Личный кабинет
Школьное естествознание и современная наука.

Что принципиально особенного нужно знать, чтобы понимать школьную биохимию.






Казалось бы, школьная химия и физика должны создать хороший фундамент для понимания тех биохимических процессов, что протекают в живой клетке.
В действительности, есть три особенности, которые никак не затронуты в школьной физике и химии и часто не учитываются в преподавании биологии. Многие биохимические процессы связанные никак не сводятся к той классической схеме превращения веществ, что так привычна нам из уроков химии.
Игнорирование этих особенностей приводит к серьёзным ошибкам в изложении материала и затруднении в восприятии того, что написано в учебниках.
Таких особенностей три.
1. Матричный синтез. Представление о копировании структуры нерегулярных полимеров – ДНК и РНК, - а также о передачи информации от мРНК к белку достаточно хорошо излагается в рамках школьного курса и создаёт вполне определённое видение о том, как передаётся и реализуется наследственная информация.
Ситуация с двумя другими вопросами не столь благоприятна. Оба этих вопроса излагаются в учебниках как профильного, так и базового уровня, однако, эти ньюансы не акцентируются, рисунки часто не подписываются. Нет внятных формулировок. Такая ситуация приводит к тому, что не только школьники, но часто и учителя (и, что печально, иногда и авторы учебников и заданий ЕГЭ) не понимают этих важных ньюансов.
2. Хемоосмотический протонный градиент как вторая универсальная энергетическая валюта.
В школе внятно проговаривается утверждение о том, что организмы использовать энергию непосредственно от большинства поступающих в неё веществ не могут. Никакого бартера, только валюта (энергетическая валюта). Для начала эта энергия должна быть переведена в универсальную валюту – АТФ. Причём, что важно, указывается также тот факт, что АТФ не синтезируется непосредственно при разложении биополимеров (белков, жиров и углеводов) до мономеров. Всё верно.
Однако далее авторы учебников выступают в роли составителей загадок для читающих учебник и отклоняются от внятного ясного стиля изложения. Вместо этого школьникам предлагается масса картинок, интерпретация которых оставлена за самими читающими. Создаётся впечатление, что авторы учебников или сами не разобрались с темой, или поленились «пропустить тему через себя» для адаптивного внятного изложения.
Кое как эта тема обсуждается в учебнике Теремова и Петросовой (Биология. 10 кл. Профильный уровень) где роль протонного градиента внятно указывается в теме про фотосинтез:
«На мембране имеются специальные протонные каналы, по которым в определённый момент ионы водорода могут переходить в строму хлоропласа. Каналы связаны с ферментом АТФазой (АТФ-синтазой), катализирующей синтез молекул АТФ. Через каналы происходит перекачивание протонов в строму.».
Все верно, и описываемая ситуация напрямую касается накопления энергии в виде хемоосмотического градиента и её превращения в энергию АТФ.
Однако далее авторы начинают уже конкретно фантазировать: «Когда возбуждённые электроны доходят до протонного канала, он открывается, и в него устремляются ионы водорода»
Открытие протонного канала привязано к тому факту, что электрон дошёл до него? Это что-то новое. Вместо того, чтобы внятно акцентировать внимание на этой, отличной от АТФ, энергетической валюте (способной напрямую превращаться в химическую, осмотическую, механическую работу и даже в световую форму энергии), авторы делают ненужную привязку открытия канала к поступлению электрона по транспортной цепи.
Однако иллюстрация световой фазы фотосинтеза в этом учебнике довольна симпатичная, если исключить изображение восстановленной молекулы НАДФ2Н (такое обозначение нельзя считать адекватным для школьного учебника, см. мою статью о мифических веществах из школьной биологии).

Но сильным изъяном данного рисунка является то, что здесь создание протонного градиента ОШИБОЧНО интерпретируется лишь как результат фотолиза воды. Закачка протонов при движении электрона ПОЛНОСТЬЮ ИГНОРИРУЕТСЯ.
Переходя же к теме кислородного этапа энергетического обмена, авторы уже не вспоминают эту фундаментальную схему – роль протонного градиента, и «забывают» даже упомянуть о том, что АТФ на мембране все же синтезируется благодаря АТФазе. На рисунках она тоже отсутствует. Странный подход к изложению: в теме про фотосинтез она вспоминается, а в теме про дыхательную цепь «забывается».
Где логика и наглядность? Представление о хемоосмотическом градиенте позволяет с единой точки зрения изложить эти две едва ли не самые сложные темы в биологии. Вместо этого изложение фактически усложняется и запутывается.
В учебнике Дымшица для 10 класса (профильный уровень) авторы не побоялись внятно изобразить АТФазу и в митохондриях:
«Как энергия, запасённая в НАДН и ФАДН2, служит синтезу АТФ? Атомы водорода с возбуждёнными электронами с этих восстановленных соединений отделяются от них и траспортируются в матрику митохондрий, где оставляют протоны на внутренней стороне мембраны.».


