任磊 胡漢橋 章月琴 藺中 甄珍 蘭瑞霞

摘要：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究已成為目前生物學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)，大量獲得的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)教學(xué)提供了重要的教學(xué)素材。通過(guò)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的展示，豐富和完善了生物化學(xué)課程的知識(shí)體系，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的展示應(yīng)用到生物化學(xué)教學(xué)中，以“蛋白質(zhì)化學(xué)”和“酶”章節(jié)為例，將概念、知識(shí)點(diǎn)與可視的空間結(jié)構(gòu)結(jié)合并引入課堂教學(xué)，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性并提升課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：生物化學(xué)；蛋白質(zhì)；PDB；酶

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）09-0050-03

生物化學(xué)作為一門重要的基礎(chǔ)理論課程，在各高等院校的本科與研究生教學(xué)中受到廣泛的關(guān)注，在教學(xué)安排中通常被設(shè)置為必修課程[1]。該課程是許多生物學(xué)課程的前置課程，學(xué)好生物化學(xué)對(duì)于學(xué)習(xí)其他課程，如分子生物學(xué)、微生物學(xué)等，都有巨大的促進(jìn)作用，因此如何開展好生物化學(xué)課程的教學(xué)工作是廣大高校生物化學(xué)教師與學(xué)生面臨的重要課題。生物化學(xué)課程主要包含三方面的內(nèi)容：（1）生物體分子結(jié)構(gòu)與功能，如糖、脂、蛋白、核酸等；（2）物質(zhì)代謝與調(diào)節(jié)，即各大生物體分子的分解、合成、轉(zhuǎn)化及調(diào)節(jié)過(guò)程；（3）遺傳信息傳遞的分子基礎(chǔ)與調(diào)控規(guī)律。以上內(nèi)容多偏向于理論性知識(shí)點(diǎn)的介紹，并且內(nèi)容抽象，在教學(xué)過(guò)程中容易出現(xiàn)課堂枯燥、乏味的教學(xué)氛圍，因此如何營(yíng)造較好的教學(xué)氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與變得尤為重要。本文將介紹蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在生物化學(xué)教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用，以“蛋白質(zhì)化學(xué)”及“酶”章節(jié)教學(xué)過(guò)程為例進(jìn)行介紹，以期提升生物化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)與軟件

在介紹蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在生物化學(xué)教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用之前，首先對(duì)本文及教學(xué)過(guò)程中可能涉及的數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹（見(jiàn)上表）。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（Protein Data Bank，PDB，http：//www.rcsb.org/）是由Walter Hamilton在1971年于布魯克黑文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所建立（這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)最初只包含了7個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)），在1998年轉(zhuǎn)由結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（Research Collaboratory for Structural Bioinformatics，RCSB）運(yùn)行管理[2]。常用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示軟件包括Pymol和Swiss PDB Viewer，其中使用較為廣泛的為Pymol和Swiss PDB Viewer。Pymol為開源的分子三維結(jié)構(gòu)顯示軟件，具有強(qiáng)大的繪圖功能，被廣泛的應(yīng)用于高品質(zhì)生物分子結(jié)構(gòu)圖的展示；Swiss PDB Viewer具有生物大分子結(jié)構(gòu)展示、分析及數(shù)據(jù)處理功能，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的分析、處理中具有廣泛的應(yīng)用[3]。對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)，使用最為廣泛的方法是同源建模，即基于PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中已知結(jié)構(gòu)為模板的同源建模（homology modeling）法，這也是迄今為止精度最高的一類結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法[4]?；衔飻?shù)據(jù)庫(kù)（PubChem Compound）則提供了各類小分子化合物的信息及二維和三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。分子對(duì)接軟件（Autodock）提供了蛋白或蛋白與配體間對(duì)接位點(diǎn)的預(yù)測(cè)方法[5]。

二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在蛋白質(zhì)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

