巧用教材插圖 連環“話”蛋白質

內蒙古

高中生物教材的每一章節都含有很多插圖，有實物圖、曲線圖、模式圖、物質代謝圖、生命調節過程示意圖、漫畫等類型。與文字相比，教材中的插圖是學生獲取生物學知識的第二語言，它不僅能幫助學生理解較為抽象的生物學概念和知識，還能提高學生觀察圖像、分析和獲取信息的能力。實際上，散布于不同章節的插圖并不是孤立存在的，很多插圖之間會通過一些信息關聯在一起，共同詮釋著生物學中的一些生命現象。在高三的復習課中，如何將這些看似碎片化的插圖有機地結合起來，讓其描述的生命現象如同播放電影一般生動地呈現給學生，讓學生從更寬闊的視角去了解和分析所學知識呢？筆者嘗試從蛋白質的角度入手，將相關插圖進行編排和整理，充分挖掘插圖中的資源，通過更形象的方式幫助學生建立完整的知識體系，該方法有利于加強學生對知識的理解，同時也有助于學生形象思維的培養。

1.基因表達

1.1 模型構建

基因表達包括轉錄和翻譯，形成的終產物為蛋白質。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中對這一部分的學業要求是“結合DNA雙螺旋結構模型，闡明DNA分子作為遺傳物質所具有的特征，以及通過復制、轉錄和翻譯等過程傳遞和表達遺傳信息”。這不僅要求學生能理解基因表達的過程，還要求學生用生命觀念認識基因中的遺傳信息與生物的多樣性、獨特性的關系，形成科學的自然觀，并能夠運用所學的知識解釋基因改變對生物性狀的影響，例如推斷和分析人類相關的遺傳病發生的根本原因，從而在學習過程中逐步完善學生的科學思維。

圖1

如圖1（部分圖省略）以轉錄為起點，以DNA的一條鏈為模板轉錄形成mRNA，在核糖體中以mRNA為模板，氨基酸脫水縮合形成多肽鏈，多肽鏈盤曲折疊形成具有一定空間結構的蛋白質。若轉錄過程發生在真核細胞核中，轉錄形成的mRNA穿過核孔進入細胞質中與核糖體結合，即mRNA只有轉錄完成后才能進行翻譯的過程。但若轉錄過程發生在原核細胞中，由于原核細胞沒有以核膜為界限的細胞核，所以轉錄和翻譯可以同時進行，即邊轉錄邊翻譯（如圖2、圖3）。這是判斷轉錄和翻譯過程發生在原核細胞還是真核細胞中的重要依據。通常，翻譯時一個mRNA分子上可以相繼結合多個核糖體，同時進行多條肽鏈的合成，因此少量的mRNA分子可以逐漸合成出大量的蛋白質，從而提高翻譯的效率。

圖2

圖3

若基因的結構由于一些物理、化學、生物等因素發生改變，從而使得遺傳信息發生改變，基因表達的產物就可能是沒有功能或是功能異常的蛋白質，從而引發人類的一些疾病，如鐮刀型細胞貧血癥就是由于堿基替換導致形成的血紅蛋白異常、紅細胞形態異常，從而表現相關的生物學性狀。由此看來，基因可以通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀。通過圖示教師可以引導學生建立基因和蛋白質之間的知識聯系，并進一步分析由于基因結構改變可能引起的對蛋白質和生物性狀的影響。

1.2 習題訓練

學生通過這樣的方式是否真正掌握這些知識點呢？這時教師可以利用相關習題進行演練，幫助學生進一步消化和吸收知識，并在解答試題過程中，學會將所學知識靈活地應用于不同情境中。

【例1】（2018年，全國卷Ⅲ，第30題）回答下列與蛋白質相關的問題：

（1）生物體中組成蛋白質的基本單位是______________。在細胞中合成蛋白質時，肽鍵是在______________這一細胞器上形成的。合成的蛋白質中有些是分泌蛋白，如________________ （填“胃蛋白酶”“逆轉錄酶”或“酪氨酸酶”）。分泌蛋白從合成至分泌到細胞外需要經過高爾基體，此過程中高爾基體的功能是______________________________________。

（2）通常，細胞內具有正常生物學功能的蛋白質需要有正確的氨基酸序列和__________ 結構。某些物理或化學因素可以導致蛋白質變性，通常，變性的蛋白質易被蛋白酶水解，原因是_________________________________。

（3）如果 DNA 分子發生突變，導致編碼正常血紅蛋白多肽鏈的 mRNA 序列中一個堿基被另一個堿基替換，但未引起血紅蛋白中氨基酸序列的改變，其原因可能是__________________________。

【答案】（1）氨基酸 核糖體 胃蛋白酶對蛋白質進行加工、分類和包裝 （2）空間 蛋白質變性使肽鍵暴露，暴露的肽鍵易與蛋白酶接觸、使蛋白質降解 （3）遺傳密碼具有簡并性

【分析】本題以蛋白質為著眼點，從蛋白質的基本組成單位、合成和加工的場所、性質、相關細胞器的功能及基因與蛋白質的關系等角度入手，著重考查了學生對必備知識的理解和綜合運用能力，關注學科內知識的綜合考查。學生若充分掌握了上段文字中構建的插圖模型，本題解決起來就比較得心應手了。

