構(gòu)建模型 巧解蛋白質(zhì)計(jì)算難題

涂寬 林楠

[摘 要]蛋白質(zhì)計(jì)算”屬于高中生物必修1第二章第二節(jié)“生命活動的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”一節(jié)的難點(diǎn)內(nèi)容。通過建構(gòu)“人體”和“牽手”模型，可以很好地解決教師和學(xué)生的困擾——構(gòu)建“人體”模型，展示氨基酸結(jié)構(gòu);構(gòu)建“牽手”模型，模擬氨基酸形成蛋白質(zhì)。學(xué)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(diǎn)，為今后運(yùn)用模型和構(gòu)建模型奠定了良好的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]高中生物;蛋白質(zhì)計(jì)算;構(gòu)建模型

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)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(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）在生物科學(xué)核心素養(yǎng)部分強(qiáng)調(diào)：學(xué)生應(yīng)運(yùn)用模型與建模等方法，逐步發(fā)展科學(xué)思維。而“蛋白質(zhì)計(jì)算”這一部分知識正是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、提升生物學(xué)科核心素養(yǎng)的素材之一。

“蛋白質(zhì)計(jì)算”這一部分知識對于剛剛升入高中的學(xué)生來說，其抽象、陌生、復(fù)雜的知識特點(diǎn)讓人望而生畏。大多數(shù)情況下，教師會采用結(jié)合蛋白質(zhì)脫水縮合原理，間接或直接總結(jié)出計(jì)算公式的教學(xué)思路，或采用補(bǔ)充大量學(xué)生陌生的有機(jī)化學(xué)知識，試圖通過生物知識和化學(xué)知識結(jié)合來解決此類問題的教學(xué)思路。但不管哪種教學(xué)思路，其教學(xué)效果都不好。筆者在教學(xué)實(shí)踐中，通過建構(gòu)“人體”和“牽手”模型，很好地解決了教師和學(xué)生的困擾。

一、構(gòu)建模型，夯實(shí)基礎(chǔ)

（一）構(gòu)建“人體”模型，展示氨基酸結(jié)構(gòu)

學(xué)生在學(xué)完氨基酸的結(jié)構(gòu)通式之后（見圖1），教師便可引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“人體”模型（見圖2）。

師（總結(jié)）：“左手為氨基，右手為羧基，腳踩一個氫，頭頂R基”（見圖3）。

師（強(qiáng)調(diào)）：正因?yàn)槊總€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(xué)生自主構(gòu)建完成氨基酸通式結(jié)構(gòu)“人體”模型，不僅克服了對有機(jī)化學(xué)知識空白的恐懼，夯實(shí)了氨基酸結(jié)構(gòu)知識，還增強(qiáng)了對該部分知識的興趣，為“蛋白質(zhì)計(jì)算”奠定了良好的基礎(chǔ)。

（二）構(gòu)建“牽手”模型，模擬氨基酸形成蛋白質(zhì)

學(xué)生在學(xué)完氨基酸之間結(jié)合方式——脫水縮合原理之后，教師便可引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“氨基酸之間的結(jié)合如同人與人的左手牽右手”的“牽手”模型，并以學(xué)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(xué)生在自主構(gòu)建出“牽手”模型后，教師可引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出“牽手?jǐn)?shù)=肽鍵數(shù)=脫水?dāng)?shù)”“一條肽鏈?zhǔn)孜材┒艘欢ㄊ怯坞x的氨基和游離的羧基”“游離的氨基或羧基總數(shù)=首尾末端的左手或右手一個+頭頂?shù)陌被螋然倲?shù)（即R基包含的氨基或羧基總個數(shù)）”等結(jié)論。于是，學(xué)生在歡聲笑語中輕松愉快地夯實(shí)了基礎(chǔ)。

二、運(yùn)用模型，破解難題

（一）運(yùn)用“人體”模型，破解氨基酸判定

學(xué)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(dǎo)學(xué)生總結(jié)出判定氨基酸的關(guān)鍵在于找準(zhǔn)“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(zhì)中，屬于構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸的是（? ）

