ATP的合成机制教学方法探讨

张劲　郑胜礼

摘要 采用设问式、图表式、动画模拟和实验证据等多种方法相结合，来生动形象地展示ATP的合成机制内容，在教学实践中获得了较好的教学效果。

关键词 ATP合成机制；教学实践；教学效果

中图分类号 S-01 文献标识码 A 文章编号 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

在中学生物学教学及大中专院校的生物化学[1-2]和植物生理学教学中，有一个需要引起高度重视的难点问题——ATP的合成机制。这一问题不仅是生物科学相关课程的重难点问题，而且是生命领域的研究热点之一。其所包含的知识点复杂繁多，作用机理深奥，又不断被更新，一直是难讲、难学的内容之一。笔者结合自身的教学经验，从以下4个方面全面展示这一内容，化繁为简，取得了突出的教学效果。

1 强调ATP合成的重要性

先以设问的方式，引发学生思考。如“生命活动的能量主要由什么来提供，它在体内主要通过哪些方式来合成，其合成的机制又是怎样的”。再强调ATP合成的重要性，激发学生的学习兴趣。腺苷三磷酸（Adenosine Triphosphate，ATP）是生命的能量货币，它的生物合成是生物体中最基本而重要的事件之一。

2 图表法展示ATP合酶的结构

2.1 引出主角 ATP的生物合成离不开体内的“印钞机”——ATP合酶。由远及近、逐级放大，用图片展示，从细胞到细胞器（线粒体、叶绿体）再到局部特写（线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上的许多“棒棒糖”样结构），引出主角——ATP合酶出场。

2.2 结构展示 生物大分子的结构决定功能，因此要阐明ATP合酶的作用机理，要从其结构组成入手。在Boyer[3]眼中，所有酶都是美丽的，而ATP合酶是其中结构最为精妙的[4-5]。采用原版图片形象地展示其结构特点，并以列表的方式比较不同来源的ATP合酶亚基组成的差异（表1）。在结构的具体讲解中，以形象有趣的比喻加深学生的印象，如其中亲水的球形头部被戏称为“桔瓣单元”，基底部的跨膜同多聚体戏称为“幸运大转盘”。从结构的完美性来说，可以把ATP合酶比喻为当之无愧的“世界酶小姐”。

3 结合实验和动画揭示ATP的合成机制

3.1 偶联机理 氧化磷酸化和光合磷酸化是体内合成ATP的主要方式，因此首先要解决的问题是氧化/光合磷酸化的偶联机理，即电子传递与ATP的合成之间是如何偶联的。

先简要介绍3种学说（化学偶联学说、构象偶联学说、化学渗透学说），再重点介绍Mitchell的“化学渗透学说”[6-7]，讲解其基本内容和要点，指出关键之处和未解决的问题。最后要点明学生难以理解之处，主要在于能量到底是怎么来的，要从电子传递链讲起，电子传递是从高能态到低能态，所释放的能量足以将一定数量的质子泵出，而内膜对质子是不通透的，因此造成跨膜的质子电化学梯度（即质子推动力），这个能量将进一步用于ATP的合成。

3.2 ATP合酶的作用机理 主要是说明ATP合酶如何利用质子推动力来合成ATP。

3.2.1 先介绍理论的发展过程。起源于Boyer提出的“构象偶联学说”，后来发展为“结合变化机制”[8]。经过逐步的充实修正，创立了“旋转催化机制”[9]。

3.2.2 结合变化机制。以著名的18O交换实验为例，结合直观的实验和原版图片阐明结合变化机制（指出要点和未解决的问题）。并把催化亚基3种构象状态的循环（结合-绑定-释放）比喻为优美的“华尔兹三步舞曲”。

3.2.3 旋转催化机制。以原版图片和动画模拟形象地演示该学说的内容，并指出其关键所在。利用简单的类比揭示复杂的分子机理，如用水力发电站的工作原理类比ATP合成的原理，以发电机的结构类比ATP合酶，用水流带动水轮机的旋转类比质子流推动“大转盘”的转动。再列出支持该学说的主要实验证据，如20世纪末分别由美、德、日的科学家用实验证实，其中最直观、最有趣的是Noji[10]的荧光飘带实验，并以原版图片、荧光点照片、真人秀视频和动画模拟等多种方式来生动地展示该实验，给学生留下深刻的印象，并激发他们的想象力，点燃学习热情。

3.3 小结

最后对ATP合成机制的各个相关学说进行总结，说明各自的局限性，即它解决了什么问题，没有解决什么问题。并注意在具体讲解各个学说时，按照先后次序，环环相扣，层层推进。理清来龙去脉，渐入佳境时再抛出更为完善的理论做重点讲解。

4 展望

在近几十年来对ATP的合成机制研究中（表2）涌现出许多优秀的科学家，取得了丰硕成果。

其中有多个相关研究成果获得了Noble奖，因此在教学中应引导学生阅读原始文献，共同探讨经典文献，帮助学生扩展专业外语学习的同时，加深他们对相关知识点的理解，进一步领略科学精神。另外，虽然旋转催化机制基本阐明了ATP的合成机制，但是相关的研究还远未结束。一方面是理论研究：ATP合酶结构与功能更为精细的机理尚不完全清楚；另一方面是应用研究：对这一世界上最小、最快、转换效率最高的分子马达的人工模拟吸引着越来越多专家。

ATP的合成机制一直是最具吸引力的科学研究课题之一， 无数科学家为此作出了贡献。但是仍有许多未解之谜等待发现。因此，在教学中应指导学生不仅要理解基础知识，而且为他们打开一扇科学之门，唤起他们的探索精神，埋下科學研究的种子。

參考文献

[1] 王镜岩，朱圣庚，徐长法. 生物化学教程[M].北京：高等教育出版社，2008：348-359.

[2] 郭蔼光. 基础生物化学[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合成酶的结合变化机制和旋转催化——1997年诺贝尔化学奖的部分工作介绍[J].生物化学与生物物理进展，1998，25 （1）：9-17.

[5] 杨福愉. ATP合酶：一个最小的蛋白质分子转动马达[J].医学分子生物学杂志，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.