有关蛋白质计算教学的突破

发布者：生物梁光明     发布时间：2015-11-01    浏览数：58

 

有关蛋白质计算教学的突破

梁光明  （广东省深圳市第二高级中学  518055）

摘要：通过基础练习、游戏情境、实例情境搭建“脚手架”，引导学生主动建构数学模型，灵活运用数学模型解决复杂问题，从而高效突破有关蛋白质计算这一教学难点。

关键词：“脚手架” 主动建构  数学模型 

“支架式”教学是以维果茨基的“最近发展区”理论为基础的一种新的建构主义教学模式。在这一教学模式中，教师作为学生学习的帮助者和促进者，主要着眼于学生的“最近发展区”创设探究活动情境以搭建 “脚手架”，帮助学生主动建构能使其从事更高认知活动的技能，促进学生从现有发展水平跨入潜在发展水平。高中生物中有关蛋白质的计算问题比较复杂，学生在解答这一类问题时感到很困难，是个教学难点，笔者以“支架式”教学模式进行教学，有效地突破了这一难点。

1   规范解答基础题，深化对概念的理解，为解决复杂问题奠定基础

正确理解和清晰地记住基本概念和规律是迅速解答复杂计算题的基础，规范解答精选的基础练习可促进学生全面深刻地理解基本概念，提高学生运用生物学术语表达思想的能力，因此我首先要求学生解答以下3道基础题。

（1）氨基酸的通式可表示为                     ；

（2）下列物质中属于氨基酸的是（   ）

A、NH₂ —CH₂—COOH             B、NH₂ —CH₂—CH₂OH

COOH

NH2

C、NH₂ —CH—(CH₂)₂—COOH      D、HOOC—CH—CH₂—COOH

CH2

SH

CH3

（3）写出由NH₂ —CH—COOH和NH₂—CH—COOH这两个氨基酸形成

的二肽是（写出结构简式）                                   ，氨基酸相互结合的方式是：           。肽键可表示为        。

学生在做题过程中，由于相关化学知识不足，出现了一些错误，如有的把R基连在羧基的碳原子上，有的中心碳原子上没有连接H原子，二肽连接方式书写错误或只能写出一种二肽等。为了让学生透彻理解氨基酸的特点及多肽的形成过程，我将学生的错误答案展示出来，供全班讨论。在讨论中我从“每个碳原子须与其它原子或原子团形成四个化学键才稳定”这一角度予以引导，使学生从化学原理上理解了氨基酸的结构特点和正确的书写形式，而不是死记硬背。对于第（3）题，先要求学生改变两个氨基酸的排列顺序进行书写，再观察比较两种二肽，使学生深刻理解了两种不同氨基酸排列顺序不同所形成的二肽不同。在此基础上提出稍复杂的第（4）题。

（4）根据以下化合物的结构示意图，回答问题：

上述结构中氨基是（   ）；羧基是（   ）；肽键是（    ）；该化合物称_____肽，由____种氨基酸组成。

通过该题的训练，使学生学会在复杂的肽链结构中识别出氨基、羧基、肽键和氨基酸的种类，为后面的计算奠定基础。

2   以游戏情境搭建“脚手架”，建构数学模型，运用数学模型解决复杂问题

在已知肽链数和构成肽链的氨基酸总数，求肽键数、脱下的水分子数、氨基和羧基数的最小值。由于高一学生空间想象能力不够强，对解这一类问题往往有思维障碍。为了帮助学生探究解答该类题型的规律，我设计了一个耗时很短且极为简单的小游戏。把一个人类比为一个氨基酸，躯干为中心碳原子，左手为羧基，右手为氨基，头为氢，腿为侧链基团。先请3位同学上台站成一横排，第1位同学的左手握住第2位同学的右手。一个握手连接相当于一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键。第2位的左手握住第3位的右手。问这一由3个氨基酸形成的肽链有几个肽键？脱下几个水分子，在不考虑侧链基团的情况下，主链上还有几个氨基，几个羧基？因直观形象，学生一看就得出了答案。然后追问，如果考虑侧链基团，则肽链上至少有多少个氨基、羧基？这一问，学生马上明白了无论侧链基团有没有氨基和羧基，但一条肽链上至少有一个氨基、一个羧基。后请4位同学上台站成一排，按前述方法握手。问同样问题，学生更快说出了答案。接着提出深一层的问题，如果1条肽链由n个氨基酸构成，那么该肽链含有的肽键数（X）？合成该肽链时脱下的水分子数（Y），该肽链至少含有的氨基数（Z）和羧基数（W）各是多少？学生有了前面通过游戏所形成的认识基础，都能较顺利地推导出X=Y=n－1，Z=W=1。再提出更抽象的问题，如果某一蛋白质分子由m条肽链构成，含有n个氨基酸，那么，该蛋白质含有的肽键数（X），脱下的水分子数（Y），至少含有的氨基数（Z）和羧基数（W）各是多少？学生经过观察台上的两排同学（代表两条肽链），思考、讨论就发现一个规律：1条肽链的肽键数是：氨基酸数-1，至少有氨基、羧基各1个；2条肽链的肽键数是：氨基酸数-2，至少有氨基、羧基各2个；运用数学归纳法即可推导出上题的答案：X=Y=n－m，Z=W=m。

这样通过简单游戏所形成的认识，为学生主动建构抽象数学模型搭建了一个坚实的“脚手架”，扫除了空间想象能力不够的障碍，使学生在愉快的氛围中思考、讨论，很快地解决了复杂问题。然后选2道题对这一数学模型予以应用和拓展，进一步熟悉解题方法。

