分子可視化技術(shù)在生物化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

范三紅 張斌 白娟 韓兆雪 肖亮 張大鵬 潘君風(fēng)

摘要 介紹了目前主要的分子可視化插件及技術(shù)特征，并以DS Visualizer ActiveX和JSmol為例，探討了如何在PPT和網(wǎng)頁(yè)中嵌入交互式分子可視化模塊。旨在供高校生物化學(xué)和分子生物學(xué)教師參考，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 分子可視化；生物化學(xué)教學(xué)；DS Visualizer ActiveX；JSmol

中圖分類號(hào) S-01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）04-0246-03

Application of Molecular Visualization Technology in Biochemistry Teaching

FAN San-hong，ZHANG Bin，BAI Juan et al （College of Life Sciences，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100）

Abstract This paper introduced the main molecular visualization plug-ins and their technical characteristics，and used DS Visualizer ActiveX and JSmol as examples to explore how to embed the interactive molecular visualization module in PPTs and Web pages.The purpose is to provide a new method to biochemistry and molecular biology teachers in colleges and universities in order to ignite the students′ learning enthusiasm and improve teaching quality.

Key words Molecular visualization；Biochemistry teaching；DS Visualizer ActiveX；JSmol

生物化學(xué)是高等農(nóng)林院校園藝、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、植物保護(hù)、資源與環(huán)境、動(dòng)物醫(yī)學(xué)、動(dòng)物科學(xué)、食品等大生物類專業(yè)的基礎(chǔ)課，也是生物技術(shù)、生物科學(xué)與生物工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。生物化學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)共同呈現(xiàn)了生命現(xiàn)象運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)控的微觀機(jī)制，對(duì)相關(guān)專業(yè)學(xué)生形成并掌握現(xiàn)代生物學(xué)知識(shí)體系具有重要意義。因而，如何深化生物化學(xué)課程改革、提高教學(xué)質(zhì)量一直是農(nóng)林高校生物類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

生物化學(xué)教學(xué)內(nèi)容主要包含3個(gè)部分：生物分子的結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量代謝、以中心法則為核心的信息傳遞與轉(zhuǎn)換。無(wú)論哪一部分，歸結(jié)到本質(zhì)都是分子的結(jié)構(gòu)與功能問(wèn)題，都是通過(guò)大分子與小分子、大分子與大分子之間的互作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如氧氣在血液中的運(yùn)輸是通過(guò)氧與血紅蛋白的分子互作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，血紅蛋白在肺部與氧結(jié)合而在缺氧組織中將氧釋放的特征取決于每個(gè)亞基獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及4個(gè)亞基之間的協(xié)同；TCA循環(huán)本質(zhì)是一系列的酶催化反應(yīng)，酶催化的過(guò)程是通過(guò)酶與小分子底物之間的互作完成的；乳糖操縱子的調(diào)控可看作阻遏蛋白及RNA聚合酶與DNA的相互作用，這種相互作用決定了乳糖代謝相關(guān)基因是否開啟。微觀的分子變化和互作是一個(gè)非常抽象的過(guò)程，這種抽象性是影響生物化學(xué)教學(xué)的重要障礙，而在課件和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源中整合分子可視化插件，將微觀抽象的分子結(jié)構(gòu)和互作過(guò)程形象化、交互化地呈現(xiàn)在學(xué)生面前將極大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。如何利用各種分子可視化技術(shù)將微觀結(jié)構(gòu)和過(guò)程形象化，是生物化學(xué)課程教學(xué)改革的重要方向。筆者將主要探討如何利用分子可視化技術(shù)將微觀分子及過(guò)程可視化，以提高生物化學(xué)教學(xué)效果。

1 分子結(jié)構(gòu)可視化呈現(xiàn)的3種方式

目前，將微觀結(jié)構(gòu)與分子互作過(guò)程可視化的形式主要有3種：視頻、FLASH動(dòng)畫及分子可視化插件在PPT及網(wǎng)頁(yè)中的嵌入。

分子動(dòng)態(tài)視頻的制作需要專業(yè)的視頻開發(fā)人員和專業(yè)的教學(xué)人員相互配合，教學(xué)人員提供思路和腳本，專業(yè)計(jì)算機(jī)圖形設(shè)計(jì)開發(fā)人員根據(jù)腳本開發(fā)對(duì)應(yīng)視頻。通過(guò)上述方法開發(fā)的視頻通常效果很好，缺點(diǎn)在于交互性較差。Biochemistry 第4版的配套光盤中的視頻片段就是通過(guò)上述方法開發(fā)而來(lái)。

FLASH動(dòng)畫是近幾年流行的教學(xué)資源制作模式，通過(guò)這種方式可以形象地呈現(xiàn)分子的動(dòng)態(tài)變化和互作過(guò)程。FLASH的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)明扼要、重點(diǎn)突出、交互性強(qiáng)，缺點(diǎn)是對(duì)分子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)過(guò)于簡(jiǎn)化，與真實(shí)結(jié)構(gòu)具有較大差異。優(yōu)秀的FLASH動(dòng)畫同樣需要專業(yè)開發(fā)人員與專業(yè)教師配合，是各方面人員協(xié)作攻關(guān)的結(jié)果。

