在生物体重要物质的复习中培养系统思维——以ATP的复习为例

四川

世界上第一个人工合成的蛋白质——结晶牛胰岛素，该项研究的主要参加者邹承鲁院士说：“......我发现许多生命科学的问题，都要到细胞中寻找答案，而对细胞生命活动规律的阐明，又必须建立在阐明生物大分子结构和功能的基础上。所以我一生都在从事生物大分子的研究。”生物体内的生物大分子有DNA、RNA、蛋白质等，除此以外生物体内还有很多重要的物质，如细胞代谢中的酶与ATP，在高中阶段的各部分生物知识学习中都有它们的身影，因此对这些重要物质进行复习时，在研究相关试题的基础上，综合高中阶段所有相关知识，教师运用系统思维，从物质的结构与功能两个层面运用模型建构的方法将整个高中阶段该物质的相关知识构建成为体系，对其进行全面复习，并达成充分训练学生科学思维、发展学生学科核心素养的目的。下面以ATP的复习为例进行说明。

【例1】（2016届，成都市三诊，第29题）ATP酶复合体存在于生物膜上，其主要功能是将生物膜一侧的H+搬运到另一侧，并催化ATP的形成。图1表示ATP酶复合体的结构和主要功能，回答下列问题：

图1

（1）ATP 酶复合体具有的功能说明膜蛋白具有_____功能。图中 H+从 B 侧运输到 A 侧的跨膜运输方式为_________ 。

（2）叶绿体中含有较多的ATP酶复合体，它分布在_____。ATP 酶复合体在线粒体中参与有氧呼吸第_________ 阶段的反应。

（3）科学家发现，一种化学结构与ATP相似的物质GTP（三磷酸鸟苷）也能为细胞的生命活动提供能量，请从化学结构的角度解释 GTP 也可以供能的原因：___________ 。

【答案】（1）催化和运输 协助扩散 （2）类囊体薄膜 三 （3）GTP含有两个高能磷酸键，远离G的高能磷酸键易水解，释放出大量能量

【解析】（1）题干中有指出ATP酶复合体的主要功能是将生物膜一侧的H+搬运到另一侧，并催化ATP的形成，说明膜蛋白有催化和运输功能。从图1中看出H+的运输借助载体（ATP酶复合体），但没有消耗能量，且是从高浓度一侧运输到低浓度一侧，因此为协助扩散；（2）ATP酶复合体能催化ATP形成，叶绿体中合成ATP场所为类囊体薄膜，因此ATP酶复合体分布在类囊体薄膜。线粒体中合成ATP的场所有线粒体基质和线粒体内膜，由于ATP酶复合体存在于生物膜上，因此可知其分布在线粒体内膜上，参与有氧呼吸第三阶段；（3）GTP的化学结构与ATP相似，因此推测GTP功能机制与ATP的相似，含有两个高能磷酸键，远离G的高能磷酸键易水解，释放出大量能量。

【说明】此题考点有（1）膜蛋白的功能、物质运输方式的判断、ATP酶复合体的分布与作用（ATP合成场所相关知识考查）；（2）GTP能为细胞生命活动供能的原因分析（ATP分子结构及其在能量代谢中的作用考查）。这三个小问都有许多学生失分，或因审题看图不仔细，或是语言表达不准确，追根溯源是知识体系不全、思维训练不到位。对ATP的复习需要有系统思维，不能仅停留在对教材中ATP一节知识的认知，还要与其他相关知识综合构建完善的知识体系。

笔者仔细研究发现，ATP是类特殊的物质，它是直接能源物质，在考虑如何构建知识体系时，可以从ATP分子物质和能量的相关性入手，将细胞的物质基础、细胞代谢等知识内容串联成体系，梳理ATP的结构与功能，同时训练学生系统思维和模型构建能力。

一、探究“物质”相关性（ATP结构模型构建）

首先结合人教版教材必修1第88页“相关信息”在下面ATP的结构式图中标注各部分名称，也可尝试学生自己画出图2 ATP的结构式并与教材图核对修正，在这个过程中识记ATP的结构。

