“蛋白質(zhì)”相關(guān)計(jì)算的教學(xué)思路

唐謹(jǐn)丁

(廣西貴港市高級(jí)中學(xué) 537000)

人教版高中生物學(xué)教材中“生命活動(dòng)的主要承擔(dān)著——蛋白質(zhì)”這節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)在氨基酸結(jié)構(gòu)通式的推斷，其涉及生物與化學(xué)結(jié)合的相關(guān)知識(shí)，而有關(guān)蛋白質(zhì)的相關(guān)計(jì)算是本節(jié)的一個(gè)難點(diǎn)。本文圍繞教學(xué)中學(xué)生存在諸多疑問(wèn)的幾個(gè)問(wèn)題，提供教學(xué)設(shè)計(jì)思路如下。

1 化學(xué)知識(shí)解釋氨基酸通式的由來(lái)

為什么氨基酸的通式寫(xiě)成如圖1，這些化學(xué)鍵有什么意義？盡管學(xué)生在高一階段就涉及高中生物學(xué)課程，但他們還未學(xué)過(guò)有機(jī)化學(xué)，對(duì)于氨基酸通式的書(shū)寫(xiě)不甚了解。為此，可將初中學(xué)過(guò)化學(xué)知識(shí)與氨基酸通式結(jié)合起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生回憶有關(guān)通式中各種原子最外層電子數(shù)的排列情況(圖2)，其最外層電子要達(dá)到多少才能滿(mǎn)足穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖1 氨基酸的通式

圖2 有關(guān)各原子的最外層電子數(shù)排列情況

在明確除氫原子最外層需2個(gè)電子就能達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)外，其他原子，如碳原子，氧原子和氮原子，最外層滿(mǎn)8個(gè)電子才能達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由于這些原子本身最外層達(dá)不到8個(gè)，在與其他原子結(jié)合的過(guò)程中，會(huì)通過(guò)共用電子對(duì)的形式來(lái)達(dá)成最外層滿(mǎn)8個(gè)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共用電子對(duì)之間的化學(xué)鍵就是共價(jià)鍵。因此碳原子最外層本身有4個(gè)電子，還需得到4個(gè)電子才能達(dá)到飽和，形成4個(gè)共價(jià)鍵。以此類(lèi)推，氮原子可形成3個(gè)共價(jià)鍵連接其他原子，氧原子2個(gè)，氫原子可形成1個(gè)共價(jià)鍵。

由此，讓學(xué)生不僅理解氨基酸通式的結(jié)構(gòu)，還能正確書(shū)寫(xiě)，為即將學(xué)習(xí)的脫水縮合過(guò)程，肽鍵的形成與正確書(shū)寫(xiě)，做了鋪墊。

2 數(shù)學(xué)模型建構(gòu)與圖文分析策略解決有關(guān)蛋白質(zhì)的計(jì)算

2.1 有關(guān)肽鏈中的肽鍵數(shù)、水分子數(shù)與氨基酸個(gè)數(shù)的關(guān)系推導(dǎo) 如圖3所示，氨基酸與肽鍵通過(guò)脫水縮合作用，兩個(gè)氨基酸形成二肽；在此基礎(chǔ)上，再加一個(gè)氨基酸脫水縮合接著形成三肽；依次類(lèi)推，最后得到多肽；多肽經(jīng)過(guò)盤(pán)旋折疊最終形成蛋白質(zhì)。其中有些蛋白質(zhì)由一條多肽鏈構(gòu)成；有些蛋白質(zhì)由幾條多肽鏈盤(pán)旋折疊形成。通過(guò)教師引導(dǎo)，并讓學(xué)生分析肽鏈結(jié)構(gòu)，在表格中填寫(xiě)氨基酸數(shù)和肽鏈數(shù)，肽鍵數(shù)與脫去的水分子的個(gè)數(shù)，推斷出它們之間的關(guān)系。推斷出氨基酸、肽鏈數(shù)，肽鍵數(shù)與脫去的水分子數(shù)之間的關(guān)系為：肽鍵數(shù)=脫去的水分子數(shù)=氨基酸數(shù)-肽鏈數(shù)。

