“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因”模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊仕敏（昆明市教育科學(xué)研究院 云南昆明 650000）

“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因”是人教版新版高中生物學(xué)《必修1 分子與細(xì)胞》第2 章第4 節(jié)中的內(nèi)容。蛋白質(zhì)是以氨基酸為基本單位構(gòu)成的生物大分子，在人體中組成蛋白質(zhì)的氨基酸有21種，人體中卻有數(shù)萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)，而生物界的蛋白質(zhì)種類多達(dá)1010～1012種[1]。21 種氨基酸是怎樣構(gòu)成種類如此之多的蛋白質(zhì)的？即蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有多樣性的原因是什么？因氨基酸形成蛋白質(zhì)的過(guò)程抽象，而高中階段不具備現(xiàn)實(shí)條件觀察和開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。為幫助學(xué)生理解和構(gòu)建該重要概念，筆者嘗試通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)探究此問(wèn)題。

1 “蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因”模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)學(xué)生親自動(dòng)手模擬氨基酸形成蛋白質(zhì)的過(guò)程，理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因，進(jìn)而加深對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能多樣性原因的理解，即“做中學(xué)”。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料 魚線（可用細(xì)鐵絲、膠線等代替）、10 種顏色的穿孔彩色塑料珠。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理 在細(xì)胞內(nèi)，組成一種蛋白質(zhì)的氨基酸數(shù)目可能成百上千，氨基酸形成肽鏈時(shí)，不同種類氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，因此，蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)具有多樣性，這也是細(xì)胞中蛋白質(zhì)種類繁多的原因[1]。不同顏色的塑料珠模擬不同種氨基酸，魚線模擬連接氨基酸的肽鍵。通過(guò)改變塑料珠的數(shù)目、種類和排列順序及用塑料珠和魚線串好的“肽鏈”的盤區(qū)、折疊方式，模擬蛋白質(zhì)多樣性的原因。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟 1）4 人一組，每組發(fā)放10 種顏色的穿孔彩色塑料珠，每種顏色4 顆，魚線2 段（25～35 cm，據(jù)塑料珠大小決定）。

2）以4 人為一大組，2 人為一小組制作以下珠串：①2 個(gè)小組分別隨機(jī)取10 顆塑料珠，根據(jù)小組成員意愿隨機(jī)制作2 條塑料珠串；②2 個(gè)小組分別取10 種顏色的塑料珠，一小組每種顏色1 顆，另一小組每種顏色2 顆，分別按小組成員意愿隨機(jī)制作2 條塑料珠串；③2 個(gè)小組分別取10 種顏色，每種顏色2 顆，根據(jù)小組成員意愿隨機(jī)制作2 條塑料珠串；④2 個(gè)小組分別取10 種顏色，每種顏色2 顆，制作以下2 串珠串：①2 個(gè)小組分別先用10種顏色，每種顏色1 顆共同制作2條顏色及排列順序完全相同的珠串；②再將每組剩余的10 顆10種顏色塑料珠按照各小組意愿隨機(jī)制作成2 條珠串。制作完成后，2 個(gè)小組據(jù)各自成員意愿將2條串珠纏繞折疊成不同造型（也可2個(gè)小組分別制作2 串顏色、數(shù)目、排列順序均不同的珠串，再進(jìn)行盤曲折疊）。

3）各小組以大組為單位按制作順序進(jìn)行以上4 類串珠的組內(nèi)比較。思考以下問(wèn)題：①塑料珠的數(shù)目相同時(shí)，2 個(gè)小組制作出的串珠包含的塑料珠顏色及排列順序是否相同？說(shuō)明什么？②塑料珠的顏色相同但數(shù)目不同時(shí)，2 個(gè)小組制作的珠串是否相同？說(shuō)明什么？③塑料珠的種類和數(shù)目相同時(shí)，珠鏈上各種顏色的塑料珠排列順序是否相同？說(shuō)明什么？④不同珠串盤區(qū)折疊形成的造型是否相同，說(shuō)明什么？（注：不同蛋白質(zhì)由不同種類不同條數(shù)肽鏈盤曲折疊構(gòu)成，具有不同功能）

