深度讀6:肽鍵不是-CO-NH-了?

2021-01-14 小狗啃骨頭生物

今天讀書內容「蛋白質是生命活動的主要承擔者」。

不拆線縫合的問題情境與生活聯繫緊密,能激發學生的學習興趣。

為什麼動物膠原蛋白製作的手術縫合線可被人體吸收呢?從教師用書提供的參考答案看,這個問題設置對學生而言難度偏大,學生要清楚縫合用膠原蛋白線在人體內先分解成小分子的胺基酸然後被吸收(我個人認為學生能回答到這個程度就可以了)。人體胞外基質的主要成分是膠原蛋白,胞外基質中含有催化膠原蛋白分解的酶(在人體內,一方面細胞合成並分泌膠原蛋白進入胞外基質,另一方面胞外基質中的酶也催化膠原蛋白的水解,從而保證胞外基質中膠原蛋白含量的相對穩定),該酶也能夠催化和人膠原蛋白類似的動物膠原蛋白水解。這樣學生才能理解為什麼教師用書的參考答案提到了這樣一句:組成動物和人體的膠原蛋白是相似的物質。

新教材選擇先介紹蛋白質的功能,然後再處理蛋白質的結構。相對於抽象的蛋白質結構而言,蛋白質功能可以通過具體的實例展示給學生,實例本身也具有形象、具體的特點。因此,新教材此處的處理邏輯是先易後難,符合學生認知規律。

通過圖示展示蛋白質多種多樣的功能,讓學生在歸納的基礎上理解「蛋白質是生命活動的主要承擔者」。學生的興趣也會隨之轉移到為什麼蛋白質具有這麼多樣的功能,自然地過渡到蛋白質的結構。

由於現行教材中示意蛋白質功能的圖曾在網上被熱議,新教材換用了一幅新圖,用運動中的健康少年代替了現行教材的健美女郎,這種修改更符合國人的傳統審美。另外所舉例子都僅僅圍繞著少年男孩,也能讓例子看起來不那麼散亂。

新教材保留了現行教材的思考與討論,讓學生對四種組成蛋白質的胺基酸的結構進行比較,然後求同歸納得出組成蛋白質的胺基酸的結構通式。這樣的思維活動讓學生自行完成,能讓學生對組成蛋白質的胺基酸的理解更為深刻。

高中生物教學中強調的是組成蛋白質的胺基酸,從化學上講屬於α-胺基酸(氨基和羧基連接在同一個碳原子上),當然化學上也有β-胺基酸(氨基和羧基連接到相鄰的兩個碳原子上)、γ-胺基酸(氨基和羧基比β-胺基酸再多隔一個碳原子)等等。講課時我每次都講「組成蛋白質的胺基酸」,而不是隨隨便便地說「胺基酸」——這一方面是為了更嚴謹,另一個方面也是照顧學科間的聯繫,生物和物理、化學並不存在衝突或者互斥的東西,它們都屬於科學。

新教材提出組成人體蛋白質的胺基酸有21種。學生接觸的一些科普讀物中,可能會看到組成蛋白質的胺基酸有20種、21種或22種等不同表述。最早人們只在蛋白質中發現20種胺基酸,後來又陸續發現第21種(硒代半胱氨酸)和第22種胺基酸(吡咯賴氨酸)。新教材強調了人體中組成蛋白質的胺基酸,這個數目目前就是21種,第21種胺基酸(硒代半胱氨酸)存在於人體某些含硒的蛋白質中。第22種胺基酸主要存在於一些產甲烷的細菌中,人體中目前還沒有發現。

新教材將肽鍵定義成「連接兩個胺基酸分子的化學鍵」,也就是只指那一條藍色的槓槓(見下圖所示)。這樣的敘述使得肽鍵成為名副其實的「化學鍵」(化學中化學鍵是指將原子連接起來的一種相互作用,並不包括原子本身)。現行教材把醯基部分和氨基部分連接起來統稱為肽鍵(-NH-CO-),顯然作它並不符合化學中化學鍵的規範。

