蛋白質結構展示在生物化學教學中的應用

任磊 胡漢橋 章月琴 藺中 甄珍 蘭瑞霞

摘要：蛋白質結構的研究已成為目前生物學研究的前沿與熱點，大量獲得的蛋白質結構為基礎教學提供了重要的教學素材。通過蛋白質結構的展示，豐富和完善了生物化學課程的知識體系，激發了學生的學習興趣。本文將蛋白質結構的展示應用到生物化學教學中，以“蛋白質化學”和“酶”章節為例，將概念、知識點與可視的空間結構結合并引入課堂教學，有助于激發學生學習的主動性并提升課堂教學效果。

關鍵詞：生物化學；蛋白質；PDB；酶

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）09-0050-03

生物化學作為一門重要的基礎理論課程，在各高等院校的本科與研究生教學中受到廣泛的關注，在教學安排中通常被設置為必修課程[1]。該課程是許多生物學課程的前置課程，學好生物化學對于學習其他課程，如分子生物學、微生物學等，都有巨大的促進作用，因此如何開展好生物化學課程的教學工作是廣大高校生物化學教師與學生面臨的重要課題。生物化學課程主要包含三方面的內容：（1）生物體分子結構與功能，如糖、脂、蛋白、核酸等；（2）物質代謝與調節，即各大生物體分子的分解、合成、轉化及調節過程；（3）遺傳信息傳遞的分子基礎與調控規律。以上內容多偏向于理論性知識點的介紹，并且內容抽象，在教學過程中容易出現課堂枯燥、乏味的教學氛圍，因此如何營造較好的教學氛圍，調動學生的積極性，促進學生主動參與變得尤為重要。本文將介紹蛋白質結構展示在生物化學教學過程中的應用，以“蛋白質化學”及“酶”章節教學過程為例進行介紹，以期提升生物化學的教學質量。

一、蛋白質結構展示相關數據庫與軟件

在介紹蛋白質結構展示在生物化學教學過程中的應用之前，首先對本文及教學過程中可能涉及的數據庫及軟件進行簡單介紹（見上表）。蛋白質結構數據庫（Protein Data Bank，PDB，http：//www.rcsb.org/）是由Walter Hamilton在1971年于布魯克黑文國家實驗室所建立（這個數據庫最初只包含了7個結構數據），在1998年轉由結構生物信息學聯合實驗室（Research Collaboratory for Structural Bioinformatics，RCSB）運行管理[2]。常用的蛋白質結構展示軟件包括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構顯示軟件，具有強大的繪圖功能，被廣泛的應用于高品質生物分子結構圖的展示；Swiss PDB Viewer具有生物大分子結構展示、分析及數據處理功能，在蛋白質結構數據的分析、處理中具有廣泛的應用[3]。對于蛋白質結構的預測，使用最為廣泛的方法是同源建模，即基于PDB數據庫中已知結構為模板的同源建模（homology modeling）法，這也是迄今為止精度最高的一類結構預測方法[4]。化合物數據庫（PubChem Compound）則提供了各類小分子化合物的信息及二維和三維結構數據。分子對接軟件（Autodock）提供了蛋白或蛋白與配體間對接位點的預測方法[5]。

二、蛋白質結構展示在蛋白質化學教學中的應用

作為生物化學課程中的重要組成部分，蛋白質化學通常包含兩個章節的內容：靜態蛋白質化學（即化學組成、結構與功能等）和蛋白質的代謝（即合成與分解代謝）。對于蛋白質的化學組成與功能的認識，多為概念和理論性知識點的記憶；而對于蛋白質結構的認識，則是抽象的空間結構，難以把握，導致對于蛋白質三、四級結構的認識只是停留在概念的記憶，無法真正建立正確的空間思維[6]。以下將以2，3-二羥基聯苯雙加氧酶為例進行蛋白質結構展示在課堂教學中的應用介紹。

1.蛋白質結構獲取。供演示的蛋白質結構文件可從PDB數據庫獲取，登錄號為1kw3（2，3-二羥基聯苯雙加氧酶，選擇該蛋白是因為該蛋白已測定了不結合底物和結合底物時的兩種狀態，方便下文介紹“酶”章節的內容）[7]。首先向學生簡單演示如何從PDB數據下載PDB格式的結構數據文件（從頁面最上端“download files”中選擇“PDB format”進行下載），并從數據庫中獲得相關數據的基本信息，隨后通過Swiss PDB Viewer將文件打開進行結構的展示。首先，蛋白質結構直觀展示的新鮮感有助于吸引學生的注意力，讓學生有耳目一新的感覺，從而激發學生學習的興趣；其次，將蛋白質化學章節中的有關知識點、概念融入結構展示的過程中，不時將具體的概念與直觀的結構展示結合，從而活躍課堂氣氛。

2.蛋白質結構展示在“蛋白質化學”教學中的應用。蛋白質的結構作為蛋白質化學的重要內容，主要介紹了蛋白質的一、二、三和四級結構及其特征。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中展示單個氨基酸的形態，例如10號氨基酸殘基為苯丙氨酸（PHE10），伴隨對PHE10的旋轉介紹氨基酸中α碳、R基、-COOH以及-NH，并結合結構展示解釋為什么氨基酸在肽鏈中稱之為氨基酸殘基；通過顯示10號苯丙氨酸和11號丙氨酸（ALA11）的連接展示肽鍵、肽平面，并通過與學生互動由學生旋轉將肽平面展示給大家；最后將所有氨基酸顯示出來，從而將多肽鏈和蛋白質一級結構的概念引出。

