計算機模擬技術(shù)在蛋白質(zhì)課程教學(xué)中的研究與實踐

1、    計算機模擬技術(shù)在蛋白質(zhì)課程教學(xué)中的研究與實踐    張帥 韋壽蓮 董基 程昊摘 要：將計算機模擬技術(shù)運用于蛋白質(zhì)課程教學(xué)中，使課程更加生動易懂，從而讓學(xué)生更加牢固的掌握好蛋白質(zhì)相關(guān)內(nèi)容知識。文章分別從制定新型教學(xué)多媒體課件、制作各類模擬工具的使用教程、指導(dǎo)學(xué)生獨立完成模擬作業(yè)，以及邀請專家進行指導(dǎo)和交流四個方面，闡述了計算機模擬技術(shù)在蛋白質(zhì)課程教學(xué)中的研究和實踐。關(guān)鍵詞：計算機模擬 蛋白質(zhì)課程教學(xué) 研究 實踐：r34 ：a ：1674-098x（2018）02（a）-0223-02abstract： the fact that computer

2、simulation technology was applied for protein course teaching made the course more vivid and easy to understand， and thus the students could substantially master the knowledge about protein. the paper stated the research and practice on computer simulation technology in protein course teaching from

3、four aspects including developing new multimedia teaching courseware， making use of tutorials of simulation tools， instructing the students to complete the simulation work independently， and inviting experts for guidance and communication.key words： computer simulation； protein course teaching； rese

4、arch； practice蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是當(dāng)前國內(nèi)外研究的重點和熱點1。因此，生物化學(xué)、食品化學(xué)及酶學(xué)等基礎(chǔ)課和重要專業(yè)課中，都將蛋白質(zhì)相關(guān)章節(jié)作為教學(xué)的核心和重點2，同時相關(guān)課程也大多開設(shè)了蛋白質(zhì)相關(guān)的實驗教學(xué)內(nèi)容。因此，如何更好地開展蛋白質(zhì)教學(xué)工作，讓學(xué)生切實掌握好這一重要內(nèi)容，對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率、增強學(xué)生學(xué)習(xí)重點難點知識的信心、調(diào)動學(xué)生加強自學(xué)的積極性以及啟發(fā)學(xué)生對各門課程的融會貫通都具有重要意義。計算機模擬就是利用計算機技術(shù)來模仿真實事物。運用于生物學(xué)領(lǐng)域，往往是通過模仿生物分子構(gòu)建虛擬模型，并運用一些算法（algorithm）來研究一些生物過程3。由于生物大分子蛋白質(zhì)分

5、子組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)與小分子的相互作用以及酶蛋白催化機理等方面的研究成為生化領(lǐng)域研究的難點。將計算機模擬技術(shù)運用于蛋白質(zhì)領(lǐng)域，為蛋白質(zhì)的研究開辟了一條非常有效的途徑，近十年來取得了較快發(fā)展，蛋白質(zhì)的計算機模擬技術(shù)研究成為國內(nèi)外研究的重點和熱點4-5。由于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的抽象性，使得這部分內(nèi)容教師不易教學(xué)，學(xué)生也難以理解?；诖耍覀儗⒂嬎銠C模擬技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)課程教學(xué)中，通過生動逼真的模擬蛋白質(zhì)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)及與小分子的作用機制等內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的思考和興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，因而能夠大大提高教學(xué)效果和促進學(xué)生對知識的掌握。1 制定

6、新型教學(xué)多媒體課件結(jié)合授課教材中的相關(guān)專業(yè)理論，認(rèn)真制定基于計算機模擬技術(shù)運用于蛋白質(zhì)內(nèi)容的新型教學(xué)多媒體課件，并形成一套詳細(xì)、完整的教學(xué)計劃。計算機模擬技術(shù)在蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括蛋白質(zhì)分子組成和結(jié)構(gòu)的模擬、蛋白質(zhì)與小分子物質(zhì)的結(jié)合、酶蛋白與配體的對接以及作用于靶蛋白的小分子藥物的篩選等方面。針對這些內(nèi)容制定出新型多媒體課件，課件按上述應(yīng)用可以分為四大模塊，對于每一個模塊的每一個知識點，先闡述具體的概念、原理和方法，然后描述該知識點用計算機模擬運行時的具體的操作步驟，最后用教學(xué)視頻進行詳細(xì)演示，努力讓每個學(xué)生都能聽得懂、學(xué)得會，把每一個知識點都真正掌握好。2 制作各類模擬工具的使用教

