DNA雙螺旋模型的建構(gòu)

丁征

引導(dǎo)學(xué)生嘗試建構(gòu)“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”已成為高中生物必修2“DNA分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)中常用的手段。課堂上學(xué)生通過(guò)制作物理模型，再現(xiàn)難以直接觀察到的DNA分子結(jié)構(gòu)，對(duì)DNA為雙螺旋結(jié)構(gòu)的概念進(jìn)行具體化，從而加深對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解。

學(xué)生在課堂上常用“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型組件”來(lái)完成DNA分子模型的建構(gòu)。從模擬制作的角度看，這是非常好的學(xué)具，因?yàn)閷W(xué)生親自制作DNA的立體模型，有助于在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下讓DNA分子變“微觀”為“宏觀”，從而更好地完成知識(shí)體系的構(gòu)建。但由于模型組件中代表脫氧核糖、磷酸、含氮堿基的模型材料、相應(yīng)的共價(jià)鍵以及不同共價(jià)鍵插入位置的洞口粗細(xì)大小都匹配得非常到位，讓組裝不會(huì)出現(xiàn)“差錯(cuò)”。這在無(wú)形中限制了學(xué)生的“猜想”，因?yàn)槌霈F(xiàn)不了問(wèn)題，學(xué)生也就不能體會(huì)科學(xué)家們當(dāng)時(shí)建立、修正模型的過(guò)程。因此DNA的模型構(gòu)建，更建議教師用自制材料做成DNA的6種構(gòu)成分子，即脫氧核糖、磷酸、4種含氮堿基，讓學(xué)生擺脫課本的束縛，充分構(gòu)想，甚至是出現(xiàn)錯(cuò)誤猜想，從而強(qiáng)化體驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的過(guò)程。

1 創(chuàng)新材料選擇

課前布置學(xué)生根據(jù)教材中“制作DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)模型”活動(dòng)要求，尋找生活中能制作DNA模型的材料，并準(zhǔn)備10份構(gòu)成脫氧核苷酸的材料。學(xué)生有許多新穎的想法，尋找的制作材料也豐富多彩，歸納如下。

代替脫氧核糖、磷酸、堿基的材料：彩色紙板、塑料片、吹塑紙、橡皮泥、軟糖。代替氫鍵的連接物：訂書(shū)針、曲別針、牙簽、棉簽棒、塑料吸管、廢棄的筆芯。代替DNA分子骨架的連接物：粗細(xì)適當(dāng)?shù)蔫F絲、塑料軟管（打吊針的醫(yī)用軟管）、棉繩。取一種小人形的軟糖果，用刀分開(kāi)，模擬相互配對(duì)的堿基（A—T）；另取一種顏色小人形軟糖果，模擬另一對(duì)相互配對(duì)的堿基（G—C）；分開(kāi)的“堿基”用牙簽做氫鍵連接，再把堿基對(duì)穿在兩條黑色帶狀軟糖做的骨架上；然后手提模型，進(jìn)行螺旋。一個(gè)造型簡(jiǎn)單、直觀的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型就成功了。

市場(chǎng)上軟糖的種類(lèi)很多，果汁糖、橡皮糖、QQ糖等，形狀和顏色都很豐富，軟糖也便于插入牙簽這樣的共價(jià)鍵，不失為一種富有創(chuàng)意的材料。

注意代替DNA分子骨架的連接物的用途有2個(gè)：如果是制作簡(jiǎn)易DNA結(jié)構(gòu)模型，用它代替磷酸和脫氧核糖交替排列的基本骨架；如果是復(fù)雜的DNA結(jié)構(gòu)模型，一定要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，它不是構(gòu)成DNA分子的真實(shí)存在的結(jié)構(gòu)，僅是起到對(duì)骨架加固的作用，能幫助最后完成模型的螺旋化。

2 明確構(gòu)建思路

物理模型是依照類(lèi)似原理，將真實(shí)事物依照一定比例縮小或者放大成為模型，其最顯著特點(diǎn)是形象直觀。建構(gòu)物理模型的前提是以客觀事實(shí)為依據(jù)，在建構(gòu)模型前需要通過(guò)觀察、統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、查閱研究史料等方法掌握模型對(duì)象的特征，尋找合適的模型展示方式，選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒?gòu)材料。在建構(gòu)過(guò)程中，遵循先大后小、先簡(jiǎn)后繁的原則，由表及里、先框架后細(xì)節(jié)進(jìn)行逐步構(gòu)建。初步建構(gòu)完模型后，還需要進(jìn)一步審查模型的科學(xué)性和美觀性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步修改完善，從而力求客觀真實(shí)反映認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征。學(xué)生在構(gòu)建DNA結(jié)構(gòu)模型前根據(jù)必修1所學(xué)內(nèi)容，理清DNA分子的結(jié)構(gòu)層次，即脫氧核苷酸→相互連接→多核苷酸單鏈→雙鏈平面結(jié)構(gòu)→雙螺旋空間結(jié)構(gòu)，從而明確建構(gòu)的步驟。

