大學生《蛋白質化學》教學體系初探與思考

趙婧+曹亞

摘要：蛋白質研究是當今生命科學研究的前沿與熱門。基于蛋白質研究的時代背景，本文闡述了在高年級本科生中開設《蛋白質化學》的必要性，并結合自身教學經驗，初步探討了該課程教學體系設置以及教學方式的運用等內容。

關鍵詞：蛋白質化學；理論講授；專題介紹

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0221-03

生物技術是21世紀影響國計民生的關鍵科學技術之一，而生物技術發展所依托的生命科學研究承擔著揭示生命奧秘，改善人類身體素質和生活品質的重要責任。生物學專業的大學生是生命科學研究中的生力軍，也是直接影響我國生物產業發展的人才儲備。因此，在當今生命科學研究日新月異的時代背景下，與時俱進地開展生命科學相關課程建設具有重要的戰略意義。在諸多生物大分子中，蛋白質是生命活動的主要承擔者，具有舉足輕重的作用。在上世紀90年代“人類基因組計劃”之后，生命科學研究進入了后基因組時代，也就是蛋白質組學時代。因此，本文結合蛋白質研究進展探討了在高年級本科生中開展《蛋白質化學》教學的必要性以及相關課程體系設置等內容，以期能為生命科學專業學生全面知識體系的構建奠定基礎，并由此推進生物產業人才的培養和儲備工作。

一、開展《蛋白質化學》課程的必要性

2012年5月14日，科技部印發了《蛋白質研究國家重大科學研究計劃“十二五”專項規劃》。該規劃指出：“蛋白質是生命活動的主要執行者，對蛋白質結構與功能、相互作用和動態變化的深入研究，將有助于揭示生命現象的本質。蛋白質研究取得的眾多成果也將是新藥創制、傳染病防診治、農作物改良、生物能源轉化、工業生物催化等各個領域的重要創新源泉。”2014年8月在北京啟動的國家重大科學研究計劃“十三五”發展規劃戰略研究工作中，蛋白質研究與納米研究、量子調控研究、發育與生殖研究、干細胞研究以及全球變化研究等作為國家前瞻性部署和重點任務。蛋白質研究已經不僅是美國等發達國家關注的重點領域，也是我國致力發展的前沿熱點之一。蛋白質組學研究是繼“人類基因組計劃”之后的又一“兵家必爭之地”。然而，蛋白質相關基礎知識是蛋白質組學研究的前提保障，其中涉及的技術手段是蛋白組學研究的利器。由于蛋白質研究涉及了生物化學、生物物理、細胞生物學、分子生物學、結構生物學、生物信息學等多個學科，學科之間彼此交叉，相互滲透，因此對于從事蛋白質相關研究或有志于投身于蛋白組學研究的生物專業學生而言，學科基礎課《生物化學》中的相關知識與當今蛋白質研究的切合度有限，難以滿足今后科學研究的需求。由此可見，在高年級本科生中開展《蛋白質化學》專業選修課程，全面系統地介紹蛋白質化學相關基礎知識以及最新研究進展，具有重要的意義和必要性。

二、《蛋白質化學》課程體系構建的思考

目前，上海大學實施的是短學期教學體制，每學期為10周。基于對教學效果的考量，學校鼓勵小班教學，專業選修課的學生數量一般在20—30人。根據這些實際情況，筆者認為在有限的時間內應該盡可能讓學生建立較為全面的知識體系，同時通過調動學生的積極性，使學生更為主動地體會到蛋白質化學相關研究的發展。因此，在課程開展過程中，筆者采用了老師講授和學生討論相結合的授課形式，通過師生互動，促進學生對相關理論知識的理解，并提高其運用知識的實踐能力。經過三年的課程實踐，本課程的基本構建框架已經成型，具體的課程體系構建如下。

