蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫PDB在基礎(chǔ)生物化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

張斌 黃偉偉

摘 要：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能是基礎(chǔ)生物化學(xué)課程教學(xué)中的重點和難點，對生物化學(xué)課程知識體系的構(gòu)建起至關(guān)重要的作用。蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)抽象，功能復(fù)雜，文章將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中豐富的立體結(jié)構(gòu)資源引入課程教學(xué)，對于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果起積極作用。

關(guān)鍵詞：生物化學(xué)；蛋白質(zhì)；PDB

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）01-0071-03

Abstract： The structure and function of protein are the key and difficult points in the teaching of Basal Biochemistry， which plays an important role in the construction of biochemical knowledge system. The structure of protein molecular is abstract and the function is complex. This paper introduces abundant three-dimensional structural resources in the protein structure database into teaching practice， which plays an active role in enhancing students' learning interest and teaching effect.

Keywords： biochemistry； protein； PDB

基礎(chǔ)生物化學(xué)課程是農(nóng)林院校農(nóng)學(xué)類本科專業(yè)的一門必修課程，其課程的教學(xué)內(nèi)容繁雜、抽象，對于教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”都是很大的挑戰(zhàn)。在基礎(chǔ)生物化學(xué)課程的教學(xué)大綱中，靜態(tài)生物化學(xué)部分的內(nèi)容主要包括蛋白質(zhì)、核酸、糖、脂等生物分子的基本結(jié)構(gòu)和功能，是整個課程知識體系的基礎(chǔ)。在靜態(tài)生化的內(nèi)容中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容占有非常重要的地位，對于學(xué)生理解蛋白質(zhì)分子的功能，包括進(jìn)一步掌握酶的催化機(jī)制和活性調(diào)控、理解動態(tài)代謝過程中的生化反應(yīng)起到促進(jìn)作用。因此，加強(qiáng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的教學(xué)有著重要的意義，并為學(xué)生未來相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

學(xué)生在生物化學(xué)課程中初次接觸到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念時，往往對于抽象的空間結(jié)構(gòu)的把握比較欠缺，對于蛋白質(zhì)的一級、二級、三級、四級結(jié)構(gòu)的特征缺乏足夠的理解。從而導(dǎo)致了對動態(tài)生物化學(xué)中代謝途徑掌握起來比較吃力，比如在胰凝乳蛋白酶的催化機(jī)制、酶的活性調(diào)節(jié)等章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)得尤為突出。究其根源，主要是由于學(xué)生對蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)與高級功能之間相互聯(lián)系的理解不夠；同時，教材中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展示缺乏立體感、相對單一，存在不足。因此，在針對本科階段的基礎(chǔ)生物化學(xué)課程的教學(xué)實踐中，將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中豐富的資源與課程教學(xué)相結(jié)合，將數(shù)據(jù)庫中的蛋白質(zhì)的一級、二級、三級、四級結(jié)構(gòu)的信息直觀地展示給學(xué)生，通過對蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維觀察，對于教學(xué)質(zhì)量的提升將起到積極的作用。

一、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank）簡介

蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank，http：//www.rcsb.org/）簡稱PDB，是由Brookhaven National Laboratories（BNL）在1971年建立的，在1998年轉(zhuǎn)由結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)聯(lián)合實驗室（Research Collaboratory for Structural Bioinformatics（RCSB））運行管理[1]。PDB數(shù)據(jù)庫中主要包括蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的3D結(jié)構(gòu)信息，截止到2017年7月，數(shù)據(jù)庫中累積了132055種生物大分子的結(jié)構(gòu)信息。這些立體結(jié)構(gòu)信息主要由X-射線晶體衍射、核磁共振（NMR）、冷凍電鏡等技術(shù)建立，在生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等相關(guān)研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2，3]。

