“氨基酸組成蛋白質”動態學具的制作與使用

鄭彬瓊 （莆田市秀嶼區教師進修學校 福建莆田 351146）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）倡導通過歸納與概括、模型與建模等方法闡釋分子與細胞等相關概念的內涵，建議設置恰當的探究性學習活動達成科學思維等生物學學科核心素養[1]。“蛋白質是生命活動的主要承擔者”是2019年6月第1 版普通高中生物學（人教版）第2 章第4 節的教學內容，在實際教學過程中，由于高一學生缺乏有機化學知識基礎，因此，缺乏氨基酸三維空間結構想象力，對氨基酸空間結構的理解只停留在教材中的平面結構模式，甚至不少學生上完本節課后依然認為H2N-CH2-COOH 和HOOC-CH2-NH2是不同的氨基酸，經過訪談得知學生誤以為必須與教材中的一樣，氨基酸的氨基必須在左側、羧基在右側。因此，探索制作可拼接的三維學具，并通過小組合作的方式，完成模擬“氨基酸組成蛋白質”的動態過程，以突破教學難點[2]，讓學生在“做中學、做中思、做中悟”，從平面轉立體、以實踐代替講授、化抽象為形象培養科學思維，從分子水平構建結構與功能相適應的生命觀念[3]。

1 探究氨基酸的結構特點

1.1 制作可拼接氨基酸立體模型 材料準備：直徑1 cm 的泡泡球、打印紙、彩色卡紙、鐵線、雙面膠、牙簽等。用畫圖工具或手工繪制組成氨基酸的4 種基團—H（藍色）、—COOH（紅色）、—NH2（綠色）、R 基（黑色），在泡泡球的中間用黑色水筆標記C，代表碳原子。打印并分別剪下4 種化學基團，用雙面膠固定牙簽代表化學鍵（圖1），其中—COOH、—NH2、—CH2—SH 這3 種化學基團需要剪下與相應基團等比的卡片用雙面膠固定，以便制作部分空心夾層形成可拼接的結構（圖2）。1.2 教學應用 教學實踐中學生常困惑于組成氨基酸的4 個基團是如何連接在同1 個碳原子上？如何理解組成氨基酸的基團中至少有1 個氨基和1 個羧基？學生4 人1 組，閱讀教材第29 頁的資料，運用—H、—COOH、—NH2和側鏈基團組裝具有三維空間結構的氨基酸（圖3），通過旋轉氨基酸三維模型，從不同角度觀察其結構，完成氨基酸平面結構到立體結構的概念轉變，更直觀地理解氨基酸的結構特點。要求學生用藍筆圈出表1 中每種氨基酸的相同結構，用紅筆圈出每種氨基酸的特殊結構并用R 表示，總結并寫出氨基酸的結構通式，小組成員間互相評價、修正。

圖1 組成氨基酸的基團

圖2 可拼接的氨基酸基團

圖3 半胱氨酸立體模型

最后合作小組共同分析每種氨基酸中的氨基數和羧基數。分析表1 數據，學生發現有的氨基酸，例如，賴氨酸有2 個氨基和1 個羧基，天冬氨酸有2 個羧基和1 個氨基，通過比較分析，學生總結出每種氨基酸都至少有1 個氨基和1 個羧基。學生在獨立思考的基礎上，通過合作學習進一步理解氨基酸概念的內涵。

表1 氨基酸結構通式

以氨基酸三維學具模型制作創設探究性的學習情境，讓學生親自實踐，運用獨立思考與合作學習相結合的學習策略，基于學生的化學學科知識儲備和認知規律，設計簡單到復雜的學具制作任務，再讓學生通過觀察比較21 種氨基酸的模型總結出氨基酸的結構特點，建立氨基酸的抽象的空間結構模型概念，突破教學難點。在此學習過程中，培養學生的實踐和合作交流能力。

2 探究氨基酸脫水縮合過程

2.1 二肽和多肽立體模型制作

1）選擇2 個已制作好的氨基酸模型，拆卸其中一個氨基酸模型中—CO—OH 基團的—OH，再拆卸另一個氨基酸模型中—NH—H 基團的—H。

2）將氨基酸模型—CO—中代表化學鍵的長方形小紙片插入另一個氨基酸的—NH—基團中的空心夾層，結合形成—CO—NH—，2 個氨基酸模型通過肽鍵結合在一起形成二肽，同時脫去1 分子的水（圖4）。