1.蛋白質化學基礎理論。①蛋白質結構理論與研究方法。蛋白質結構是功能研究的基礎，蛋白質的高級結構直接決定了蛋白質的功能。只有詳細了解蛋白質及其復合物和組裝體的結構，才有可能對蛋白質的生理功能進行揭示。因此，在課程開展之初，筆者首先向學生介紹蛋白質結構的基礎知識。雖然蛋白質的基礎組成與多級結構等知識在《生物化學》課程中都有所涉及。但是，從實際教學情況來看，大部分學生學得多也忘得快，很少能把握住知識的核心。而《蛋白質化學》的教學重點與《生物化學》又有所區分，所以本課程主要關注蛋白質從基本構成元件氨基酸到高級空間結構的演變過程，重點強調了各級結構特點以及關鍵影響因素。在教學過程中，為了便于學生理解和記憶，筆者選擇以常見蛋白為模型，形象說明各級結構的特點，并穿插介紹各級結構研究歷史中的小故事，特別是諾貝爾獎相關的突破性進展，以此來提升學生的興趣。由于是專業選修課，課程設置的目的是希望學生能夠更為全面、深入地了解相關知識，因此筆者在課程教授過程中不強調對知識的死記硬背，而更希望學生因為興趣而理解，因為理解而記憶，最終達到吸收知識的目的。在蛋白質結構基礎知識掌握的基礎上，進一步向學生介紹用以揭示各級結構的研究方法，強化學生對蛋白質結構的認識和理解。在蛋白質結構研究方法介紹中，筆者按照蛋白質一級結構到四級結構的變化規律，逐級介紹蛋白質的相關研究方法，包括一級結構研究中的生物學方法（cDNA法）、化學方法（Edman降解法）和物理方法（質譜法）、二三級結構研究方法圓二色譜法、拉曼光譜法、熒光光譜法和紫外光譜法以及高級結構研究的X-射線衍射技術、核磁共振技術和冷凍電鏡技術等。在講授的過程中，注意將技術的核心與結構的特點結合起來，既講授技術的原理和應用，又幫助學生再次理解各級結構的特點。其中，在高級結構研究方法介紹中，結合國內外頂尖研究組最新發表的相關工作，讓學生更為及時地了解當今科技發展的趨勢。同時，筆者引入了蛋白質數據庫作為生物信息學知識的一部分，介紹了蛋白質數據庫這一有用的蛋白質研究平臺，讓學生建立對蛋白質結構相關的生物信息學知識的基本印象，鼓勵學生根據自身興趣進一步深入了解各數據庫的特點以及適用范圍。這一部分內容由于專業性較強，屬于工具類知識，所以未對學生做強制要求，僅僅作為知識普及，便于學生在將來研究需要時知道如何尋求幫助；②蛋白質折疊。蛋白質折疊是蛋白質從一級結構向高級結構轉變的過程，是蛋白質具有生理功能的必經之路。蛋白質折疊被認為是對中心法則的補充說明，也因此被成為第二遺傳密碼。蛋白質折疊在上述蛋白質結構認識基礎上幫助學生更為深刻地了解蛋白質結構與功能的緊密聯系。在這部分教學過程中，筆者首先通過“變性”這個知識點的講授，讓學生建立蛋白質結構與功能的初步聯系。之后，通過以著名的蛋白質復性實驗——“Anfinsen實驗”的設計思路、研究過程以及實驗結果分析作為案例，讓學生隨著實驗一步步了解蛋白質折疊的隱藏秘密，激發學生的探索興趣。在這個案例中，學生不僅可以再次理解變性對于蛋白質功能的影響，又可以了解到蛋白質變性的可逆性。通過變性—復性整個過程的演變，可以了解蛋白質變性的可逆性以及可逆的條件，也可以深刻地認識到蛋白質結構對其功能的重要性。在“自組裝折疊”的基礎上，從動力學和熱力學角度分析蛋白質折疊過程，并由此引入“蛋白質輔助折疊”理論，幫助學生全面認識蛋白質折疊中的影響因素。同時，以實際病例為代表說明蛋白質錯誤折疊的危害，并從疾病治療的角度鼓勵學生思考如何引導蛋白質的正確折疊以減少疾病發生的概率。從教學效果來看，簡單的知識傳授遠不如實際案例的分享效果顯著，學生更樂于結合實際現象進行深入思考和討論；③蛋白質分離與純化。在蛋白質研究中，獲取必要的蛋白質對象，分離與純化是關鍵。很多分離和純化技術在日常生物學研究中都十分常見也運用廣泛，因此筆者認為這是本課程中最有實際應用價值的知識，也希望學生能及時掌握并學以致用。那么如何實現蛋白質的分離純化？這與蛋白質本身的理化性質息息相關，而理化性質又與蛋白質的組成密切聯系。在蛋白質分離純化原則說明過程中，筆者通過回顧蛋白質結構的特點，啟發學生認識到蛋白質獨有的理化性質及其分離純化的基礎。隨后，從分子量、溶解度、電離性質和親和力等不同方面介紹常用的蛋白質分離純化的方法。其中，詳細介紹了蛋白質分子生物學研究中最為常用的技術——雙向電泳技術，使學生從原理、過程以及應用范圍等多角度認識和掌握該技術。同時，要求學生通過理解而掌握凝膠過濾和凝膠電泳中所采用的分子篩效應的區別。此外，蛋白質層析是蛋白質分離中的一個大的技術家族，包含了親和層析、離子交換層析、凝膠過濾層析、疏水層析以及分配層析等多種類型，應用廣泛而且技術發展成熟。因此，筆者在該部分課程的后期將蛋白質層析作為一個獨立的知識單元向學生展示在實際操作中如何根據蛋白質的具體性質特點選擇合適的層析技術進行分離純化，使學生不僅掌握相關的理論知識，更要學會如何在研究工作中運用知識；④蛋白質檢測。如何確認已經獲取的蛋白質的種類呢？這一問題將課程引入到蛋白質的檢測中。蛋白質的檢測技術不僅是實驗室基礎研究的重要內容，也與人類生活息息相關。這樣具有實際應用的內容更容易引起學生的興趣。因此，通過引導學生思考生活中面臨的不同蛋白質檢測需求，逐步展開蛋白質檢測技術的介紹。首先，介紹蛋白質檢測中的通用技術，即針對所有蛋白質而不針對特定種類。以“三聚氰胺事件”為例引導學生思考，如何檢測樣本中的蛋白質含量，為什么會發生“三聚氰胺事件”？基于此探討蛋白質鑒定的六大常規技術：凱式定氮法、雙縮脲法、Folin-酚試劑法、紫外吸收法、考馬斯亮藍法和BCA法，并通過比較技術的各自特點使學生初步了解蛋白質檢測中的技術選擇標準。同時，結合蛋白質定量分析的實際需求，在常規技術介紹基礎上，詳細介紹了酶聯免疫吸附分析法（ELISA）和Western-blotting技術。通過介紹技術的原理、步驟以及關鍵影響因素等讓學生熟悉這兩項重要技術，為今后的科研工作儲備必要的知識。

