“蛋白質結構多樣性的原因”模擬實驗設計

楊仕敏（昆明市教育科學研究院 云南昆明 650000）

“蛋白質結構多樣性的原因”是人教版新版高中生物學《必修1 分子與細胞》第2 章第4 節中的內容。蛋白質是以氨基酸為基本單位構成的生物大分子，在人體中組成蛋白質的氨基酸有21種，人體中卻有數萬種不同的蛋白質，而生物界的蛋白質種類多達1010～1012種[1]。21 種氨基酸是怎樣構成種類如此之多的蛋白質的？即蛋白質結構具有多樣性的原因是什么？因氨基酸形成蛋白質的過程抽象，而高中階段不具備現實條件觀察和開展相關實驗。為幫助學生理解和構建該重要概念，筆者嘗試通過模擬實驗探究此問題。

1 “蛋白質結構多樣性的原因”模擬實驗設計

1.1 實驗目的 通過學生親自動手模擬氨基酸形成蛋白質的過程，理解蛋白質結構多樣性的原因，進而加深對蛋白質結構與功能多樣性原因的理解，即“做中學”。

1.2 實驗材料 魚線（可用細鐵絲、膠線等代替）、10 種顏色的穿孔彩色塑料珠。

1.3 實驗原理 在細胞內，組成一種蛋白質的氨基酸數目可能成百上千，氨基酸形成肽鏈時，不同種類氨基酸的排列順序千變萬化，肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結構千差萬別，因此，蛋白質分子的結構具有多樣性，這也是細胞中蛋白質種類繁多的原因[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。通過改變塑料珠的數目、種類和排列順序及用塑料珠和魚線串好的“肽鏈”的盤區、折疊方式，模擬蛋白質多樣性的原因。

1.4 實驗步驟 1）4 人一組，每組發放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 個小組分別隨機取10 顆塑料珠，根據小組成員意愿隨機制作2 條塑料珠串；②2 個小組分別取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制作2 條塑料珠串；③2 個小組分別取10 種顏色，每種顏色2 顆，根據小組成員意愿隨機制作2 條塑料珠串；④2 個小組分別取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制作成2 條珠串。制作完成后，2 個小組據各自成員意愿將2條串珠纏繞折疊成不同造型（也可2個小組分別制作2 串顏色、數目、排列順序均不同的珠串，再進行盤曲折疊）。

3）各小組以大組為單位按制作順序進行以上4 類串珠的組內比較。思考以下問題：①塑料珠的數目相同時，2 個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？說明什么？②塑料珠的顏色相同但數目不同時，2 個小組制作的珠串是否相同？說明什么？③塑料珠的種類和數目相同時，珠鏈上各種顏色的塑料珠排列順序是否相同？說明什么？④不同珠串盤區折疊形成的造型是否相同，說明什么？（注：不同蛋白質由不同種類不同條數肽鏈盤曲折疊構成，具有不同功能）

4）各大組派代表匯報各自情況，任課教師根據匯報情況，引導學生歸納蛋白質結構具有多樣性的原因。在引導學生回答上面第④個問題時，教師應告知學生：一種有生物活性的天然蛋白質的空間結構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程），而是被其一級結構（氨基酸排列順序）所限制，具有相同一級結構的天然蛋白質，折疊后形成的空間結構通常也是一樣的。而不同蛋白質由不同種類不同條數肽鏈盤曲折疊構成，因而具有多樣性。

1.5 注意事項

1）各小組制作珠串時，請據各小組成員內部意見串連，不要照抄他組，以免影響對實驗結果的判斷；

2）魚線細但韌性較好，使用過程中注意安全；

3）為防止出現誤吞塑料珠等安全問題，實驗后需請學生將實驗材料（塑料珠、魚線）歸還給教師。

2 可行性分析

1）實驗材料易獲得。彩色塑料珠和魚線均可在網上購買，價格便宜。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，賣家會送魚線，教師可提前網購獲得。

2）操作簡便，所需實驗時間短。該實驗因操作簡單易行，每個學生都會做，技術要求不高，無論是用在課上還是課后讓學生完成都是可行的。

3）具有科學性。本次實驗設計了4 組實驗，通過大組內比較塑料珠在數目、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，模擬構成蛋白質的氨基酸種類、數目、排列順序不同，蛋白質結構也隨之不同；而通過比較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，形成的空間結構不同，最終導致蛋白質結構不同。這種模擬具有一定的科學性，可讓學生直觀感悟蛋白質結構多樣性的原因，進而理解功能多樣性，初步構建結構與功能觀，訓練科學思維。在培養學生核心素養的同時，也可鍛煉其動手動腦、小組合作、表達交流等能力。

3 討論

筆者通過實踐，以上過程是完全可行的，且有助于學生理解和構建“蛋白質結構具有多樣性的原因”重要概念。以上模擬實驗所用彩色塑料珠大小、顏色、數目及每大組學生人數，教師可按個人需求更改。若無魚線，可用細鐵絲、膠線甚至毛線均可代替，使用過程中注意安全。在模擬“不同肽鏈間盤曲折疊方式不同”實驗中，若時間允許，2 個小組比較完成后，可各大組之間合作進一步體驗不同種類、不同條數肽鏈盤曲折疊構成不同蛋白質，以達到建模到固模的效果；為節約時間且該模擬實驗簡單，小組匯報環節可不覆蓋全班所有組，教師根據實際情況暫停匯報即可。