图2

然后，为了进一步加深对ATP分子组成、结构相关性及可能的命题方向的了解，同时理清ATP的结构及其与其他物质的相关性，可以结合ATP结构图，请学生继续思考，如：ATP的组成元素、与ATP元素组成相同的物质、研究元素组成的意义； 结合ATP的结构“解释ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质”；ATP与RNA的关系；并尝试区分图3的圆圈中符号代表的含义等。

图3

二、探究“能量”相关性（ATP功能模型构建）

1.梳理ATP功能

首先引导学生归纳与能量相关的各种物质。如：生物体内可以提供能量的物质；生命活动的直接能源物质；生命活动的主要能源物质；动物细胞中特有的储能物质；生命活动最终的能量来源等。

接下来要求学生画出ATP与ADP相互转化图，根据能量来源和去路，在下面的横线上填空，将这些能量关系绘成网络图（也可按照自己的思维习惯重新绘图，将光合作用、细胞呼吸与ATP与ADP的相互转化关联起来）。

图4

为了进一步理清ATP合成和水解与其他代谢过程、代谢场所等知识的关系，也为了理清相关的命题方向，可以结合图4和教材知识，引导学生思考并回答下列问题：是否所有吸能反应都与ATP水解有关、所有放能反应都与ATP的合成有关； ATP合成场所、哺乳动物成熟红细胞合成ATP的场所、叶肉细胞在光照条件下与在黑暗条件下合成ATP的场所是否相同、无氧呼吸第二阶段是否产生ATP并说明其原因；以上任何部位合成的ATP是否都能为各项生命活动供能等。

同时结合以下例题和练习题进行巩固：

【例2】下列有关ATP的叙述，正确的是 （ ）

A.机体在运动时消耗ATP，睡眠时不消耗ATP

B.叶肉细胞在白天能产生ATP，在晚上不能产生ATP

C.细胞中的吸能反应常伴随ATP的水解，放能反应常伴随ATP的合成

D.人体内成熟的红细胞在有氧情况下产生ATP，在无氧环境中不产生ATP

【答案】C

【解析】无论运动还是睡眠中机体均有ATP消耗，A选项错误；叶肉细胞晚上进行细胞呼吸能产生ATP，B选项错误；细胞中的吸能反应常伴随ATP的水解，放能反应常伴随ATP的合成，C选项正确；人体内成熟的红细胞在有氧和无氧的情况下都进行无氧呼吸，能产生ATP，D选项错误。

【巩固练习1】下列有关ATP的叙述，正确的是（ ）

①人长时间剧烈运动时，骨骼肌细胞中每摩尔葡萄糖生成ATP的量与安静时相等 ②若细胞内Na+浓度偏高，为维持Na+浓度的稳定，细胞消耗ATP的量增加 ③人在寒冷时，肾上腺素和甲状腺素分泌增多，细胞产生ATP的量增加 ④人在饥饿时，细胞中ATP与ADP的含量难以达到动态平衡

A. ①② B. ②③ C. ③④ D. ①④

【答案】B

【解析】剧烈运动时，有的骨骼肌细胞进行无氧呼吸，有的进行有氧呼吸，而安静时都进行有氧呼吸，因此剧烈运动时骨骼肌细胞中每摩尔葡萄糖生成ATP的量与安静时不相等，①错误；若细胞内Na+浓度偏高，为维持Na+浓度的稳定，需要将细胞内Na+逆浓度运出细胞，属于主动运输，细胞消耗ATP的量增加，②正确；人在寒冷时，肾上腺素和甲状腺素分泌增多，细胞呼吸加快，产生ATP的量增加，③正确；人在饥饿时，细胞中ATP与ADP之间仍然存在相互转化，且含量处于动态平衡，④错误。

