染色体一、二级结构模型教具的制作

摘要

根据染色体各级结构形态特征及数值，采用棉线、乒乓球、铁管、磁铁等常见简易材料，科学设计，并选择其合理尺寸，使染色体各级结构成比例放大，制作染色体一、二级结构模型，该模型教具还原了染色体一、二级结构直观、真实的立体空间结构及其形态。在实际组装和拆卸过程中，学生可清晰观察和体会到DNA是如何盘曲折叠，染色质（丝）是如何缠绕、压缩、凝集构成为染色体一、二级结构的，从而给准确认知染色体的结构带来有益帮助。

Graphical abstract

关键词

染色体 / 染色质 / DNA / 空间结构 / 模型教具 / 制作

基因组DNA凝缩成染色质的模型以及DNA、组蛋白、染色质和染色体四者之间的空间结构关系是现代生命科学的经典内容，也是生物学中的重点和难点。在实际教学中，由于缺乏具体形象的教具，师生们对这些问题颇感抽象且难以理解。

经典理论认为染色体存在四级结构^［1］。其中，第一级结构是“核小体”，它是双螺旋结构的DNA分子缠绕在组蛋白分子上而形成的。第二级结构是“螺线管”，它是由核小体进一步螺旋化形成的30 nm染色质丝。

如何使DNA、组蛋白、染色体这些抽象微观的结构宏观化、立体化、形象化？特别是染色体是如何高度折叠、盘曲、凝缩而成的？其有序包装和压缩后真实的形态是怎样的？笔者对于每一层级的结构进行深入研究后，结合实际，科学设计，系统安排，研制出了“染色体一、二级结构模型”教具，试图帮助解决这些问题。

1 制作材料

硬质塑料空心球72颗、双股粗红色棉绳线37.8 m、白色细棉绳线2卷、软磁条1卷、尼龙细线1卷、铁质空心管1根、钕铁硼强磁铁72个、支架1副。

2 制作方法

2.1 DNA分子结构模型

取直径为1 cm的红色双股棉绳线12.6 m，将棉线盘绕成圈放置，此称系列1教具。

2.2 染色体一级结构——核小体模型

取直径为1 cm的红色双股棉绳线12.6 m、尼龙细线1卷和直径为3.5 cm的通孔硬质塑料空心球36颗，然后，把棉线依次缠绕固定在每一个塑料球上，使36颗塑料球连接成串（图1）。

（1） 核心部的制作。将棉线依次在每个空心塑料球的表面（径向）中部左向盘绕1.75圈（图2），其盘绕长度为24.8 cm，这段棉线称为核心棉线。

为了使棉线牢牢固定在塑料球中部表面，棉线必须盘绕经过每个塑料球表面的两个通孔口处，并用细的尼龙线穿过通孔固定缚牢住两通孔端口处的棉线（图3）。

以上结构称为“核心部”。核心部总直径为5.5 cm。

盘绕在塑料球上1.75圈的棉线两端、塑料球1/4的缺口处结合一个长为4.5 cm、宽为1.2 cm、厚为0.2 cm的长方形软橡胶磁条，分别用细的尼龙线把软磁条的两端和核心棉线的两端扎紧固定（图3）。这样，使软磁条锁住核心棉线的进出端。

（2） 连接部的制作。在两个相邻的塑料球之间，有长10.2 cm的连接棉线。软磁条和连接棉线称为“连接部”。如此，一个“核心部”和一个“连接部”形成一个“线球体”。

（3） 绳珠状结构的制作。用相同方法做成36个这样的“线球体”。线球体连接成串，称之为“绳珠状结构”（图1），将此模型组件盘绕成圈放置，称为系列2模型教具。

2.3 螺旋体模型的制作

再次制作一个和上述线球体数量、形状一样的“绳珠状结构”组件。将此组件左向盘绕在一个直径为5 cm的空心铁质管上。这样，经6圈螺旋化形成一个每一圈包括6个“线球体”、螺距为5.5 cm、长度约为33 cm的筒状螺旋体模型，见图4、图5、图6。此称为系列3模型教具。

为使绳珠状组件科学、牢固、有序地盘绕在中央铁质管上，经反复推敲，笔者对螺旋体模型采取了以下措施。

（1） 在每个塑料球软磁条正中央再粘贴一个直径为2.0 cm、厚为0.1 cm的3M胶钕铁硼强磁铁，如图3所示。

（2） 将长约33 cm的铁管竖直放置，使每个线球体的塑料球有软磁条的这一面牢固吸附于铁管外壁上，如图4、图5所示。此外，使每个塑料球棉线的进入端向下靠左、出离端向上靠右放置。保证每个塑料球上盘绕的棉线沿竖直方向排列，如图6所示。

（3） 同时，保证铁管表面每一周有6个线球体依次连接，且每一周6个线球体均向左螺旋，平均分布于铁管表面，如图5、图6所示。

（4） 将螺旋排列的上下相邻线球体均沿竖直方向排列成一条直线。此外，两者之间紧密相触，如图6所示。这样，每个线球体依次从左向右排列，线球体从上往下盘绕成螺旋体结构模型。