作為生物化學(xué)課程中的重要組成部分，蛋白質(zhì)化學(xué)通常包含兩個(gè)章節(jié)的內(nèi)容：靜態(tài)蛋白質(zhì)化學(xué)（即化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與功能等）和蛋白質(zhì)的代謝（即合成與分解代謝）。對(duì)于蛋白質(zhì)的化學(xué)組成與功能的認(rèn)識(shí)，多為概念和理論性知識(shí)點(diǎn)的記憶；而對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，則是抽象的空間結(jié)構(gòu)，難以把握，導(dǎo)致對(duì)于蛋白質(zhì)三、四級(jí)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)只是停留在概念的記憶，無(wú)法真正建立正確的空間思維[6]。以下將以2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶為例進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在課堂教學(xué)中的應(yīng)用介紹。

1.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)獲取。供演示的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件可從PDB數(shù)據(jù)庫(kù)獲取，登錄號(hào)為1kw3（2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶，選擇該蛋白是因?yàn)樵摰鞍滓褱y(cè)定了不結(jié)合底物和結(jié)合底物時(shí)的兩種狀態(tài)，方便下文介紹“酶”章節(jié)的內(nèi)容）[7]。首先向?qū)W生簡(jiǎn)單演示如何從PDB數(shù)據(jù)下載PDB格式的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件（從頁(yè)面最上端“download files”中選擇“PDB format”進(jìn)行下載），并從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得相關(guān)數(shù)據(jù)的基本信息，隨后通過(guò)Swiss PDB Viewer將文件打開進(jìn)行結(jié)構(gòu)的展示。首先，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)直觀展示的新鮮感有助于吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生有耳目一新的感覺(jué)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；其次，將蛋白質(zhì)化學(xué)章節(jié)中的有關(guān)知識(shí)點(diǎn)、概念融入結(jié)構(gòu)展示的過(guò)程中，不時(shí)將具體的概念與直觀的結(jié)構(gòu)展示結(jié)合，從而活躍課堂氣氛。

2.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在“蛋白質(zhì)化學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)作為蛋白質(zhì)化學(xué)的重要內(nèi)容，主要介紹了蛋白質(zhì)的一、二、三和四級(jí)結(jié)構(gòu)及其特征。本章以回憶氨基酸、肽、肽鍵和多肽的基本概念開始，隨后在Swiss PDB Viewer中展示單個(gè)氨基酸的形態(tài)，例如10號(hào)氨基酸殘基為苯丙氨酸（PHE10），伴隨對(duì)PHE10的旋轉(zhuǎn)介紹氨基酸中α碳、R基、-COOH以及-NH，并結(jié)合結(jié)構(gòu)展示解釋為什么氨基酸在肽鏈中稱之為氨基酸殘基；通過(guò)顯示10號(hào)苯丙氨酸和11號(hào)丙氨酸（ALA11）的連接展示肽鍵、肽平面，并通過(guò)與學(xué)生互動(dòng)由學(xué)生旋轉(zhuǎn)將肽平面展示給大家；最后將所有氨基酸顯示出來(lái)，從而將多肽鏈和蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的概念引出。

在完成了一級(jí)結(jié)構(gòu)概念的介紹后，首先對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的概念進(jìn)行介紹并引導(dǎo)學(xué)生去想象α螺旋、β-折疊結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)，隨后將LEU5-LEU28的氨基酸殘基以“ribn”的形式展示，從而將α螺旋（15-26）和β-折疊（4-12）的空間結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生；進(jìn)一步將所有氨基酸以“ribn”的形式展示，這時(shí)進(jìn)一步將無(wú)規(guī)則卷曲介紹給學(xué)生們。在課堂教學(xué)的過(guò)程中，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式從不同角度觀察α螺旋和β-折疊的空間結(jié)構(gòu)，并對(duì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征結(jié)合空間結(jié)構(gòu)的展示進(jìn)行解讀，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)相關(guān)特征。在完成了以上內(nèi)容后可向?qū)W生提問(wèn)，讓大家思考什么是蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。在完成提問(wèn)互動(dòng)環(huán)節(jié)后，以展示完整的2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶結(jié)構(gòu)為學(xué)生們展示該酶的完整結(jié)構(gòu)，并引出蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的概念。同時(shí)，可在“ribn”展示的情況下對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行著色，以二級(jí)結(jié)構(gòu)的延伸為例顯示不同的顏色（“color”>“act on”并選擇Ribbon，再次“color”>“Second Structure Succession”），這時(shí)向?qū)W生們介紹這條多肽鏈的N端（藍(lán)色端）、C端（紅色端）以及N端向C端的過(guò)渡。