3 嘗試模型構(gòu)建

DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上最具傳奇性的“章節(jié)”之一，發(fā)現(xiàn)它的方法是物理模型建構(gòu)法，說(shuō)得直白點(diǎn)，就像小孩子拼圖游戲一樣，而在這場(chǎng)“拼湊”中表現(xiàn)最出色的是沃森和克里克。因此，在整個(gè)動(dòng)手過(guò)程中，教師要充分讓學(xué)生自己組裝，自己發(fā)現(xiàn)，自己修正，在觀察、討論、合作、比較、交流中相互啟迪，自主完成模型建構(gòu)。

3.1 基本單位的構(gòu)建

DNA的基本單位是脫氧核苷酸，大多數(shù)情況下，用五邊形材料代替脫氧核糖，學(xué)生按照模式圖能夠拼出基本單位，但往往會(huì)用“直線(xiàn)”把磷酸和五邊形連接起來(lái)，這是有悖事實(shí)的，學(xué)生并不理解教材上連接脫氧核糖和磷酸的為什么是“折線(xiàn)”。這是因?yàn)閷W(xué)生在認(rèn)識(shí)上有一個(gè)誤區(qū)，即五邊形的五個(gè)頂點(diǎn)就代表五個(gè)碳原子，觀察其分子式（圖1A），五邊型的頂點(diǎn)是氧原子，其他四個(gè)頂點(diǎn)為碳原子（從右側(cè)順時(shí)針依次是1、2、3、4號(hào)位碳原子），而第5號(hào)位碳原子不在五邊形上，是通過(guò)化學(xué)鍵與4號(hào)位碳原子相連的。因此僅用五邊形不能準(zhǔn)確代表脫氧核糖，建議學(xué)生在五邊形的4號(hào)碳原子處延伸出一個(gè)短支（圖1B），這樣就可以按照脫氧核苷酸的分子式（圖1C）準(zhǔn)確構(gòu)建出脫氧核苷酸的模型（圖1D）。學(xué)生要依次構(gòu)建出4種脫氧核苷酸，可以用不同的顏色或形狀以示區(qū)別。

3.2 單鏈結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

如何連接兩個(gè)脫氧核苷酸？教師向?qū)W生提供史實(shí)：1951年11月，富蘭克林通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算知道，是一個(gè)脫氧核苷酸的脫氧核糖和另一脫氧核苷酸的磷酸之間發(fā)生連接。學(xué)生依據(jù)資料，根據(jù)化學(xué)知識(shí)，可以推出磷酸和脫氧核糖上的碳原子相連，很快排除了圖2中第一種連接方式。學(xué)生“拼湊”出如圖2所示的幾種方式。

這時(shí)教師提供化學(xué)分析結(jié)果：一分子脫氧核苷酸的3號(hào)碳原子與另一分子脫氧核苷酸的5號(hào)碳原子端的磷酸基團(tuán)之間通過(guò)脫水縮合形成磷酸二酯鍵，由磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接成鏈。磷酸二酯鍵的概念在選修3基因工程中就要學(xué)到，教師此時(shí)用資料提及先埋下伏筆。

學(xué)生依據(jù)資料準(zhǔn)確判斷出圖2中第4種是正確的連接方式，并修正連接部位，從而準(zhǔn)確構(gòu)建單鏈結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上連接一條由10個(gè)脫氧核苷酸構(gòu)成的單鏈備用。

3.3 平面結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

DNA分子雙鏈平面結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是關(guān)鍵。構(gòu)建應(yīng)基于當(dāng)時(shí)的科學(xué)背景，借助物理、化學(xué)等學(xué)科研究的成果，運(yùn)用數(shù)學(xué)的思維方式進(jìn)行分析判斷，從而體驗(yàn)建模過(guò)程。