PDB數(shù)據(jù)庫中生物分子的結(jié)構(gòu)信息（PDB Entry）主要由以下7個部分構(gòu)成，包括結(jié)構(gòu)摘要（Structure Summary）、3D瀏覽（3D View）、注釋（Annotations）、序列（Sequence）、序列相似性（Sequence Similarity）、結(jié)構(gòu)相似性（Structure Similarity）、實驗信息（Experiment）。在基礎(chǔ)生物化學(xué)課程教學(xué)中，主要利用的是蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)摘要部分的信息。以下簡要介紹結(jié)構(gòu)摘要部分的主要內(nèi)容，第一部分是蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)（立體結(jié)構(gòu)可以在線預(yù)覽，并可保存至本地運行）；第二部份包括分子的摘要信息（分子的名稱、分類、提交日期、樣品來源、引用文獻(xiàn)等）；第三部分主要是分子的結(jié)構(gòu)信息，主要包括對蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)域的注釋等，另外在實驗數(shù)據(jù)部分還包括晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、配體分子、提交歷史等信息。PDB結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息注釋全面、明晰，以下文章中下載使用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息采用PDB數(shù)據(jù)格式（PDB Format）。

二、蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)信息在生物化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

在基礎(chǔ)生物化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能部分的教學(xué)是重中之重，而蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)又是此部分的教學(xué)重點和難點。將蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的具有特殊功能的、并有精確三維立體結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子引入到生化課堂，有助于提高學(xué)生對知識的理解和把握。

（一）蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

PDB數(shù)據(jù)庫提供方便的在線瀏覽模式，進(jìn)一步為了教學(xué)的需要，也可以將目標(biāo)蛋白質(zhì)分子的三維數(shù)據(jù)下載到本地，并利用分子可視化軟件RasMol離線瀏覽。RasMol軟件可以在http：//www.rasmol.org網(wǎng)站下載并安裝。

以人的脫氧血紅蛋白（PDB ID：1A3N）為例[4]，首先下載人血紅蛋白1A3N四個亞基的氨基酸序列（FASTA Sequence），學(xué)生可以對血紅蛋白多肽鏈的序列信息建立直觀的認(rèn)識。同時下載脫氧血紅蛋白（PDB ID：1A3N）的三維結(jié)構(gòu)文件（PDB Format），保存至本地后，用RasMol軟件打開后瀏覽，學(xué)生可以對分子的整體結(jié)構(gòu)和血紅素輔基的結(jié)合有更為直觀的認(rèn)識，幫助其理解。教師可以在課堂上對血紅蛋白進(jìn)行立體展示，并將蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)信息與課件整合，進(jìn)一步促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

（二）蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能教學(xué)中的運用

1. 深入理解蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，為掌握蛋白質(zhì)功能奠定基礎(chǔ)

蛋白質(zhì)作為自然界中功能最為豐富多樣的生物大分子，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)起著決定性的作用。在本章的教學(xué)過程中，首先介紹蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)的概念，通過在PDB數(shù)據(jù)庫中得到的不同種類和功能的蛋白質(zhì)，將其一級結(jié)構(gòu)的氨基酸序列直觀地展示給學(xué)生，能很好地促進(jìn)其對抽象知識的理解。在了解蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)概念的基礎(chǔ)上，利用PDB數(shù)據(jù)庫中的蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)信息，把具體的氨基酸殘基序列與四種蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。比如血紅蛋白（PDB ID：1A3N）主要由螺旋結(jié)構(gòu)組成，其β鏈中的氨基酸殘基6-16、21-35、52-57、59-75、102-119及125-143序列為α-螺旋，其余部分主要形成無規(guī)卷曲。在實際的教學(xué)過程中，可以直接將這些殘基序列單獨列出，帶領(lǐng)學(xué)生一起在三維結(jié)構(gòu)中找出相對應(yīng)的信息，并對照教材中的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對照講解，對于學(xué)生理解抽象的二級結(jié)構(gòu)概念有重要的意義。另外，還可以在PDB數(shù)據(jù)庫中下載一些結(jié)構(gòu)更為簡單明了的二級結(jié)構(gòu)組成的蛋白質(zhì)，比如主要由α-螺旋組成的角蛋白（PDB ID：3TNU）[5]，還有主要由β-折疊（片層）組成的蠶絲絲素蛋白（PDB ID：3UA0）[6]等，將這些蛋白質(zhì)特殊的功能、性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，提升學(xué)習(xí)興趣，輔助教學(xué)工作。

