在生物體重要物質的復習中培養系統思維
——以ATP的復習為例

四川

世界上第一個人工合成的蛋白質——結晶牛胰島素，該項研究的主要參加者鄒承魯院士說：“......我發現許多生命科學的問題，都要到細胞中尋找答案，而對細胞生命活動規律的闡明，又必須建立在闡明生物大分子結構和功能的基礎上。所以我一生都在從事生物大分子的研究。”生物體內的生物大分子有DNA、RNA、蛋白質等，除此以外生物體內還有很多重要的物質，如細胞代謝中的酶與ATP，在高中階段的各部分生物知識學習中都有它們的身影，因此對這些重要物質進行復習時，在研究相關試題的基礎上，綜合高中階段所有相關知識，教師運用系統思維，從物質的結構與功能兩個層面運用模型建構的方法將整個高中階段該物質的相關知識構建成為體系，對其進行全面復習，并達成充分訓練學生科學思維、發展學生學科核心素養的目的。下面以ATP的復習為例進行說明。

【例1】（2016屆，成都市三診，第29題）ATP酶復合體存在于生物膜上，其主要功能是將生物膜一側的H+搬運到另一側，并催化ATP的形成。圖1表示ATP酶復合體的結構和主要功能，回答下列問題：

圖1

（1）ATP 酶復合體具有的功能說明膜蛋白具有_____功能。圖中 H+從 B 側運輸到 A 側的跨膜運輸方式為_________ 。

（2）葉綠體中含有較多的ATP酶復合體，它分布在_____。ATP 酶復合體在線粒體中參與有氧呼吸第_________ 階段的反應。

（3）科學家發現，一種化學結構與ATP相似的物質GTP（三磷酸鳥苷）也能為細胞的生命活動提供能量，請從化學結構的角度解釋 GTP 也可以供能的原因：___________ 。

【答案】（1）催化和運輸 協助擴散 （2）類囊體薄膜 三 （3）GTP含有兩個高能磷酸鍵，遠離G的高能磷酸鍵易水解，釋放出大量能量

【解析】（1）題干中有指出ATP酶復合體的主要功能是將生物膜一側的H+搬運到另一側，并催化ATP的形成，說明膜蛋白有催化和運輸功能。從圖1中看出H+的運輸借助載體（ATP酶復合體），但沒有消耗能量，且是從高濃度一側運輸到低濃度一側，因此為協助擴散；（2）ATP酶復合體能催化ATP形成，葉綠體中合成ATP場所為類囊體薄膜，因此ATP酶復合體分布在類囊體薄膜。線粒體中合成ATP的場所有線粒體基質和線粒體內膜，由于ATP酶復合體存在于生物膜上，因此可知其分布在線粒體內膜上，參與有氧呼吸第三階段；（3）GTP的化學結構與ATP相似，因此推測GTP功能機制與ATP的相似，含有兩個高能磷酸鍵，遠離G的高能磷酸鍵易水解，釋放出大量能量。

【說明】此題考點有（1）膜蛋白的功能、物質運輸方式的判斷、ATP酶復合體的分布與作用（ATP合成場所相關知識考查）；（2）GTP能為細胞生命活動供能的原因分析（ATP分子結構及其在能量代謝中的作用考查）。這三個小問都有許多學生失分，或因審題看圖不仔細，或是語言表達不準確，追根溯源是知識體系不全、思維訓練不到位。對ATP的復習需要有系統思維，不能僅停留在對教材中ATP一節知識的認知，還要與其他相關知識綜合構建完善的知識體系。

筆者仔細研究發現，ATP是類特殊的物質，它是直接能源物質，在考慮如何構建知識體系時，可以從ATP分子物質和能量的相關性入手，將細胞的物質基礎、細胞代謝等知識內容串聯成體系，梳理ATP的結構與功能，同時訓練學生系統思維和模型構建能力。

一、探究“物質”相關性（ATP結構模型構建）

首先結合人教版教材必修1第88頁“相關信息”在下面ATP的結構式圖中標注各部分名稱，也可嘗試學生自己畫出圖2 ATP的結構式并與教材圖核對修正，在這個過程中識記ATP的結構。

圖2

然后，為了進一步加深對ATP分子組成、結構相關性及可能的命題方向的了解，同時理清ATP的結構及其與其他物質的相關性，可以結合ATP結構圖，請學生繼續思考，如：ATP的組成元素、與ATP元素組成相同的物質、研究元素組成的意義； 結合ATP的結構“解釋ATP是驅動細胞生命活動的直接能源物質”；ATP與RNA的關系；并嘗試區分圖3的圓圈中符號代表的含義等。

圖3

二、探究“能量”相關性（ATP功能模型構建）

1.梳理ATP功能

首先引導學生歸納與能量相關的各種物質。如：生物體內可以提供能量的物質；生命活動的直接能源物質；生命活動的主要能源物質；動物細胞中特有的儲能物質；生命活動最終的能量來源等。

接下來要求學生畫出ATP與ADP相互轉化圖，根據能量來源和去路，在下面的橫線上填空，將這些能量關系繪成網絡圖（也可按照自己的思維習慣重新繪圖，將光合作用、細胞呼吸與ATP與ADP的相互轉化關聯起來）。

圖4

為了進一步理清ATP合成和水解與其他代謝過程、代謝場所等知識的關系，也為了理清相關的命題方向，可以結合圖4和教材知識，引導學生思考并回答下列問題：是否所有吸能反應都與ATP水解有關、所有放能反應都與ATP的合成有關； ATP合成場所、哺乳動物成熟紅細胞合成ATP的場所、葉肉細胞在光照條件下與在黑暗條件下合成ATP的場所是否相同、無氧呼吸第二階段是否產生ATP并說明其原因；以上任何部位合成的ATP是否都能為各項生命活動供能等。