DNA究竟有幾條鏈？這時(shí)教師向?qū)W生提供史實(shí)：（1） 沃森和克里克構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型的工作始于1951年秋，緣于同年2月富蘭克琳拍攝的一張非常精美的DNA的X光衍射照片。一直對(duì)DNA有濃厚興趣的沃森看到這張圖片時(shí)，激動(dòng)得話(huà)也說(shuō)不出來(lái)，根據(jù)此圖他斷定DNA的結(jié)構(gòu)是一個(gè)螺旋體。（2） 威爾金斯發(fā)現(xiàn)DNA分子的直徑比單獨(dú)一條多核苷酸鏈的直徑要大，所以沃森認(rèn)為DNA分子可能是一種雙鏈結(jié)構(gòu)，因?yàn)樽匀唤缰械氖挛?，很多是成雙成對(duì)的，細(xì)胞中的染色體也是成對(duì)的。（3） 對(duì)于DNA模型是單鏈、雙鏈、3條鏈和4條鏈的推測(cè)都有。經(jīng)過(guò)顯微鏡測(cè)定DNA直徑，2條鏈、3條鏈的直徑都是2 nm，與實(shí)際測(cè)定相符。用3條鏈的DNA模型推測(cè)DNA含水量只是實(shí)際測(cè)得含水量的1/10。

閱讀史實(shí)，學(xué)生體會(huì)到沃森對(duì)科學(xué)研究成果的敏銳性，這是一種科學(xué)素養(yǎng)。從資料中提取加工信息，學(xué)生明確DNA為雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)。接下來(lái)學(xué)生要對(duì)DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的排列方式進(jìn)行推想，完成初步構(gòu)建。因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生都已完成了10個(gè)脫氧核苷酸組成的單鏈，所以同座位兩人間可以相互配合完成構(gòu)建。按照排列組合的方式思維，會(huì)出現(xiàn)三類(lèi)構(gòu)想：第一類(lèi)兩條鏈完全一樣平行排列（圖3A）；第二類(lèi)以脫氧核糖和磷酸交替排列為基本骨架，堿基排在外側(cè)（圖3B）；第三類(lèi)以脫氧核糖和磷酸交替排列為基本骨架，堿基排在內(nèi)部（圖3C）。每種類(lèi)型構(gòu)成DNA的兩條鏈都有“同正”和“一正一反”兩種情況。

學(xué)生把不同的組合方式向全班展示。究竟哪一種方案正確？這時(shí)教師提供資料：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，而DNA在細(xì)胞內(nèi)始終處于一個(gè)水環(huán)境中。學(xué)生獲取信息，很快淘汰掉第一、二種類(lèi)型，但是第三種類(lèi)型有兩種組合方式，究竟哪個(gè)對(duì)？教師接著出示沃森和克里克當(dāng)年的構(gòu)想：脫氧核糖和磷酸排在外側(cè)，同種堿基對(duì)排在內(nèi)側(cè)，那么這種構(gòu)想與事實(shí)究竟有多大偏差？

提供資料：（1） DNA的2條長(zhǎng)鏈之間的距離恒等于2 nm，即DNA的直徑為2 nm。（2） 如圖4所示4種堿基的分子式。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)：嘌呤堿基A和G是雙環(huán)化合物，而嘧啶堿基T和C是單環(huán)化合物，只有嘌呤堿基與嘧啶堿基配對(duì)，即雙環(huán)和單環(huán)之間彼此配對(duì)，才能保證兩條長(zhǎng)鏈之間的距離恒定，由此發(fā)現(xiàn)了沃森和克里克當(dāng)年構(gòu)想的模型存在的問(wèn)題，即內(nèi)側(cè)不可能是同種堿基對(duì)。

此時(shí)教師再拋出問(wèn)題：嘌呤堿基與嘧啶堿基是隨意配對(duì)的嗎？DNA分子的兩條鏈獨(dú)立嗎？含氮堿基之間靠什么連接？

提供資料：沃森和克里克從奧地利著名生物化學(xué)家查戈夫發(fā)現(xiàn)的信息中得知，在DNA分子中，A=T，G=C，且含氮堿基之間通過(guò)氫鍵相互連接。他們后來(lái)又請(qǐng)數(shù)學(xué)家格里菲斯計(jì)算出DNA分子中，A吸引T，G吸引C，從而得出A和T配對(duì)，G和C配對(duì)，這就是堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。

至此，DNA模型已經(jīng)浮現(xiàn)，但對(duì)于兩條鏈?zhǔn)峭蜻€是一正一反排列的，仍不能確定。這時(shí)教師復(fù)原當(dāng)時(shí)的研究場(chǎng)景：1952年2月28日，沃森用紙板做成4種堿基的模型，將紙板粘到骨架上朝向中心配對(duì)，克里克馬上指出，只有兩條單鏈的走向相反才能使堿基完善配對(duì)，這正好與X光衍射資料一致。

