李竟才,陳 倩,劉亞鳳, 2,李世升,項 俊

(1.湖北省經(jīng)濟(jì)林木種質(zhì)改良重點實驗室，大別山特色資源開發(fā)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，黃岡師范學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)資源學(xué)院，湖北 黃岡 438000;2.東山苑寄宿學(xué)校，湖北 十堰 442000)

《生物學(xué)(必修1)》(普通高中教科書，人民教育出版社)中“生命活動的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”一節(jié)在教材中起著承上啟下的作用，氨基酸的結(jié)構(gòu)特點、氨基酸的脫水縮合過程和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性是本節(jié)的重點和難點[1]。為了更好地呈現(xiàn)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容，有效突破重難點，在其教學(xué)設(shè)計中可以應(yīng)用生物信息學(xué)軟件——DeepView[2]和Diamond[3]等在教學(xué)過程中構(gòu)建“支架”[4]以展示氨基酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點。其中DeepView作為三維圖形軟件，可以顯示和分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)[5]，而Diamond是晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件[6]，可直觀展示氨基酸的結(jié)構(gòu)以及氨基酸合成蛋白質(zhì)的過程。

1 DeepView和Diamond在教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用

在“生命活動的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計中，DeepView與Diamond可實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的可視化，幫助學(xué)生快速準(zhǔn)確理解掌握原本抽象、難以理解的知識，提高學(xué)習(xí)效率，另外利用人機(jī)互動也可激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 分析氨基酸通式

如圖1所示，結(jié)合教材所給四種氨基酸，教師首先用Diamond現(xiàn)場制作甘氨酸三維球棍模型為例，講解甘氨酸的原子組成。再用Diamond呈現(xiàn)丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸等另外三種氨基酸的球棍模型圖，引導(dǎo)學(xué)生觀察對比，找出四種氨基酸結(jié)構(gòu)上的異同點，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上自己總結(jié)出氨基酸的結(jié)構(gòu)通式。

圖1 甘氨酸(a)、丙氨酸(b)、纈氨酸(c)、亮氨酸(d)和氨基酸通式(e)的球棍模型

隨后由教師展示Diamond繪制的三維氨基酸通式球棍模型，讓學(xué)生觀察分析其結(jié)構(gòu)特點，理解R基的變化導(dǎo)致氨基酸的多樣性。最后學(xué)生自己通過Diamond軟件的旋轉(zhuǎn)和縮放等人機(jī)互動功能從不同角度觀察氨基酸球棍模型，更清晰認(rèn)識到氨基酸的三維立體結(jié)構(gòu)，以印證氨基酸的結(jié)構(gòu)通式的概念，并為后續(xù)氨基酸脫水縮合過程和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性等內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)。

1.2 演示氨基酸脫水縮合過程

如圖2所示，教師用Diamond制作的兩個氨基酸結(jié)構(gòu)通式，演示一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的氨基發(fā)生反應(yīng)，脫去水分子：一個氨基酸的氨基脫去一個氫離子，另一個氨基酸的羧基脫去一個氫氧根離子，總共脫去一個水分子，就形成了一個二肽，而兩個氨基酸脫水連接處形成了一個肽鍵(-CO-NH-)。

圖2 氨基酸脫水縮合過程

1.3 解析蛋白質(zhì)相關(guān)計算

Diamond繪制的球棍模型可以用于解析蛋白質(zhì)形成過程中的相關(guān)計算，如氨基酸形成肽鏈時脫去水分子的數(shù)目和形成肽鍵的數(shù)目。如圖3所示，教師用Diamond分別展示3～5個氨基酸脫水縮合形成一條肽鏈的情況，直觀地呈現(xiàn)脫下的水分子數(shù)以及形成的肽鍵數(shù)，使學(xué)生能直觀地看出3個氨基酸結(jié)合脫去2分子水，形成2個肽鍵，以此類推：n個氨基酸形成m條肽鏈時，脫去水分子數(shù)=形成肽鍵數(shù)=氨基酸數(shù)-肽鏈數(shù)=(n-m)個。通過Diamond制圖及人機(jī)互動過程，讓學(xué)生理解氨基酸脫水縮合的過程，掌握蛋白質(zhì)計算規(guī)律，將微觀水平的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)可視化，化抽象為具體，有助于突破本節(jié)課的難點。

