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2019年9月28日 星期六

選修生物-光合作用2用自由能教固碳反應


前面的光反應在這一篇

而固碳反應的部分
先說基本上是三個分開的二氧化碳分子被組裝成一個三碳分子,可以問學生這個系統的自由能是升高還是降低。
然後回頭看前面的兩個因為吸光所以自由能提高的分子。
一個是「ATP+水」,另一個是「NADPH系統」。
兩個系統都可以透過逆反應來釋出自由能,但是附帶的結果不一樣。
「ATP+水」釋出自由能的同時,還會釋出磷酸根
「NADPH系統」釋出自由能的同時,則是會釋出氫離子與電子


用氧化還原跟磷酸化來看,這邊還蠻簡單的。

先帶學生看大致上碳數的變化,還有碳反應的目的

第二要強調這個過程是由光反應的產物,也就是自由能被提升的ATP、NADPH系統
ATP、NADPH這兩個系統因為在光反應中被提升自由能,所以是呈現不穩定的狀態,會傾向於回復到原本的狀態。
也就是說會傾向於進行逆反應:ATP會釋出自由 能跟磷酸根,NADPH會釋出自由能、電子與氫離子

如果等等碰到要自由能跟磷酸根的狀況,就是ATP來處理
如果等等碰到要釋出自由能、電子與氫離子的狀況,就是NADPH來處理

接下來看每個階段

像是磷酸甘油酸要變成雙磷酸甘油酸,顯然要磷酸~已經有一坨磷酸根,又要再加一坨磷酸根,顯然系統會更不穩定,自由能會上升。
讓學生判斷兩個加在一起,要用什麼(學生會自己找出那就用ATP)

雙磷酸甘油酸要變成雙磷酸甘油醛,讓學生判斷是氧化還是還原,自由能上升還是下降,要用哪一個系統來處理。

最後再生五碳醣比較難,可以由老師簡單介紹就好(基本上是自由能上升,因為是三個碳變五個碳,植物細胞用ATP處理)


然後就問學生有沒有要問的。
通常學生會在這裡發現最後是三個碳的分子變出五個碳的分子,多的兩個碳是哪裡來的
這時候我會請大家一起想辦法,看看可以怎麼辦

有的班級可以跳出15這個令生物老師心花怒放的數字
比較多的班級會有學生說兩個3碳醣一起跑,可以問那多一個碳不就浪費掉了
經驗中大多班級都可以在這個步驟往最小公倍數那邊想
接下來就可以慢慢帶到係數平衡的方向了




解決了一個問題,(機車老師)又跳出另一個問題了。
這個圈圈中,需要的NADPH和ATP的數目不一樣
但是在光反應中(記得嗎,圖還在黑板的左邊,學生隨時可以回去看,這就是我喜歡版書兒不喜歡投影片的原因)每次產生的NADPH和ATP的數目是一樣的~
怎麼辦!!!!

讓學生看著光反應的電子傳遞鏈去想想看怎麼辦,可以試試看等待,也許會有驚喜~
基本上學生不容易會想到循環電子傳遞鏈。所以不用太為難學生。
可以帶著想想看光反應中跟ATP的形成中比較有關的是什麼~
跟造成氫離子梯度差比較有關的是什麼~
學生可以想到如果可以讓電子到光系統1時不要往NADPH合成酵素那邊跑就好了。
就可以繼續追問,是什麼決定誰能接電子呢?
好在我們在光反應時就一直是用氧化還原電位來處理,所以學生可以回答出來。
這時候,再跟學生說明電子傳遞連中的各完整複合體的氧化還原電位,他們自己就可以理解循環式電子傳遞鏈了。
是很合理的替代方案,不是老師說了算,也不是天外飛來的解決方式

好喔,我們解決了ATP與NADPH的問題。

但是機車的生物老師又生出了一個問題。

(生物老師默默地把黑板上的東西畫成海報)


就是啊,碳反應的第一個酵素本來的功能是把二氧化碳跟那個五碳醣結合。
但是!她竟然也可以把氧氣加入上去,這點跟血紅素有點像~
如果這個酵素遇到比較多二氧化碳,她就會加二氧化碳,如果遇到的氧氣比較多,就會加氧氣。
但是加氧氣的結果是毀滅性的,因為這個結果是那個五碳醣被分解為一個三碳醣跟一個二碳醣,不止沒有淨產物增加,原料還被耗損掉了。

可是呢,什麼樣的情形會讓植物細胞遇到的氧氣很多,但是二氧化碳很少呢?
學生會想到氣孔關閉
但是為什麼植物要關掉氣孔呢
學生會想到是因為要防止水分散失

不過我真的問題是
「關氣孔可以防止水分散失,但是會造成碳反應不能進行。開氣孔會水分散失,但是碳反應可以進行。兩個都有優缺點,為什麼植物選擇保水,而不是碳反應呢~」

學生有可能會說失水會死,可以反問但沒辦法 進行碳反應也是會死掉啊~

在經驗中,只要等足夠的時間。
學生都能看出來沒有水的時候連光反應也沒辦法進行!



所以,還是會到「那怎麼辦~~」
還是回頭看看問題是什麼!

現在狀況是
氣孔就是不能開
二氧化碳就是這麼少
我們要怎麼讓那個酵素比較常遇到二氧化碳?

這邊要引到「濃度」與「個數」的差異

所以植物只要可以讓二氧化碳的濃度上升就可以了!
當然接下來就是講解C4與CAM

但這時候就不是單純認識機制,而是要思考策略所對應的問題

介紹完三種策略後,我才介紹C4與CAM中的幾個化合物。
PEP、蘋果酸、草醋酸等等,順手指到黑板上的糖解作用與克式循環。
主要要讓學生知道這些化合物在細胞中都是多功能的,也就是整個細胞的化學反應是一個大系統,細胞能很經濟的使用這些化合物。
此時黑板上的呼吸作用

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光合作用的ending
分三個主題讓學生自己去比較,要比較什麼就看各組注意到什麼,想幫全班做比較的,就隨他們。

  • 三種不同的固碳方式
  • 循環式vs非循環式電子傳遞鏈
  • 光系統2與光系統1

我宣布時就是這個順序,因為是帶循環式vs非循環式電子傳遞鏈著他們在黑板上,從最靠近的學習一路倒回去到一開始。
因為沒有規定要比什麼,學生的比較很全面~

一共有九組,所以一個主題會有三組進行比較,足以涵蓋所有的面向
(當然他們在繪製比較表時,老師就要下去看比哪些項目了,如果有缺,可以透過提問來讓學生發現)
學生的互相討論是超級美好的風景。
這是上課中


這是下課的時候,他們不願意去第二節課.......

有一件很有趣的事情。
比較「光系統2與光系統1」的組很容易變成比較「循環式vs非循環式電子傳遞鏈」。

我覺得這是好事!表示在他們認知中,著重的是這兩個系統在功能上的差異。






每張比較都貼在相關的海報旁邊,我會分配各組去幫忙看其他組的海報。

  

最後當然就是帶大家整體來看,可以比較哪些項目,學生要將大家的成果整理在筆記上。

整個禮拜,學生都被化學反應包圍。
一開始他們看這些化學式都有驚恐到空洞的眼神,後來好像進教室看到這些化學式就很有安全感,因為他們知道他們能學會這麼困難的事情。










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