基于“鐮刀形細胞貧血癥”主線化情境的蛋白質專題復習

姜 平 馮凌凌

(浙江省杭州市余杭高級中學 浙江杭州 311100)

1 教材分析及設計思路

“蛋白質是生命活動的主要承載者”是2021 版浙科版高中生物學教材《必修1·分子與細胞》第一章“細胞的分子組成”第二節的內容,是學習該模塊其他內容和其他模塊的重要基礎知識。在新授課中學生已經掌握了蛋白質的結構和主要功能等基礎知識,這為復習課的學習打下了基礎,但新授課重在本節知識的生成與理解,無法實現與教材中其他內容進行聯系的設計,因此新授課中學生難以構建關于“蛋白質”的大概念體系,也難以形成該內容中滲透的生命的物質觀、結構與功能觀、遺傳的信息觀等生命觀念。

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》明確指出生物學學科核心素養是學生在解決真實問題情境中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格和關鍵能力。可見,核心素養的落實需要情境作為載體。本節課以學生熟悉的“鐮刀形細胞貧血癥”為主線化情境,圍繞“蛋白質的結構和功能”設計專題復習,將整條情境分解為3 個層層遞進的子情境主題,引領學生步步深入地構建概念,并聯系細胞的結構、細胞分化、基因表達、基因突變、消毒滅菌等內容精心設計問題鏈,幫助學生構建完整的蛋白質概念體系,形成多種生命觀念,提升模型與建模、歸納與概括以及推理的科學思維,提升關注現實生活的社會責任。

2 教學目標

①通過創設“鐮刀形細胞貧血癥”的主線情境,關注現實生活,提高社會責任意識。

②通過對紅細胞及紅細胞中血紅蛋白等多種蛋白質結構和功能的分析,形成細胞層次和蛋白質分子層次的結構與功能觀。

③通過對珠蛋白β 鏈的七肽合成過程及血紅蛋白加工過程的分析,闡明氨基酸構成多肽鏈及加工成蛋白質的過程,構建蛋白質的概念體系,提升模型與建模、歸納與概括的科學思維,形成遺傳的信息觀。

④通過對血紅蛋白結構和功能影響因素的分析,完善蛋白質的概念體系,形成生命的物質觀,深化蛋白質分子層次的結構與功能觀,并運用所學知識指導生產生活實踐,提高社會責任意識。

3 教學過程

3.1 創設情境,引入主線

教師播放“鐮刀形細胞貧血癥的故事”視頻,提出問題:視頻里講了什么病? 直接病因是什么? 在學生回答后提出本節課復習的3 個核心問題:血紅蛋白的異常為什么會導致鐮刀形細胞貧血癥? 血紅蛋白在紅細胞中是怎樣合成的? 血紅蛋白的結構和功能受到哪些因素的影響?

設計意圖:通過生動的視頻引入復習的主線情境,激發學生的學習興趣,同時通過具體的情境使學生認識到生物學知識與現實生活的緊密聯系。圍繞情境中的血紅蛋白將主線情境分解為以3 個核心問題形式展開的子情境主題,使學生清晰地知道復習目標。

3.2 分析情境,層層遞進

3.2.1 分析子情境1,感悟蛋白質與細胞功能的關系子情境1:血紅蛋白的異常為什么會導致鐮刀形細胞貧血癥? 教師展示血紅蛋白的結構介紹及圖片:血紅蛋白由珠蛋白和血紅素組成。珠蛋白由4 條珠蛋白鏈(兩條α 鏈和兩條β 鏈)組成的四聚體。每一條鏈有一個血紅素。血紅素為環狀結構,中間的亞鐵可以與氧結合。設置問題鏈:正常的血紅蛋白有什么功能? 血紅蛋白結構上有什么特點與功能相適應?人成熟的紅細胞除了血紅蛋白還有哪些蛋白質? 展示紅細胞中多種蛋白質圖片,如葡萄糖載體蛋白、酶、激素受體等。教師進而提出問題:它們有什么功能?結構相同嗎? 展示紅細胞圖片,設置問題鏈:人成熟的紅細胞有什么功能? 形態和結構上有什么特點與功能相適應? 血紅蛋白的異常為什么會影響鐮刀形細胞貧血癥患者紅細胞的形態和功能?

設計意圖:通過文字材料和直觀的圖片等信息,比較血紅蛋白和紅細胞中其他蛋白質的結構與功能的差異,形成蛋白質分子層次的結構與功能觀。通過分析紅細胞的形態結構與功能,形成細胞層次的結構與功能觀。通過思考問題鏈,感悟細胞的功能主要是由蛋白質決定的。

3.2.2 分析子情境2,構建血紅蛋白合成的過程

子情境2:血紅蛋白在紅細胞中是怎樣合成的?任務一:分析血紅蛋白合成的場所、時間和原料。教師設置問題鏈:血紅蛋白在紅細胞的什么場所合成?人成熟的紅細胞中有核糖體嗎? 血紅蛋白在紅細胞形成的什么時期合成? 展示造血干細胞分化形成紅細胞的過程(圖1)。通過提問“合成血紅蛋白的原料是什么”過渡到任務二。

圖1 造血干細胞分化形成紅細胞的過程

任務二:分析血紅蛋白的基本單位——氨基酸。設置問題鏈:構成生物體的氨基酸在結構上有什么共同點? 據此判斷圖2所示的四種有機小分子中哪些一定不是構成血紅蛋白的基本單位?

