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DNA双螺旋模型的建构

[日期:2013-12-08] 来源:中学生物学 2013年8期  作者:丁征 [字体: ]
  引导学生尝试建构“DNA双螺旋结构模型”已成为高中生物必修2“DNA分子结构”教学中常用的手段。课堂上学生通过制作物理模型,再现难以直接观察到的DNA分子结构,对DNA为双螺旋结构的概念进行具体化,从而加深对DNA分子结构特点的认识和理解。
  学生在课堂上常用“DNA双螺旋结构模型组件”来完成DNA分子模型的建构。从模拟制作的角度看,这是非常好的学具,因为学生亲自制作DNA的立体模型,有助于在现有的实验条件下让DNA分子变“微观”为“宏观”,从而更好地完成知识体系的构建。但由于模型组件中代表脱氧核糖、磷酸、含氮碱基的模型材料、相应的共价键以及不同共价键插入位置的洞口粗细大小都匹配得非常到位,让组装不会出现“差错”。这在无形中限制了学生的“猜想”,因为出现不了问题,学生也就不能体会科学家们当时建立、修正模型的过程。因此DNA的模型构建,更建议教师用自制材料做成DNA的6种构成分子,即脱氧核糖、磷酸、4种含氮碱基,让学生摆脱课本的束缚,充分构想,甚至是出现错误猜想,从而强化体验模型构建的过程。
  1 创新材料选择
  课前布置学生根据教材中“制作DNA双螺旋的结构模型”活动要求,寻找生活中能制作DNA模型的材料,并准备10份构成脱氧核苷酸的材料。学生有许多新颖的想法,寻找的制作材料也丰富多彩,归纳如下。
  代替脱氧核糖、磷酸、碱基的材料:彩色纸板、塑料片、吹塑纸、橡皮泥、软糖。代替氢键的连接物:订书针、曲别针、牙签、棉签棒、塑料吸管、废弃的笔芯。代替DNA分子骨架的连接物:粗细适当的铁丝、塑料软管(打吊针的医用软管)、棉绳。取一种小人形的软糖果,用刀分开,模拟相互配对的碱基(A—T);另取一种颜色小人形软糖果,模拟另一对相互配对的碱基(G—C);分开的“碱基”用牙签做氢键连接,再把碱基对穿在两条黑色带状软糖做的骨架上;然后手提模型,进行螺旋。一个造型简单、直观的DNA分子双螺旋结构模型就成功了。
  市场上软糖的种类很多,果汁糖、橡皮糖、QQ糖等,形状和颜色都很丰富,软糖也便于插入牙签这样的共价键,不失为一种富有创意的材料。
  注意代替DNA分子骨架的连接物的用途有2个:如果是制作简易DNA结构模型,用它代替磷酸和脱氧核糖交替排列的基本骨架;如果是复杂的DNA结构模型,一定要向学生强调,它不是构成DNA分子的真实存在的结构,仅是起到对骨架加固的作用,能帮助最后完成模型的螺旋化。
  2 明确构建思路
  物理模型是依照类似原理,将真实事物依照一定比例缩小或者放大成为模型,其最显著特点是形象直观。建构物理模型的前提是以客观事实为依据,在建构模型前需要通过观察、统计、实验、查阅研究史料等方法掌握模型对象的特征,寻找合适的模型展示方式,选择恰当的模型建构材料。在建构过程中,遵循先大后小、先简后繁的原则,由表及里、先框架后细节进行逐步构建。初步建构完模型后,还需要进一步审查模型的科学性和美观性,并在此基础上进一步修改完善,从而力求客观真实反映认识对象的特征。学生在构建DNA结构模型前根据必修1所学内容,理清DNA分子的结构层次,即脱氧核苷酸→相互连接→多核苷酸单链→双链平面结构→双螺旋空间结构,从而明确建构的步骤。
  3 尝试模型构建
  DNA结构的发现是科学史上最具传奇性的“章节”之一,发现它的方法是物理模型建构法,说得直白点,就像小孩子拼图游戏一样,而在这场“拼凑”中表现最出色的是沃森和克里克。因此,在整个动手过程中,教师要充分让学生自己组装,自己发现,自己修正,在观察、讨论、合作、比较、交流中相互启迪,自主完成模型建构。
  3.1 基本单位的构建
  DNA的基本单位是脱氧核苷酸,大多数情况下,用五边形材料代替脱氧核糖,学生按照模式图能够拼出基本单位,但往往会用“直线”把磷酸和五边形连接起来,这是有悖事实的,学生并不理解教材上连接脱氧核糖和磷酸的为什么是“折线”。这是因为学生在认识上有一个误区,即五边形的五个顶点就代表五个碳原子,观察其分子式(图1A),五边型的顶点是氧原子,其他四个顶点为碳原子(从右侧顺时针依次是1、2、3、4号位碳原子),而第5号位碳原子不在五边形上,是通过化学键与4号位碳原子相连的。因此仅用五边形不能准确代表脱氧核糖,建议学生在五边形的4号碳原子处延伸出一个短支(图1B),这样就可以按照脱氧核苷酸的分子式(图1C)准确构建出脱氧核苷酸的模型(图1D)。学生要依次构建出4种脱氧核苷酸,可以用不同的颜色或形状以示区别。

