蛋白質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)構為基礎教學提供了重要的教學素材。通過蛋白質(zhì)結(jié)構的展示，豐富和完善了生物化學課程的知識體系，激發(fā)了學生的學習興趣。本文將蛋白質(zhì)結(jié)構的展示應用到生物化學教學中，以“蛋白質(zhì)化學”和“酶”章節(jié)為例，將概念、知識點與可視的空間結(jié)構結(jié)合并引入課堂教學，有助于激發(fā)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(zhì)；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(nèi)容：（1）生物體分子結(jié)構與功能，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)過程；（3）遺傳信息傳遞的分子基礎與調(diào)控規(guī)律。以上內(nèi)容多偏向于理論性知識點的介紹，并且內(nèi)容抽象，在教學過程中容易出現(xiàn)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(diào)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(zhì)結(jié)構展示在生物化學教學過程中的應用，以“蛋白質(zhì)化學”及“酶”章節(jié)教學過程為例進行介紹，以期提升生物化學的教學質(zhì)量。

一、蛋白質(zhì)結(jié)構展示相關數(shù)據(jù)庫與軟件

在介紹蛋白質(zhì)結(jié)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(shù)據(jù)庫及軟件進行簡單介紹（見上表）。蛋白質(zhì)結(jié)構數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫最初只包含了7個結(jié)構數(shù)據(jù)），在1998年轉(zhuǎn)由結(jié)構生物信息學聯(lián)合實驗室（Research Collaboratory for Structural Bioinformatics，RCSB）運行管理[2]。常用的蛋白質(zhì)結(jié)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(jié)構顯示軟件，具有強大的繪圖功能，被廣泛的應用于高品質(zhì)生物分子結(jié)構圖的展示；Swiss PDB Viewer具有生物大分子結(jié)構展示、分析及數(shù)據(jù)處理功能，在蛋白質(zhì)結(jié)構數(shù)據(jù)的分析、處理中具有廣泛的應用[3]。對于蛋白質(zhì)結(jié)構的預測，使用最為廣泛的方法是同源建模，即基于PDB數(shù)據(jù)庫中已知結(jié)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(jié)構預測方法[4]?；衔飻?shù)據(jù)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(jié)構數(shù)據(jù)。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(zhì)結(jié)構展示在蛋白質(zhì)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(zhì)化學通常包含兩個章節(jié)的內(nèi)容：靜態(tài)蛋白質(zhì)化學（即化學組成、結(jié)構與功能等）和蛋白質(zhì)的代謝（即合成與分解代謝）。對于蛋白質(zhì)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(zhì)結(jié)構的認識，則是抽象的空間結(jié)構，難以把握，導致對于蛋白質(zhì)三、四級結(jié)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(lián)苯雙加氧酶為例進行蛋白質(zhì)結(jié)構展示在課堂教學中的應用介紹。

1.蛋白質(zhì)結(jié)構獲取。供演示的蛋白質(zhì)結(jié)構文件可從PDB數(shù)據(jù)庫獲取，登錄號為1kw3（2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶，選擇該蛋白是因為該蛋白已測定了不結(jié)合底物和結(jié)合底物時的兩種狀態(tài)，方便下文介紹“酶”章節(jié)的內(nèi)容）[7]。首先向?qū)W生簡單演示如何從PDB數(shù)據(jù)下載PDB格式的結(jié)構數(shù)據(jù)文件（從頁面最上端“download files”中選擇“PDB format”進行下載），并從數(shù)據(jù)庫中獲得相關數(shù)據(jù)的基本信息，隨后通過Swiss PDB Viewer將文件打開進行結(jié)構的展示。首先，蛋白質(zhì)結(jié)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(fā)學生學習的興趣；其次，將蛋白質(zhì)化學章節(jié)中的有關知識點、概念融入結(jié)構展示的過程中，不時將具體的概念與直觀的結(jié)構展示結(jié)合，從而活躍課堂氣氛。

