一种ATP合酶的工作机制演示教具的制作方法

本发明是一种atp合酶的工作机制演示教具，属于演示教具设备领域。

背景技术：

atp合酶广泛存在于线粒体，叶绿体，原核藻，异养菌和光合细菌中，是生物体能量代谢的关键酶。该酶分别位于类囊体膜，质膜或线粒体内膜上，参与氧化磷酸化与光和磷酸化反应，在跨膜质子动力势的推动下催化合成生物体的能量“通货”-atp。atp合酶的f0部分比鞭毛的动力结构的直径将近小一半。鞭毛的运动要经过几百个步骤，而atp合酶的运动只需要几步。

在研究氧化磷酸化形成atp的化学渗透学说时，atp合酶的作用表现得尤为明显，因此在研究和教学时都需要充分了解atp合酶的工作原理。然而在教学领域中，现只能通过理论知识或者是书本上的图片来讲解和分析atp合酶，这种常用的教学方法缺乏生动性，也不利于学生的认知和消化。

中国专利cn208819492u提及了一种用于教学的动态atp合酶分子教具，包括分子部与黑箱部，分子部包括第一基座(4)、第二基座(5)、外轴(3)、中轴(7)、6个插瓣球(2)、顶盖(1)；黑箱部包括箱体、第一齿轮(13)、第二齿轮(14)、电机(16)、舵机(15)；本实用新型结构简单，方便携带，自动化程度高，并且能够在教学过程中展示atp合酶的外观结构，使学生更清晰地了解atp合酶的运作原理，但是其实质上只是实现了关于六聚体的旋转，对于atp合酶的工作机制中的其他操作步骤均未提及，该旋转也只是单独旋转，并不能帮助学生理解什么时候六聚体应该旋转。

中国专利cn102938225b公开了一种atp合酶模型教具，包括旋转部与支撑部，所述旋转部包括轴杆、插瓣球、第一球体、第二球体，所述的插瓣球、第一球体、第二球体自上而下依次套设在所述轴杆上，所述支撑部包括轴杆基座、连接杆基座、弯曲的连接杆、设置在所述连接杆顶端的顶球，所述连接杆对称设置在所述连接杆基座外表面，所述轴杆顶端与所述顶球转动连接，所述轴杆下端与所述轴杆基座转动连接，其缺陷和中国专利cn208819492u相同，基本上只是简单的展示了六聚体的旋转，并不能帮助学生理解整个的atp合酶的工作过程。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种atp合酶的工作机制演示教具，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种atp合酶的工作机制演示教具，包括底座、a亚基机构、c亚基机构以及控制器，所述a亚基机构、c亚基机构均安装在底座上方，所述a亚基机构通过支腿安装在底座的上方，所述a亚基机构的内部设置有质子通道，所述质子通道的底部两侧分别设置有红外发射器以及红外接收器，所述a亚基机构的上方设置有固定杆，所述固定杆上缠绕有连接线，所述连接线的一端缠绕在固定杆上，所述连接线的另一端连接质子球，所述c亚基机构安装在电动旋转杆的表面，所述电动旋转杆的顶端连接有六聚体，所述c亚基机构的表面开有卡槽，所述卡槽内放置有c亚基演示板，所述底座内部设置有电池以及控制器，所述电池通过电线连接电动旋转杆，所述电线上设置有继电器，所述继电器通过电线连接控制器，所述控制器还通过电线连接旋转开关。