其實現行教材把(-NH-CO-)作為一個整體進行強調也並不是沒有道理。在化學中,(-NH-CO-)整體具有部分雙鍵的性質,結果會限制與之相連的原子的旋轉。出於穩定性的原因,(-NH-CO-)通常是反式結構(參見圖示,即O、H分別位於肽鍵的兩側,O和H在圖中均已圈出);現行教材給出的是順式結構(即O和H位於肽鍵的同一側)。自然構象傾向於形成更加穩定的反式結構,新教材這一點的改動更為合理。

這裡還有一點需要注意:慎用「多肽」。教輔通常把三個或三個以上胺基酸構成的肽稱為多肽,這是從漢語語言習慣上講的。但在專業上多肽和多糖類似,對於其中胺基酸數目是有一定的數量要求的,20個以上的胺基酸殘基構成的肽才能稱為多肽,2~20個胺基酸構成的肽是寡肽。教師在這裡沒有必要跟學生講的太清楚,但也儘量不要犯錯誤。

新教材用圖2-12「由胺基酸形成血紅蛋白的示意圖」取代了現行教材「由胺基酸形成蛋白質的示意圖」。新教材的圖示意了蛋白質的一級、二級、三級和四級結構,在兼顧學生認知水平的基礎上反映了蛋白質的結構層次。教學中不必讓學生知道蛋白質的四級結構,只需要讓學生明確肽鏈摺疊盤曲形成一定的空間結構,並且多肽鏈之間能聚集形成更複雜的空間結構。新教材用二硫鍵連接胰島素的A鏈和B鏈的例子並配圖,用以舉例說明多肽鏈之間的結合方式。以上處理都有助於學生理解蛋白質的結構層次。

此外,圖2-12把血紅蛋白的四條肽鏈塗成了兩種顏色,而不是現行教材的四色。血紅蛋白含有兩條α鏈和兩條β鏈,新教材用兩種顏色示意更為合理。此外,如果圖中示意血紅蛋白中α螺旋時採用右手螺旋就更合理了。

與現行教材一致,新教材此處設計了一個思考與討論,其目的是通過思維活動讓學生認識到蛋白質結構多樣性的原因。相較於現行教材,新教材的呈現次序做了些許調整,將討論放在了學生學習了蛋白質結構層次之後,這樣學生的討論就有了更多的知識準備,有利於討論充分展開。

第二個討論題表達的意思是:食物中的蛋白質進入人體後先消化分解為胺基酸,然後才能做為原料合成組成人體的蛋白質。這個問題設置有駁斥吃啥補啥的意味。

新教材最後再次回到蛋白質的功能。明確每一種蛋白質分子都有與它功能相適應的結構。如果胺基酸序列改變或蛋白質的空間結構改變,就可能影響其功能。隨後教材用正常血紅蛋白和(鐮狀細胞貧血)異常血紅蛋白的實例說明蛋白質的結構改變,其功能也發生改變。

正常血紅蛋白質形成的四聚體接近於球形。鐮狀細胞貧血患者的血紅蛋白結構異常,這樣的異常血紅蛋白質會相互連接成纖維狀,纖維狀連接的血紅蛋白最終會影響到紅細胞的形態,導致鐮狀細胞貧血患者的血細胞呈鐮刀型。

與現行教材相比,新教材此處刪去了鹽析,保留了變性。如此處理的原因大致是這樣的:這一節重點是蛋白質的結構和功能,強調蛋白質的結構和功能相適應。在鹽析的例子中,蛋白質結構和功能之間的聯繫體現不夠充分;而蛋白質變性後,其功能也隨之喪失,更能反應蛋白質結構與功能的關係。刪去鹽析還能簡化教學內容,體現課標對教學內容少而精的要求。

這部分還增加了利用蛋白質變性消毒滅菌的介紹,讓學生理解食物經加熱變性後再食用,更容易消化也更安全,這有助於學生樹立良好的飲食習慣。

1965年,中科院上海生化所、北京大學和中科院上海有機所的科學家們通力合作,在世界上第一次用人工方法合成了具有生物活性的蛋白質——結晶牛胰島素。他們將結晶牛胰島素注入小鼠體內,結果表明結晶胰島素有效降低了血糖。這是諾獎級別的科研成果,但由於種種原因,最終與諾獎擦肩而過。老一輩科學家們在艱苦條件下不畏艱難、勇攀科技高峰的精神都值得我們學習。