2.蛋白質(zhì)結(jié)構展示在“蛋白質(zhì)化學”教學中的應用。蛋白質(zhì)的結(jié)構作為蛋白質(zhì)化學的重要內(nèi)容，主要介紹了蛋白質(zhì)的一、二、三和四級結(jié)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(tài)，例如10號氨基酸殘基為苯丙氨酸（PHE10），伴隨對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(zhuǎn)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(zhì)一級結(jié)構的概念引出。

在完成了一級結(jié)構概念的介紹后，首先對二級結(jié)構的概念進行介紹并引導學生去想象α螺旋、β-折疊結(jié)構的空間形態(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(guī)則卷曲介紹給學生們。在課堂教學的過程中，可以通過旋轉(zhuǎn)的方式從不同角度觀察α螺旋和β-折疊的空間結(jié)構，并對相關的結(jié)構特征結(jié)合空間結(jié)構的展示進行解讀，引導學生主動去發(fā)現(xiàn)相關特征。在完成了以上內(nèi)容后可向?qū)W生提問，讓大家思考什么是蛋白質(zhì)的三級結(jié)構。在完成提問互動環(huán)節(jié)后，以展示完整的2，3-二羥基聯(lián)苯雙加氧酶結(jié)構為學生們展示該酶的完整結(jié)構，并引出蛋白質(zhì)三級結(jié)構的概念。同時，可在“ribn”展示的情況下對三維結(jié)構進行著色，以二級結(jié)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?qū)W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(jié)構的蛋白質(zhì)，此時可使用蛋白質(zhì)結(jié)構預測獲得感興趣蛋白的結(jié)構（例如使用同源建模方法，SWISS-MODEL等）。

三、蛋白質(zhì)結(jié)構展示在“酶”教學中的應用

酶是由活細胞產(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)合教學過程展開為例，介紹蛋白質(zhì)結(jié)構展示在“酶”教學中的應用。

1.蛋白質(zhì)結(jié)構的獲取。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1kw3的介紹中可以看到相關的數(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，因此我們同時下載1kw9和1kw3數(shù)據(jù)文件以進行展示。

2.蛋白質(zhì)結(jié)構展示在“酶”教學中的應用?！懊浮闭鹿?jié)的內(nèi)容包括催化、結(jié)構、動力學等，其中酶的催化及結(jié)構的內(nèi)容與蛋白質(zhì)結(jié)構的展示具有較好的結(jié)合。首先，向?qū)W生們簡單介紹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，通過結(jié)構展示可以發(fā)現(xiàn)HIS145、HIS194、HIS209和GLU260與Fe2+相互作用參與了催化過程，這個時候以結(jié)構展示的方式展現(xiàn)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(jié)合基團和催化基團，并展示1kw9的結(jié)構，從而找到底物的所在位置，并對局部進行放大，可以發(fā)現(xiàn)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(lián)苯的結(jié)合與穩(wěn)定（結(jié)合基團）。最后，可以通過將兩個蛋白結(jié)構的比對分析催化前后蛋白質(zhì)構象的變化，同時將1kw3和1kw9兩個數(shù)據(jù)文件打開后，選擇“Fit”>“Align All”，此時可以看到軟件對1kw3和1kw9的結(jié)構進行了比較，可以發(fā)現(xiàn)HIS194（催化堿基）在催化前后發(fā)生了構象的改變。同時，針對有的蛋白結(jié)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(jié)合基團。

四、結(jié)語

生物信息學的快速發(fā)展為許多課堂教學提供了豐富的教學資源，如何開發(fā)利用好資源，將各種數(shù)據(jù)以及工具應用到教學中，更好地服務于教學，激發(fā)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(zhì)結(jié)構的展示在生物化學教學中的應用進行了介紹，相關數(shù)據(jù)、軟件在蛋白質(zhì)化學與酶章節(jié)中的應用提供了參考，為豐富課堂內(nèi)容、激發(fā)學習興趣、鞏固知識點理解提出了新方法。

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