張勁　鄭勝禮

摘要 采用設(shè)問式、圖表式、動畫模擬和實驗證據(jù)等多種方法相結(jié)合，來生動形象地展示ATP的合成機(jī)制內(nèi)容，在教學(xué)實踐中獲得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 ATP合成機(jī)制；教學(xué)實踐；教學(xué)效果

中圖分類號 S-01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00960-02

Abstract ATP synthesis mechanism was displayed vividly with question， chart， animation simulation and experimental evidence， which obtained a good teaching effect in teaching practice.

Key words ATP synthesis mechanism； Teaching practice； Teaching effect

在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)及大中專院校的生物化學(xué)[1-2]和植物生理學(xué)教學(xué)中，有一個需要引起高度重視的難點問題——ATP的合成機(jī)制。這一問題不僅是生物科學(xué)相關(guān)課程的重難點問題，而且是生命領(lǐng)域的研究熱點之一。其所包含的知識點復(fù)雜繁多，作用機(jī)理深奧，又不斷被更新，一直是難講、難學(xué)的內(nèi)容之一。筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗，從以下4個方面全面展示這一內(nèi)容，化繁為簡，取得了突出的教學(xué)效果。

1 強(qiáng)調(diào)ATP合成的重要性

先以設(shè)問的方式，引發(fā)學(xué)生思考。如“生命活動的能量主要由什么來提供，它在體內(nèi)主要通過哪些方式來合成，其合成的機(jī)制又是怎樣的”。再強(qiáng)調(diào)ATP合成的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。腺苷三磷酸（Adenosine Triphosphate，ATP）是生命的能量貨幣，它的生物合成是生物體中最基本而重要的事件之一。

2 圖表法展示ATP合酶的結(jié)構(gòu)

2.1 引出主角 ATP的生物合成離不開體內(nèi)的“印鈔機(jī)”——ATP合酶。由遠(yuǎn)及近、逐級放大，用圖片展示，從細(xì)胞到細(xì)胞器（線粒體、葉綠體）再到局部特寫（線粒體內(nèi)膜和葉綠體類囊體膜上的許多“棒棒糖”樣結(jié)構(gòu)），引出主角——ATP合酶出場。

2.2 結(jié)構(gòu)展示 生物大分子的結(jié)構(gòu)決定功能，因此要闡明ATP合酶的作用機(jī)理，要從其結(jié)構(gòu)組成入手。在Boyer[3]眼中，所有酶都是美麗的，而ATP合酶是其中結(jié)構(gòu)最為精妙的[4-5]。采用原版圖片形象地展示其結(jié)構(gòu)特點，并以列表的方式比較不同來源的ATP合酶亞基組成的差異（表1）。在結(jié)構(gòu)的具體講解中，以形象有趣的比喻加深學(xué)生的印象，如其中親水的球形頭部被戲稱為“桔瓣單元”，基底部的跨膜同多聚體戲稱為“幸運大轉(zhuǎn)盤”。從結(jié)構(gòu)的完美性來說，可以把ATP合酶比喻為當(dāng)之無愧的“世界酶小姐”。

3 結(jié)合實驗和動畫揭示ATP的合成機(jī)制

3.1 偶聯(lián)機(jī)理 氧化磷酸化和光合磷酸化是體內(nèi)合成ATP的主要方式，因此首先要解決的問題是氧化/光合磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理，即電子傳遞與ATP的合成之間是如何偶聯(lián)的。

先簡要介紹3種學(xué)說（化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說、構(gòu)象偶聯(lián)學(xué)說、化學(xué)滲透學(xué)說），再重點介紹Mitchell的“化學(xué)滲透學(xué)說”[6-7]，講解其基本內(nèi)容和要點，指出關(guān)鍵之處和未解決的問題。最后要點明學(xué)生難以理解之處，主要在于能量到底是怎么來的，要從電子傳遞鏈講起，電子傳遞是從高能態(tài)到低能態(tài)，所釋放的能量足以將一定數(shù)量的質(zhì)子泵出，而內(nèi)膜對質(zhì)子是不通透的，因此造成跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度（即質(zhì)子推動力），這個能量將進(jìn)一步用于ATP的合成。

3.2 ATP合酶的作用機(jī)理 主要是說明ATP合酶如何利用質(zhì)子推動力來合成ATP。

3.2.1 先介紹理論的發(fā)展過程。起源于Boyer提出的“構(gòu)象偶聯(lián)學(xué)說”，后來發(fā)展為“結(jié)合變化機(jī)制”[8]。經(jīng)過逐步的充實修正，創(chuàng)立了“旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制”[9]。