這時(shí)學(xué)生迫不及待地動(dòng)手修正自己的模型。由于每位學(xué)生制作的4種脫氧核苷酸數(shù)量是隨機(jī)的，制作單鏈時(shí)，堿基排列順序也是隨機(jī)的，因此兩個(gè)學(xué)生要互相配合，以一條單鏈為基準(zhǔn)，更換另一條鏈上不能配對(duì)的堿基，從而完成平面結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。

3.4 空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

有了平面結(jié)構(gòu)模型，空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建已水到渠成。由于每個(gè)學(xué)生只完成了10個(gè)脫氧核苷酸構(gòu)成的單鏈，較短，不易完成螺旋，這就要求四人小組合作，把剛才制作的兩段DNA雙鏈平面模型拼接起來(lái)，再?lài)L試螺旋過(guò)程。

在建構(gòu)時(shí)學(xué)生會(huì)出現(xiàn)向右螺旋和向左螺旋兩種情況。對(duì)于這兩種構(gòu)建，教師向?qū)W生提供資料：1953年沃森和克里克提出著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，他們構(gòu)造出一個(gè)右手性的雙螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)堿基排列呈現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)時(shí)分子能量處于最低狀態(tài)。雖然多數(shù)DNA分子是右手性的，但1979年Rich提出一種局部上具有左手性的Z-DNA結(jié)構(gòu)。

這時(shí)教師出示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，介紹DNA分子是向右逆時(shí)針?lè)较蛏仙菪慕Y(jié)構(gòu)，指導(dǎo)學(xué)生兩手分別抓住DNA平面雙鏈模型的兩端，垂直放置，然后按逆時(shí)針?lè)较蚓従徯D(zhuǎn)，一個(gè)規(guī)則的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)模型就呈現(xiàn)在眼前了。

3.5 精致化結(jié)構(gòu)模型

模型構(gòu)建完成，一定要在全班進(jìn)行展示與交流，教師要注意表?yè)P(yáng)學(xué)生的活動(dòng)成果，也要讓學(xué)生進(jìn)一步審查模型的科學(xué)性和美觀性，并提出進(jìn)一步修改完善的方案。如，有的學(xué)生提出根據(jù)堿基的分子式，制作的堿基模型A和G應(yīng)該比T和C要大一些；有的學(xué)生提出A—T、G—C堿基對(duì)之間的氫鍵數(shù)目要具體表示出來(lái)；還有的學(xué)生根據(jù)螺旋一周就是一個(gè)螺距，每個(gè)螺距長(zhǎng)度約3.4 nm，相鄰兩對(duì)堿基間的距離為0.34 nm，計(jì)算出模型的每個(gè)螺旋應(yīng)該有10個(gè)脫氧核苷酸對(duì)；根據(jù)DNA直徑為2 nm，提出模型的寬度和長(zhǎng)度應(yīng)符合比例。學(xué)生對(duì)細(xì)節(jié)的打磨使得模型越來(lái)越接近真實(shí)，而這樣的一種精致化過(guò)程又奠定了對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的理解。

4 充分研究模型

在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)模型建構(gòu)與展示，不僅有利于加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的記憶、理解，也能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維，提高其探究能力，使其領(lǐng)悟科學(xué)研究的基本方法。

最后教師要匯聚全班的力量，讓學(xué)生觀察不同小組制作的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，找出其中的共同點(diǎn)和差異，從而歸納得出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、多樣性、特異性的特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

模型構(gòu)建已成為新課程下高中生物教與學(xué)的內(nèi)容之一，是學(xué)生理解和掌握生物學(xué)知識(shí)的有效工具。高中學(xué)生構(gòu)建模型均以清晰的背景知識(shí)為基礎(chǔ)，構(gòu)建模型的過(guò)程是思維與行為的統(tǒng)一，在構(gòu)建活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)主體的體驗(yàn)、思考和創(chuàng)造，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)架構(gòu)的理解和把握。模型構(gòu)建作為自然科學(xué)研究中一種常用的方法，本身構(gòu)建的過(guò)程就是科學(xué)家不斷探索，不斷創(chuàng)新，不斷修正錯(cuò)誤的過(guò)程，而這種科學(xué)研究的方法更是學(xué)生需要在學(xué)習(xí)過(guò)程中領(lǐng)悟的。學(xué)生通過(guò)模型建構(gòu)培養(yǎng)透過(guò)現(xiàn)象揭示本質(zhì)的洞察能力，培養(yǎng)簡(jiǎn)約、嚴(yán)密的思維品質(zhì)，而這正是生物教學(xué)回歸理科并凸顯理科思維特點(diǎn)的要求。