表1 氨基酸、肽鍵、肽鏈與水分子數(shù)的關(guān)系

圖3 氨基酸數(shù)與肽鏈數(shù)，肽鍵數(shù)與水分子數(shù)之間的關(guān)系

2.2 蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算 結(jié)合教材內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生分析游離的氨基酸，在進(jìn)行脫水縮合形成肽鏈的過(guò)程中，少了哪些物質(zhì)？如果在已知游離氨基酸的平均相對(duì)分子質(zhì)量和氨基酸個(gè)數(shù)的情況下，如何計(jì)算出新形成多肽鏈的相對(duì)分子質(zhì)量？

學(xué)生通過(guò)之前的學(xué)習(xí)，已經(jīng)知道脫水縮合過(guò)程，水分子被脫掉了，因此少了水分子的質(zhì)量。那么在已知氨基酸的相關(guān)信息下，按照數(shù)學(xué)邏輯思維的推導(dǎo)，新形成肽鏈的相對(duì)分子質(zhì)量等于游離氨基酸的平均分子質(zhì)量乘以形成肽鏈所需的氨基酸數(shù)目減去脫掉的水分子數(shù)乘以水分子質(zhì)量。即蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量=(氨基酸數(shù)×氨基酸的平均分子量)-(失去的水分子數(shù)×水的分子量)。

2.3 有關(guān)蛋白質(zhì)中各原子數(shù)的的計(jì)算 引導(dǎo)學(xué)生觀察圖4這條多肽鏈的特點(diǎn)，讓學(xué)生思考：肽鏈中哪些地方含有氧原子？如何計(jì)算出整條多肽鏈的氧原子數(shù)？

圖4 脫水縮合形成的多肽鏈

學(xué)生通過(guò)觀察并分析，最終得出肽鍵上存在一個(gè)氧原子，一條多肽鏈的末端存在兩個(gè)氧原子，還有R基上也可能存在氧原子。因此，可以推斷出整條多肽鏈的氧原子數(shù)為：氧原子數(shù)=肽鍵數(shù)+肽鏈數(shù)×2+R基上的氧原子。

按照此思路引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)分析多肽鏈中的氮原子數(shù)，學(xué)生通過(guò)觀察最終總結(jié)出：氮原子數(shù)=肽鍵數(shù)+肽鏈數(shù)×1+R基上的氮原子

2.4 有關(guān)肽鏈中游離氨基和游離羧基的計(jì)算 繼續(xù)讓學(xué)生觀察圖4并思考，如何計(jì)算出這條多肽鏈中所有游離氨基(—NH2)和游離羧基(—COOH)的個(gè)數(shù)？

學(xué)生通過(guò)觀察和分析圖4發(fā)現(xiàn)，氨基酸脫水縮合形成多肽鏈之后，每個(gè)氨基酸之間已由肽鍵相連，除末端之外，有可能存在游離氨基(—NH2)和游離羧基(—COOH)的地方只有側(cè)鏈基團(tuán)R基，其他地方再無(wú)游離的氨基和羧基。由此推斷出：氨基(羧基)數(shù)目=肽鏈數(shù)+R基氨基(羧基)數(shù)。

2.5 關(guān)于“至少含有多少個(gè)游離氨基和羧基”的計(jì)算 在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生分析圖4，在一條多肽鏈上，能確定下來(lái)的至少含有多少個(gè)游離氨基(—NH2)和游離羧基(—COOH)？如果是兩條肽鏈呢？3條或者多條呢？

學(xué)生在觀察肽鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析得出R基團(tuán)上不能確定是否有游離氨基和游離羧基的情況下，只有多肽鏈末端存在這些基團(tuán)。因此推斷，1條多肽鏈中，能確定下來(lái)的至少含有1個(gè)游離的氨基和1個(gè)游離的羧基在其末端，兩條多肽鏈中至少有2個(gè)，3條多肽鏈有3個(gè)。以此類(lèi)推，得出：至少含有的氨基酸數(shù)=肽鏈數(shù)；至少含有的羧基數(shù)=肽鏈數(shù)。