计算机模拟技术在蛋白质课程教学中的研究与实践

张帅 韦寿莲 董基 程昊

摘 要：将计算机模拟技术运用于蛋白质课程教学中，使课程更加生动易懂，从而让学生更加牢固的掌握好蛋白质相关内容知识。文章分别从制定新型教学多媒体课件、制作各类模拟工具的使用教程、指导学生独立完成模拟作业，以及邀请专家进行指导和交流四个方面，阐述了计算机模拟技术在蛋白质课程教学中的研究和实践。

关键词：计算机模拟 蛋白质课程教学 研究 实践

中图分类号：R34 文献标识码：A 文章编号：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

蛋白質是生命的物质基础，是当前国内外研究的重点和热点[1]。因此，生物化学、食品化学及酶学等基础课和重要专业课中，都将蛋白质相关章节作为教学的核心和重点[2]，同时相关课程也大多开设了蛋白质相关的实验教学内容。因此，如何更好地开展蛋白质教学工作，让学生切实掌握好这一重要内容，对于提高学生学习效率、增强学生学习重点难点知识的信心、调动学生加强自学的积极性以及启发学生对各门课程的融会贯通都具有重要意义。

计算机模拟就是利用计算机技术来模仿真实事物。运用于生物学领域，往往是通过模仿生物分子构建虚拟模型，并运用一些算法（Algorithm）来研究一些生物过程[3]。由于生物大分子蛋白质分子组成和结构的复杂性，使得蛋白质三维结构、蛋白质与小分子的相互作用以及酶蛋白催化机理等方面的研究成为生化领域研究的难点。将计算机模拟技术运用于蛋白质领域，为蛋白质的研究开辟了一条非常有效的途径，近十年来取得了较快发展，蛋白质的计算机模拟技术研究成为国内外研究的重点和热点[4-5]。

由于蛋白质结构的复杂性和蛋白质功能性质的抽象性，使得这部分内容教师不易教学，学生也难以理解。基于此，我们将计算机模拟技术应用于蛋白质课程教学中，通过生动逼真的模拟蛋白质复杂的空间结构及与小分子的作用机制等内容，从而激发学生的思考和兴趣，调动学生的学习积极性和主动性，因而能够大大提高教学效果和促进学生对知识的掌握。

1 制定新型教学多媒体课件

结合授课教材中的相关专业理论，认真制定基于计算机模拟技术运用于蛋白质内容的新型教学多媒体课件，并形成一套详细、完整的教学计划。计算机模拟技术在蛋白质研究领域的应用，主要包括蛋白质分子组成和结构的模拟、蛋白质与小分子物质的结合、酶蛋白与配体的对接以及作用于靶蛋白的小分子药物的筛选等方面。针对这些内容制定出新型多媒体课件，课件按上述应用可以分为四大模块，对于每一个模块的每一个知识点，先阐述具体的概念、原理和方法，然后描述该知识点用计算机模拟运行时的具体的操作步骤，最后用教学视频进行详细演示，努力让每个学生都能听得懂、学得会，把每一个知识点都真正掌握好。

2 制作各类模拟工具的使用教程

在计算机模拟过程中，需要用到很多程序和软件，不同的程序和软件具有不同的功能和应用。如利用Modeller、Gaussian及PyMol等建模软件和分子可视化软件可以构建和展示蛋白质的氨基酸组成及平面和空间结构，利用AutoDock Vina、I-TASSER、QUACK等软件和服务器程序可以计算和演示蛋白质与小分子的作用过程及酶蛋白对底物配体的催化机理等生物过程。对于这些常用的、经典的模拟工具，编写好详细的、可操作性强的使用教程发给学生练习和使用，同时教师结合授课教案在课堂上予以讲授。

3 指导学生独立完成模拟作业

进行这项教学研究的最终目的是让学生能够自己运用计算机模拟技术独立去完成相关作业，以巩固学生对相关专业知识点的掌握。在我们设计的相关作业中，要求学生能够根据教师的指导，利用PyMol软件独立练习完成牛血清蛋白（BSA）三级结构的计算机模拟，并找出该蛋白质的催化中心，从而更好的理解蛋白质空间结构及催化中心这些重要概念。进而，利用AutoDock Vina程序进行BSA分别和没食子酸、儿茶素、白藜芦醇等小分子配体的分子对接工作，同时利用LigPlot+软件找出BSA三级结构中与这些化学小分子相结合的氨基酸残基，这对于学生深刻理解蛋白质结合位点、蛋白质与底物的作用过程非常有帮助。完成这项作业后，可以适当寻找空间结构更加复杂的蛋白质让学生进行模拟练习。

4 邀请专家进行指导和交流

邀请计算机模拟技术领域的学者专家与项目组成员以及学生们进行交流和课堂教学评价，通过专家报告、会议交流等方式，让教师和学生更全面地了解该领域的新技术、新方法、新思维以及前沿研究热点，同时参考专家的建议，找出自身教学授课方面的不足，加以改善，使这一教学模式日臻完善。

总之，在本科教学过程中，将计算机模拟技术运用于专业课程中蛋白质相关内容的教学和实践，对于学生充分理解蛋白质的复杂特性和探索蛋白质的生物学机理不仅可起到事半功倍的效果，而且这种分子模拟技术所构建的仿真的静态图形和动态途径可以让学生记忆深刻且能举一反三，对于培养学生的创造性思维和创新性理念具有重大意义！

参考文献

[1] 张帅，曹庸，梁晓莹，等.黑曲霉N5-5单宁酶的纯化及酶学性质测定[J].食品科学，2017，38（6）：142-146.

[2] 张新梅，韩江，漫陈鹏，等.《蛋白质纯化综合大实验》的教学体系改革[J].时代教育，2017（7）：48-49.

[3] 刘军，沈建祥，曹达鹏，等.计算机模拟研究聚合物纳米复合材料的分散与界面[J].高分子学报，2016（8）：1048-1061.

[4] 康明亮，韩东梅，GEWIRTZ Océan.计算机模拟在化学理论与实验教学中的应用[J].大学化学，2016， 31（10）：23-28.

[5] 张象涵，赵娜，王博，等.科研和计算机模拟协同促进光谱教学的改革与实践[J].教育教学论坛，2016（34）：84-85.