7、程在計算機模擬過程中，需要用到很多程序和軟件，不同的程序和軟件具有不同的功能和應(yīng)用。如利用modeller、gaussian及pymol等建模軟件和分子可視化軟件可以構(gòu)建和展示蛋白質(zhì)的氨基酸組成及平面和空間結(jié)構(gòu)，利用autodock vina、i-tasser、quack等軟件和服務(wù)器程序可以計算和演示蛋白質(zhì)與小分子的作用過程及酶蛋白對底物配體的催化機理等生物過程。對于這些常用的、經(jīng)典的模擬工具，編寫好詳細(xì)的、可操作性強的使用教程發(fā)給學(xué)生練習(xí)和使用，同時教師結(jié)合授課教案在課堂上予以講授。3 指導(dǎo)學(xué)生獨立完成模擬作業(yè)進行這項教學(xué)研究的最終目的是讓學(xué)生能夠自己運用計算機模擬技術(shù)獨立去完成相關(guān)作業(yè)，

8、以鞏固學(xué)生對相關(guān)專業(yè)知識點的掌握。在我們設(shè)計的相關(guān)作業(yè)中，要求學(xué)生能夠根據(jù)教師的指導(dǎo)，利用pymol軟件獨立練習(xí)完成牛血清蛋白（bsa）三級結(jié)構(gòu)的計算機模擬，并找出該蛋白質(zhì)的催化中心，從而更好的理解蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)及催化中心這些重要概念。進而，利用autodock vina程序進行bsa分別和沒食子酸、兒茶素、白藜蘆醇等小分子配體的分子對接工作，同時利用ligplot+軟件找出bsa三級結(jié)構(gòu)中與這些化學(xué)小分子相結(jié)合的氨基酸殘基，這對于學(xué)生深刻理解蛋白質(zhì)結(jié)合位點、蛋白質(zhì)與底物的作用過程非常有幫助。完成這項作業(yè)后，可以適當(dāng)尋找空間結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的蛋白質(zhì)讓學(xué)生進行模擬練習(xí)。4 邀請專家進行指導(dǎo)和交流邀請

9、計算機模擬技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)者專家與項目組成員以及學(xué)生們進行交流和課堂教學(xué)評價，通過專家報告、會議交流等方式，讓教師和學(xué)生更全面地了解該領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法、新思維以及前沿研究熱點，同時參考專家的建議，找出自身教學(xué)授課方面的不足，加以改善，使這一教學(xué)模式日臻完善。總之，在本科教學(xué)過程中，將計算機模擬技術(shù)運用于專業(yè)課程中蛋白質(zhì)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)和實踐，對于學(xué)生充分理解蛋白質(zhì)的復(fù)雜特性和探索蛋白質(zhì)的生物學(xué)機理不僅可起到事半功倍的效果，而且這種分子模擬技術(shù)所構(gòu)建的仿真的靜態(tài)圖形和動態(tài)途徑可以讓學(xué)生記憶深刻且能舉一反三，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新性理念具有重大意義！參考文獻(xiàn)1 張帥，曹庸，梁曉瑩，等.黑曲霉n5-5單寧酶的純化及酶學(xué)性質(zhì)測定j.食品科學(xué)，2017，38（6）：142-146.2 張新梅，韓江，漫陳鵬，等.蛋白質(zhì)純化綜合大實驗的教學(xué)體系改革j.時代教育，2017（7）：48-49.3 劉軍，沈建祥，曹達(dá)鵬，等.計算機模擬研究聚合物納米復(fù)合材料的分散與界面j.高分子學(xué)報，2016（8）：1048-1