DNA雙螺旋模型的建構

丁征

引導學生嘗試建構“DNA雙螺旋結構模型”已成為高中生物必修2“DNA分子結構”教學中常用的手段。課堂上學生通過制作物理模型，再現難以直接觀察到的DNA分子結構，對DNA為雙螺旋結構的概念進行具體化，從而加深對DNA分子結構特點的認識和理解。

學生在課堂上常用“DNA雙螺旋結構模型組件”來完成DNA分子模型的建構。從模擬制作的角度看，這是非常好的學具，因為學生親自制作DNA的立體模型，有助于在現有的實驗條件下讓DNA分子變“微觀”為“宏觀”，從而更好地完成知識體系的構建。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、相應的共價鍵以及不同共價鍵插入位置的洞口粗細大小都匹配得非常到位，讓組裝不會出現“差錯”。這在無形中限制了學生的“猜想”，因為出現不了問題，學生也就不能體會科學家們當時建立、修正模型的過程。因此DNA的模型構建，更建議教師用自制材料做成DNA的6種構成分子，即脫氧核糖、磷酸、4種含氮堿基，讓學生擺脫課本的束縛，充分構想，甚至是出現錯誤猜想，從而強化體驗模型構建的過程。

1 創新材料選擇

課前布置學生根據教材中“制作DNA雙螺旋的結構模型”活動要求，尋找生活中能制作DNA模型的材料，并準備10份構成脫氧核苷酸的材料。學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：粗細適當的鐵絲、塑料軟管（打吊針的醫用軟管）、棉繩。取一種小人形的軟糖果，用刀分開，模擬相互配對的堿基（A—T）；另取一種顏色小人形軟糖果，模擬另一對相互配對的堿基（G—C）；分開的“堿基”用牙簽做氫鍵連接，再把堿基對穿在兩條黑色帶狀軟糖做的骨架上；然后手提模型，進行螺旋。一個造型簡單、直觀的DNA分子雙螺旋結構模型就成功了。

市場上軟糖的種類很多，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鍵，不失為一種富有創意的材料。

注意代替DNA分子骨架的連接物的用途有2個：如果是制作簡易DNA結構模型，用它代替磷酸和脫氧核糖交替排列的基本骨架；如果是復雜的DNA結構模型，一定要向學生強調，它不是構成DNA分子的真實存在的結構，僅是起到對骨架加固的作用，能幫助最后完成模型的螺旋化。

2 明確構建思路

物理模型是依照類似原理，將真實事物依照一定比例縮小或者放大成為模型，其最顯著特點是形象直觀。建構物理模型的前提是以客觀事實為依據，在建構模型前需要通過觀察、統計、實驗、查閱研究史料等方法掌握模型對象的特征，尋找合適的模型展示方式，選擇恰當的模型建構材料。在建構過程中，遵循先大后小、先簡后繁的原則，由表及里、先框架后細節進行逐步構建。初步建構完模型后，還需要進一步審查模型的科學性和美觀性，并在此基礎上進一步修改完善，從而力求客觀真實反映認識對象的特征。學生在構建DNA結構模型前根據必修1所學內容，理清DNA分子的結構層次，即脫氧核苷酸→相互連接→多核苷酸單鏈→雙鏈平面結構→雙螺旋空間結構，從而明確建構的步驟。

3 嘗試模型構建

DNA結構的發現是科學史上最具傳奇性的“章節”之一，發現它的方法是物理模型建構法，說得直白點，就像小孩子拼圖游戲一樣，而在這場“拼湊”中表現最出色的是沃森和克里克。因此，在整個動手過程中，教師要充分讓學生自己組裝，自己發現，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。