同時結合以下例題和練習題進行鞏固：

【例2】下列有關ATP的敘述，正確的是 （ ）

A.機體在運動時消耗ATP，睡眠時不消耗ATP

B.葉肉細胞在白天能產生ATP，在晚上不能產生ATP

C.細胞中的吸能反應常伴隨ATP的水解，放能反應常伴隨ATP的合成

D.人體內成熟的紅細胞在有氧情況下產生ATP，在無氧環境中不產生ATP

【答案】C

【解析】無論運動還是睡眠中機體均有ATP消耗，A選項錯誤；葉肉細胞晚上進行細胞呼吸能產生ATP，B選項錯誤；細胞中的吸能反應常伴隨ATP的水解，放能反應常伴隨ATP的合成，C選項正確；人體內成熟的紅細胞在有氧和無氧的情況下都進行無氧呼吸，能產生ATP，D選項錯誤。

【鞏固練習1】下列有關ATP的敘述，正確的是（ ）

①人長時間劇烈運動時，骨骼肌細胞中每摩爾葡萄糖生成ATP的量與安靜時相等 ②若細胞內Na+濃度偏高，為維持Na+濃度的穩定，細胞消耗ATP的量增加 ③人在寒冷時，腎上腺素和甲狀腺素分泌增多，細胞產生ATP的量增加 ④人在饑餓時，細胞中ATP與ADP的含量難以達到動態平衡

A. ①② B. ②③ C. ③④ D. ①④

【答案】B

【解析】劇烈運動時，有的骨骼肌細胞進行無氧呼吸，有的進行有氧呼吸，而安靜時都進行有氧呼吸，因此劇烈運動時骨骼肌細胞中每摩爾葡萄糖生成ATP的量與安靜時不相等，①錯誤；若細胞內Na+濃度偏高，為維持Na+濃度的穩定，需要將細胞內Na+逆濃度運出細胞，屬于主動運輸，細胞消耗ATP的量增加，②正確；人在寒冷時，腎上腺素和甲狀腺素分泌增多，細胞呼吸加快，產生ATP的量增加，③正確；人在饑餓時，細胞中ATP與ADP之間仍然存在相互轉化，且含量處于動態平衡，④錯誤。

【鞏固練習2】下列有關植物細胞能量代謝的敘述，正確的是 （ ）

A.含有兩個高能磷酸鍵的ATP是DNA的基本組成單位之一

B.加入呼吸抑制劑可使細胞中ADP生成減少，ATP生成增加

C.無氧條件下，丙酮酸轉變為酒精的過程中伴隨有ATP的合成

D.光照條件下葉肉細胞的細胞質基質、線粒體和葉綠體中都有ATP合成

【答案】D

【解析】ATP去除兩個磷酸基團后余下部分為腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本組成單位之一，A選項錯誤；加入呼吸抑制劑會抑制細胞呼吸，ATP生成量減少，B選項錯誤；無氧呼吸第二階段不產生ATP，C選項錯誤；光照條件下葉肉細胞能進行光合作用和有氧呼吸，細胞質基質、線粒體和葉綠體中都有ATP合成，D選項正確。

以上是運用系統思維、模型建構思維進行的ATP復習，既能體現對生命觀念的重視，又能對科學思維進行訓練，復習效果很好。DNA、RNA、蛋白質、酶等生物體內其他重要物質的復習也可嘗試用這樣的方法，但每個物質都有其獨特的特點，運用系統思維和建模時更重要的是要根據物質自身的結構和功能特點，找準其側重點。例如2018年全國卷Ⅲ第30題恰好考查蛋白質的相關知識，這也反映出命題者對生物體內重要物質的關注。

【例3】（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

對來自內質網的分泌蛋白進行加工、分類、包裝和轉運 （2）空間 變性蛋白質的空間結構變得伸展、松散，更容易被水解 （3）突變前后mRNA上相應密碼子對應同一種氨基酸（密碼子的簡并性）

【解析】（1）生物體中組成蛋白質的基本單位是氨基酸，在細胞中合成蛋白質時，肽鍵是在核糖體上經脫水縮合形成的，細胞合成的胃蛋白酶需進入消化道中發揮作用，是分泌蛋白，從合成至分泌到細胞外的過程中高爾基體的功能是對來自內質網的分泌蛋白進行加工、分類、包裝和轉運。（2）通常，細胞內蛋白質需要有正確的氨基酸序列和空間結構才具有正常生物學功能。變性的蛋白質易被蛋白酶水解原因是變性蛋白質的空間結構變得伸展、松散，更容易被水解。（3）突變前后mRNA上相應密碼子對應同一種氨基酸（密碼子的簡并性），不引起氨基酸序列的改變。

【說明】此題圍繞蛋白質這一核心物質，考查了其結構和功能、分泌蛋白相關細胞器的功能、中心法則中翻譯環節的相關考點。對蛋白質的復習可以考慮從其分類（結構與功能）、中心法則方面構建知識體系，將高中階段所有蛋白質的相關知識進行全面復習；對核酸的復習可以從其結構和功能、中心法則方面構建知識體系展開全面復習。對有能力的學生，教師可以指出要構建知識體系的大體方向，引導學生自主構建知識體系，甚至提出并解決相關問題、找出相關典例，學會自主復習。