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蛋白质是生物体中广泛存在的一类生物大分子,是生命活动的体现者和承担者。在高中生物中,蛋白质的知识是新课标人教版生物模块一《分子与细胞》中的内容,是高考的必考考点,也是高考命题的重要知识。在人教版的生物教材中,许多章节都讲述了蛋白质的知识,为了便于高考复习,笔者结合多年的教学实践,对蛋白质的种类进行了归纳和整理,简单介绍了其功能,对易混淆的蛋白质进行了分类比较。
一、生物高考中涉及的蛋白质种类和功能
在高中生物教材中,涉及的蛋白质种类比较多,根据生物学功能,生物高考中常出现的蛋白质可分为以下几种。
1.结构物质
蛋白质是建造和维持生物体的结构,为细胞或组织提供强度和保护,如构成毛发、指甲、角、蹄的角蛋白,肌肉中司运动、调节功能的肌球蛋白、肌钙蛋白,组成红细胞的血红蛋白,病毒的蛋白质外壳,细胞膜、核糖体、染色体的结构分子等。
2.催化作用
酶是由活细胞产生的一类具有催化作用的有机物,绝大多数是蛋白质,少数为RNA。在生物体新陈代谢中酶作为催化剂具有高效性、专一性等特点,主要的酶有催化水解反应的淀粉酶、蛋白酶和核酸酶等,催化氧化还原反应的过氧化氢酶等。
3.运输作用
蛋白质可以转运特定的物质,如红细胞中含Fe2+的血红蛋白,在氧浓度高的地方与氧结合,在氧浓度低的地方与氧分离,可以在循环系统中运输氧气和二氧化碳;细胞膜中的蛋白质,可以形成离子通道,运输小分子的代谢物或养分。
4.调节作用
蛋白质可以调节其他蛋白质执行其生理功能的能力,这类蛋白质主要是参与体液调节的蛋白类激素,如调节血糖平衡的胰岛素和胰高血糖素;促进肾小管和集合管对水分重吸收的抗利尿激素;促进蛋白质合成和骨生长的生长激素;促进腺体(性腺、甲状腺、肾上腺)生长和发育、调节腺体合成和分泌相应激素的促激素:促进合成和分泌促激素的释放激素。以甲状腺为例介绍其调节机理如下:
5.免疫防御作用
在脊椎动物免疫系统中,B淋巴细胞受抗原刺激后分化成浆细胞,浆细胞经复杂的免疫反应而产生的免疫球蛋白或称抗体,对外来物质具有防御保护和免疫作用。自然生活中蛇毒或蜂毒的溶血蛋白可以起到防卫作用,血液凝固蛋白对血液起到了保护作用,生活在极地的鱼类具有抗冻蛋白,在适应环境中起抗冻作用。
6.识别作用
动物和人体细胞膜的外表有一层糖蛋白构成的外被,称为糖被或糖萼,它是细胞与外界沟通的重要信号分子。如发生受精作用时,顶部要与透明带糖蛋白结构的相互识别;人细胞表面的糖蛋白称为组织相容性抗原(HLA),在结构上类似于免疫细胞受体抗原,可为免疫系统提供识别标志;红细胞膜上有一种称为血型糖蛋白的整合蛋白质,起到血型抗原的作用;兴奋在神经元之间传递时,要通过神经递质——乙酰胆碱的介导,乙酰胆碱受体是由5~6亚基组成的糖蛋白;激素调节中,某种激素的靶细胞具有该种激素的专一受体,其受体即是存在于细胞膜上的糖蛋白,如胰岛素、肾上腺素、胰高血糖素、甲状腺素等含氮激素。目前,已分离的受体的化学本质多为结合蛋白质,但受体不一定都是糖蛋白,还有脂蛋白,如脂类在血液中以脂蛋白的形式进行运送,并可与细胞膜上存在的特异受体相结合,被摄取进入细胞内进行代谢。