进一步地，所述支腿设有多个，多个支腿对称的布置在底座与a亚基机构之间，a亚基机构通过支腿实现固定，当c亚基机构旋转时，因为支腿的存在，a亚基机构不会发生倾斜。

进一步地，所述a亚基机构由透明材料构成，所述质子通道由透明材料构成，所述质子球的表面附有一层荧光粉，荧光粉在灯光开启的时候，可以吸收光线，在实际使用的时候，通过质子球与质子通道配合，实现演示质子球的移动，具体的，跨线粒体内膜的h+梯度驱动质子(h+)回流至线粒体基质时(从细胞质一侧回流至基质侧)，储存的能量被atp合酶充分利用，催化adp和pi生成atp。atp合酶由f0和f1两个结构域构成。f1为线粒体基质侧的蘑菇头状突起，其功能是用于催化atp合成，而f0的大部分结构是镶嵌在线粒体内膜中，组成离子通道，用于质子的回流，质子(h+)回流至线粒体基质侧时，线粒体膜对于质子是不通透的(质子不能直接过去)，质子需要通过a亚基(因为a亚基有2个半穿透线粒体内膜的、不连通的质子通道，两个开口分别位于线粒体的基质侧和内膜的细胞质侧，两个半通道分别与1个c亚基相对应)，在演示上述运动的时候，教师通过松开缠绕在固定杆上的连接线，然后用手捏住连接线的一端，将连接线的另一端连同质子球放入到质子通道中(在结束状态下，可以将连接线的另一端连同质子球放入到质子通道中，并不需要完全将质子球从质子通道中取出，方便下次的演示)，然后拉动连接线，从而使得质子球沿着质子通道向上移动，因为质子球的表面有一层荧光粉，同时a亚基机构由透明材料构成，所述质子通道由透明材料构成，所以学生可以清楚的看见质子球在质子通道中移动的轨迹，方便学生理解h+梯度驱动质子(h+)回流至线粒体基质过程。

进一步地，所述旋转开关设置在底座的上方，所述底座上方还开有凹槽，凹槽用于放置一些小型教学用具，所述旋转开关与控制器电性连接，所述控制器通过连接旋转开关，继而控制电动旋转杆的工作状态，具体的，教师控制旋转开关，控制器接收到这个控制的电信号，控制器通过控制继电器，继而控制电池流经电动旋转杆电流的通断以及方向，从而控制电动旋转杆旋转，这个控制的过程，是一个单独控制过程，为了方便教师连接c亚基演示板与卡槽。

进一步地，所述卡槽设有多个，多个卡槽等距对称的布置在c亚基机构的表面，所述c亚基演示板的一侧表面连接有连接杆，所述c亚基演示板的另一侧表面设有黑板，所述连接杆设有两个，两个连接杆对称的布置在c亚基演示板的一侧表面，当c亚基演示板连接在卡槽上时，连接杆的位置与卡槽的位置相对应，所述连接杆由磁石构成，所述卡槽的内部设置有铁片。

进一步地，所述红外发射器以及红外接收器均通过数据线与控制器数据连接。

进一步地，所述红外发射器的输出端与控制器的输入端连接，所述红外接收器的输出端与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与继电器的输入端连接，所述继电器的输出端与电池的输入端连接，所述电池的输出端与电动旋转杆的输入端连接，通过设置红外发射器和红外接收器，红外发射器会不停的发送红外光线，而红外接收器会接收这个红外光线，这个接收的过程为一种正常的传输步骤。

本发明的有益效果：本发明的一种atp合酶的工作机制演示教具，教师只需要对应拉动质子球便可以通俗合理的演示整个atp合酶的工作过程，更方便学生理解。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种atp合酶的工作机制演示教具的结构示意图；