4）各大組派代表匯報(bào)各自情況，任課教師根據(jù)匯報(bào)情況，引導(dǎo)學(xué)生歸納蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有多樣性的原因。在引導(dǎo)學(xué)生回答上面第④個(gè)問(wèn)題時(shí)，教師應(yīng)告知學(xué)生：一種有生物活性的天然蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與折疊方式不能隨心所欲地變化（手工折疊珠串只是模擬肽鏈之間盤曲折疊過(guò)程），而是被其一級(jí)結(jié)構(gòu)（氨基酸排列順序）所限制，具有相同一級(jí)結(jié)構(gòu)的天然蛋白質(zhì)，折疊后形成的空間結(jié)構(gòu)通常也是一樣的。而不同蛋白質(zhì)由不同種類不同條數(shù)肽鏈盤曲折疊構(gòu)成，因而具有多樣性。

1.5 注意事項(xiàng)

1）各小組制作珠串時(shí)，請(qǐng)據(jù)各小組成員內(nèi)部意見(jiàn)串連，不要照抄他組，以免影響對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判斷；

2）魚線細(xì)但韌性較好，使用過(guò)程中注意安全；

3）為防止出現(xiàn)誤吞塑料珠等安全問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)后需請(qǐng)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)材料（塑料珠、魚線）歸還給教師。

2 可行性分析

1）實(shí)驗(yàn)材料易獲得。彩色塑料珠和魚線均可在網(wǎng)上購(gòu)買，價(jià)格便宜。筆者用18.8 元買了8 mm約250 g 珠子，大概有13 種顏色，每種顏色25～30顆，賣家會(huì)送魚線，教師可提前網(wǎng)購(gòu)獲得。

2）操作簡(jiǎn)便，所需實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。該實(shí)驗(yàn)因操作簡(jiǎn)單易行，每個(gè)學(xué)生都會(huì)做，技術(shù)要求不高，無(wú)論是用在課上還是課后讓學(xué)生完成都是可行的。

3）具有科學(xué)性。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)大組內(nèi)比較塑料珠在數(shù)目、顏色、顏色和排列順序分別相同的情況下，得到的珠串各不相同，模擬構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸種類、數(shù)目、排列順序不同，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)也隨之不同；而通過(guò)比較2條肽鏈（即使其中1 條相同）因折疊方式不同得到不同造型，模擬不同肽鏈間盤曲折疊方式不同，形成的空間結(jié)構(gòu)不同，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不同。這種模擬具有一定的科學(xué)性，可讓學(xué)生直觀感悟蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因，進(jìn)而理解功能多樣性，初步構(gòu)建結(jié)構(gòu)與功能觀，訓(xùn)練科學(xué)思維。在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的同時(shí)，也可鍛煉其動(dòng)手動(dòng)腦、小組合作、表達(dá)交流等能力。

3 討論

筆者通過(guò)實(shí)踐，以上過(guò)程是完全可行的，且有助于學(xué)生理解和構(gòu)建“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有多樣性的原因”重要概念。以上模擬實(shí)驗(yàn)所用彩色塑料珠大小、顏色、數(shù)目及每大組學(xué)生人數(shù)，教師可按個(gè)人需求更改。若無(wú)魚線，可用細(xì)鐵絲、膠線甚至毛線均可代替，使用過(guò)程中注意安全。在模擬“不同肽鏈間盤曲折疊方式不同”實(shí)驗(yàn)中，若時(shí)間允許，2 個(gè)小組比較完成后，可各大組之間合作進(jìn)一步體驗(yàn)不同種類、不同條數(shù)肽鏈盤曲折疊構(gòu)成不同蛋白質(zhì)，以達(dá)到建模到固模的效果；為節(jié)約時(shí)間且該模擬實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，小組匯報(bào)環(huán)節(jié)可不覆蓋全班所有組，教師根據(jù)實(shí)際情況暫停匯報(bào)即可。