本節要建構的概念是「闡明蛋白質通常由20種胺基酸分子組成,它的功能取決於胺基酸序列及其形成的空間結構,細胞的功能主要由蛋白質完成」。新教材圍繞這一概念,與現行教材相比做了取捨和增添,力圖更加突出概念,有利於學生概念的建構。

本節內容通過蛋白質分子結構和功能的多樣性,使學生認識到生命的複雜性;整節都圍繞蛋白質的結構和功能展開,強調蛋白質結構和功能之間的聯繫,有助於學生建立結構和功能相適應的觀念。歸納概括蛋白質的功能和胺基酸的結構通式,分析胺基酸如何組成蛋白質,這些都具有重要的科學思維訓練價值。攝入足量的必需胺基酸,食用變性的蛋白質、利用蛋白質變性達到消毒滅菌的目的,引導學生關注自身健康,建立良好的飲食習慣。

科學史話中我國科學家合成胰島素的例子能激發學生的民族自豪感,還能激勵學生認真學習、勇攀高峰。

相關焦點

  • 肽鍵的性質和肽的功能
    一個胺基酸的羧基與另一個胺基酸的氨基縮水形成的共價鍵,稱為肽鍵。在蛋白質分子中,胺基酸之間以肽鍵連接起來,形成肽鏈。最簡單的肽由兩個胺基酸組成,稱為二肽。含有三個胺基酸的肽稱為三肽,以此類推。肽鏈中的胺基酸由於形成肽鍵時脫水,已不是完整的胺基酸,所以稱為殘基。肽的命名是根據組成肽的胺基酸殘基來確定的。
  • 組成蛋白質的胺基酸與異肽鍵
    常見的有20種,其中1種為亞胺基酸,就是脯氨酸,還有兩種是不常見的胺基酸,它們是硒代半胱氨酸和吡咯賴氨酸,其實,硒代半胱氨酸不是不常見,是發現的比較晚而已,而吡咯賴氨酸才是真正的不常見的胺基酸,目前發現只存在於某些產甲烷的細菌中。有很多人問我,胺基酸R基中的氨基和羧基能否形成肽鍵?其實,這個問題比較複雜。
  • 由「肽鍵」引起的回憶
    這還要從肽鍵的概念說起。不知道大家有沒有注意,人教社肽鍵的表示方法悄悄地改變了!記得,剛參加工作時就發現這個肽鍵的概念是不對的,明明是一個化學基團,怎麼能叫化學鍵呢?這與化學教材中共價鍵的概念是不一致的。於是,就撰寫了「教材中對肽鍵的錯誤認識」一文,投給了剛剛創刊不久的《生物化學雜誌》(記得是上海生物化學研究所創辦)。
  • 科學家發現肽鍵生成新途徑
    美國範德堡大學(Vanderbilt University)的科研人員發現了一種生成肽鍵的新方法。該方法使用溴化硝基烷烴與碘活化的胺反應產生醯胺。
  • 生物中的化學:醯胺鍵與肽鍵
    環己烷甲醯肼有老師解答過程中提到肽鍵,那到底什麼是肽鍵呢?肽鍵是一分子胺基酸的α-羧基和一分子胺基酸的α-氨基脫水縮合形成的醯胺鍵。由此可以看出"-CO-NH-"不一定為肽鍵,一定是醯胺鍵,是否為肽鍵需要知曉它對應有機物的結構。
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    ,而這兩組特徵可以通過論文提出的squeeze-and-co-excitation(SCE)來根據查詢圖片對N個channel進行自適應重新加權。在squeeze層和co-excitation層之間,放置了兩個fc/MLP層,跟SE block設計一樣SCE operation如公式3,和為重新加強後的特徵圖,是co-excitation向量,而表示element-wise product通過公式3,查詢圖片可以表示為公式4,同樣RPN提取的區域特徵可以同樣得出,例如對的裁剪區域進行channel-wise的GAP
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