有機(jī)化學(xué)教學(xué)中三維動(dòng)畫(huà)案例的制作和應(yīng)用

蔡 東，胡樹(shù)煜

錦州醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院，遼寧 錦州 121001

《有機(jī)化學(xué)》作為高等醫(yī)藥院校學(xué)生的必修課程，其教學(xué)質(zhì)量直接影響后續(xù)其他基礎(chǔ)課和專業(yè)課學(xué)習(xí)效果，如生物化學(xué)、藥理學(xué)、藥物化學(xué)，天然藥物化學(xué)、藥物設(shè)計(jì)學(xué)等。隨著高等教育改革的不斷深化，各高校都面臨有機(jī)化學(xué)課程的學(xué)時(shí)數(shù)不斷縮減，而教學(xué)內(nèi)容又在不斷增加和更新的問(wèn)題，這給教師和學(xué)生的教與學(xué)都帶來(lái)了巨大的沖擊。傳統(tǒng)的“滿堂灌”的教學(xué)方式已難以滿足新時(shí)期的教學(xué)需求。在目前“互聯(lián)網(wǎng)+ ”時(shí)代，各高校教師都在積極探索如何應(yīng)用新的教學(xué)方法和手段提高有機(jī)化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

錦州醫(yī)科大學(xué)有機(jī)化學(xué)教研室教師利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(computer aided instruction，CAI)手段[1-4]，在有機(jī)化學(xué)課件中穿插精心制作的三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)案例，課堂氣氛較以前明顯活躍，取得了良好的教學(xué)效果?，F(xiàn)將三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)案例的制作和使用情況做如下介紹。

1 教學(xué)案例的使用

陸濤主編的《有機(jī)化學(xué)》(第八版)[5]第十七章(氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)和核酸)的內(nèi)容雜、難點(diǎn)多、抽象難懂，學(xué)習(xí)難度大。但是這一章內(nèi)容對(duì)其后續(xù)其他課程的學(xué)習(xí)極為重要，是生物化學(xué)課程的基礎(chǔ)，貫穿整個(gè)生物化學(xué)課程，也是藥物化學(xué)和藥理學(xué)有關(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)和藥理活性內(nèi)容的基礎(chǔ)。而在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生多數(shù)不能建立空間結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間聯(lián)系的基本框架，陷入放棄或死記內(nèi)容的困境。

在第一節(jié)氨基酸學(xué)習(xí)結(jié)束后，多數(shù)學(xué)生對(duì)氨基酸有了初步的了解，但感覺(jué)乏味，此時(shí)再填鴨式講授第二節(jié)多肽和蛋白質(zhì)的內(nèi)容，學(xué)生會(huì)有“強(qiáng)弩之末，勢(shì)不能穿魯縞”的感覺(jué)。若導(dǎo)入優(yōu)選的CAI教學(xué)案例(如三維動(dòng)畫(huà)案例)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)是一個(gè)與細(xì)胞分裂增殖有關(guān)的跨膜糖蛋白。吉非替尼(又名易瑞沙)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)和跨膜糖蛋白的ATP(腺嘌呤核苷三磷酸，簡(jiǎn)稱三磷酸腺苷)結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，相互鍵合生成可逆的復(fù)合物。從圖1a中的ATP結(jié)構(gòu)中，讓學(xué)生體會(huì)許多雜環(huán)化合物在動(dòng)植物體內(nèi)即使?jié)舛葮O低，也可以起到重要的生理作用。吉非替尼模擬ATP的結(jié)構(gòu)特征，競(jìng)爭(zhēng)性地與EGFR生成可逆的復(fù)合物，從而起到治療腫瘤的效果。在圖1b中，學(xué)生可以從一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)GIF格式的三維動(dòng)畫(huà)中，直觀感受蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)層次和特點(diǎn)，以及藥物小分子如何和生物大分子結(jié)合。

圖1 EGFR和吉非替尼的結(jié)合

采用EGFR抑制劑(如吉非替尼)治療的患者在10個(gè)月后，大部分會(huì)出現(xiàn)耐藥情況。研究發(fā)現(xiàn)，約50%的患者存在此跨膜糖蛋白上一個(gè)編號(hào)為T(mén)790氨基酸殘基的突變，這是導(dǎo)致耐藥性主要的機(jī)制[6-8]。

為什么一個(gè)氨基酸的突變會(huì)導(dǎo)致一個(gè)藥物的藥效降低，或產(chǎn)生耐藥性呢？在一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)的三維動(dòng)畫(huà)中，若是原本處于結(jié)合位點(diǎn)處重要的的蘇氨酸(THR)被蛋氨酸(MET)取代(圖1c)，由于蛋氨酸空間體積占位大，取代蘇氨酸后在原來(lái)的結(jié)合位點(diǎn)形成新的空間位阻，導(dǎo)致吉非替尼藥物不能在ATP位置結(jié)合，也就不能阻斷EGFR信號(hào)傳遞，從而降低了對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制作用。一個(gè)小小的氨基酸殘基發(fā)生突變，就可以導(dǎo)致藥物產(chǎn)生耐藥性，使學(xué)生潛移默化地認(rèn)識(shí)到氨基酸知識(shí)點(diǎn)的重要性，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲望。