除此之外,在教材中还有阮病毒、动物细胞间质、抗原、血浆蛋白、纺锤体等,这些也是蛋白质,在高考试题中也有所体现。如朊病毒就是蛋白质病毒,只有蛋白质而没有核酸的病毒,一般在生物分类中考查与细胞、病毒的结构异同点;在动物细胞培养中,首先要用胰蛋白酶处理组织,使组织分离成单个细胞,根据酶的专一性考查动物细胞间质的本质;抗原除了具有异物性、特异性的特点外,还具有大分子性,因为蛋白质结构较复杂,分子量较大,所以大多数蛋白质都是抗原;还有组成血浆中最主要的固体成分——血浆蛋白;细胞分裂期形成的纺锤体涉及微管蛋白,使细胞具有运动能力等。
二、几组易混淆的蛋白质
1.与“素”有关的蛋白质
在生物教学中有关“素”的归纳中,化学成分属于蛋白质的有蛋白类激素、毒素、凝集素、干扰素、白细胞介素、细胞色素C等,其中蛋白类激素,在调节作用中已做阐述和比较,在此处不做分析。凝集素是指一种从各种植物、无脊椎动物和高等动物中提纯的糖蛋白或结合糖的蛋白,因其能凝集红血球,故名凝集素,也属于抗体;细胞色素C是一种细胞色素氧化酶,由一条大约含有110个氨基酸的多肽链组成,是电子传递链中唯一的外周蛋白,位于线粒体内侧外膜;其余的与“素”有关的蛋白质可分为以下两组。
(1)外毒素、抗毒素和类毒素
外毒素主要成分是蛋白质,是致病细菌合成的一类有毒的次级代谢产物,在细菌生活的过程中释放到细胞外,在周围环境中积累,具有抗原性和毒性,在人体免疫学中属于抗原。抗毒素是一类能中和细菌产生的外毒素的蛋白质,是由效应B细胞产生并分泌的,在人体免疫中抗毒素属于抗体。类毒素是经过化学药剂处理后失去毒性的外毒素,属于抗原,用于预防接种,如注射破伤风类毒素用于预防破伤风。(注:内毒素是革兰氏阴性细菌细胞壁中的一种成分,叫做脂多糖,不属于蛋白质。)
(2)干扰素和白细胞介素
干扰素和白细胞介素都属于淋巴因子,化学本质都是蛋白质。干扰素是效应T细胞产生并释放的可溶性免疫活性物质,是一种抗病毒的特效药,几乎能抵抗所有病毒引起的感染。白细胞介素中的白细胞介素-2的作用可概括“三能”:能诱导人体产生更多的效应T细胞,能增强效应T细胞的杀伤力,能增强其他免疫细胞对靶细胞的杀伤作用。
2.血红蛋白和血浆蛋白
这两种蛋白质在内环境稳态的教学中常考,两者不是同一种物质,血红蛋白存在于红细胞内,可以与氧气结合;而血浆蛋白存在于血浆中,在红细胞外,是血浆的结构成分之一。两者的关系是:血浆(内有血浆蛋白)是红细胞(内含血红蛋白)的直接内环境(细胞外液)。
参考文献:
[1]刘树成.《生命活动的主要承担者:蛋白质》教学设计与反思[J].新课程:教育学术,2011(01):113-114.
[2]张启元.中学生物教学词典[M].北京师范大学出版社,1991.