  3.2 单链结构的构建
  如何连接两个脱氧核苷酸?教师向学生提供史实:1951年11月,富兰克林通过数据计算知道,是一个脱氧核苷酸的脱氧核糖和另一脱氧核苷酸的磷酸之间发生连接。学生依据资料,根据化学知识,可以推出磷酸和脱氧核糖上的碳原子相连,很快排除了图2中第一种连接方式。学生“拼凑”出如图2所示的几种方式。

  这时教师提供化学分析结果:一分子脱氧核苷酸的3号碳原子与另一分子脱氧核苷酸的5号碳原子端的磷酸基团之间通过脱水缩合形成磷酸二酯键,由磷酸二酯键将脱氧核苷酸连接成链。磷酸二酯键的概念在选修3基因工程中就要学到,教师此时用资料提及先埋下伏笔。
  学生依据资料准确判断出图2中第4种是正确的连接方式,并修正连接部位,从而准确构建单链结构。在此基础上连接一条由10个脱氧核苷酸构成的单链备用。
  3.3 平面结构的构建
  DNA分子双链平面结构的构建是关键。构建应基于当时的科学背景,借助物理、化学等学科研究的成果,运用数学的思维方式进行分析判断,从而体验建模过程。
  DNA究竟有几条链?这时教师向学生提供史实:(1) 沃森和克里克构建DNA分子结构模型的工作始于1951年秋,缘于同年2月富兰克琳拍摄的一张非常精美的DNA的X光衍射照片。一直对DNA有浓厚兴趣的沃森看到这张图片时,激动得话也说不出来,根据此图他断定DNA的结构是一个螺旋体。(2) 威尔金斯发现DNA分子的直径比单独一条多核苷酸链的直径要大,所以沃森认为DNA分子可能是一种双链结构,因为自然界中的事物,很多是成双成对的,细胞中的染色体也是成对的。(3) 对于DNA模型是单链、双链、3条链和4条链的推测都有。经过显微镜测定DNA直径,2条链、3条链的直径都是2 nm,与实际测定相符。用3条链的DNA模型推测DNA含水量只是实际测得含水量的1/10。
  阅读史实,学生体会到沃森对科学研究成果的敏锐性,这是一种科学素养。从资料中提取加工信息,学生明确DNA为双链螺旋结构。接下来学生要对DNA双链结构的排列方式进行推想,完成初步构建。因为每个学生都已完成了10个脱氧核苷酸组成的单链,所以同座位两人间可以相互配合完成构建。按照排列组合的方式思维,会出现三类构想:第一类两条链完全一样平行排列(图3A);第二类以脱氧核糖和磷酸交替排列为基本骨架,碱基排在外侧(图3B);第三类以脱氧核糖和磷酸交替排列为基本骨架,碱基排在内部(图3C)。每种类型构成DNA的两条链都有“同正”和“一正一反”两种情况。

  学生把不同的组合方式向全班展示。究竟哪一种方案正确?这时教师提供资料:碱基疏水,脱氧核糖和磷酸亲水,而DNA在细胞内始终处于一个水环境中。学生获取信息,很快淘汰掉第一、二种类型,但是第三种类型有两种组合方式,究竟哪个对?教师接着出示沃森和克里克当年的构想:脱氧核糖和磷酸排在外侧,同种碱基对排在内侧,那么这种构想与事实究竟有多大偏差?
  提供资料:(1) DNA的2条长链之间的距离恒等于2 nm,即DNA的直径为2 nm。(2) 如图4所示4种碱基的分子式。