圖4 氨基酸脫水縮合形成二肽示意圖

3）按照步驟2 將剩余的氨基酸模型都經過脫水縮合成多肽鏈。

2.2 教學應用 學生對于氨基酸脫水縮合的過程很感興趣，但很難理解2 個氨基酸分子在脫水縮合過程中如何脫去—OH 和—H、肽鍵的形成等問題。因此，根據教材中圖2-10 氨基酸脫水縮合示意圖，利用之前制作的可拼接的氨基酸模型，模擬氨基酸脫水縮合形成二肽的過程（圖4），讓學生指出模型中肽鍵的位置，并重復氨基酸脫水縮合的過程形成三肽、四肽、五肽。學生先計算二肽、三肽、四肽和五肽的形成過程中脫去的水分子數和肽鍵數，可總結得出氨基酸在脫水縮合形成多肽的過程中脫去的水分子數與肽鍵數的數量關系。

經過初中階段的生物學課程學習，學生已知蛋白質在消化系統內最終分解成氨基酸被人體吸收，但對蛋白質的水解過程尚不清楚，因此，讓學生將二肽（圖4）脫去的—H 和—OH 重新組裝到原來的氨基酸殘基上，形成2 個氨基酸，模擬蛋白質的水解過程。

通過模型的制作、拆卸、組裝及氨基酸脫水縮合形成多肽，學生不但獲得直觀性體驗，更能將這種體驗融入到自己的知識體系中，從而對氨基酸分子的空間結構及脫水縮合的過程理解更到位，培養其運用推演、計算的方法解決學習情境中的問題，以及動手操作能力和逆向思維。

3 探究蛋白質結構多樣性的原因

3.1 人胰島素立體模型制作

1）制作2個—COOH、2個—NH2和6個—CH2S—H基團，其中—CH2—SH 中的S—H 之間制作成可拼接的結構。

2）取21 個直徑為1 cm 的泡泡球用鐵絲連接成1 條鏈，并在每個泡泡球上貼上所代表氨基酸名稱構建人胰島素A 鏈框架。另取30 個泡泡球用鐵絲連接成1 條鏈，同樣貼上所代表的氨基酸名稱構建人胰島素B 鏈框架（圖5）。

圖5 人胰島素A、B 鏈和3 種化學基團

3）取出A 鏈，將4 個—CH2—H 基團的鐵絲插到4 個代表半胱氨酸的泡沫球上，將2 個—CH2—H 基團鐵絲插到另外1 條多肽鏈中的2 個半胱氨酸的泡沫球上，最后分別將—COOH 和—N2H 基團的鐵絲接入每條多肽鏈首、尾2 個的泡沫球里，完成組成人胰島素A 鏈和B 鏈2 條多肽鏈的構建（圖6）。

圖6 人胰島素A 鏈和B 鏈模型

3.2 教學應用 學生很難理解組成人胰島素的A、B 2 條多肽鏈是通過哪些特殊結構結合在一起的？組成蛋白質2 條或多條肽鏈如何彎曲、折疊形成具有一定空間結構的蛋白質？針對這2 個問題，先讓學生觀察教材第30 頁中的圖2-11“某種胰島素的二硫鍵示意圖”，合作小組取出已制作完成的人胰島素A 鏈和B 鏈，將A 鏈中A6 和A11的半胱氨酸中—CH2—S—H 各脫去1 個—H 形成二硫鍵，用同樣的方法在A7 和B7、A20 和B19 的位置再形成2 個二硫鍵，通過這3 個二硫鍵人胰島素的A 鏈和B 鏈結合在一起（圖7）；讓學生將此模型進一步盤曲、折疊形成更復雜的三維結構（圖8），并討論分析除了形成二硫鍵以外，肽鏈可折疊為更復雜的三維結構的原因；最后，讓學生分享模型構建過程并運用構建的模型解釋為什么蛋白質結構具有多樣性。

圖7 人胰島素二硫鍵示意圖

圖8 人胰島素三維結構模型

學生利用鐵絲和泡沫實心球自主探究人胰島素三維空間結構形成過程，使抽象的空間結構形象化。設計活動讓學生運用氨基酸脫水縮合的概念合作完成人胰島素A、B 2 條多肽鏈間3 個二硫鍵的形成，訓練知識遷移能力，加深對肽鍵、氫鍵、二硫鍵等化學鍵的理解，跨越學科知識障礙，實現不同學科之間知識的融合，同時培養學生的動手能力和團隊協作能力。

4 反思

“氨基酸組成蛋白質”動態學具在教學中的應用通過“氨基酸分子物理模型—氨基酸分子脫水縮合動態模型—胰島素分子物理模型”的構建，讓學生在實踐與合作中運用直觀模型輔助學習新知識，滲透數學的統計學思想，在此過程中還涉及歸納、概括、解釋、推斷、預測等能力的培養，訓練學生運用系統性的科學思維解決問題，這些基本上屬于科學思維中水平一至水平四的范疇。

這些教具的設計和應用是依據課程標準對科學思維4 個素養水平的闡述而展開的，但在課堂教學中，如何通過合理的時間安排和恰當的教學活動，引導學生從基礎的歸納、演繹科學思維到建模的創造性高級科學思維，是值得一線教師繼續研究的問題。