有機化學教學中三維動畫案例的制作和應用

蔡 東，胡樹煜

錦州醫科大學公共基礎學院，遼寧 錦州 121001

《有機化學》作為高等醫藥院校學生的必修課程，其教學質量直接影響后續其他基礎課和專業課學習效果，如生物化學、藥理學、藥物化學，天然藥物化學、藥物設計學等。隨著高等教育改革的不斷深化，各高校都面臨有機化學課程的學時數不斷縮減，而教學內容又在不斷增加和更新的問題，這給教師和學生的教與學都帶來了巨大的沖擊。傳統的“滿堂灌”的教學方式已難以滿足新時期的教學需求。在目前“互聯網+ ”時代，各高校教師都在積極探索如何應用新的教學方法和手段提高有機化學的教學質量和教學效果。

錦州醫科大學有機化學教研室教師利用計算機輔助教學(computer aided instruction，CAI)手段[1-4]，在有機化學課件中穿插精心制作的三維動畫教學案例，課堂氣氛較以前明顯活躍，取得了良好的教學效果。現將三維動畫教學案例的制作和使用情況做如下介紹。

1 教學案例的使用

陸濤主編的《有機化學》(第八版)[5]第十七章(氨基酸、多肽、蛋白質和核酸)的內容雜、難點多、抽象難懂，學習難度大。但是這一章內容對其后續其他課程的學習極為重要，是生物化學課程的基礎，貫穿整個生物化學課程，也是藥物化學和藥理學有關化學結構和藥理活性內容的基礎。而在學習過程中，學生多數不能建立空間結構與性質之間聯系的基本框架，陷入放棄或死記內容的困境。

在第一節氨基酸學習結束后，多數學生對氨基酸有了初步的了解，但感覺乏味，此時再填鴨式講授第二節多肽和蛋白質的內容，學生會有“強弩之末，勢不能穿魯縞”的感覺。若導入優選的CAI教學案例(如三維動畫案例)，可以激發學生的學習興趣。

表皮生長因子受體(EGFR)是一個與細胞分裂增殖有關的跨膜糖蛋白。吉非替尼(又名易瑞沙)進入細胞內，通過和跨膜糖蛋白的ATP(腺嘌呤核苷三磷酸，簡稱三磷酸腺苷)結合位點結合，相互鍵合生成可逆的復合物。從圖1a中的ATP結構中，讓學生體會許多雜環化合物在動植物體內即使濃度極低，也可以起到重要的生理作用。吉非替尼模擬ATP的結構特征，競爭性地與EGFR生成可逆的復合物，從而起到治療腫瘤的效果。在圖1b中，學生可以從一個360°旋轉GIF格式的三維動畫中，直觀感受蛋白質等生物大分子的結構層次和特點，以及藥物小分子如何和生物大分子結合。

圖1 EGFR和吉非替尼的結合

采用EGFR抑制劑(如吉非替尼)治療的患者在10個月后，大部分會出現耐藥情況。研究發現，約50%的患者存在此跨膜糖蛋白上一個編號為T790氨基酸殘基的突變，這是導致耐藥性主要的機制[6-8]。

為什么一個氨基酸的突變會導致一個藥物的藥效降低，或產生耐藥性呢？在一個360°旋轉的三維動畫中，若是原本處于結合位點處重要的的蘇氨酸(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的結合位點形成新的空間位阻，導致吉非替尼藥物不能在ATP位置結合，也就不能阻斷EGFR信號傳遞，從而降低了對腫瘤細胞的抑制作用。一個小小的氨基酸殘基發生突變，就可以導致藥物產生耐藥性，使學生潛移默化地認識到氨基酸知識點的重要性，從而激發學生的好奇心和求知欲望。

2 教學案例的制作

登錄大分子結構數據庫PDB(protein data bank，http://www.rcsb.org/pdb/)，免費下載野生型EGFR激酶的結構域與吉非替尼晶體結構(2ity.pdb)。然后打開免費版的三維分子模型PyMOL軟件，再點擊打開File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，就可以看到打開的EGFR激酶和吉非替尼晶體結構的三維分子模型。在右上角2ity 1/1行，點擊A/present/publication(with solvent)顯示EGFR激酶和吉非替尼的相互作用，再點擊A/present/ligand sites/cartoon，將激酶轉化為cartoon顯示。另外，可以在在PyMOL Viewer界面中，點擊右下角S按鈕，開啟上方的 sequ-ence 顯示列，選中IRE(易瑞沙)，會在右上角2ity 1/1行下方新出現一個(sele)行，吉非替尼分子在整個晶體結構中顯現不清楚，可以在(sele)行，點擊C/Reds/red，將分子轉化紅色。點擊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調整球棍二者之間的比例，步驟如下：

在(sele)行，點擊A/modify/around/residues with-in 4A，然后再點擊S/surface為小分子吉非替尼的結合位點處制作局部表面。界面背景一般在做PPT動畫時，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

備注好上述晶體結構，就可以制作三維動畫，使用PyMOL命令行，分別輸入下列命令：

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

接下來，要使用到兩款簡單易用的免費軟件Xn-Convert和UnFREEz，前者是批量圖像格式轉換工具的軟件，后者是從這些圖像創建單個動畫GIF的免費軟件。將XnConvert安裝打開后，點擊“添加文件夾”，選中包含所有圖片的文件夾，然后點擊“轉換”，將所有圖片轉化成GIF格式；再將所有GIF格式圖片選中后另存為一個新的文件夾，在文件夾中按類型排列；直接打開UnFREEz軟件，全選文件夾中文件后，拖入UnFREEz空白處，點擊Make Anmated GIF按鈕即可得到一個GIF文件。

同樣方式再次打開PyMOL軟件，點擊打開File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，點擊右下角S按鈕，在sequence 顯示列，選中IRE(易瑞沙)，會在右上角2ity 1/1行下方新出現一個(sele)行；在(sele)行，點擊A/modify/around/residues within 4A，再點擊(sele)行H/unselected。在sequence 顯示列選中T790，右鍵label/residues，標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格式三維動畫。

同樣方式再次打開PyMOL軟件，點擊打開File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，點擊右下角S按鈕，在sequence 顯示列，選中IRE(易瑞沙)，會在右上角2ity 1/1行下方新出現一個(sele)行，在(se-le)行，點擊A/modify/around/residues within 4A，再點擊(sele)行H/unselected。在sequence顯示列出現后，使用The PyMOL Molecular Graphics System界面工具欄中Wizard/Mutagenesis，選中T790，在PyMOL Vi-ewer界面右側列表中，點擊no mutate，從下拉菜單中選中替換的氨基酸殘基，點擊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格式三維動畫。

GIF格式三維動畫可以粘貼到PPT中直接播放，不需另外播放軟件，使用方便且操作簡單。

3 結論

三維動畫教學案例能精準地展示教學內容，有助于學生理解抽象性的知識點，受到學生的普遍歡迎。三維動畫教學案例需要教師在合適的章節、知識點后引入，再輔以生動的講解，才能取得良好的教學效果。需要教師在備課過程中，不但要做到對書本中知識點的精準掌握，還要利用學科交叉的特點適宜地引入書本中沒有的新案例，結合專業特點，充實課堂教學等環節。