將分子可視化插件整合入PPT和網(wǎng)頁(yè)是該研究主要介紹的方法。該方法以真實(shí)的分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，呈現(xiàn)大分子空間結(jié)構(gòu)及其與其他大分子和小分子的互作模式。該方法的特點(diǎn)在于分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完全基于真實(shí)的數(shù)據(jù)，是真實(shí)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，使得學(xué)生更直觀地觀測(cè)理解生物分子結(jié)構(gòu)，理解生物分子互作模式。不足之處在于，雖然目前結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中有大量結(jié)構(gòu)信息，但結(jié)構(gòu)信息大多是靜態(tài)信息，如何將這些靜態(tài)結(jié)構(gòu)加以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，利用已有的結(jié)構(gòu)信息揭示分子動(dòng)態(tài)互作模式，需要教學(xué)人員進(jìn)行精細(xì)挑選和精巧構(gòu)思。

2 目前流行的分子可視化插件

將交互式分子可視化模塊嵌入到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源或課件依賴于專業(yè)的分子可視化插件。早期用于分子可視化的軟件有Rasmol和Pymol等，在教學(xué)過(guò)程中直接用這些軟件打開結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行講解。后來(lái)MDL公司在Rasmol基礎(chǔ)上開發(fā)出免費(fèi)的瀏覽器插件Chime[1]。Chime在早期的生物化學(xué)和分子生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)交互教學(xué)資源開發(fā)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，如《基因的分子生物學(xué)》第5版[2]的配套光盤中就采用了Chime瀏覽器插件。隨著時(shí)間推移和JAVA、JAVA applet的流行，Chime逐步被免費(fèi)開源軟件Jmol[3-4]所代替，生物化學(xué)相關(guān)教學(xué)輔助內(nèi)容開始使用Jmol開發(fā)，如《生物化學(xué)原理》第6版[5]的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源部分。近年來(lái)，隨著JavaScript、WebGL、HTML5等技術(shù)在瀏覽器端的應(yīng)用，開發(fā)者有逐步放棄JAVA applet的趨勢(shì)。目前開發(fā)的瀏覽器端的分子可視化插件基本上都是基于JavaScript和WebGL，比如NCBI開發(fā)的iCN3D及大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)RCSB采用的NGL[6]。當(dāng)然，這些可視化插件不只是為了教學(xué)而開發(fā)，最重要的目標(biāo)是開發(fā)出適用于所有主流瀏覽器的分子可視化插件，讓研究者、學(xué)習(xí)者便利、個(gè)性化地展示分子結(jié)構(gòu)、分子互作機(jī)制。

目前各種瀏覽器插件仍然在不斷演化中，最終哪種會(huì)成為主流仍未可知[7]（表1）。在PPT中嵌入分子可視化插件是將該類技術(shù)引入生物化學(xué)課堂教學(xué)的關(guān)鍵。目前2種主要的插件DS Visualizer ActiveX和AxPyMOL分別由BIOVIA和Schrdinger公司開發(fā)，2個(gè)公司均為商業(yè)公司，上述軟件為它們整個(gè)分子結(jié)構(gòu)分析軟件的部分模塊。2個(gè)插件均基于ActiveX技術(shù)，可以便利地在PPT中整合分子結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)。2個(gè)插件系統(tǒng)也面臨著要適應(yīng)不同Office版本及不同操作系統(tǒng)的問(wèn)題。

3 在課件中嵌入分子可視化插件

大分子結(jié)構(gòu)與功能是靜態(tài)生物化學(xué)部分的核心，利用分子可視化插件可直觀地將分子結(jié)構(gòu)、活性中心等呈現(xiàn)在學(xué)生面前，加速學(xué)習(xí)過(guò)程。下面以DS Visualizer ActiveX 4.1插件為例展示如何呈現(xiàn)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)。首先下載安裝DS Visualizer ActiveX（http：//accelrys.com/products/collaborative-science/biovia-discovery-studio/visualization-download.php），依據(jù)安裝向?qū)В惭b完成后在安裝目錄下可打開PPT和網(wǎng)頁(yè)嵌入實(shí)例。進(jìn)入PowerPoint后，首先啟動(dòng)ActiveX，再進(jìn)入PowerPoint選項(xiàng)、自定義頁(yè)面，設(shè)置顯示“其他控件”圖標(biāo)。在工具欄面板中點(diǎn)擊“其他控件”圖標(biāo)，選擇Accelrys DS ActiveX Control Class控件，在PPT頁(yè)面選擇區(qū)域插件顯示區(qū)域。當(dāng)顯示區(qū)域設(shè)置好后，可以編寫VB腳本控制分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)模式。編寫腳本前首先構(gòu)思如何呈現(xiàn)需要展現(xiàn)過(guò)程，然后根據(jù)構(gòu)思編寫腳本實(shí)現(xiàn)。比如講解蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中的α-螺旋，可按照?qǐng)D1所示的流程進(jìn)行呈現(xiàn)。首先在PPT中插入分子可視化區(qū)域，在旁側(cè)放置了一列按鈕用于控制呈現(xiàn)區(qū)的內(nèi)容和效果，然后編寫每一個(gè)按鈕點(diǎn)擊后執(zhí)行的VB代碼。使用上述策略，可將蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)以不同視角、不同模式直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，并突出氫鍵在α-螺旋結(jié)構(gòu)形成中的重要性。

