“蛋白质结构多样性的原因”模拟实验设计

杨仕敏（昆明市教育科学研究院 云南昆明 650000）

“蛋白质结构多样性的原因”是人教版新版高中生物学《必修1 分子与细胞》第2 章第4 节中的内容。蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物大分子，在人体中组成蛋白质的氨基酸有21种，人体中却有数万种不同的蛋白质，而生物界的蛋白质种类多达1010～1012种[1]。21 种氨基酸是怎样构成种类如此之多的蛋白质的？即蛋白质结构具有多样性的原因是什么？因氨基酸形成蛋白质的过程抽象，而高中阶段不具备现实条件观察和开展相关实验。为帮助学生理解和构建该重要概念，笔者尝试通过模拟实验探究此问题。

1 “蛋白质结构多样性的原因”模拟实验设计

1.1 实验目的 通过学生亲自动手模拟氨基酸形成蛋白质的过程，理解蛋白质结构多样性的原因，进而加深对蛋白质结构与功能多样性原因的理解，即“做中学”。

1.2 实验材料 鱼线（可用细铁丝、胶线等代替）、10 种颜色的穿孔彩色塑料珠。

1.3 实验原理 在细胞内，组成一种蛋白质的氨基酸数目可能成百上千，氨基酸形成肽链时，不同种类氨基酸的排列顺序千变万化，肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构千差万别，因此，蛋白质分子的结构具有多样性，这也是细胞中蛋白质种类繁多的原因[1]。不同颜色的塑料珠模拟不同种氨基酸，鱼线模拟连接氨基酸的肽键。通过改变塑料珠的数目、种类和排列顺序及用塑料珠和鱼线串好的“肽链”的盘区、折叠方式，模拟蛋白质多样性的原因。

1.4 实验步骤 1）4 人一组，每组发放10 种颜色的穿孔彩色塑料珠，每种颜色4 颗，鱼线2 段（25～35 cm，据塑料珠大小决定）。

2）以4 人为一大组，2 人为一小组制作以下珠串：①2 个小组分别随机取10 颗塑料珠，根据小组成员意愿随机制作2 条塑料珠串；②2 个小组分别取10 种颜色的塑料珠，一小组每种颜色1 颗，另一小组每种颜色2 颗，分别按小组成员意愿随机制作2 条塑料珠串；③2 个小组分别取10 种颜色，每种颜色2 颗，根据小组成员意愿随机制作2 条塑料珠串；④2 个小组分别取10 种颜色，每种颜色2 颗，制作以下2 串珠串：①2 个小组分别先用10种颜色，每种颜色1 颗共同制作2条颜色及排列顺序完全相同的珠串；②再将每组剩余的10 颗10种颜色塑料珠按照各小组意愿随机制作成2 条珠串。制作完成后，2 个小组据各自成员意愿将2条串珠缠绕折叠成不同造型（也可2个小组分别制作2 串颜色、数目、排列顺序均不同的珠串，再进行盘曲折叠）。

3）各小组以大组为单位按制作顺序进行以上4 类串珠的组内比较。思考以下问题：①塑料珠的数目相同时，2 个小组制作出的串珠包含的塑料珠颜色及排列顺序是否相同？说明什么？②塑料珠的颜色相同但数目不同时，2 个小组制作的珠串是否相同？说明什么？③塑料珠的种类和数目相同时，珠链上各种颜色的塑料珠排列顺序是否相同？说明什么？④不同珠串盘区折叠形成的造型是否相同，说明什么？（注：不同蛋白质由不同种类不同条数肽链盘曲折叠构成，具有不同功能）

4）各大组派代表汇报各自情况，任课教师根据汇报情况，引导学生归纳蛋白质结构具有多样性的原因。在引导学生回答上面第④个问题时，教师应告知学生：一种有生物活性的天然蛋白质的空间结构与折叠方式不能随心所欲地变化（手工折叠珠串只是模拟肽链之间盘曲折叠过程），而是被其一级结构（氨基酸排列顺序）所限制，具有相同一级结构的天然蛋白质，折叠后形成的空间结构通常也是一样的。而不同蛋白质由不同种类不同条数肽链盘曲折叠构成，因而具有多样性。

1.5 注意事项

1）各小组制作珠串时，请据各小组成员内部意见串连，不要照抄他组，以免影响对实验结果的判断；

2）鱼线细但韧性较好，使用过程中注意安全；

3）为防止出现误吞塑料珠等安全问题，实验后需请学生将实验材料（塑料珠、鱼线）归还给教师。

2 可行性分析

1）实验材料易获得。彩色塑料珠和鱼线均可在网上购买，价格便宜。笔者用18.8 元买了8 mm约250 g 珠子，大概有13 种颜色，每种颜色25～30颗，卖家会送鱼线，教师可提前网购获得。

2）操作简便，所需实验时间短。该实验因操作简单易行，每个学生都会做，技术要求不高，无论是用在课上还是课后让学生完成都是可行的。

3）具有科学性。本次实验设计了4 组实验，通过大组内比较塑料珠在数目、颜色、颜色和排列顺序分别相同的情况下，得到的珠串各不相同，模拟构成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列顺序不同，蛋白质结构也随之不同；而通过比较2条肽链（即使其中1 条相同）因折叠方式不同得到不同造型，模拟不同肽链间盘曲折叠方式不同，形成的空间结构不同，最终导致蛋白质结构不同。这种模拟具有一定的科学性，可让学生直观感悟蛋白质结构多样性的原因，进而理解功能多样性，初步构建结构与功能观，训练科学思维。在培养学生核心素养的同时，也可锻炼其动手动脑、小组合作、表达交流等能力。

3 讨论

笔者通过实践，以上过程是完全可行的，且有助于学生理解和构建“蛋白质结构具有多样性的原因”重要概念。以上模拟实验所用彩色塑料珠大小、颜色、数目及每大组学生人数，教师可按个人需求更改。若无鱼线，可用细铁丝、胶线甚至毛线均可代替，使用过程中注意安全。在模拟“不同肽链间盘曲折叠方式不同”实验中，若时间允许，2 个小组比较完成后，可各大组之间合作进一步体验不同种类、不同条数肽链盘曲折叠构成不同蛋白质，以达到建模到固模的效果；为节约时间且该模拟实验简单，小组汇报环节可不覆盖全班所有组，教师根据实际情况暂停汇报即可。