Итак, мы видим, что изложение двух сложнейших тем в школьной биологии – кислородного этапа энергетического обмена и фотосинтеза – можно заметно облегчить, изложив с единой точки зрения модель синтеза АТФ благодаря образующемуся протонному градиенту, чего самым странным образом авторы даже лучших учебников избегают.
3. Представления о сопряжённых процессах. 2 важнейших примера сопряжённых процессов. Слово "сопряжён" авторы некоторых учебников иногда употребляют, но явно вскользь, не акцентируя на этом внимания.
Фактически эта тема в школьной биологии находится в ещё более «забитом» состоянии. Большинство авторов, словно в детективном романе, «намекают» на эти процессы, но никак их не расжёвывают. Вместо этого авторы называют молекулы НАДН и ФАДН2 «переносчиками» атомов водорода, что неизбежно приводит к искажению в восприятии: теперь читающие внимательно учебник ученики будут думать, что эти молекулы транспортируют атомы водорода на другие вещества, например, молекулярный кислород, НЕПОСРЕДСТВЕННО.

Итак, есть два вида сопряжённых процессов, без которых НЕВОЗМОЖНО понять механизм действия электронно-транспортной цепи при фотосинтезе (в хлоропластах) и при дыхании (в митохондриях).
Суть можно свести к двум фундаментальным утверждениям:
- В биологических процессах перенос атомов водорода происходит чаще путём РАЗДЕЛЬНОГО транспорта ионов водорода Н+ (протонов) и электронов.
- Электроны с высокой энергией (полученные от фотона при фотосинтезе или от молекул-переносчиков энергии НАДН и ФАДН2 при дыхании) по электронно-транспортной цепи отдают часть энергии на «закачку» протонов в мембранные резервуары (матрикс тилакоидов в хлоропластах или межмембранное пространство в митохондриях).
Об этом виде сопряжения говорится в некоторых учебниках, но, что очень печально, «вспоминается» лишь при изложении дыхания или лишь при изложении фотосинтеза. А единая точка зрения остаётся просто вне поля зрения авторов.
Игнорирование второго типа сопряжения («закачки» ионов водорода и перемещения электронов) приводит к тому, что в ряде учебников ОШИБОЧНО рассматривают накопление ионов Н+ лишь как результат фотолиза воды, а в митохондриях – лишь как результат передачи ионов водорода от молекул-переносчиков НАДН и ФАДН2.
В учебниках чаще на эти процессы «намекают», создавая разноголосицу интерпретаций и всевозможных ошибок, которые в итоге допускают и сами авторов учебников.
В ЕГЭ же составители фактически избегают задавать вопросы на эти темы, сознавая, что в них мало кто разбирается (включая самих авторов заданий ЕГЭ).

Мы видим, что биохимия – это не то же самое, что химия. Что в ней есть принципиальные моменты, не встречающиеся в школьном курсе химии: электроосмотический протонный градиент, раздельный перенос ионов Н+ и электронов, сопряжение переноса электронов и накопление энергии с помощью «закачки» ионов Н+.
Понять такие темы, как фотосинтез и кислородный этап энергетического обмена без этих представлений так же невозможно, как понять химию без представлений о строении атома, а электродинамику без представлений об электромагнитной индукции. Это та особая изюминка, которая делает неповторимой и красивой биохимию, но так сильно «отпугивает» авторов учебников и заданий ЕГЭ.


    avatar 26.09.2015 | 14:28
    Елена Ковалева Пользователь

    на #5Ха-ха! и Ух ты!Ха-ха,- вопросу....Ух, ты,- у нас школьный этап олимпиады на следующей неделе начнётся только... и биология будет не в первые дни олимпиады, а в конце недели...


     

    avatar 25.09.2015 | 09:40
    Валерий Чернухин Пользователь

    И городского тура Всероссийской олимпиады. "АТФ, используемый для синтеза белков в листьях тополя, образуется приA) световых реакциях фотосинтеза;Б) темновых реакцях фотосинтеза;B) дыхании; Г) анаболизме."