圖2 四種有機小分子

學生通過分析總結構成生物體的氨基酸的統一性和多樣性體現,并用氨基酸的結構通式來表示。

任務三:模擬血紅蛋白的合成過程,分析多肽形成過程中的數量關系。教師展示從蛋白質數據庫中查詢到的珠蛋白氨基酸序列,提供材料(一條mRNA鏈、多個多種氨基酸紙片、剪刀、固體膠或訂書機),組織小組活動——模擬珠蛋白β 鏈的七肽片段的合成。教師巡視學生的活動過程并收集學生的正確作品和典型錯誤作品,然后通過實物展臺展示學生作品,并請學生進行評價。學生通過評價作品逐一澄清易錯點:(1)七肽的含義是含有7 個氨基酸的多肽;(2)翻譯的起始位點是mRNA 上的起始密碼子;(3)氨基酸脫水縮合的過程是氨基脫去氫和羧基脫去羥基,并形成水的過程。在厘清翻譯過程和脫水縮合過程后,學生總結多肽中的數量關系(表1)。

表1 多肽中的數量關系

任務四:分析蛋白質結構的多樣性。教師設置問題鏈:血紅蛋白中的珠蛋白肽鏈和紅細胞中厭氧呼吸酶等蛋白質中肽鏈的差異性由哪些因素造成? 珠蛋白肽鏈加工成特定空間結構的血紅蛋白是圖3 中的哪條途徑? 如何加工?

教師用毛根教具模擬演示肽鏈通過α 螺旋和β折疊等加工形成球形的血紅蛋白。提出問題:鐮刀形細胞貧血癥患者的血紅蛋白為什么從球形變成了纖維狀? 進而展示資料:1957年,英國學者英格蘭姆發現鐮刀形細胞貧血癥患者的珠蛋白β 鏈第6 位的谷氨酸替換為了纈氨酸,且第6 位氨基酸位于血紅蛋白的表面。學生分析谷氨酸和纈氨酸的結構特點后推理出:鐮刀形細胞貧血癥患者的血紅蛋白表面的疏水性纈氨酸借助疏水作用使血紅蛋白相互連接而形成纖維狀的血紅蛋白聚合物。

設計意圖:圍繞子情境2,通過四個步步深入的任務構建蛋白質的概念體系。任務一聯系細胞分化的內容分析血紅蛋白合成的場所和時間,從細胞水平說明蛋白質合成的場所和時間。任務二分析血紅蛋白的合成原料即基本單位,從分子水平說明氨基酸的多樣性和統一性。任務三通過小組活動模擬“珠蛋白β鏈的七肽片段的合成”,從分子水平闡明氨基酸形成多肽的過程,形成遺傳的信息觀,提升模型與建模的科學思維;并通過分析多肽中的數量關系,提升歸納與概括的科學思維。任務四通過比較珠蛋白肽鏈和其他蛋白質中肽鏈的差異性,從分子水平總結蛋白質結構多樣性的原因,提升歸納與概括的科學思維;并從“蛋白質合成”延伸到“蛋白質加工”,聯系細胞結構的內容深入分析多肽鏈如何加工成具有特定空間結構的血紅蛋白;再從“正常結構的血紅蛋白”延伸到“異常結構的血紅蛋白”,回歸主線情境,分析鐮刀形細胞貧血癥中異常結構的血紅蛋白的形成原因,提升推理的科學思維。

3.2.3 分析子情境3,構建影響蛋白質結構和功能的因素

子情境3:血紅蛋白的結構和功能受到哪些因素的影響? 承接子情境2 的任務四,教師提出問題:鐮刀形細胞貧血癥患者的血紅蛋白中谷氨酸替換成纈氨酸是由什么原因引起的? 學生聯系基因突變的內容,分析得出:基因中個別堿基對替換引起基因突變,通過轉錄導致mRNA 中密碼子改變,再通過翻譯導致珠蛋白β 鏈第6 位的谷氨酸替換為纈氨酸,從而最終導致血紅蛋白的結構和功能異常。教師補充介紹地中海貧血癥也是遺傳物質改變的內在因素引起蛋白質異常的另一種常見病例。引導學生回顧影響蛋白質結構和功能的外在因素,構建“影響蛋白質結構和功能的因素”概念圖(圖4)。

圖4 “影響蛋白質結構和功能的因素”概念圖

設置問題鏈:消毒和滅菌利用了圖5 中的哪些因素? 消毒和滅菌對微生物的蛋白質和生命活動造成了怎樣的影響?

圖5 蛋白質的概念體系

設計意圖:通過分析和總結影響蛋白質結構和功能的因素,進一步完善蛋白質的概念體系,形成生命的物質觀,進一步強化蛋白質分子層次的結構與功能觀。聯系基因突變和消毒滅菌的內容,提升用生物學知識解決生產生活中問題的社會責任感,領悟本節課的復習主題“蛋白質是生命活動的主要承載者”。

3.3 回歸情境,再現概念體系

教師再次呈現本節課的3 個子情境主題,回顧本節課的復習內容。通過對課堂開始時提出的3 個核心問題的解釋,評價學生復習目標的達成情況。回顧本節課在黑板上通過板書逐步生成的蛋白質概念體系(圖5)。

設計意圖:通過回顧本節課的復習內容,再現蛋白質的概念體系,使概念結構化、網絡化,再次感悟結構與功能觀、遺傳的信息觀和生命的物質觀等生命觀念。

4 教學反思

創設主線化情境讓真實有趣的情境貫穿課堂始終,讓學生始終保持學習的熱情和探究的欲望。教師以學生熟悉的“鐮刀形細胞貧血癥”為主線情境,并將其分解為3 個子情境主題,精心設計一系列的任務和問題鏈,對血紅蛋白的相關知識進行步步深入地分析,幫助學生跨章節、跨模塊構建蛋白質的完整概念體系,形成結構與功能觀、遺傳的信息觀和生命的物質觀等生命觀念,提升模型與建模、歸納與概括的科學思維,提升關注現實生活問題并用生物學知識解決生產生活問題的社會責任。