在明確了整條多肽鏈的所有局部的二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，自然而然地引申出三級結(jié)構(gòu)的概念。在三級結(jié)構(gòu)的講解中，可以進(jìn)一步下載更多具有完整三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，比如人肌紅蛋白（PDB ID：3ODQ）[7]，與教材中的例子相補充。通過對分子的三維結(jié)構(gòu)的立體操作，對分子的表面結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行直觀地觀察，帶領(lǐng)學(xué)生觀察分子三級結(jié)構(gòu)中的二級結(jié)構(gòu)組成單元，并深入到分子內(nèi)部，了解基團(tuán)之間的互作關(guān)系。將抽象的分子結(jié)構(gòu)具象化，促進(jìn)學(xué)生完整地認(rèn)識蛋白質(zhì)多肽鏈的三級結(jié)構(gòu)特征，并在此基礎(chǔ)上引入由多條多肽鏈組成的蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)，為下一步了解蛋白質(zhì)的功能奠定基礎(chǔ)。

2. 理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，感受微觀領(lǐng)域中的生命之美

蛋白質(zhì)的多樣的功能是由其精細(xì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定的，形成立體結(jié)構(gòu)的多肽鏈中氨基酸殘基的動態(tài)變化，對蛋白質(zhì)功能的形成有重要的意義。因此，以蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)信息為基礎(chǔ)，對其與配體結(jié)合前后的氨基酸殘基中基團(tuán)的微觀改變進(jìn)行講解，對于學(xué)生真正掌握蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系至關(guān)重要。比如血紅蛋白與氧結(jié)合前后的氨基酸殘基空間位置的改變，轉(zhuǎn)錄因子與DNA分子結(jié)合后發(fā)生的結(jié)構(gòu)改變等?？梢岳醚t蛋白與分子氧結(jié)合的立體結(jié)構(gòu)（PDB ID：3AQ5）[8]，引導(dǎo)同學(xué)將其與脫氧血紅蛋白（PDB ID：1A3N）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比學(xué)習(xí)，理解蛋白質(zhì)功能和結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系；另外抑癌蛋白p53的轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)，可以下載到p53的DNA結(jié)合狀態(tài)（PDB ID：1TSR）[9]，幫助學(xué)生理解轉(zhuǎn)錄因子與DNA分子的互作及對下游靶基因的調(diào)控作用。教師可以在PDB數(shù)據(jù)庫中找到更多的例子，讓學(xué)生從更高的層次理解生物分子的功能及在生命活動中扮演的角色，感受微觀領(lǐng)域中的分子之美，理解生命，敬佩生命。

三、結(jié)束語

本文主要對PDB數(shù)據(jù)庫在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能章節(jié)教學(xué)中的運用進(jìn)行了介紹。除此之外，PDB數(shù)據(jù)庫中還包括大量蛋白質(zhì)、核酸分子的結(jié)構(gòu)信息，對于生物化學(xué)理論教學(xué)有重要的價值。比如酶學(xué)章節(jié)中酶分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，特別是學(xué)生比較難理解的酶的催化機(jī)制、酶的調(diào)控等課程內(nèi)容；還有新陳代謝反應(yīng)中關(guān)鍵酶的調(diào)控機(jī)制等，教師都可以在PDB數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)的三維立體結(jié)構(gòu)，輔助課程的教學(xué)工作。

蛋白質(zhì)分子的功能豐富多樣，是生命活動的重要參與者，是揭示生命現(xiàn)象奧秘的重要基石。蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)研究是生命科學(xué)領(lǐng)域中的熱點，不同種類、不同功能的分子的結(jié)構(gòu)信息正以飛快的速度被不斷更新。將蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的分子結(jié)構(gòu)信息作為生物化學(xué)課程教學(xué)的素材，開拓學(xué)生的視野，提高課程教學(xué)質(zhì)量，對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)將起到積極的作用。

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