在完成了一級結構概念的介紹后，首先對二級結構的概念進行介紹并引導學生去想象α螺旋、β-折疊結構的空間形態，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）的空間結構展示給學生；進一步將所有氨基酸以“ribn”的形式展示，這時進一步將無規則卷曲介紹給學生們。在課堂教學的過程中，可以通過旋轉的方式從不同角度觀察α螺旋和β-折疊的空間結構，并對相關的結構特征結合空間結構的展示進行解讀，引導學生主動去發現相關特征。在完成了以上內容后可向學生提問，讓大家思考什么是蛋白質的三級結構。在完成提問互動環節后，以展示完整的2，3-二羥基聯苯雙加氧酶結構為學生們展示該酶的完整結構，并引出蛋白質三級結構的概念。同時，可在“ribn”展示的情況下對三維結構進行著色，以二級結構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”），這時向學生們介紹這條多肽鏈的N端（藍色端）、C端（紅色端）以及N端向C端的過渡。

針對不同院校的教學需要以及不同教學層次的需要，有的教學過程可能涉及一些還未測定結構的蛋白質，此時可使用蛋白質結構預測獲得感興趣蛋白的結構（例如使用同源建模方法，SWISS-MODEL等）。

三、蛋白質結構展示在“酶”教學中的應用

酶是由活細胞產生的，具有催化活性和高度專一性的特殊生物大分子，包括蛋白質和核酸，其中大多數是蛋白質。本文主要以酶的活性中心、催化部位、酶的輔因子（金屬離子）等結合教學過程展開為例，介紹蛋白質結構展示在“酶”教學中的應用。

1.蛋白質結構的獲取。同樣以2，3-二羥基聯苯雙加氧酶為例，根據PDB數據對1kw3的介紹中可以看到相關的數據文件還包括1KWC、1KWB、1KW9、1KW8和1KW6，其中的1kw9為2，3-二羥基聯苯雙加氧酶和底物（2，3-二羥基聯苯）結合的結構，因此我們同時下載1kw9和1kw3數據文件以進行展示。

2.蛋白質結構展示在“酶”教學中的應用。“酶”章節的內容包括催化、結構、動力學等，其中酶的催化及結構的內容與蛋白質結構的展示具有較好的結合。首先，向學生們簡單介紹2，3-二羥基聯苯雙加氧酶的功能（即催化2，3-二羥基聯苯中苯環的開環），介紹輔因子的概念并結合1kw3為例展示輔因子中的重要組成部分——金屬離子，通過結構展示可以發現HIS145、HIS194、HIS209和GLU260與Fe2+相互作用參與了催化過程，這個時候以結構展示的方式展現Fe2+所在的位置并通過軟件標注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，并講解結合基團和催化基團，并展示1kw9的結構，從而找到底物的所在位置，并對局部進行放大，可以發現HIS194參與了催化過程（即催化基團），而PHE201、ILE174、PHE186、ILE172、THR280參與2，3-二羥基聯苯的結合與穩定（結合基團）。最后，可以通過將兩個蛋白結構的比對分析催化前后蛋白質構象的變化，同時將1kw3和1kw9兩個數據文件打開后，選擇“Fit”>“Align All”，此時可以看到軟件對1kw3和1kw9的結構進行了比較，可以發現HIS194（催化堿基）在催化前后發生了構象的改變。同時，針對有的蛋白結構是通過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分子對接的手段進行預測（Autodock），從而預測出活性中心、催化基團和結合基團。

四、結語

生物信息學的快速發展為許多課堂教學提供了豐富的教學資源，如何開發利用好資源，將各種數據以及工具應用到教學中，更好地服務于教學，激發學生們的學習興趣，已成為廣大教師探索的重要課題。本文主要以蛋白質結構的展示在生物化學教學中的應用進行了介紹，相關數據、軟件在蛋白質化學與酶章節中的應用提供了參考，為豐富課堂內容、激發學習興趣、鞏固知識點理解提出了新方法。

參考文獻：

[1]施媚，李恩，劉俊紅，等.生物化學中“糖酵解”的課堂設計與教學體會[J].生物學雜志，2018，35（1）：125-126.

[2]Berman H M，Westbrook J，Feng Z，et al.The Protein Data Bank [J].Nucleic Acids Research，2000，28（1）：235-242.

[3]Guex，N，Peitsch，M C.SWISS-MODEL and the Swiss-PdbViewer：An environment for comparative protein modeling [J].Electrophoresis，1997，（18）：2714-2723.

[4]鄧海游，賈亞，張陽.蛋白質結構預測[J].物理學報，2016，65（17）：178701

[5]Trott O，Olson A J.AutoDock Vina：improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function，efficient optimization and multithreading [J].Journal of Computational Chemistry，2009，31（2010）：455-461.

[6]張斌，黃偉偉.蛋白質數據庫（PDB）在基礎生物化學課程教學中的應用[J].高教學刊，2018，（1）：71-72.

[7]Nobuyuki S，Yoshitaka U，Tomoko N，et al.Crystal Structures of the reaction intermediate and its homologue of an extradiol-cleaving catecholic dioxygenase [J].Journal of Molecular Biology，321：621-636.