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1、DNA双螺旋模型的建构 丁 征 （ 南 京 市 第 九 中 学 江 苏 南 京 2 1 0 0 1 4 ) 引导学生尝试建构 “DNA 双螺旋结构模型 ” 己成 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 ”
2、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 ”
3、 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 O;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
4、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 s 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
5、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、查阅研宄史料等 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 双链平面结构一 双螺旋空间结构，从 而明确建构的步骤 s 3尝试模型构建 DNA结
6、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
7、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 1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。 图 1脱氧核苷酸模型的构建 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： 19
8、51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。 图 2脱氧核苷酸之间的连接方式 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 Q 学生依据资料准确判断出图 2中第 4种是正确 的
9、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、化学等学科研宄的 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宄竟有几条链？这时教师向学生提供史实： 0)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
10、 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宄成果的敏 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
11、个学生都己完成了 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 30。每种类型构成 DNA的两条链都有 “ 同正 ” 和 “ 一正一反 ” 两种情况。 图 3 DNA分子链接排列方式构想 学生把不同的组合方式向全班展示。宄竟哪一种 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
12、汰掉第一、二种类型，但是第三 种类型有两种组合方式，宄竟哪个对？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宄竟 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所不 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
13、: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模型己经浮现，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 时的研宄场景 :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
14、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，空间结构的构建己水到渠 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
15、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
16、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减基对之间的氣键数目要具体表迅 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 s 4充分研宄模型 在教学过程中通过模型建构与展示，不仅有
17、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，提高其探宄能力，使其领悟科学研宄的 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 模型构建己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宄中一种常用的方 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，而这种科学研宄的方法更是学 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。 11