針對(duì)不同院校的教學(xué)需要以及不同教學(xué)層次的需要，有的教學(xué)過(guò)程可能涉及一些還未測(cè)定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，此時(shí)可使用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)獲得感興趣蛋白的結(jié)構(gòu)（例如使用同源建模方法，SWISS-MODEL等）。

三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在“酶”教學(xué)中的應(yīng)用

酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，具有催化活性和高度專一性的特殊生物大分子，包括蛋白質(zhì)和核酸，其中大多數(shù)是蛋白質(zhì)。本文主要以酶的活性中心、催化部位、酶的輔因子（金屬離子）等結(jié)合教學(xué)過(guò)程展開為例，介紹蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在“酶”教學(xué)中的應(yīng)用。

1.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的獲取。同樣以2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶為例，根據(jù)PDB數(shù)據(jù)對(duì)1kw3的介紹中可以看到相關(guān)的數(shù)據(jù)文件還包括1KWC、1KWB、1KW9、1KW8和1KW6，其中的1kw9為2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶和底物（2，3-二羥基聯(lián)苯）結(jié)合的結(jié)構(gòu)，因此我們同時(shí)下載1kw9和1kw3數(shù)據(jù)文件以進(jìn)行展示。

2.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示在“酶”教學(xué)中的應(yīng)用。“酶”章節(jié)的內(nèi)容包括催化、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)等，其中酶的催化及結(jié)構(gòu)的內(nèi)容與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的展示具有較好的結(jié)合。首先，向?qū)W生們簡(jiǎn)單介紹2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶的功能（即催化2，3-二羥基聯(lián)苯中苯環(huán)的開環(huán)），介紹輔因子的概念并結(jié)合1kw3為例展示輔因子中的重要組成部分——金屬離子，通過(guò)結(jié)構(gòu)展示可以發(fā)現(xiàn)HIS145、HIS194、HIS209和GLU260與Fe2+相互作用參與了催化過(guò)程，這個(gè)時(shí)候以結(jié)構(gòu)展示的方式展現(xiàn)Fe2+所在的位置并通過(guò)軟件標(biāo)注Fe2+與不同氨基酸之間的相互作用。其次，介紹酶活性中心的概念，并講解結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)，并展示1kw9的結(jié)構(gòu)，從而找到底物的所在位置，并對(duì)局部進(jìn)行放大，可以發(fā)現(xiàn)HIS194參與了催化過(guò)程（即催化基團(tuán)），而PHE201、ILE174、PHE186、ILE172、THR280參與2，3-二羥基聯(lián)苯的結(jié)合與穩(wěn)定（結(jié)合基團(tuán)）。最后，可以通過(guò)將兩個(gè)蛋白結(jié)構(gòu)的比對(duì)分析催化前后蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化，同時(shí)將1kw3和1kw9兩個(gè)數(shù)據(jù)文件打開后，選擇“Fit”>“Align All”，此時(shí)可以看到軟件對(duì)1kw3和1kw9的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，可以發(fā)現(xiàn)HIS194（催化堿基）在催化前后發(fā)生了構(gòu)象的改變。同時(shí)，針對(duì)有的蛋白結(jié)構(gòu)是通過(guò)同源建模等方法獲得的情況，底物、配體與蛋白、酶的相互作用可以通過(guò)分子對(duì)接的手段進(jìn)行預(yù)測(cè)（Autodock），從而預(yù)測(cè)出活性中心、催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)。

四、結(jié)語(yǔ)

生物信息學(xué)的快速發(fā)展為許多課堂教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源，如何開發(fā)利用好資源，將各種數(shù)據(jù)以及工具應(yīng)用到教學(xué)中，更好地服務(wù)于教學(xué)，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，已成為廣大教師探索的重要課題。本文主要以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的展示在生物化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，相關(guān)數(shù)據(jù)、軟件在蛋白質(zhì)化學(xué)與酶章節(jié)中的應(yīng)用提供了參考，為豐富課堂內(nèi)容、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、鞏固知識(shí)點(diǎn)理解提出了新方法。

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