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ATP模型建構與ADP轉化創新教法

2018-01-16 17:39:50王燕
中學生物學 2017年11期

王燕

摘 要 通過對“細胞的能量通貨——ATP”這一節的教材分析,聯系教學實際,提出幾點具體教學建議。用問題探究導入ATP的功能,再從功能入手,組織學生構建ATP的結構模型,最后利用改編后的高考題引導學生思考ATP與ADP之間的轉化關系。通過調整課本知識呈現順序,同時利用視頻播放、實物演示、小組討論等方法尋求ATP這一節的新式教法,激發學生自主探究的熱情。

關鍵詞 ATP ADP 模型構建 自主探究

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

“細胞的能量通貨——ATP”是人教版必修1第五章“細胞的能量供應和利用”第二節的內容。教材呈現順序是先從ATP的結構入手再到ATP的功能,直接介紹ATP的化學結構,從而揭示其作為能量“通貨”的原因。而實際教學中,教師可調整內容,按照結構決定功能的思路,先介紹ATP的功能,再揭示ATP的結構,更符合學生認知順序。

1 學習ATP的功能

1.1 用問題探究導入

教師聯系學生的生活實際“在現在的生活區域很少見到螢火蟲”,組織學生討論螢火蟲消失的原因,激發學生自主探究的熱情。教師可播放視頻,解釋原因:一方面是水污染影響了螢火蟲的攝食和幼蟲的發育;另一方面是光污染影響了螢火蟲的繁殖。在激發學生保護環境意識的同時,解釋螢火蟲發光的原因和機制:螢火蟲發出信號,進行交配,并進行警戒。雌性和雄性通過發出不同頻率的光互相吸引,一旦有外界光進入就會停止發光,影響交配率。螢火蟲發光的機制是通過激活腹部的發光器中的熒光素,在熒光素酶的作用下與氧氣結合,變成氧化熒光素,同時發出熒光。而科學家發現激活熒光素的能量來自于ATP這種能源物質。

1.2 利用插圖和表格介紹ATP的具體應用

教師利用課本插圖解釋ATP的各種應用,如螢火蟲發光、維持哺乳動物恒定的體溫,甚至大腦在思考問題、蝴蝶揮動它的翅膀的時候也利用了ATP。細胞內的一些化學反應(合成蔗糖的反應)和主動運輸的能量也來自ATP。

教師總結:ATP的能量可以轉變為多種形式的其他能源,如光能、電能、熱能、機械能、化學能等。同時引導學生回顧舊知識,填寫表1,用類比法區分ATP與其他能源物質:太陽就是能量的銀行,源源不斷的發售銀行卡和現金;銀行卡就是儲存有大量能量的脂肪,常用的百元現金就是糖類;而使用最便捷的小額鈔票就是ATP——直接能源物質,又稱能量“通貨”。

1.3 擴展ATP在醫學上的應用

教師講述:ATP用于進行性肌肉萎縮、腦出血后遺癥、心肌疾患及肝炎等的輔助治療,可口服,可注射。ATP溶于水,可以用生理鹽水配制后注射。如氰化鉀是一種劇毒物質,使用氰化鉀的工廠里一般都有大量的ATP注射液作為急救藥,因為氰化鉀的毒理是作用于ATP合成酶,使其瞬間失效,人體因缺少能量而心臟停跳,呼吸麻痹而死。故使用ATP溶液時全部采用注射,使其直接進入血液供能。

2 學習ATP的結構

學習ATP的結構時,學生先歸納ATP元素組成,再構建結構模型。筆者從學生熟悉的核糖核苷酸結構入手,再進行結構變動,引導學生構建ATP的結構。其中關于普通磷酸鍵和高能磷酸鍵的介紹,利用彈簧來類比,并通過實物演示加深學生對于化學鍵儲存能量的理解。

2.1 ATP組成元素

教師通過圖片展示ATP的詳細化學結構,引導學生分析ATP的元素組成,并聯系前面所學,歸納含有相同元素組成的物質,如磷脂、核酸等都含有C、H、O、N、P。

2.2 模型構建與實驗演示結合探究ATP結構簡式

教師在ATP的詳細化學結構上去掉兩個磷酸基團(圖1),通過改動圖片,把ATP變成學生較為熟悉的結構。學生構建結構模型,畫出結構簡式。

教師引導學生分析:一分子腺嘌呤、一分子核糖和一分子磷酸構成了腺嘌呤核糖核苷酸,是構成RNA的基本單位。教師展示完整的ATP的詳細結構,學生在腺嘌呤核糖核苷酸的基礎上對模型進行改動。課堂實踐中,很多學生會畫成圖2。很多學生直接加了2個磷酸基團,但是忘記畫化學鍵。教師更正學生的畫法,加上“~”,補充高能磷酸鍵的概念。教師用彈簧實物演示高能磷酸鍵形成過程:因為壓縮彈簧時需要很大的能量,這個能量就儲存在里面了。當這個化學鍵斷開時,里面的能量就釋放出來了。