4 在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源中集成分子結(jié)構(gòu)探索模塊

建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的主要目標(biāo)是鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容和拓展學(xué)生視野。將分子結(jié)構(gòu)模塊探索模塊整合入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源將強(qiáng)化學(xué)生對(duì)生物分子結(jié)構(gòu)與功能的理解，增加學(xué)生探索微觀生命運(yùn)動(dòng)機(jī)制的興趣。與課堂教學(xué)過(guò)程相比，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源中的分子結(jié)構(gòu)探索模塊需要更強(qiáng)的互動(dòng)性，讓沒有基礎(chǔ)的學(xué)生更容易理解和入門。最早的生物化學(xué)教學(xué)資源中主要使用Chime插件，近年來(lái)主要采用的是Jmol和JSmol[8-10]，但這種情況最近有所改變，最主要原因是移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備對(duì)JAVA在瀏覽器中的嵌入支持不夠，開發(fā)者正在將相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)換到以JS、WebGL和HTML5。由于目前的相關(guān)教學(xué)資源仍以Jmol和JSmol為主，因而該研究仍以JSmol為主介紹分子探索模塊在網(wǎng)頁(yè)中的集成。圖2是整合分子可視化模塊探索DNA分子結(jié)構(gòu)的網(wǎng)頁(yè)（http：//biomodel.uah.es/en/model3/adn.htm），圖的左側(cè)為顯示分子的JmolPane，右側(cè)為解釋文本，其中包含了3個(gè)交互按鈕和2個(gè)交互復(fù)選框，點(diǎn)擊按鈕或復(fù)選框時(shí)會(huì)觸發(fā)JS腳本，控制JmolPane區(qū)按照指令顯示分子結(jié)構(gòu)。Reload按鈕控制分子的重新裝載，Orientate按鈕控制分子旋轉(zhuǎn)到頂視，X按鈕啟動(dòng)分子的卡通模式呈現(xiàn)；第1個(gè)復(fù)選框控制是否顯示氫鍵，第2個(gè)復(fù)選框則控制是否顯示磷酸戊糖骨架。實(shí)現(xiàn)上述交互的核心是在網(wǎng)頁(yè)中嵌入JmolPane，并編寫對(duì)應(yīng)的JS腳本控制JmolPane。

5 結(jié)論與討論

生物化學(xué)是從分子角度理解和解釋生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)學(xué)科，其對(duì)現(xiàn)代生物類專業(yè)大學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)建立的重要性無(wú)需贅述。該研究探討了如何將分子可視化插件整合入PPT和網(wǎng)頁(yè)，以提高教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?？梢源_定上述技術(shù)的運(yùn)用必然能提高學(xué)生對(duì)抽象的分子結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識(shí)，但運(yùn)用上述技術(shù)還面臨一些難點(diǎn)。首先，制作優(yōu)秀的基于分子可視化插件的教學(xué)資源需要有一定的編程基礎(chǔ)，只有這樣才能靈活地對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，以展現(xiàn)想要展現(xiàn)的角度和內(nèi)容。其次，雖然目前有大量的分子結(jié)構(gòu)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)都有自己的特點(diǎn)，需要從中挑選出代表性的結(jié)構(gòu)，精細(xì)構(gòu)思出呈現(xiàn)腳本，這樣才能更好地幫助學(xué)生掌握和理解微觀分子互作運(yùn)動(dòng)規(guī)律。另外，分子可視化插件技術(shù)，特別是基于網(wǎng)頁(yè)的插件技術(shù)仍然在不斷演進(jìn)，原有的插件技術(shù)可能因?yàn)闉g覽器端技術(shù)的演化逐步被淘汰。無(wú)論怎樣，利用分子可視化插件技術(shù)可提高生物化學(xué)教學(xué)質(zhì)量是不爭(zhēng)的事實(shí)，這種技術(shù)已被國(guó)外一些高校及重要生化教材所采用。筆者希望該研究能起到拋磚引玉的作用，使得分子可視化技術(shù)能被更多生物化學(xué)教師采用，以提高我國(guó)高校生物化學(xué)課程的教學(xué)水平。

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