图2为本发明一种atp合酶的工作机制演示教具的底座内部示意图；

图3为本发明一种atp合酶的工作机制演示教具的c亚基演示板示意图；

图中：1-底座、2-a亚基机构、3-c亚基机构、11-凹槽、12-旋转开关、13-电池、14-控制器、15-电线、16-继电器、21-固定杆、22-连接线、23-质子球、24-质子通道、25-支腿、26-红外发射器、27-红外接收器、31-卡槽、32-六聚体、33-电动旋转杆、34-c亚基演示板、35-连接杆。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1至图3，本发明提供一种技术方案：一种atp合酶的工作机制演示教具，包括底座1、a亚基机构2、c亚基机构3以及控制器14，a亚基机构2、c亚基机构3均安装在底座1上方，a亚基机构2通过支腿25安装在底座1的上方，a亚基机构2的内部设置有质子通道24，质子通道24的底部两侧分别设置有红外发射器26以及红外接收器27，a亚基机构2的上方设置有固定杆21，固定杆21上缠绕有连接线22，连接线22的一端缠绕在固定杆21上，连接线22的另一端连接质子球23，c亚基机构3安装在电动旋转杆33的表面，电动旋转杆33的顶端连接有六聚体32，c亚基机构3的表面开有卡槽31，卡槽31内放置有c亚基演示板34，底座1内部设置有电池13以及控制器14，电池13通过电线15连接电动旋转杆33，电线15上设置有继电器16，继电器16通过电线15连接控制器14，控制器14还通过电线15连接旋转开关12。

支腿25设有多个，多个支腿25对称的布置在底座1与a亚基机构2之间，a亚基机构2通过支腿25实现固定，当c亚基机构3旋转时，因为支腿25的存在，a亚基机构2不会发生倾斜。

a亚基机构2由透明材料构成，亲水质子通道24由透明材料构成，质子球23的表面附有一层荧光粉，荧光粉在灯光开启的时候，可以吸收光线，在实际使用的时候，通过质子球23与质子通道24配合，实现演示质子球23的移动，具体的，跨线粒体内膜的h+梯度驱动质子(h⁺)回流至线粒体基质时(从细胞质一侧回流至基质侧)，储存的能量被atp合酶充分利用，催化adp和pi生成atp。atp合酶由fo和fl两个结构域构成。fl为线粒体基质侧的蘑菇头状突起，其功能是用于催化atp合成，而fo的大部分结构是镶嵌在线粒体内膜中，组成离子通道，用于质子的回流，质子回流至线粒体基质侧时，质子不能直接通过线粒体膜，质子需要通过a亚基(因为a亚基有2个半穿透线粒体内膜的、不连通的质子通道24，两个开口分别位于线粒体的基质侧和内膜的细胞质侧，两个半通道分别与1个c亚基相对应)，在演示上述运动的时候，教师通过松开缠绕在固定杆21上的连接线22，然后用手捏住连接线22的一端，将连接线22的另一端连同质子球23放入到质子通道24中(在结束状态下，可以将连接线22的另一端连同质子球23放入到质子通道24中，并不需要完全将质子球23从亲水质子通道24中取出，方便下次的演示)，然后拉动连接线22，从而使得质子球23沿着质子通道24向上移动，因为质子球23的表面有一层荧光粉，同时a亚基机构2由透明材料构成，亲水质子通道24由透明材料构成，所以学生可以清楚的看见质子球23在亲水质子通道24中移动的轨迹，方便学生理解电化学梯度驱动质子(h⁺)回流至线粒体基质过程。

旋转开关12设置在底座1的上方，底座1上方还开有凹槽11，凹槽11用于放置一些小型教学用具，旋转开关12与控制器14电性连接，控制器14通过连接旋转开关12，继而控制电动旋转杆33的工作状态，具体的，教师控制旋转开关12，控制器14接收到这个控制的电信号，控制器14通过控制继电器16，继而控制电池13流经电动旋转杆33电流的通断以及方向，从而控制电动旋转杆33旋转，这个控制的过程，是一个单独控制过程，为了方便教师连接c亚基演示板34与卡槽31。

卡槽31设有多个，多个卡槽31等距对称的布置在c亚基机构3的表面，c亚基演示板34的一侧表面连接有连接杆35，c亚基演示板34的另一侧表面设有黑板，连接杆35设有两个，两个连接杆35对称的布置在c亚基演示板34的一侧表面，当c亚基演示板34连接在卡槽31上时，连接杆35的位置与卡槽31的位置相对应，连接杆35由磁石构成，卡槽31的内部设置有铁片，如上，动物细胞中atp合酶的f1部分主要由α3亚基、β3亚基、γ亚基、δ亚基、ε亚基复合体和寡霉素敏感蛋白组成。3个α亚基，3个β亚基是间隔排列的，像橘子瓣一样围绕着γ亚基组成六聚体32。f0由疏水的一个a亚基，2个b亚基，9-12个c亚基组成(不同动物c亚基数目不同)，形成跨内膜的质子通道，为了演示不同动物的不同数目的c亚基，所以设置多个c亚基演示板34，通过多个c亚基演示板34固定在卡槽31上，从而演示不同动物的c亚基，同时因为c亚基演示板34的一侧表面设置有黑板，所以教师可以在黑板上写上该动物的名称或其他信息，进一步的方便学生理解。