2.4 整个制作流程

整个制作流程如图7所示。

3 使用说明

3.1 系列1教具

该教具模拟的是一条DNA分子。使用时，把系列1教具打开一段拿在手中展示。双股的棉线代表双螺旋结构的DNA分子；棉线的直径为1 cm，DNA分子直径是2 nm。因此，该模型放大倍数为500万倍。

同时，可进一步说明，人体细胞平均直径仅数微米，如果把人体一个细胞中的DNA拉直，其长度约为2 m。因此，该系列1教具模拟一个人体细胞（放大倍数为500万倍，细胞核直径最大约为50 m）中的DNA，其直径应为11 cm、长度应为10 000 km。因此，学生认识到2 m长的DNA必须经过“打包”才能容纳进细胞核中。

3.2 系列2教具

该教具模拟的是染色体包装的一级结构——核小体模型。这种由成串线球体连接成的“绳珠状结构”形象表示成串的核小体链构成染色体一级结构的“绳珠模型”。

（1） 教具说明。在绳珠状结构模型教具中，双股的棉线代表DNA分子；塑料球代表八聚体组蛋白核心分子；软磁条代表H₁组蛋白分子。其中，代表DNA的棉线为绳，代表组蛋白的塑料球为珠。由核心部和连接部形成“线球体”就表示核小体，它是构成染色质和染色体的基本单位。

在教具模型中，线球体的“核心部”结构表示核小体的核心部：长24.8 cm的棉线在直径为3.5 cm的塑料球的表面左向盘绕1.75圈，这一结构模拟了长度为146 bp（约 49.64 nm）的核心DNA在直径为7 nm的八聚体表面左向缠绕1.75圈。这样，DNA长度就被压缩到原长的七分之一。

在教具模型中，线球体的“连接部”结构表示核小体的连接部：软磁条锁住核心棉线的进出端表示由组蛋白H₁锁住核心DNA的进出端；在相邻的两个线球体之间长为10.2 cm的连接棉线表示在相邻的两个核小体之间长约为60 bp（实际长度为20.4 nm）的连接DNA。

八聚体组蛋白的直径为7 nm，塑料乒乓球的直径为3.5 cm，该结构放大了500万倍。同时，棉线的直径、核心棉线和连接棉线的长度也均同步放大了500万倍。

（2） 使用说明。在使用时，可让学生动手操作并直观体验DNA分子盘绕在八聚体的扁球状组蛋上的真实状况，真切感受核小体与其连接部的空间结构、长度及大小之间的关系。

3.3 系列3教具

该教具是染色体的二级结构（两种可能结构中的一种）“螺线管”模型。

（1） 教具说明。“绳珠状结构”组件螺旋化形成螺旋体模型，代表染色体在一级结构基础上经螺旋化形成二级结构的螺线管模型。教具“绳珠状线球体围绕一个直径为5 cm的中空铁质管，经左向螺旋化形成外径15 cm、内径5 cm、螺距5.5 cm的筒状螺旋体模型组件”模拟绳珠状核小体左向螺旋化形成外径30 nm、内径10 nm、螺距11 nm的染色体二级结构螺线管（中空）模型。因此，该模型同步放大倍数仍为500万倍。

螺旋体模型的每一周螺旋包括6个“线球体”，表示螺线管结构的每一周螺旋包括6个核小体。因此，DNA的长度在一级结构的基础上又被压缩到六分之一。

（2） 使用说明。由于“核小体”组件不是固定的，而是通过磁力螺旋化盘绕的，因此，每个核小体组件均可灵活组装和拆卸，并可以重复利用。

学生可以单人动手实际操作，也可团队合作。按照文中2.3节的要求，学生可反复不断比对、排布核小体组件，从而摸索出核小体进一步螺旋化的规律。这样，学生能真实感受到染色体的“绳珠结构”是如何转变成“螺线管结构”的。虽然，DNA刚看起来像一团乱麻，但在这些不断缠绕和压缩之间，DNA和蛋白质的组合、构型是有组织、有规律的。在实际操作中，能让学生真正体会到这一复杂的过程是如此有序，并最终为染色体的真实结构而感到惊叹。

4 教具特点

通过深入的研究，本教具依据染色体一、二级结构模型特点及参数，精心选择制作材料，合理设置材料尺寸，科学反映各结构构件的比例关系，再现了细胞中DNA、染色体的真实行为及结构^［2］。因而，该教具可形象直观模拟DNA、染色体的宏观形态与动态连续变化过程，以及DNA、蛋白质、染色体三者之间存在的空间结构关系。特别是这个多级DNA装配模型，充分运用了磁铁的磁力把各种组件有机地结合在一起，且在实际操作中，有些组件的组装和拆卸均可逆。在实际组装和拆卸过程中，学生可清晰观察到DNA是如何盘曲折叠的，染色质（丝）又是如何缠绕、压缩、凝集构成染色体一、二级结构的。

通过该系列模型，在欣赏染色体这种有序之美、科学之奇、生命之巧的同时，相信会给学生准确认知染色体的结构带来一定帮助。

参考文献

[1] 丁明孝，王喜忠，张传茂，等.细胞生物学［M］.第5版.北京：高等教育出版社，2020.

[2] 王燕，孙飞，白从雪.关于“基因、DNA和染色体等空间结构关系演示仪”的研制［J］.中国现代教育装备，2013（02）：44-47.