[解析]根據(jù)“人體”模型，A選項(xiàng)中從左到右第一個C原子是中心C原子;B選項(xiàng)由于沒有羧基，故不屬于氨基酸;C選項(xiàng)和D選項(xiàng)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(yùn)用“牽手”模型，總結(jié)蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)、肽鏈數(shù)、肽鍵數(shù)和脫水?dāng)?shù)關(guān)系

學(xué)生在熟練掌握氨基酸“人體”模型后，教師便可引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“牽手”模型并總結(jié)出“牽手?jǐn)?shù)=肽鍵數(shù)=脫水?dāng)?shù)”的規(guī)律。此時(shí)，教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考“m個人牽手形成一排，牽手?jǐn)?shù)是多少”“m個人牽手形成兩排，牽手?jǐn)?shù)是多少”及“m個人牽手形成n排，牽手?jǐn)?shù)是多少”等問題。

問題層層深入，直觀化教學(xué)更是將抽象的知識變得更為具體，學(xué)生也學(xué)得輕松。經(jīng)過短暫的思考，學(xué)生便會總結(jié)出：①m個人牽手形成一排，牽手?jǐn)?shù)=m-1;②m個人牽手形成2排，牽手?jǐn)?shù)可看成在①情境下，其中有一處牽手分開了，即牽手?jǐn)?shù)=m-1-1=m-2;③m個人牽手形成n排，牽手?jǐn)?shù)可看成在①情境下，其中有n-1處牽手分開了，即牽手?jǐn)?shù)=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(zhì)分子時(shí)，脫下的水分子數(shù)和形成的肽鍵數(shù)目分別是（? ）

A.574和573? ? B.573和573? ? C.570和573? ? D.570和570

[解析]根據(jù)“牽手”模型，肽鍵數(shù)=脫水?dāng)?shù)=氨基酸數(shù)-肽鏈數(shù)，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(huán)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(jù)“牽手”模型，環(huán)狀8肽相當(dāng)于一條8肽首尾末端的氨基和羧基再次結(jié)合形成一個肽鍵，即環(huán)狀8肽的肽鍵數(shù)=（8-1）+1=8。蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量=氨基酸數(shù)×氨基酸的平均相對分子質(zhì)量-脫水?dāng)?shù)×18（水的相對分子質(zhì)量），即鵝膏蕈堿的分子量=128×8-8×18=880。故此題選C。

（三）運(yùn)用“牽手”模型，突破蛋白質(zhì)游離氨基或羧基數(shù)目計(jì)算

對于此類問題，教師可以引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建如下“牽手”模型：5個同學(xué)代表5個氨基酸，左右牽手排成一排就形成5肽;7個同學(xué)代表7個氨基酸，左右牽手隨機(jī)排成兩排（如一排4個人，另一排3個人）……

學(xué)生參與活動后，都能自行總結(jié)出蛋白質(zhì)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(shù)。

例4 某蛋白質(zhì)分子由3條多肽鏈組成，內(nèi)有肽鍵109個，則此分子中含有—NH3或—COOH的數(shù)目至少為（? ）

A.112，112? ? ?B.109，109? ? ?C.9，9? ? ? ?D.3，3

[解析]根據(jù)“牽手”模型，此蛋白質(zhì)游離的氨基或羧基來源于兩部分：其一，每條肽鏈?zhǔn)孜材┒烁饕粋€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(yùn)用“牽手”模型，解答蛋白質(zhì)（多肽）種類

高一新生并未學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)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(xué)（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(xué)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(xué)生很快發(fā)現(xiàn)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(xué)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(zhì)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(zhì)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(gòu)建，極好地攻克了“蛋白質(zhì)計(jì)算”這一難點(diǎn)。學(xué)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(diǎn)，為今后運(yùn)用模型和構(gòu)建模型奠定了良好的基礎(chǔ)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]朱正威，趙占良.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書：生物[M].北京：人民教育出版社，2007.

（責(zé)任編輯：符 潔）