红外发射器26以及红外接收器27均通过数据线与控制器14数据连接。

红外发射器26的输出端与控制器14的输入端连接，红外接收器27的输出端与控制器14的输入端连接，控制器14的输出端与继电器16的输入端连接，继电器16的输出端与电池13的输入端连接，电池13的输出端与电动旋转杆33的输入端连接，通过设置红外发射器26和红外接收器27，红外发射器26会不停的发送红外光线，而红外接收器27会接收这个红外光线，这个接收的过程为一种正常的传输步骤，在实际使用的时候，因为质子回流至线粒体基质侧时，质子不能直接通过线粒体膜，，质子需要通过a亚基(因为a亚基有2个半穿透线粒体内膜的、不连通的亲水质子通道24，两个开口分别位于线粒体的基质侧和内膜的细胞质侧，两个半通道分别与1个c亚基相对应)，但质子不是直接从a亚基回流需要依靠c亚基，因为c亚基上有含负电荷的天冬氨酸残基，质子(h⁺)带正电荷，正负电荷相吸，中和了天冬氨酸的负电荷，电荷改变使得c亚基旋转，c亚基能与疏水内膜相互接触而发生转动。当c亚基转动到接触出口半通道相应位置时，天冬氨酸残基原来结合的质子(h⁺)从半通道出口顺质子梯度释放进入线粒体基质。c亚基旋转可以将质子(h⁺)转到基质侧质子半通道，c亚基旋转同时带动γ亚基和ε亚基旋转。c亚基依次进行上述旋转循环过程时，c亚基和γ亚基和ε亚基相对α3亚基、β3亚基转动，综合的描述，每当质子球23在亲水质子通道24中移动的时候，c亚基机构3都会旋转，所以当教师拉动质子球23在亲水质子通道24中移动的时候，质子球23都会阻挡红外光线的接收，这个接收和阻挡的信息会传输至控制器14中，控制器14在进一步的计算和处理后，通过控制继电器16，继而控制电池13流经电动旋转杆33电流的通断以及方向，从而控制电动旋转杆33旋转，从而实现每当质子球23在亲水质子通道24中移动的时候，c亚基机构3都会旋转的过程。

作为本发明的一个实施例：线粒体复合体i、iii、iv发挥质子泵作用将质子从基质侧泵到胞浆侧从而形成跨线粒体内膜的电化学梯度，电化学梯度使质子有回流趋势，而线粒体内膜对于质子是不通透的即质子不能自由出入线粒体内膜。质子就需要通过atp合酶两个不连通的质子半通道即a亚基实现从胞浆侧回流至基质侧。质子通过a亚基回流时要依赖c亚基旋转将质子转动到接触出口半通道相应位置。c亚基上有含负电荷的天冬氨酸残基，质子带正电荷，正负电荷相吸，中和了天冬氨酸的负电荷，电荷改变使得c亚基旋转。如上所述质子回流时依赖a亚基及c亚基的旋转，c亚基旋转同时带动与之相连的γ亚基和ε亚基旋转。c亚基依次进行上述旋转循环过程时，c亚基和γ亚基和ε亚基相对α3亚基、β3亚基转动，继而催化adp和pi生成atp。由此可见atp生成的过程是由质子回流经过a亚基质子半通道及c亚基的旋转来实现的，本发明从质子经过两个不连通的质子半通道a亚基时c亚基进行同步旋转，生动展示了atp合成的质子回流全过程，方便同学理解atp合酶的工作机制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。