2.蛋白質化學專題介紹。①蛋白質檢測專題介紹。在上述知識理論體系介紹中，筆者盡力將生活實例與科學知識結合，但是基本知識本身仍舊過于理論，不容易引起學生的共鳴。因此，在知識體系構建的基礎上，筆者特意增加了一個蛋白質檢測專題介紹，以腫瘤標志物這種目前認知度較為廣泛的蛋白質為代表，介紹蛋白質檢測的重要性以及蛋白質檢測的最新研究進展。筆者從醫院所采用的檢測技術入手，向學生揭示這些檢測技術背后的原理以及各自的技術特點，讓學生了解當今蛋白質檢測技術的發展與應用。同時，結合最新的文獻報道，在現有儀器分析的基礎上，引入了電化學分析、SPR以及核酸擴增技術等知識介紹，讓學生更深層次地認識到蛋白質分析的基礎研究進展。除了生活中可以遇見的成熟商業化分析技術，各式各樣的實驗室蛋白質分析技術雖然還未能走進千家萬戶，但是它們代表了當今生化分析的潮流，也預示了蛋白質分析的發展趨勢。這些理論與實際結合的專題介紹相對于刻板的知識講解容易引起學生的共鳴和探討的興趣，因此教學效果也比較明顯，學生表現了極大的興趣和探索的欲望，會主動參與到課程內容的討論中，進而加深了對知識的理解和記憶，達到了教學的目標；②學生課題介紹。之前曾提到上海大學的專業選修課鼓勵小班教學，學生規模相對較小，因此比較便于師生之間的互動。筆者希望學生能從單純的知識接受者角色中解脫出來，更為積極主動地參與到知識的講授中來，通過自我學習推進知識的理解和掌握。結合本課程的特點，筆者選取了具有代表性的與蛋白質研究相關的諾貝爾獎研究作為課題，通過學生自學掌握研究的相關內容，并在課堂通過知識講解與老師展開互動。相關課題包括：“發現抗體的化學結構”、“發現大腦分泌的肽類激素”、“發現限制性內切酶及其在分子遺傳學方面的應用”、“發現調節免疫反應的細胞表面受體的遺傳結構”、“發現生長因子”、“發現G蛋白及其在細胞中的信號轉導作用”、“發現朊病毒—傳染的一種新的生物學原理”以及“發現端粒和端粒酶如何保護染色體”等。在選擇學生課題的過程中，把握幾個關鍵的原則。首先，課題必須與蛋白質研究相關；其次，課題的研究與課程中教授過的知識有重疊；最后，課題能夠揭示蛋白質結構與功能的緊密聯系。通過這樣的課題設置，可以讓學生在自學的過程中再次溫習已經學習過的知識，能夠實現教學相長。筆者通過幾年的課程實踐發現，雖然面向的教學對象是本科生，他們大多沒有實驗室研究經驗，但是其學習主動性較好，通過在網上進行資料搜索，大多數學書可以很好地完成任務，部分特別突出的學生可以將研究故事說得非常生動形象，激發了其他學生的興趣。通過這些互動課題的設置，學生對蛋白質研究中涉及的相關知識又有了更好地梳理，對蛋白質研究工作有了更為深入的認識，為將來的研究方向選擇奠定了基礎。