【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2015)04-0142-01
一 酶相关实验的常见设计方法
酶的相关实验包括探究(或验证)酶的催化作用、酶的高效性、酶的专一性和需要适宜的条件等题目,其解题方法归纳如下:
1.酶的催化作用
实验组:底物+一定量的酶溶液,检测底物分解情况或生成物生成情况;对照组:底物+等量的蒸馏水,检测底物分解情况或生成物生成情况。
2.酶的高效性
酶的高效性是指酶的催化作用相对于无机催化剂效率要高很多,所以在设计实验时,一组加入一定量的酶,另一组加入等体积的无机催化剂,因为实验遵循单一变量原则,所以底物应该相同,两组的实验条件应相同,观察、记录实验结果进行比较后可得出结论。
3.酶的专一性
酶的专一性是指每一种酶只能催化一种化合物或一类化合物的化学反应,这种类型的实验基本分为两种思路:(1)不同的组底物不同,但酶相同;(2)不同的组酶不同,但底物相同。实验过程中的温度、pH等条件保持在最适状态且各组相同,遵循等量原则和单一变量原则。
4.酶的适宜温度或pH
在探究酶的最适温度或pH时,应设计一个系列的温度或pH为自变量,通过对照找出最适温度或最适pH,如果在两种温度或pH的条件下酶的催化活性相同,则最适温度或最适pH应该在这两种温度或pH之间,此时可再在两者间取一定梯度变化的温度或pH进行进一步的实验,最终确定出最适温度或最适pH。
二 生物生理实验的研究方法
生物生理实验的研究方法可以大致分为“加法”和“减法”。“加法”是指实验中加入某种变量,如植入器官或注射某种物质等;“减法”是指实验中去除某种变量,如切除器官。
1.动物生理实验的研究方法
切除法和植入法常用于研究动物某器官的生理作用。如研究性腺与的关系时,实验操作方法:切除器官观察、记录生理变化植入器官观察、记录相应生理活动在消失后是否会重现。注射法和饲喂法往往用于研究某种物质的生理作用。如果所研究物质的化学本质是蛋白质,则必须用注射法,而不能用饲喂法,因为该物质会被消化分解,如研究胰岛素具有降血糖的生理作用,必须选用注射法,对成年个体注射胰岛素后观察、记录血糖浓度的变化情况;如果是脂质或氨基酸类等小分子物质可以注射,也可饲喂。此外,在动物生理实验中,选择实验动物时要考虑其生长发育的情况、年龄、性别、体重等,如研究甲状腺激素能促进生物生长发育的实验应该选择年幼的动物,研究甲状腺激素可以提高神经系统的兴奋性的实验应该选用成年动物为实验材料。
2.植物生理实验的研究方法
研究植物体中的生理作用可以选择喷洒、涂抹或浸泡等方法。如将扦插枝条用不同浓度的生长素类似物浸泡后,概括生根情况可以研究促进插条生根的最适浓度。切除法可以用于研究植物体某器官或部位的生理作用,如研究向光性生长与顶芽有关时,可以用去掉顶芽的植株和正常植株对照。
下列关于生命活动调节相关实验操作的叙述正确的是( )。A.探究植物顶端优势产生原因的实验中,应该设置具有顶芽的植株、切除顶芽的植株和切除顶芽后的断口处涂上生长素的植株三组实验;B.用适宜浓度的生长素涂抹受粉后的雌蕊柱头证明生长素可以促进果实发育;C.用静脉注射法验证甲状激素可以促进成年雄鼠的发育;D.用饲喂法可以验证胰岛素具有降血糖的作用。
解析:探究顶端优势产生原因应该设置三组实验,一组是具有顶芽的植株,作为对照,另一组植株去掉顶芽,第三组植株去掉顶芽后在断口处涂抹生长素,三组对照可以说明顶端优势的产生原因。发育着的种子也会合成生长素,所以验证生长素可以促进果实发育的实验中,雌蕊必须是未受粉的。验证甲状腺激素的作用,不能用成年个体,因为成年个体的发育已经不明显。胰岛素的化学本质是蛋白质,不能用饲喂法验证胰岛素的生理功能。答案:A。