【巩固练习2】下列有关植物细胞能量代谢的叙述，正确的是 （ ）

A.含有两个高能磷酸键的ATP是DNA的基本组成单位之一

B.加入呼吸抑制剂可使细胞中ADP生成减少，ATP生成增加

C.无氧条件下，丙酮酸转变为酒精的过程中伴随有ATP的合成

D.光照条件下叶肉细胞的细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成

【答案】D

【解析】ATP去除两个磷酸基团后余下部分为腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本组成单位之一，A选项错误；加入呼吸抑制剂会抑制细胞呼吸，ATP生成量减少，B选项错误；无氧呼吸第二阶段不产生ATP，C选项错误；光照条件下叶肉细胞能进行光合作用和有氧呼吸，细胞质基质、线粒体和叶绿体中都有ATP合成，D选项正确。

以上是运用系统思维、模型建构思维进行的ATP复习，既能体现对生命观念的重视，又能对科学思维进行训练，复习效果很好。DNA、RNA、蛋白质、酶等生物体内其他重要物质的复习也可尝试用这样的方法，但每个物质都有其独特的特点，运用系统思维和建模时更重要的是要根据物质自身的结构和功能特点，找准其侧重点。例如2018年全国卷Ⅲ第30题恰好考查蛋白质的相关知识，这也反映出命题者对生物体内重要物质的关注。

【例3】（2018年，全国卷Ⅲ，第30题）回答下列与蛋白质相关的问题：

（1）生物体中组成蛋白质的基本单位是________ ，在细胞中合成蛋白质时，肽键是在________ 这一细胞器上形成的，合成的蛋白质中有些是分泌蛋白，如________ （填“胃蛋白酶”“逆转录酶”或“酪氨酸酶”），分泌蛋白从合成至分泌到细胞外需要经过高尔基体，此过程中高尔基体的功能是_______ 。

（2）通常，细胞内具有正常生物学功能的蛋白质需要有正确的氨基酸序列和________ 结构。某些物理或化学因素可以导致蛋白质变性，通常，变性的蛋白质易被蛋白酶水解，原因是______________________________________________ 。

（3）如果DNA分子发生突变，导致编码正常血红蛋白多肽链的mRNA序列中一个碱基被另一个碱基替换，但未引起血红蛋白中氨基酸序列的改变，其原因可能是_______________________________________________ 。

【答案】（1）氨基酸 核糖体 胃蛋白酶

对来自内质网的分泌蛋白进行加工、分类、包装和转运 （2）空间 变性蛋白质的空间结构变得伸展、松散，更容易被水解 （3）突变前后mRNA上相应密码子对应同一种氨基酸（密码子的简并性）

【解析】（1）生物体中组成蛋白质的基本单位是氨基酸，在细胞中合成蛋白质时，肽键是在核糖体上经脱水缩合形成的，细胞合成的胃蛋白酶需进入消化道中发挥作用，是分泌蛋白，从合成至分泌到细胞外的过程中高尔基体的功能是对来自内质网的分泌蛋白进行加工、分类、包装和转运。（2）通常，细胞内蛋白质需要有正确的氨基酸序列和空间结构才具有正常生物学功能。变性的蛋白质易被蛋白酶水解原因是变性蛋白质的空间结构变得伸展、松散，更容易被水解。（3）突变前后mRNA上相应密码子对应同一种氨基酸（密码子的简并性），不引起氨基酸序列的改变。

【说明】此题围绕蛋白质这一核心物质，考查了其结构和功能、分泌蛋白相关细胞器的功能、中心法则中翻译环节的相关考点。对蛋白质的复习可以考虑从其分类（结构与功能）、中心法则方面构建知识体系，将高中阶段所有蛋白质的相关知识进行全面复习；对核酸的复习可以从其结构和功能、中心法则方面构建知识体系展开全面复习。对有能力的学生，教师可以指出要构建知识体系的大体方向，引导学生自主构建知识体系，甚至提出并解决相关问题、找出相关典例，学会自主复习。