三、小結

蛋白質及其相關研究已經成為當今生命科學研究的熱門所在。在蛋白組學研究蒸蒸日上的今天，生物學專業學生具備一定量的蛋白質相關基礎知識十分必要。因此，結合當前生命科學研究的發展趨勢和蛋白質科學研究的熱點重點，本文探討了在高年級本科生中開展《蛋白質化學》教學工作的重要性和必要性。同時，結合筆者近幾年來在《蛋白質化學》課程中的實際教學經驗，本文從蛋白質化學基礎理論體系設置以及蛋白質化學專題介紹兩方面詳細闡述了《蛋白質化學》這門專業選修課的課程體系設置方案，教學內容涉及蛋白質結構、蛋白質折疊、蛋白質分離純化以及蛋白質檢測鑒定等多方面。通過理論與實際相結合的教學方式，以諾貝爾獎相關研究介紹為契機，激發學生的學習興趣，鼓勵學生積極參與到課程的討論中來，實現教學相長，使其能更好地掌握與蛋白質化學相關的理論知識，熟悉蛋白質研究中常用方法的技術要領，為今后開展蛋白質相關的研究工作儲備充足的基礎知識。

The Discussion and the Thinking of the Teaching System of“Protein Chemistry”for the College Students

ZHAO Jing，CAO Ya

（School of Life Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

Abstract：Nowadays，protein studies have become the leading-edge researches in the field of life sciences. Based on the recent development on the studies of the proteins，this paper states the necessity of setting up the course of "Protein Chemistry" for the senior undergraduates，and discusses the teaching system and teaching methods of the course based on the teaching experiences of the writers.

Key words："Protein Chemistry"；theoretical instruction；subject introduction