易错点拨:生理实验中,实验组与对照组的设置、实验材料的选择、对激素的处理方法等是实验成功的关键,下面就这几个易错的方面进行提示说明:(1)对对照组的设置不重视,认为已经知道了正常生长发育的个体情况,所以实验中不需要再设置对照组;(2)对实验材料的选择不恰当,不能依据实验的因变量选择理想的实验材料;(3)对动物激素的人为操作不重视,不联想激素的化学本质而随意选用注射法或饲喂法。
1 判断题在生物学学习中的作用
1.1 通过判断题的训练可巩固学生对基础知识的掌握
“万丈高楼平地起”,在高中生物学科的学习中,基础知识是关键。正确掌握基础知识可加快学生科学素养的形成。一个学生如果基础知识掌握不好,不仅不能取得好成绩,更不利于其科学素养的发展。基础知识的正确掌握也是学科中重点知识延伸的基础。判断题的训练可以帮助学生较快地、正确地掌握基础知识,并有利于培养学科兴趣,发展思维能力,提高科学素养。
1.2 通过判断题的训练可加深沉重对疑难知识的理解
在学习的过程中,不可避免会遇到各种各样的知识难点。例如高中生物教材中的光合作用、呼吸作用、有丝分裂、减数分裂、遗传规律、基因控制蛋白质的合成等都是历届学生学习的难点。疑难知识并不可怕,关键是在学习的过程中学生要充分的理解相关知识的要点、易错点。教师将书本中的疑难知识进行细化,化整为零,逐层分解,设计成一个个简明的判断题,可以帮助学生由浅入深,循序渐进,逐步掌握正确概念性知识。
1.3 通过判断题的训练可加强学生的细心审题能力
审题是合理、正确解题的基础,是获取解题信息,最终达到圆满解题的第一步。在学习和生活中,认真严谨的审题态度是极其重要的。在日常学习的过程中,学生经常会犯一些简单、浅显的错误,多数情况下,往往归结为粗心、马虎惹的祸。其实,在粗心、马虎的背后暴露的正是学生审题能力的薄弱。判断题要求学生要能“明辨是非”,所以正确地把握问题,理解题意,明确题目要求,离不开认真的审题,审题能力是至关重要的。
2 判断题设计常见的几种类型
2.1 概念型判断
概念型判断主要是将基础知识的关键信息或核心词汇采用“偷梁换柱”或“张冠李戴”等手段进行改换,达到检测学生对核心知识的掌握情况。这也是判断题中最常见的一种类型。
【例1】 萨顿利用假说―演绎法推测基因位于染色体上。( )
解析及答案:判断该题的关键点是假说―演绎法是不是萨顿科学研究过程中应用的方法。假说―演绎法是指在观察和分析的基础上提出问题以后,通过推理和想像提出解释问题的假说,根据假说进行演绎推理,再通过实验检验演绎推理的结论正确与否的一种方法。在高中生物学中,孟德尔和摩尔根都充分运用了该方法,发现了生物z传的规律。但萨顿在研究中采用的是类比推理的方法,并未进行实验的检验,所以答案为错误。
2.2 类比型判断
类比型判断是将两个容易混淆的概念放在一起,学生根据已有知识,进行比较分析,找出概念中的异同点,达到对相关知识的正确区分。正确辨析易混信息是生物科学素养形成的一种基本能力。
【例2】 生长激素的化学本质是蛋白质,生长素的化学本质也是蛋白质。( )
解析及答案:“生长激素”和“生长素”虽然只有“一字之差”,但含义完全不同。生长激素是动物垂体细胞分泌的一类激素,化学本质为蛋白质;而生长素是植物体内分裂旺盛的部位分泌的一类激素,化学本质为吲哚乙酸(IAA)。所以答案为错误。
2.3 推理型判断
推理型判断通常是以教材中一些比较重要的概念、事实、原理和结论为载体,设置某个情境,再得出的一类判断。学生根据掌握的已有知识,进行分析、推理,判断结论的正确与否。
【例3】 某一光照强度下,检测到新鲜叶片没有与外界进行气体交换,则可判断出此叶片没有进行光合作用。( )