2.蛋白質的功能

2.1 模型構建

圖4

如圖4（部分圖省略）蛋白質是生命活動的主要承擔者，它的功能取決于氨基酸的種類、數目及其空間結構。千差萬別的蛋白質承擔著多種多樣的生物學功能。許多蛋白質是構成細胞結構和生物體結構的重要物質，稱為結構蛋白，如肌肉、蛛絲、細胞膜等。真核細胞中維持細胞形態、保持細胞內部結構有序性的細胞骨架，是由蛋白質纖維組成的網架結構，與細胞的運動、分裂、分化及物質運輸、能量轉換、信息傳遞等生命活動密切相關；具有催化作用的酶，其化學本質絕大多數為蛋白質，依據生物學中結構決定功能的觀念，蛋白質具有正常的生物學功能的前提是具有正確的空間結構，如果在高溫、強酸、強堿條件下，蛋白質的空間結構被破環，會喪失其功能，酶蛋白也一樣。但并不是只要酶所處的環境發生變化，它的活性就會喪失，如在低溫條件下，酶的活性被抑制，但其空間結構并沒有被破壞，當升高溫度，酶的活性就會恢復，所以酶制劑一般在低溫條件下保存。再比如說，在蛋清中加入食鹽，會看到白色的絮狀物，這是由于食鹽的作用降低了蛋白質的溶解度而使蛋白質析出，但并沒有改變蛋白質的空間結構，所以加水稀釋后，絮狀物就會消失；細胞膜上的蛋白質以不同的“身份”存在，如具有運輸作用的載體蛋白，參與協助擴散和主動運輸，載體蛋白的種類和數量在一定程度上體現了細胞膜的選擇透過性這一功能特點；受體（化學本質是糖蛋白）可以與信號分子激素、淋巴因子、神經遞質等特異性識別、結合，從而參與細胞間的信息交流。由此可知，膜蛋白具有運輸、識別和催化等作用，所以膜蛋白的種類和數量越多，生物膜的功能就越復雜。而且這些膜蛋白在細胞膜上并不是靜止不動的，絕大多數的膜蛋白是可以運動的，這是生物膜具有流動性的一個很重要的原因。1970年，科學家利用紅、綠熒光染料分別標記人和鼠細胞表面的蛋白質，人鼠細胞融合后，兩種顏色的熒光均勻分布，這個實驗有力地證明了這一點。還有很多生物實例也能體現生物膜的流動性，如胞吞、胞吐等。蛋白質作為生物大分子物質，一般也是通過胞吞、胞吐的方式排出細胞的。例如，抗體是在漿細胞內合成、分泌到細胞外起作用的蛋白質，若要研究抗體的合成和分泌過程，可用同位素標記氨基酸，通過放射性出現的順序判斷參與分泌蛋白的合成、加工、運輸的細胞結構，并進一步了解生物膜在結構和功能上的聯系。

2.2 習題訓練

利用教材上的插圖構建的知識體系將蛋白質的功能及其影響因素完整地呈現給學生，結合習題訓練，使學生進一步鞏固和完善知識體系。

【例2】（2018年，天津卷，第3題）生物膜上不同類型的蛋白質行使不同的功能。表中依據膜蛋白功能，對其類型判斷錯誤的是 （ ）

【答案】B

【分析】該題主要從載體、受體、酶及抗原四個角度對膜蛋白進行了考查，受體蛋白能與神經遞質和激素特異性識別并結合，從而參與細胞間的信息交流；載體蛋白參與物質運輸；酶的功能是催化作用，細胞膜上存在ATP泵，不僅具有運輸的作用，也可以催化ATP的水解；癌細胞表面的癌胚抗原，可以引起機體的特異性免疫。因此，能夠準確辨析不同蛋白質的功能是學生能否順利解題的關鍵。蛋白質的功能是蛋白質這部分內容的核心知識點，又與教材中其他章節的知識相互聯系，本題通過這樣的考查形式，引導教師教學要回歸主干知識，加強對核心知識點的理解和運用。

3.建構知識網絡

通過教材插圖展示和習題訓練，學生對蛋白質相關的知識點有了整體的認識和了解，讓學生在此基礎上構建概念模型（如圖5），將所學知識串聯成知識網絡，系統地掌握所學知識。通過插圖展示→講解→構建概念圖的形式，真正做到把書“讀薄→讀厚→讀薄”。

圖5 蛋白質相關知識概念體系

4.完善和補充

從教材插圖到概念圖，仍然不能完整地呈現高中生物中蛋白質的相關知識，但是筆者認為，這一部分的講解并不一定需要面面俱到，可以適當留白，讓學生進行補充和完善。例如，如圖5中的①②③④處均可以填充內容：①處基因突變一定會導致生物性狀改變嗎？基因是如何控制性狀的？②處哪些細胞器參與多肽鏈的盤曲、折疊、加工？所有的蛋白質都需要嗎？有哪些蛋白質需要這些細胞器的參與？③處構成細胞骨架的蛋白質參與物質運輸、能量轉換和信息傳遞等生命活動，類似的功能還與哪些生命現象有關？④處細胞膜流動性除了與蛋白質運動有關，還與細胞膜的哪些物質組成有關，蛋白質和這些物質在空間排布如何？教師也可以通過這樣的問題設置引導學生完善概念圖。

教材中的插圖是重要的教學資源，充分合理利用插圖教學，在一定程度上豐富了學生的認知，拓寬了學生的思維，有助于素質教育的進行，有效提高課堂的教學效率。在復習課中借助插圖為載體構建概念模型，教學效果也是顯而易見的。