3.2.2 結(jié)合變化機(jī)制。以著名的18O交換實驗為例，結(jié)合直觀的實驗和原版圖片闡明結(jié)合變化機(jī)制（指出要點和未解決的問題）。并把催化亞基3種構(gòu)象狀態(tài)的循環(huán)（結(jié)合-綁定-釋放）比喻為優(yōu)美的“華爾茲三步舞曲”。

3.2.3 旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制。以原版圖片和動畫模擬形象地演示該學(xué)說的內(nèi)容，并指出其關(guān)鍵所在。利用簡單的類比揭示復(fù)雜的分子機(jī)理，如用水力發(fā)電站的工作原理類比ATP合成的原理，以發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類比ATP合酶，用水流帶動水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)類比質(zhì)子流推動“大轉(zhuǎn)盤”的轉(zhuǎn)動。再列出支持該學(xué)說的主要實驗證據(jù)，如20世紀(jì)末分別由美、德、日的科學(xué)家用實驗證實，其中最直觀、最有趣的是Noji[10]的熒光飄帶實驗，并以原版圖片、熒光點照片、真人秀視頻和動畫模擬等多種方式來生動地展示該實驗，給學(xué)生留下深刻的印象，并激發(fā)他們的想象力，點燃學(xué)習(xí)熱情。

3.3 小結(jié)

最后對ATP合成機(jī)制的各個相關(guān)學(xué)說進(jìn)行總結(jié)，說明各自的局限性，即它解決了什么問題，沒有解決什么問題。并注意在具體講解各個學(xué)說時，按照先后次序，環(huán)環(huán)相扣，層層推進(jìn)。理清來龍去脈，漸入佳境時再拋出更為完善的理論做重點講解。

4 展望

在近幾十年來對ATP的合成機(jī)制研究中（表2）涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀的科學(xué)家，取得了豐碩成果。

其中有多個相關(guān)研究成果獲得了Noble獎，因此在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生閱讀原始文獻(xiàn)，共同探討經(jīng)典文獻(xiàn)，幫助學(xué)生擴(kuò)展專業(yè)外語學(xué)習(xí)的同時，加深他們對相關(guān)知識點的理解，進(jìn)一步領(lǐng)略科學(xué)精神。另外，雖然旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制基本闡明了ATP的合成機(jī)制，但是相關(guān)的研究還遠(yuǎn)未結(jié)束。一方面是理論研究：ATP合酶結(jié)構(gòu)與功能更為精細(xì)的機(jī)理尚不完全清楚；另一方面是應(yīng)用研究：對這一世界上最小、最快、轉(zhuǎn)換效率最高的分子馬達(dá)的人工模擬吸引著越來越多專家。

ATP的合成機(jī)制一直是最具吸引力的科學(xué)研究課題之一， 無數(shù)科學(xué)家為此作出了貢獻(xiàn)。但是仍有許多未解之謎等待發(fā)現(xiàn)。因此，在教學(xué)中應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生不僅要理解基礎(chǔ)知識，而且為他們打開一扇科學(xué)之門，喚起他們的探索精神，埋下科學(xué)研究的種子。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鏡巖，朱圣庚，徐長法. 生物化學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2008：348-359.

[2] 郭藹光. 基礎(chǔ)生物化學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2009：185-192.

[3] BOYER P D.The ATP synthase-a splendid molecular machine[J].Annual Review in Biochemistry，1997，66： 717-749.

[4] 周筠梅.ATP合成酶的結(jié)合變化機(jī)制和旋轉(zhuǎn)催化——1997年諾貝爾化學(xué)獎的部分工作介紹[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，1998，25 （1）：9-17.

[5] 楊福愉. ATP合酶：一個最小的蛋白質(zhì)分子轉(zhuǎn)動馬達(dá)[J].醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)雜志，2005，2（4）：243-249.

[6] MITCHELL P.Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transport by a chemiosmotic type of membrane[J].Nature，1961，191：144-148.

[7] MITCHELL P.Chemiosmotic coupling in oxidative and photosynthetic phosphorylation[J].Biol Rev Cambridge Phil Soc，1966，41：445-502.

[8] BOYER P D. Coupling Mechanisms in Capture，Transmission and Use of Energy[J].Annual Review of Biochemistry，1977，46： 955-1026.

[9] BOYER P D.The binding change mechanism for ATP synthase-some probabilities and possibilities[J].Biochim Biophys Acta，1993，1140： 215-250.

[10] NOJI H，YASUDA R，YOSHIDA M，et al.Direct observation of the rotation of F1-ATPase[J].Nature，1997，386（20）： 299-302.