計算機模擬技術在蛋白質課程教學中的研究與實踐

張帥 韋壽蓮 董基 程昊

摘 要：將計算機模擬技術運用于蛋白質課程教學中，使課程更加生動易懂，從而讓學生更加牢固的掌握好蛋白質相關內容知識。文章分別從制定新型教學多媒體課件、制作各類模擬工具的使用教程、指導學生獨立完成模擬作業，以及邀請專家進行指導和交流四個方面，闡述了計算機模擬技術在蛋白質課程教學中的研究和實踐。

關鍵詞：計算機模擬 蛋白質課程教學 研究 實踐

中圖分類號：R34 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0223-02

Abstract： The fact that computer 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 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； Research； Practice

蛋白質是生命的物質基礎，是當前國內外研究的重點和熱點[1]。因此，生物化學、食品化學及酶學等基礎課和重要專業課中，都將蛋白質相關章節作為教學的核心和重點[2]，同時相關課程也大多開設了蛋白質相關的實驗教學內容。因此，如何更好地開展蛋白質教學工作，讓學生切實掌握好這一重要內容，對于提高學生學習效率、增強學生學習重點難點知識的信心、調動學生加強自學的積極性以及啟發學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來模仿真實事物。運用于生物學領域，往往是通過模仿生物分子構建虛擬模型，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分子組成和結構的復雜性，使得蛋白質三維結構、蛋白質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域研究的難點。將計算機模擬技術運用于蛋白質領域，為蛋白質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展，蛋白質的計算機模擬技術研究成為國內外研究的重點和熱點[4-5]。

由于蛋白質結構的復雜性和蛋白質功能性質的抽象性，使得這部分內容教師不易教學，學生也難以理解。基于此，我們將計算機模擬技術應用于蛋白質課程教學中，通過生動逼真的模擬蛋白質復雜的空間結構及與小分子的作用機制等內容，從而激發學生的思考和興趣，調動學生的學習積極性和主動性，因而能夠大大提高教學效果和促進學生對知識的掌握。

1 制定新型教學多媒體課件

結合授課教材中的相關專業理論，認真制定基于計算機模擬技術運用于蛋白質內容的新型教學多媒體課件，并形成一套詳細、完整的教學計劃。計算機模擬技術在蛋白質研究領域的應用，主要包括蛋白質分子組成和結構的模擬、蛋白質與小分子物質的結合、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。針對這些內容制定出新型多媒體課件，課件按上述應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，最后用教學視頻進行詳細演示，努力讓每個學生都能聽得懂、學得會，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用。如利用Modeller、Gaussian及PyMol等建模軟件和分子可視化軟件可以構建和展示蛋白質的氨基酸組成及平面和空間結構，利用AutoDock Vina、I-TASSER、QUACK等軟件和服務器程序可以計算和演示蛋白質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、經典的模擬工具，編寫好詳細的、可操作性強的使用教程發給學生練習和使用，同時教師結合授課教案在課堂上予以講授。

3 指導學生獨立完成模擬作業

進行這項教學研究的最終目的是讓學生能夠自己運用計算機模擬技術獨立去完成相關作業，以鞏固學生對相關專業知識點的掌握。在我們設計的相關作業中，要求學生能夠根據教師的指導，利用PyMol軟件獨立練習完成牛血清蛋白（BSA）三級結構的計算機模擬，并找出該蛋白質的催化中心，從而更好的理解蛋白質空間結構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三級結構中與這些化學小分子相結合的氨基酸殘基，這對于學生深刻理解蛋白質結合位點、蛋白質與底物的作用過程非常有幫助。完成這項作業后，可以適當尋找空間結構更加復雜的蛋白質讓學生進行模擬練習。

4 邀請專家進行指導和交流

邀請計算機模擬技術領域的學者專家與項目組成員以及學生們進行交流和課堂教學評價，通過專家報告、會議交流等方式，讓教師和學生更全面地了解該領域的新技術、新方法、新思維以及前沿研究熱點，同時參考專家的建議，找出自身教學授課方面的不足，加以改善，使這一教學模式日臻完善。

總之，在本科教學過程中，將計算機模擬技術運用于專業課程中蛋白質相關內容的教學和實踐，對于學生充分理解蛋白質的復雜特性和探索蛋白質的生物學機理不僅可起到事半功倍的效果，而且這種分子模擬技術所構建的仿真的靜態圖形和動態途徑可以讓學生記憶深刻且能舉一反三，對于培養學生的創造性思維和創新性理念具有重大意義！

參考文獻

[1] 張帥，曹庸，梁曉瑩，等.黑曲霉N5-5單寧酶的純化及酶學性質測定[J].食品科學，2017，38（6）：142-146.

[2] 張新梅，韓江，漫陳鵬，等.《蛋白質純化綜合大實驗》的教學體系改革[J].時代教育，2017（7）：48-49.

[3] 劉軍，沈建祥，曹達鵬，等.計算機模擬研究聚合物納米復合材料的分散與界面[J].高分子學報，2016（8）：1048-1061.

[4] 康明亮，韓東梅，GEWIRTZ Océan.計算機模擬在化學理論與實驗教學中的應用[J].大學化學，2016， 31（10）：23-28.

[5] 張象涵，趙娜，王博，等.科研和計算機模擬協同促進光譜教學的改革與實踐[J].教育教學論壇，2016（34）：84-85.