有机化学教学中三维动画案例的制作和应用

蔡 东，胡树煜

锦州医科大学公共基础学院，辽宁 锦州 121001

《有机化学》作为高等医药院校学生的必修课程，其教学质量直接影响后续其他基础课和专业课学习效果，如生物化学、药理学、药物化学，天然药物化学、药物设计学等。随着高等教育改革的不断深化，各高校都面临有机化学课程的学时数不断缩减，而教学内容又在不断增加和更新的问题，这给教师和学生的教与学都带来了巨大的冲击。传统的“满堂灌”的教学方式已难以满足新时期的教学需求。在目前“互联网+ ”时代，各高校教师都在积极探索如何应用新的教学方法和手段提高有机化学的教学质量和教学效果。

锦州医科大学有机化学教研室教师利用计算机辅助教学(computer aided instruction，CAI)手段[1-4]，在有机化学课件中穿插精心制作的三维动画教学案例，课堂气氛较以前明显活跃，取得了良好的教学效果。现将三维动画教学案例的制作和使用情况做如下介绍。

1 教学案例的使用

陆涛主编的《有机化学》(第八版)[5]第十七章(氨基酸、多肽、蛋白质和核酸)的内容杂、难点多、抽象难懂，学习难度大。但是这一章内容对其后续其他课程的学习极为重要，是生物化学课程的基础，贯穿整个生物化学课程，也是药物化学和药理学有关化学结构和药理活性内容的基础。而在学习过程中，学生多数不能建立空间结构与性质之间联系的基本框架，陷入放弃或死记内容的困境。

在第一节氨基酸学习结束后，多数学生对氨基酸有了初步的了解，但感觉乏味，此时再填鸭式讲授第二节多肽和蛋白质的内容，学生会有“强弩之末，势不能穿鲁缟”的感觉。若导入优选的CAI教学案例(如三维动画案例)，可以激发学生的学习兴趣。

表皮生长因子受体(EGFR)是一个与细胞分裂增殖有关的跨膜糖蛋白。吉非替尼(又名易瑞沙)进入细胞内，通过和跨膜糖蛋白的ATP(腺嘌呤核苷三磷酸，简称三磷酸腺苷)结合位点结合，相互键合生成可逆的复合物。从图1a中的ATP结构中，让学生体会许多杂环化合物在动植物体内即使浓度极低，也可以起到重要的生理作用。吉非替尼模拟ATP的结构特征，竞争性地与EGFR生成可逆的复合物，从而起到治疗肿瘤的效果。在图1b中，学生可以从一个360°旋转GIF格式的三维动画中，直观感受蛋白质等生物大分子的结构层次和特点，以及药物小分子如何和生物大分子结合。

图1 EGFR和吉非替尼的结合

采用EGFR抑制剂(如吉非替尼)治疗的患者在10个月后，大部分会出现耐药情况。研究发现，约50%的患者存在此跨膜糖蛋白上一个编号为T790氨基酸残基的突变，这是导致耐药性主要的机制[6-8]。

为什么一个氨基酸的突变会导致一个药物的药效降低，或产生耐药性呢？在一个360°旋转的三维动画中，若是原本处于结合位点处重要的的苏氨酸(THR)被蛋氨酸(MET)取代(图1c)，由于蛋氨酸空间体积占位大，取代苏氨酸后在原来的结合位点形成新的空间位阻，导致吉非替尼药物不能在ATP位置结合，也就不能阻断EGFR信号传递，从而降低了对肿瘤细胞的抑制作用。一个小小的氨基酸残基发生突变，就可以导致药物产生耐药性，使学生潜移默化地认识到氨基酸知识点的重要性，从而激发学生的好奇心和求知欲望。