3.1 基本單位的構建

DNA的基本單位是脫氧核苷酸，大多數情況下，用五邊形材料代替脫氧核糖，學生按照模式圖能夠拼出基本單位，但往往會用“直線”把磷酸和五邊形連接起來，這是有悖事實的，學生并不理解教材上連接脫氧核糖和磷酸的為什么是“折線”。這是因為學生在認識上有一個誤區，即五邊形的五個頂點就代表五個碳原子，觀察其分子式（圖1A），五邊型的頂點是氧原子，其他四個頂點為碳原子（從右側順時針依次是1、2、3、4號位碳原子），而第5號位碳原子不在五邊形上，是通過化學鍵與4號位碳原子相連的。因此僅用五邊形不能準確代表脫氧核糖，建議學生在五邊形的4號碳原子處延伸出一個短支（圖1B），這樣就可以按照脫氧核苷酸的分子式（圖1C）準確構建出脫氧核苷酸的模型（圖1D）。學生要依次構建出4種脫氧核苷酸，可以用不同的顏色或形狀以示區別。

3.2 單鏈結構的構建

如何連接兩個脫氧核苷酸？教師向學生提供史實：1951年11月，富蘭克林通過數據計算知道，是一個脫氧核苷酸的脫氧核糖和另一脫氧核苷酸的磷酸之間發生連接。學生依據資料，根據化學知識，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。學生“拼湊”出如圖2所示的幾種方式。

這時教師提供化學分析結果：一分子脫氧核苷酸的3號碳原子與另一分子脫氧核苷酸的5號碳原子端的磷酸基團之間通過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基因工程中就要學到，教師此時用資料提及先埋下伏筆。

學生依據資料準確判斷出圖2中第4種是正確的連接方式，并修正連接部位，從而準確構建單鏈結構。在此基礎上連接一條由10個脫氧核苷酸構成的單鏈備用。

3.3 平面結構的構建

DNA分子雙鏈平面結構的構建是關鍵。構建應基于當時的科學背景，借助物理、化學等學科研究的成果，運用數學的思維方式進行分析判斷，從而體驗建模過程。

DNA究竟有幾條鏈？這時教師向學生提供史實：（1） 沃森和克里克構建DNA分子結構模型的工作始于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DNA有濃厚興趣的沃森看到這張圖片時，激動得話也說不出來，根據此圖他斷定DNA的結構是一個螺旋體。（2） 威爾金斯發現DNA分子的直徑比單獨一條多核苷酸鏈的直徑要大，所以沃森認為DNA分子可能是一種雙鏈結構，因為自然界中的事物，很多是成雙成對的，細胞中的染色體也是成對的。（3） 對于DNA模型是單鏈、雙鏈、3條鏈和4條鏈的推測都有。經過顯微鏡測定DNA直徑，2條鏈、3條鏈的直徑都是2 nm，與實際測定相符。用3條鏈的DNA模型推測DNA含水量只是實際測得含水量的1/10。

閱讀史實，學生體會到沃森對科學研究成果的敏銳性，這是一種科學素養。從資料中提取加工信息，學生明確DNA為雙鏈螺旋結構。接下來學生要對DNA雙鏈結構的排列方式進行推想，完成初步構建。因為每個學生都已完成了10個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建。按照排列組合的方式思維，會出現三類構想：第一類兩條鏈完全一樣平行排列（圖3A）；第二類以脫氧核糖和磷酸交替排列為基本骨架，堿基排在外側（圖3B）；第三類以脫氧核糖和磷酸交替排列為基本骨架，堿基排在內部（圖3C）。每種類型構成DNA的兩條鏈都有“同正”和“一正一反”兩種情況。

學生把不同的組合方式向全班展示。究竟哪一種方案正確？這時教師提供資料：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，而DNA在細胞內始終處于一個水環境中。學生獲取信息，很快淘汰掉第一、二種類型，但是第三種類型有兩種組合方式，究竟哪個對？教師接著出示沃森和克里克當年的構想：脫氧核糖和磷酸排在外側，同種堿基對排在內側，那么這種構想與事實究竟有多大偏差？

提供資料：（1） DNA的2條長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。

學生發現：嘌呤堿基A和G是雙環化合物，而嘧啶堿基T和C是單環化合物，只有嘌呤堿基與嘧啶堿基配對，即雙環和單環之間彼此配對，才能保證兩條長鏈之間的距離恒定，由此發現了沃森和克里克當年構想的模型存在的問題，即內側不可能是同種堿基對。