  学生发现:嘌呤碱基A和G是双环化合物,而嘧啶碱基T和C是单环化合物,只有嘌呤碱基与嘧啶碱基配对,即双环和单环之间彼此配对,才能保证两条长链之间的距离恒定,由此发现了沃森和克里克当年构想的模型存在的问题,即内侧不可能是同种碱基对。
  此时教师再抛出问题:嘌呤碱基与嘧啶碱基是随意配对的吗?DNA分子的两条链独立吗?含氮碱基之间靠什么连接?
  提供资料:沃森和克里克从奥地利著名生物化学家查戈夫发现的信息中得知,在DNA分子中,A=T,G=C,且含氮碱基之间通过氢键相互连接。他们后来又请数学家格里菲斯计算出DNA分子中,A吸引T,G吸引C,从而得出A和T配对,G和C配对,这就是碱基互补配对原则。
  至此,DNA模型已经浮现,但对于两条链是同向还是一正一反排列的,仍不能确定。这时教师复原当时的研究场景:1952年2月28日,沃森用纸板做成4种碱基的模型,将纸板粘到骨架上朝向中心配对,克里克马上指出,只有两条单链的走向相反才能使碱基完善配对,这正好与X光衍射资料一致。
  这时学生迫不及待地动手修正自己的模型。由于每位学生制作的4种脱氧核苷酸数量是随机的,制作单链时,碱基排列顺序也是随机的,因此两个学生要互相配合,以一条单链为基准,更换另一条链上不能配对的碱基,从而完成平面结构的建构。
  3.4 空间结构的构建
  有了平面结构模型,空间结构的构建已水到渠成。由于每个学生只完成了10个脱氧核苷酸构成的单链,较短,不易完成螺旋,这就要求四人小组合作,把刚才制作的两段DNA双链平面模型拼接起来,再尝试螺旋过程。
  在建构时学生会出现向右螺旋和向左螺旋两种情况。对于这两种构建,教师向学生提供资料:1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋结构模型,他们构造出一个右手性的双螺旋结构。当碱基排列呈现这种结构时分子能量处于最低状态。虽然多数DNA分子是右手性的,但1979年Rich提出一种局部上具有左手性的Z-DNA结构。
  这时教师出示DNA双螺旋结构模型,介绍DNA分子是向右逆时针方向上升螺旋的结构,指导学生两手分别抓住DNA平面双链模型的两端,垂直放置,然后按逆时针方向缓缓旋转,一个规则的DNA双链结构模型就呈现在眼前了。
  3.5 精致化结构模型
  模型构建完成,一定要在全班进行展示与交流,教师要注意表扬学生的活动成果,也要让学生进一步审查模型的科学性和美观性,并提出进一步修改完善的方案。如,有的学生提出根据碱基的分子式,制作的碱基模型A和G应该比T和C要大一些;有的学生提出A—T、G—C碱基对之间的氢键数目要具体表示出来;还有的学生根据螺旋一周就是一个螺距,每个螺距长度约3.4 nm,相邻两对碱基间的距离为0.34 nm,计算出模型的每个螺旋应该有10个脱氧核苷酸对;根据DNA直径为2 nm,提出模型的宽度和长度应符合比例。学生对细节的打磨使得模型越来越接近真实,而这样的一种精致化过程又奠定了对DNA结构的理解。
  4 充分研究模型
  在教学过程中通过模型建构与展示,不仅有利于加深学生对所学知识的记忆、理解,也能引导学生进行发散思维,提高其探究能力,使其领悟科学研究的基本方法。
  最后教师要汇聚全班的力量,让学生观察不同小组制作的DNA双螺旋结构模型,找出其中的共同点和差异,从而归纳得出DNA双螺旋结构的稳定性、多样性、特异性的特点。
  5 结语
  模型构建已成为新课程下高中生物教与学的内容之一,是学生理解和掌握生物学知识的有效工具。高中学生构建模型均以清晰的背景知识为基础,构建模型的过程是思维与行为的统一,在构建活动中实现主体的体验、思考和创造,实现对知识架构的理解和把握。模型构建作为自然科学研究中一种常用的方法,本身构建的过程就是科学家不断探索,不断创新,不断修正错误的过程,而这种科学研究的方法更是学生需要在学习过程中领悟的。学生通过模型建构培养透过现象揭示本质的洞察能力,培养简约、严密的思维品质,而这正是生物教学回归理科并凸显理科思维特点的要求。
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