解析及答案:该题主要考查光合作用和细胞呼吸在不同光照条件下的气体变化情况。在一定光照强度下,叶片的光合作用速率等于细胞呼吸速率,也就是叶片中叶绿体产生的O2供给线粒体进行有氧呼吸,线粒体产生的CO2供给叶绿体进行光合作用,所以叶片与外界环境不进行气体交换。在此光照强度下,新鲜叶片已经进行光合作用,所以答案为错误。
2.4 计算型判断
运用数学思维解决生物问题在高中生物学中比比皆是,如“蛋白质中氨基酸数目与肽链和肽键数目的关系”“光合作用和呼吸作用中关于O2与CO2含量的变化”“遗传中后代患病概率的计算”等,都要求学生要具有较强的数学逻辑推理能力和计算能力。所以计算能力在生物学科的学习中有着重要的作用。
【例4】 用标志重捕法调查某动物的种群密度时,由于被标记动物经过一次捕捉,被再次重捕的概率减少,由此将会导致被调查的种群的数量较实际值偏大。( )
解析及答案:标志重捕法是针对一些活动能力强、活动范围大的动物种群密度调查的一种常用方法。动物种群密度(N)的理论计算公式为N=M×n/m(其中M代表在一定空间随机捕捉并被标记的个体数;n代表被标记个体完全与自然个体完全混合后再次用同样的方法捕捉到的个体数;m代表重新被捕捉个体中的被标记个体数)。当被标记动物被再次重捕的概率减少时,也就是m值偏小,则N的值将偏大,所以答案为正确。
2.5 因果型判断
因果型判断主要利用知识的因果关系来设计问题,在判断题的表述中可能是前因错,也可能是后果错,往往造成“驴唇不对马嘴”的效果,从而达到考查学生对核心概念的理解深度。
作为最受好评和畅销的行为学教材,本书是其第6版;首版于1998年出版。关于行为学,可以追溯到1963年廷伯根提出的“行为学4个基本问题”——功能、演化、因果、发育依然是动物行为学的“中心法则”。
本书分为7章,每章下面涵盖5到14主题。1. 导言。内容包括:有关动物行为的问题、逃脱的蜣螂、艾草松鸡的求偶、神经系统的单元、反射弧与复杂行为、行为学研究的分异与统和;2. 行为的发育。动物幼体的发育、基于机体的本能和学习、本能和学习的特征、遗传与行为、神经系统的发育和演变、激素与胚前发育、幼体经验和护幼行为的多样性、游戏、行为印记、鸟类鸣叫的发育;3. 刺激和交流。刺激的定义与作用、多样化的感知能力、模式识别的问题、信号刺激的特征、超常刺激、信号刺激的神经行为学基础、广义特征感知、交流、交流的定义、作为有效刺激的信号、蜜蜂的舞蹈、黑长尾猴的求救行为;4. 决策和动机。不同时间尺度的决策、决策与动机、动机大小的测量、动机是特异的还是普适的、目标作为决策点、稳态和负反馈、动机之间的竞争、抑制与去抑制、信息有限时的决策、烦躁和“异常”行为、决策的生理学基础、激素与行为时序、冲突和生理应激、决策、动机和动物福利;5. 学习和记忆。作为适应方式的学习、感知和习惯化、关联性学习、学习能力的特化类型、动物学习的实质、动物的学习有高级形式吗、动物学习的比较研究、社会化学习与文化、动物心智的本质、记忆的本质;6. 进化。行为的适应性、基因和行为演化、亲缘选择与内含性适应、演化性稳态的策略、性和性选择、种群隔离和选择、行为的种系发生学——廷伯根之问;7. 社会的组织化。群体中的个体、群体化的优势、社群的多样化、真社会性:等级分化、脊椎动物社群的领地、系统和社会组织、社会系统中的统治、哺乳动物社会行为、灵长类社会组织。
Aubrey Manning是爱丁堡大学的生物学院荣休教授,Marian Stamp Dawkins是牛津大学教授。两位作者在动物行为学领域研究多年,造诣深厚。本书适合动物行为学、生态学、动物生理学、保护生物学、心理学等领域的大学生及其他感兴趣人士。
魏玉保,博士生
(中科院遗传发育所)