2 教学案例的制作

登录大分子结构数据库PDB(protein data bank，http://www.rcsb.org/pdb/)，免费下载野生型EGFR激酶的结构域与吉非替尼晶体结构(2ity.pdb)。然后打开免费版的三维分子模型PyMOL软件，再点击打开File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，就可以看到打开的EGFR激酶和吉非替尼晶体结构的三维分子模型。在右上角2ity 1/1行，点击A/present/publication(with solvent)显示EGFR激酶和吉非替尼的相互作用，再点击A/present/ligand sites/cartoon，将激酶转化为cartoon显示。另外，可以在在PyMOL Viewer界面中，点击右下角S按钮，开启上方的 sequ-ence 显示列，选中IRE(易瑞沙)，会在右上角2ity 1/1行下方新出现一个(sele)行，吉非替尼分子在整个晶体结构中显现不清楚，可以在(sele)行，点击C/Reds/red，将分子转化红色。点击S/sticks和S/spheres，将吉非替尼分子从Lines模型改换成球棍(spheres-sti-cks)模式，使用The PyMOL Molecular Graphics Sys-tem界面命令行输入命令来调整球棍二者之间的比例，步骤如下：

在(sele)行，点击A/modify/around/residues with-in 4A，然后再点击S/surface为小分子吉非替尼的结合位点处制作局部表面。界面背景一般在做PPT动画时，以黑色为宜，The PyMOL Molecular Graphics Sys-tem界面和PyMOL Viewer界面的截图如图2所示。

图2 使用PyMOL软件的界面

备注好上述晶体结构，就可以制作三维动画，使用PyMOL命令行，分别输入下列命令：

然后使用菜单选项(File>Save Movie As>MP-EG)，将制作三维动画保存为MPEG图片格式，一般自动保存在桌面。最后将所有图片剪切放在一个文件夹中，方便后续处理。

接下来，要使用到两款简单易用的免费软件Xn-Convert和UnFREEz，前者是批量图像格式转换工具的软件，后者是从这些图像创建单个动画GIF的免费软件。将XnConvert安装打开后，点击“添加文件夹”，选中包含所有图片的文件夹，然后点击“转换”，将所有图片转化成GIF格式；再将所有GIF格式图片选中后另存为一个新的文件夹，在文件夹中按类型排列；直接打开UnFREEz软件，全选文件夹中文件后，拖入UnFREEz空白处，点击Make Anmated GIF按钮即可得到一个GIF文件。

同样方式再次打开PyMOL软件，点击打开File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，点击右下角S按钮，在sequence 显示列，选中IRE(易瑞沙)，会在右上角2ity 1/1行下方新出现一个(sele)行；在(sele)行，点击A/modify/around/residues within 4A，再点击(sele)行H/unselected。在sequence 显示列选中T790，右键label/residues，标注重要氨基酸残基的名称。再用前述方式，使用软件XnConvert和UnFREEz制作GIF格式三维动画。

同样方式再次打开PyMOL软件，点击打开File/Open/2ity.pdb。在PyMOL Viewer界面中，点击右下角S按钮，在sequence 显示列，选中IRE(易瑞沙)，会在右上角2ity 1/1行下方新出现一个(sele)行，在(se-le)行，点击A/modify/around/residues within 4A，再点击(sele)行H/unselected。在sequence显示列出现后，使用The PyMOL Molecular Graphics System界面工具栏中Wizard/Mutagenesis，选中T790，在PyMOL Vi-ewer界面右侧列表中，点击no mutate，从下拉菜单中选中替换的氨基酸残基，点击apply即可完成氨基酸残基突变。重新在sequence 显示列选中M790，右键label/residues，标注重要氨基酸残基的名称。再用上述方式，使用软件XnConvert和UnFREEz制作GIF格式三维动画。

GIF格式三维动画可以粘贴到PPT中直接播放，不需另外播放软件，使用方便且操作简单。

3 结论

三维动画教学案例能精准地展示教学内容，有助于学生理解抽象性的知识点，受到学生的普遍欢迎。三维动画教学案例需要教师在合适的章节、知识点后引入，再辅以生动的讲解，才能取得良好的教学效果。需要教师在备课过程中，不但要做到对书本中知识点的精准掌握，还要利用学科交叉的特点适宜地引入书本中没有的新案例，结合专业特点，充实课堂教学等环节。