（5）人体免疫球蛋白中，IgG由4条肽链构成，共有764个氨基酸，则该蛋白质分子中至少含有氨基和羧基数分别是（     ）

A、764和764     B、760和760    C、762和762    D、4和4

（6）现有氨基酸800个，其中氨基总数为810个，羧基总数为808个，则由这些氨基酸合成的含有两条肽链的蛋白质共有肽键、氨基和羧基的数目依次分别为（      ）

A、798、2和2                 B、798、12和10  

C、799、1和1                 D、799、11和9

第（5）题的目的是让学生能够正确排除干扰因素，运用相应的公式来进行计算，学生不感困难。第（6）题大多数学生一下子找不到思路，我便适时予以引导。可先不考虑侧链基团，用公式求出该蛋白质肽键数，主链上的氨基数、羧基数，再考虑侧链基团。学生经此引导，思维一下子被激活了，经过相互讨论不仅顺利地解答了此题，而且学会了分解复杂问题，化繁为简，由简单到复杂，分层解决复杂问题的科学方法。

    学生有了前面的基础，我便顺势把学生的思维向深层推进，让学生灵活运用这一数学模型去计算蛋白质的相对分子质量，以培养学生思维的灵活性。出示以下两道题：

（7）现已知构成蛋白质的氨基酸共20种，它们的平均相对分子质量为128，由50个氨基酸形成的某一条多肽链的相对分子质量是（   ）

A、6400        B、2560        C、5518        D、2218

（8）某蛋白质的相对分子质量为12392，在合成这个蛋白质分子的过程中，脱水量为1944，假设氨基酸的平均相对分子质量为128，则该蛋白质分子含有几条肽链（   ）

A、2条       B、3条       C、4条      D、5条

    通过解答（7）（8）两题，有部分学生还模仿前面所学方法，总结出了计算蛋白质相对分子质量的数学模型，蛋白质相对分子质量＝氨基酸数×氨基酸平均相对分子质量－（氨基酸数－肽链数）×18。学生主动建构数学模型这一动态生成，充分说明给予学生适当的“架手架”，他们就能达到理想高度，创造出令人欣喜的成果。

3   以直观的实例情境搭建“脚手架”，建构数学模型，运用数学模型解决复杂问题

在已知蛋白质的化学式，求蛋白质中的肽键数、氨基数和羧基数，或已知蛋白质的化学式及其水解产物，求该蛋白质由多少个某氨基酸构成的？这一类型的题，学生往往不知从何下手。为了解决这一类难题，我是先设置一个简单直观的实例，供学生分析，主动建构数学模型，然后用数学模型去解这一类复杂的问题，收到了事半功倍的效果。

（9）已知肽链的结构式如下图，请仔细分析回答问题：

—C

H

H

— C —

O

N —

H

C—

CH3

H

COOH

— C —

O

N—

H

C —

H

CH2

C

O

NH2

— C —

O

N —

H

H

CH2

C

COOH

NH2

①该肽链中氨基酸数(n)是    ；不考虑R基，该肽链中氮原子数(a)是    ，与氨基酸数(n)的数学关系是　         。考虑R基，该肽链中氮原子数(a)是    ，与氨基酸数(n)的数学关系是            。

②不考虑R基，该肽链中氧原子数(b)是    ，与氨基酸数(n)的数学关系是            。考虑R基，该肽链中氧原子数(b)是    ，与氨基酸数(n)的数学关系是            。

    学生通过观察分析和数数，即可轻松得出该肽链中氨基酸数和氮、氧原子数。通过简单推导即可得出在不考虑R基时，氮、氧原子数与氨基酸数的数学关系是： a＝n，b＝n＋1；考虑R基时，a＝n＋R基上的氮原子数，b＝n＋1＋R基上的氧原子数。可见，有了简单直观实例作“脚手架”，学生便可轻松得出1条肽链中氮、氧原子数与氨基酸数的数学模型。然后精选2道题，以培养学生灵活运用数学模型解决复杂问题的能力。

（10）已知天冬酰胺的R基为(—C₂H₄ON)，现有分子式为C₆₃H₁₀₃O₄₅N₁₇S₂的一条多肽链，其中含有2个天冬酰胺。在上述多肽链中肽键最多有（    ）

A．17个        B．16个         C．13个         D．14个

（11）某一多肽分子式为C₄₂H₆₅N₁₁O₉，它彻底水解后只得到如下3种氨基酸，则此多肽中含有赖氨酸的个数为       。

H2N  CH2  (CH2)3   CH  COOH                   NH2

CH2  CH  COOH      NH2

CH₂COOH                                                      

甘氨酸

赖氨酸

NH₂

苯丙氨酸

x+y+z =9-1 x+y+2z=11

对于这两道题，如果学生没有建立起多肽链中氮、氧原子数与氨基酸数关系的数学模型，很难找到解题思路。而有了这一数学模型，难题就变得很容易了。如（10）题，由题意可知，该多肽含有2个R基为(—C₂H₄ON)的天冬酰胺，说明R基上至少有2个Ｎ原子，根据a＝n＋R基上的氮原子数，即可算出最多氨基酸数，再根据肽键数＝氨基酸数－肽链数公式进行计算，即可得到答案。（11）题是在（10）题基础上的进一步拓展，同样可依据1条肽链中氮、氧原子数和氨基酸数的数学模型来解。先设该多肽链中含有x个苷氨酸，y个苯丙氨酸，z个赖氨酸，再找出各种氨基酸R基上的氮、氧原子数，从各氨基酸的结构式可以看出赖氨酸的R基中含有1个氮原子，其余两种氨基酸的R基中均无氮、氧原子，则可列出方程：                 解该方程就解决了这一难题。