2 教學(xué)案例的制作

登錄大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)PDB(protein data bank，http://www.rcsb.org/pdb/)，免費(fèi)下載野生型EGFR激酶的結(jié)構(gòu)域與吉非替尼晶體結(jié)構(gòu)(2ity.pdb)。然后打開(kāi)免費(fèi)版的三維分子模型PyMOL軟件，再點(diǎn)擊打開(kāi)File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，就可以看到打開(kāi)的EGFR激酶和吉非替尼晶體結(jié)構(gòu)的三維分子模型。在右上角2ity 1/1行，點(diǎn)擊A/present/publication(with solvent)顯示EGFR激酶和吉非替尼的相互作用，再點(diǎn)擊A/present/ligand sites/cartoon，將激酶轉(zhuǎn)化為cartoon顯示。另外，可以在在PyMOL Viewer界面中，點(diǎn)擊右下角S按鈕，開(kāi)啟上方的 sequ-ence 顯示列，選中IRE(易瑞沙)，會(huì)在右上角2ity 1/1行下方新出現(xiàn)一個(gè)(sele)行，吉非替尼分子在整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中顯現(xiàn)不清楚，可以在(sele)行，點(diǎn)擊C/Reds/red，將分子轉(zhuǎn)化紅色。點(diǎn)擊S/sticks和S/spheres，將吉非替尼分子從Lines模型改換成球棍(spheres-sti-cks)模式，使用The PyMOL Molecular Graphics Sys-tem界面命令行輸入命令來(lái)調(diào)整球棍二者之間的比例，步驟如下：

在(sele)行，點(diǎn)擊A/modify/around/residues with-in 4A，然后再點(diǎn)擊S/surface為小分子吉非替尼的結(jié)合位點(diǎn)處制作局部表面。界面背景一般在做PPT動(dòng)畫(huà)時(shí)，以黑色為宜，The PyMOL Molecular Graphics Sys-tem界面和PyMOL Viewer界面的截圖如圖2所示。

圖2 使用PyMOL軟件的界面

備注好上述晶體結(jié)構(gòu)，就可以制作三維動(dòng)畫(huà)，使用PyMOL命令行，分別輸入下列命令：

然后使用菜單選項(xiàng)(File>Save Movie As>MP-EG)，將制作三維動(dòng)畫(huà)保存為MPEG圖片格式，一般自動(dòng)保存在桌面。最后將所有圖片剪切放在一個(gè)文件夾中，方便后續(xù)處理。

接下來(lái)，要使用到兩款簡(jiǎn)單易用的免費(fèi)軟件Xn-Convert和UnFREEz，前者是批量圖像格式轉(zhuǎn)換工具的軟件，后者是從這些圖像創(chuàng)建單個(gè)動(dòng)畫(huà)GIF的免費(fèi)軟件。將XnConvert安裝打開(kāi)后，點(diǎn)擊“添加文件夾”，選中包含所有圖片的文件夾，然后點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換”，將所有圖片轉(zhuǎn)化成GIF格式；再將所有GIF格式圖片選中后另存為一個(gè)新的文件夾，在文件夾中按類(lèi)型排列；直接打開(kāi)UnFREEz軟件，全選文件夾中文件后，拖入U(xiǎn)nFREEz空白處，點(diǎn)擊Make Anmated GIF按鈕即可得到一個(gè)GIF文件。

同樣方式再次打開(kāi)PyMOL軟件，點(diǎn)擊打開(kāi)File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，點(diǎn)擊右下角S按鈕，在sequence 顯示列，選中IRE(易瑞沙)，會(huì)在右上角2ity 1/1行下方新出現(xiàn)一個(gè)(sele)行；在(sele)行，點(diǎn)擊A/modify/around/residues within 4A，再點(diǎn)擊(sele)行H/unselected。在sequence 顯示列選中T790，右鍵label/residues，標(biāo)注重要氨基酸殘基的名稱。再用前述方式，使用軟件XnConvert和UnFREEz制作GIF格式三維動(dòng)畫(huà)。

同樣方式再次打開(kāi)PyMOL軟件，點(diǎn)擊打開(kāi)File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，點(diǎn)擊右下角S按鈕，在sequence 顯示列，選中IRE(易瑞沙)，會(huì)在右上角2ity 1/1行下方新出現(xiàn)一個(gè)(sele)行，在(se-le)行，點(diǎn)擊A/modify/around/residues within 4A，再點(diǎn)擊(sele)行H/unselected。在sequence顯示列出現(xiàn)后，使用The PyMOL Molecular Graphics System界面工具欄中Wizard/Mutagenesis，選中T790，在PyMOL Vi-ewer界面右側(cè)列表中，點(diǎn)擊no mutate，從下拉菜單中選中替換的氨基酸殘基，點(diǎn)擊apply即可完成氨基酸殘基突變。重新在sequence 顯示列選中M790，右鍵label/residues，標(biāo)注重要氨基酸殘基的名稱。再用上述方式，使用軟件XnConvert和UnFREEz制作GIF格式三維動(dòng)畫(huà)。

GIF格式三維動(dòng)畫(huà)可以粘貼到PPT中直接播放，不需另外播放軟件，使用方便且操作簡(jiǎn)單。

3 結(jié)論

三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)案例能精準(zhǔn)地展示教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生理解抽象性的知識(shí)點(diǎn)，受到學(xué)生的普遍歡迎。三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)案例需要教師在合適的章節(jié)、知識(shí)點(diǎn)后引入，再輔以生動(dòng)的講解，才能取得良好的教學(xué)效果。需要教師在備課過(guò)程中，不但要做到對(duì)書(shū)本中知識(shí)點(diǎn)的精準(zhǔn)掌握，還要利用學(xué)科交叉的特點(diǎn)適宜地引入書(shū)本中沒(méi)有的新案例，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，充實(shí)課堂教學(xué)等環(huán)節(jié)。