1.4 展示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性

形成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，蛋白質(zhì)的種類卻非常繁多，僅人體內(nèi)就有5萬多種蛋白質(zhì)[7]，蛋白質(zhì)的多樣性成因也可以用生物信息軟件直觀展示。如圖4所示，教師利用DeepView軟件制圖動態(tài)呈現(xiàn)蛋白質(zhì)多樣性與氨基酸及其順序的關(guān)系。首先依次展示5～6個甘氨酸(G，Gly)形成的肽鏈與6個丙氨酸(A，Ala)形成的肽鏈，說明蛋白質(zhì)的種類與形成肽鏈的氨基酸的數(shù)目、種類有關(guān)；接下來又用3個甘氨酸與3個丙氨酸以AAAGGG、GGAAGA、GAGAGA等不同的排列順序進(jìn)行連接(圖4)，幫助學(xué)生直觀認(rèn)識蛋白質(zhì)的種類還與氨基酸殘基的排列順序有關(guān)。此外，學(xué)生可以利用DeepView對肽鏈中的化學(xué)鍵進(jìn)行空間旋轉(zhuǎn)折疊[3]，實現(xiàn)人機(jī)互動，以深刻理解肽鏈不同的空間結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的多樣性。最后學(xué)生自主歸納總結(jié)蛋白質(zhì)的多樣性取決于氨基酸的數(shù)目、種類、排列順序，以及肽鏈的空間結(jié)構(gòu)。

圖3 氨基酸脫水縮合形成肽鏈(a)3個、(b)4個、(c)5個氨基酸

圖4 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性

我國已掌握了人工合成牛胰島素的技術(shù)，如圖5所示，教師通過在線(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/structure/?term=)獲取牛胰島素蛋白的序列和三維結(jié)構(gòu)PDB(Protein Data Bank)文件，利用DeepView制作牛胰島素的三維模型(圖5)。通過不同視角的觀察如肽鏈及支鏈、二級結(jié)構(gòu)和范德華力表面，學(xué)生更加清晰地理解蛋白質(zhì)的三維立體結(jié)構(gòu)，理解改變觀察角度，蛋白質(zhì)的種類不會發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)與功能也沒有改變。

圖5 牛胰島素蛋白不同視角的三維結(jié)構(gòu)圖

2 討論

傳統(tǒng)的生物學(xué)教學(xué)方法單一、可視化程度低，從而使學(xué)生感覺被動、乏味。在教學(xué)過程中融入現(xiàn)代化的生物信息技術(shù)，直觀呈現(xiàn)氨基酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)過程的可視化程度，提高學(xué)生對抽象的分子結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識[8]，會有助于教師的課堂講授、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率[9]，本研究中DeepView與Diamond等生物信息軟件能將圖像、動態(tài)模型“替代實物置于學(xué)生面前”[5]，受學(xué)生喜愛的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡單的文字解說，在教學(xué)過程中能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，相對于“學(xué)生手拉手演示多肽鏈形成”和“借助鐵絲盤旋模擬蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)”等方法[1]，DeepView與Diamond等軟件更具有可操作性，能更方便、真實地呈現(xiàn)氨基酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其人機(jī)互動過程更是突出了學(xué)生的主體地位，是“以學(xué)生為中心”教育理念[10]的具體體現(xiàn)，體現(xiàn)了人本主義心理學(xué)的原理，起到了啟迪學(xué)生和激發(fā)學(xué)生求知潛能的作用。

綜上所述，利用DeepView與Diamond等生物信息學(xué)軟件可以作為生物學(xué)知識可視化工具，使學(xué)生快速準(zhǔn)確地理解掌握原本抽象、難以理解的生物學(xué)知識，加深對知識的理解和記憶，有助于突破“蛋白質(zhì)”一節(jié)教學(xué)重難點，提高學(xué)習(xí)效率。