     

    avatar 14.09.2015 | 09:52
    Валерий Чернухин Пользователь

    На 3. Биохимию НЕТРУДНО понять, поняв три вещи. Помните, когда понимаешь принцип комплементарности в ДНК и РНК, и принцип кодирования триплетом, сразу же возникает целостная картина?В биохимии тоже самое. ДОСТАТОЧНО понять, что:1. Энергия может запасаться не только в виде АТФ, но и протонного градиента. АТФазы совершают конвертацию двух энергетических валют.2. Электрон с высокой энергией (полученной от НАДН, ФАДН2 или от фотона) двигаясь по транспортной цепи при фотосинтезе и дыхании, обеспечивает закачку протонов, то есть обеспечивает образование второй энергетической валюты - протонный градиет. 3. Молекулы НАДН и ФАДН2 не переносят атомы водорода непосредственно. Они отдают электронно-транспортной цепи электрон отдельно и ион Н+ отдельно. И желательно помнить баланс конвертации при дыхании: одна молекула НАДН обеспечивает запасание такого количества энергии в виде протонного градиента, которого хватит на синтез максимум трёх молекул АТФ. А одна молекула ФАДН2 - на синтез максимум двух. Всё. Вся суть. Как только понимаешь эти моменты, складывается цельная картина. По сути, здесь даже каких-то особы видео не нужно. Я обычно привожу рисунки. Для понимания темы не нужен какой-то особый интеллект выше того, что нужен, например, для понимания принципа комплементарности в двойной спирали или решения тригонометрического уравнения. Нужно лишь уметь наглядно и внятно представить материал. Типа такого: Дыхательная цепь: ничего лишнего.Странен сам факт: эту не очень уж и сложную тему, по-видимому не понимают авторы большинства школьных учебников и составители вопросов ЕГЭ. Ореол сложности и реальная запутанность в изложении в учебниках вызваны пренебрежением к этой теме, нежеланием разобраться самим. На мой взгляд эта тема намного проще многих других школьных тем, с которыми дети сталкиваются, например, при доказательстве теорем стереометрии или изучении колебательных контуров в физике.


     

    avatar 14.09.2015 | 09:29
    Елена Ковалева Пользователь

    на №2 Тут ещё проблема в том, что биохимические процессы, проходящие в живых организмах - это ПРОЦЕССЫ и о них нужно не только рассказывать, но и показывать. Нехватка хороших видеоматериалов для учёбы о том как протекают различные биохимические реакции живого организма и вызывает сетования на "трудность" материала. Хотя бы один раз увидев, школьник (да и педагог) будет лучше разбираться в тексте об этих процессах, а не механически запоминать количество молекул АТФ.на №1 А что, Валерий?!! Почему бы не выпустить брошюру об ошибках в КИМах ЕГЭ,- ошибок уже порядочно набралось! Брошюру, альтернативную сборникам вопросов от Калиновой и компании? Тем более, что составители не вымарывают старые ошибки, а только делают новые и эти ошибки кочуют в обновленные издания год за годом...


     

    avatar 14.09.2015 | 07:45
    Валерий Чернухин Пользователь

    Учебные пособия пишут те, кому за это платят деньги. Если материал "пропустить через себя", а не тупо копировать, то можно найти и красивый, но точный язык для изложения, и сделать тему привлекательной. Пока, к сожалению, я чаще слышу мантру "эта тема сложная". Во многом в этом виноваты составители учебных пособий, часто излагающие материал в детективном стиле, не разжёвывая тему, по-видимому из-за того, что сами эту тему не любят. Школьная биохимия - это падчерица составителей учебных пособий и заданий ЕГЭ. Составители заданий ЕГЭ откровенно избегают задавать вопросы на эти темы (а в этом году даже исключили из демоверсии молекулярную биологию). Те же поверхностные крохи (типа "Сколько молекул АТФ образуются на кислородном этапе энергетического обмена при окислении двух молекул ПВК?"), что задаются, и то, пишутся часто с грубыми ошибками, как это случилось, например, с демоверсией 2015.Одна из целей моего сообщения: дать понять, что в данной теме свои особенности, без которых школьную биохимию понять невозможно. Игнорирование этих особенностей - одна из причин недопустимо небрежного изложения тем в школьных пособий и недопустимых ошибок в заданиях ЕГЭ.


     

    avatar 11.09.2015 | 19:47
    Георгий Можаев Пользователь

    Может есть смысл написать и издать пособие по школьной биохимии?


     

Дата регистрации: 19.07.2011
Комментарии:
6
Просмотров 149
Сказали спасибо 0
Сказать спасибо
footer logo © Образ–Центр, 2019. 12+