此時教師再拋出問題：嘌呤堿基與嘧啶堿基是隨意配對的嗎？DNA分子的兩條鏈獨立嗎？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家查戈夫發現的信息中得知，在DNA分子中，A=T，G=C，且含氮堿基之間通過氫鍵相互連接。他們后來又請數學家格里菲斯計算出DNA分子中，A吸引T，G吸引C，從而得出A和T配對，G和C配對，這就是堿基互補配對原則。

至此，DNA模型已經浮現，但對于兩條鏈是同向還是一正一反排列的，仍不能確定。這時教師復原當時的研究場景：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，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，這正好與X光衍射資料一致。

這時學生迫不及待地動手修正自己的模型。由于每位學生制作的4種脫氧核苷酸數量是隨機的，制作單鏈時，堿基排列順序也是隨機的，因此兩個學生要互相配合，以一條單鏈為基準，更換另一條鏈上不能配對的堿基，從而完成平面結構的建構。

3.4 空間結構的構建

有了平面結構模型，空間結構的構建已水到渠成。由于每個學生只完成了10個脫氧核苷酸構成的單鏈，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，再嘗試螺旋過程。

在建構時學生會出現向右螺旋和向左螺旋兩種情況。對于這兩種構建，教師向學生提供資料：1953年沃森和克里克提出著名的DNA雙螺旋結構模型，他們構造出一個右手性的雙螺旋結構。當堿基排列呈現這種結構時分子能量處于最低狀態。雖然多數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結構。

這時教師出示DNA雙螺旋結構模型，介紹DNA分子是向右逆時針方向上升螺旋的結構，指導學生兩手分別抓住DNA平面雙鏈模型的兩端，垂直放置，然后按逆時針方向緩緩旋轉，一個規則的DNA雙鏈結構模型就呈現在眼前了。

3.5 精致化結構模型

模型構建完成，一定要在全班進行展示與交流，教師要注意表揚學生的活動成果，也要讓學生進一步審查模型的科學性和美觀性，并提出進一步修改完善的方案。如，有的學生提出根據堿基的分子式，制作的堿基模型A和G應該比T和C要大一些；有的學生提出A—T、G—C堿基對之間的氫鍵數目要具體表示出來；還有的學生根據螺旋一周就是一個螺距，每個螺距長度約3.4 nm，相鄰兩對堿基間的距離為0.34 nm，計算出模型的每個螺旋應該有10個脫氧核苷酸對；根據DNA直徑為2 nm，提出模型的寬度和長度應符合比例。學生對細節的打磨使得模型越來越接近真實，而這樣的一種精致化過程又奠定了對DNA結構的理解。

4 充分研究模型

在教學過程中通過模型建構與展示，不僅有利于加深學生對所學知識的記憶、理解，也能引導學生進行發散思維，提高其探究能力，使其領悟科學研究的基本方法。

最后教師要匯聚全班的力量，讓學生觀察不同小組制作的DNA雙螺旋結構模型，找出其中的共同點和差異，從而歸納得出DNA雙螺旋結構的穩定性、多樣性、特異性的特點。

5 結語

模型構建已成為新課程下高中生物教與學的內容之一，是學生理解和掌握生物學知識的有效工具。高中學生構建模型均以清晰的背景知識為基礎，構建模型的過程是思維與行為的統一，在構建活動中實現主體的體驗、思考和創造，實現對知識架構的理解和把握。模型構建作為自然科學研究中一種常用的方法，本身構建的過程就是科學家不斷探索，不斷創新，不斷修正錯誤的過程，而這種科學研究的方法更是學生需要在學習過程中領悟的。學生通過模型建構培養透過現象揭示本質的洞察能力，培養簡約、嚴密的思維品質，而這正是生物教學回歸理科并凸顯理科思維特點的要求。