氨基酸之间结合方式——脱水缩合原理之后,教师便可引导学生构建“氨基酸之间的结合如同人与人的左手牵右手”的“牵手”模型,并以学生为模特分别展示二肽的“牵手”模型(图4)、三肽的“牵手”模型(图5)、n肽的“牵手”模型(图6)。
  学生在自主构建出“牵手”模型后,教师可引导学生总结出“牵手数=肽键数=脱水数”“一条肽链首尾末端一定是游离的氨基和游离的羧基”“游离的氨基或羧基总数=首尾末端的左手或右手一个+头顶的氨基或羧基总数(即R基包含的氨基或羧基总个数)”等结论。于是,学生在欢声笑语中轻松愉快地夯实了基础。
  二、运用模型,破解难题
  (一)运用“人体”模型,破解氨基酸判定
  学生在熟练记住“左手为氨基,右手为羧基,脚踩一个氢,头顶R基”顺口溜后,教师便可引导学生总结出判定氨基酸的关键在于找准“人体躯干”(中心C原子),且中心C原子必然连接四个键:氨基、羧基、氢及R基。
  例1 下列物质中,属于构成蛋白质的氨基酸的是(  )
  [解析]根据“人体”模型,A选项中从左到右第一个C原子是中心C原子;B选项由于没有羧基,故不属于氨基酸;C选项和D选项中氨基和羧基并未连接在同一个C原子上,没有中心C原子,故也不是氨基酸。因此,本题选A。
  (二)运用“牵手”模型,总结蛋白质中氨基酸数、肽链数、肽键数和脱水数关系
  学生在熟练掌握氨基酸“人体”模型后,教师便可引导学生构建“牵手”模型并总结出“牵手数=肽键数=脱水数”的规律。此时,教师继续引导学生思考“m个人牵手形成一排,牵手数是多少”“m个人牵手形成两排,牵手数是多少”及“m个人牵手形成n排,牵手数是多少”等问题。
  问题层层深入,直观化教学更是将抽象的知识变得更为具体,学生也学得轻松。经过短暂的思考,学生便会总结出:①m个人牵手形成一排,牵手数=m-1;②m个人牵手形成2排,牵手数可看成在①情境下,其中有一处牵手分开了,即牵手数=m-1-1=m-2;③m个人牵手形成n排,牵手数可看成在①情境下,其中有n-1处牵手分开了,即牵手数=m-1-(n-1)=m-n。
  例2 血红蛋白分子中含574个氨基酸,4条肽链。在形成此蛋白质分子时,脱下的水分子数和形成的肽键数目分别是(  )
  A.574和573    B.573和573    C.570和573    D.570和570
  [解析]根据“牵手”模型,肽键数=脱水数=氨基酸数-肽链数,即570个肽键或脱570个水分子。故此题选D。
  例3 全世界每年都有成千上万人由于吃毒蘑菇而身亡,其中鹅膏蕈碱就是一种毒菇的毒素,它是一种环状八肽。若20种氨基酸的平均分子量为128,则鹅膏蕈碱的分子量约为(  )
  A.1024       B.898       C.880       D.862
  [解析]根据“牵手”模型,环状8肽相当于一条8肽首尾末端的氨基和羧基再次结合形成一个肽键,即环状8肽的肽键数=(8-1)+1=8。蛋白质的相对分子质量=氨基酸数×氨基酸的平均相对分子质量-脱水数×18(水的相对分子质量),即鹅膏蕈碱的分子量=128×8-8×18=880。故此题选C。
  (三)运用“牵手”模型,突破蛋白质游离氨基或羧基数目计算
  对于此类问题,教师可以引导学生构建如下“牵手”模型:5个同学代表5个氨基酸,左右牵手排成一排就形成5肽;7个同学代表7个氨基酸,左右牵手随机排成两排(如一排4个人,另一排3个人)……   学生参与活动后,都能自行总结出蛋白质游离的氨基或羧基来源于每排首尾末端的左手或右手(每排提供一个氨基和一个羧基)及所有人“头顶”(R基)含的氨基或羧基总数。
  例4 某蛋白质分子由3条多肽链组成,内有肽键109个,则此分子中含有—NH3或—COOH的数目至少为(  )
  A.112,112     B.109,109     C.9,9       D.3,3
  [解析]根据“牵手”模型,此蛋白质游离的氨基或羧基来源于两部分:其一,每条肽链首尾末端各一个氨基和一个羧基,即3条肽链一共提供3个氨基和3个羧基;其二,所有氨基酸R基所含的氨基或羧基。但此题要求“至少”,故第二部分不考慮。因此,本题选择D。
  (四)运用“牵手”模型,解答蛋白质(多肽)种类
  高一新生并未学习数学知识“排列组合”,如按此思路讲解此题,效果可想而知。因此,教师可借助如下“牵手”模型:①在2位同学(A和B)必须都参与的情况下,手牵手站一排有多少种站法?②假如在2位同学有跟自己一样的替身的情况下,手牵手站一排又有多少种站法?
  对于情况①,学生很快发现只有两种看似相同却不同的站法,即A-B和B-A;对于情况②,在A、B同学有替身的情况下,还多出了两种(A-A和B-B),即4种。
  例5 如果有足量的3种氨基酸,分别为甲、乙、丙,则它们能形成的三肽种类以及包含3种氨基酸的三肽种类最多是(  )
  A.9种、9种     B.6种、3种     C.27种、6种     D.3种、3种
  [解析]对于能形成的三肽种类本质上就是情况②,因此是27种;对于包含3种氨基酸的三肽种类本质上就是情况①,因此是6种。故此题选择C。
  综上所述,笔者通过模型构建,极好地攻克了“蛋白质计算”这一难点。学生也在轻松愉悦中获得了知识,更知晓了模型的巧妙、直观等特点,为今后运用模型和构建模型奠定了良好的基础。
  [参 考 文 献]
  [1]朱正威,赵占良.普通高中课程标准实验教科书:生物[M].北京:人民教育出版社,2007.
  (责任编辑:符 洁)
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