教師呈現ATP的結構簡式(圖3),逐步介紹AMP、ADP、ATP的關系,先介紹A-P~P~P這個簡式,要求請學生注意“-”和“~”的書寫區別。教師再介紹普通磷酸鍵和高能磷酸鍵:一個高能磷酸鍵可以儲存能量30.54 kJ,是普通磷酸鍵儲存能量的2~3倍。用兩個彈簧進行實物演示,一個彈簧松一些,壓縮時不費力氣,所以儲存的能量少這是普通磷酸鍵。而另一個彈簧比較緊,壓縮的時候儲存的能量多,當它斷裂的時候釋放的能量多,這是高能磷酸鍵。

教師小結:ATP中有1個普通磷酸鍵、2個高能磷酸鍵。ATP中的A不是指腺嘌呤,而是腺苷(即腺嘌呤+核糖),因此ATP中文名是三磷酸腺苷。

教師再依次介紹ADP和AMP的組成。AMP是一磷酸腺苷,即腺嘌呤核糖核苷酸,參與RNA構成的基本單位。

3 利用高考題和實驗分析拓展ATP和ADP轉化思維

關于ATP和ADP的轉化,筆者沒有采用傳統的講授方法,而是在介紹了ATP、ADP結構的基礎上,通過高考題和拓展實驗的分析,逐步引導學生探究ATP的水解和合成的過程,揭示ATP和ADP的轉化關系。這種方式處理比較靈活,部分基礎比較薄弱的班級需要將實驗部分再簡化,利用流程圖來幫助學生理解實驗過程。

3.1 高考題分析引導學生自主探究ATP如何轉化為ADP

改編2016新課標1卷29題:用32P標記DNA分子,用1、2、3表示ATP上三個磷酸基團所處的位置,A-1P~2P~3P,回答以下問題。endprint

① 某種酶可以催化ATP的一個磷酸基團轉移到DNA末端,同時產生ADP。若要用該酶把32P標記到DNA末端,那么帶有32P的磷酸基團應在 位上(填數字)。

② 若用帶有32P標記的ATP作為RNA合成的原料,將32P標記到新合成的RNA分子上,則帶有32P的磷酸基團應在 位上。

學生通過思考與討論,分析32P的磷酸基團的位置,推導出ATP可以通過酶的作用轉變成ADP。教師板書ATP的水解過程,同時補充前面的ATP的遠離腺苷的那個磷酸鍵容易斷裂形成ADP,同時釋放大量能量。

通過②小題,學生理解ATP還可以水解掉兩個磷酸基團,變成AMP。教師補充一般很少會水解產生AMP,在某些情況下會出現,如瑩火蟲發光,水解掉兩個磷酸基團,產生AMP。

本環節,學生通過對高考題目的分析,在ATP結構的基礎上,自主推導出ATP、ADP和AMP之間的轉化關系。

3.2 分析拓展實驗,探究ADP如何轉化為ATP

教師展示改編自大學教材《生物化學》中的一個實驗:科學家將標記的磷酸(32P)注入活細胞內,隨后迅速分離細胞內的ATP,測定其放射性。實驗結果:ATP含量沒有發生變化,僅有幾毫克,但它的末端磷酸基團已經被放射性32P所標記,而且檢測出ATP放射性強度和之前注入的磷酸(32P)強度完全一致。學生分析實驗結果,同時從以上實驗總結生物體內ATP的特點。

對該實驗,學生理解起來有一定的難度,教師要適當引領,訓練學生思維,使學生從另一個角度思考ATP和ADP的轉化關系。學生通過對實驗結果的分析,得出ADP和Pi合成ATP的反應式,因為實驗后的ATP帶上了放射性說明是新合成的ATP,但是ATP的總含量沒有變化,說明在極短的時間內,還進行了ATP的水解反應,說明了ATP和ADP之間可以相互轉化。同時,教師引導學生總結生物體內ATP的特點是含量低,轉化快。最后,教師綜合以上內容小結ATP和ADP的轉化過程。

參考文獻:

[1] [美]奧爾頓·比格斯等著,廖蘇梅等譯.科學發現者·生物:生命的動力中冊[M].杭州:浙江教育出版社,2008.445.

[2] 王鏡巖,朱圣庚,徐長法主編.生物化學第三版(下冊)[M].高等教育出版社,2002.43.endprint

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