大学生《蛋白质化学》教学体系初探与思考

赵婧+曹亚

摘要：蛋白质研究是当今生命科学研究的前沿与热门。基于蛋白质研究的时代背景，本文阐述了在高年级本科生中开设《蛋白质化学》的必要性，并结合自身教学经验，初步探讨了该课程教学体系设置以及教学方式的运用等内容。

关键词：蛋白质化学；理论讲授；专题介绍

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0221-03

生物技术是21世纪影响国计民生的关键科学技术之一，而生物技术发展所依托的生命科学研究承担着揭示生命奥秘，改善人类身体素质和生活品质的重要责任。生物学专业的大学生是生命科学研究中的生力军，也是直接影响我国生物产业发展的人才储备。因此，在当今生命科学研究日新月异的时代背景下，与时俱进地开展生命科学相关课程建设具有重要的战略意义。在诸多生物大分子中，蛋白质是生命活动的主要承担者，具有举足轻重的作用。在上世纪90年代“人类基因组计划”之后，生命科学研究进入了后基因组时代，也就是蛋白质组学时代。因此，本文结合蛋白质研究进展探讨了在高年级本科生中开展《蛋白质化学》教学的必要性以及相关课程体系设置等内容，以期能为生命科学专业学生全面知识体系的构建奠定基础，并由此推进生物产业人才的培养和储备工作。

一、开展《蛋白质化学》课程的必要性

2012年5月14日，科技部印发了《蛋白质研究国家重大科学研究计划“十二五”专项规划》。该规划指出：“蛋白质是生命活动的主要执行者，对蛋白质结构与功能、相互作用和动态变化的深入研究，将有助于揭示生命现象的本质。蛋白质研究取得的众多成果也将是新药创制、传染病防诊治、农作物改良、生物能源转化、工业生物催化等各个领域的重要创新源泉。”2014年8月在北京启动的国家重大科学研究计划“十三五”发展规划战略研究工作中，蛋白质研究与纳米研究、量子调控研究、发育与生殖研究、干细胞研究以及全球变化研究等作为国家前瞻性部署和重点任务。蛋白质研究已经不仅是美国等发达国家关注的重点领域，也是我国致力发展的前沿热点之一。蛋白质组学研究是继“人类基因组计划”之后的又一“兵家必争之地”。然而，蛋白质相关基础知识是蛋白质组学研究的前提保障，其中涉及的技术手段是蛋白组学研究的利器。由于蛋白质研究涉及了生物化学、生物物理、细胞生物学、分子生物学、结构生物学、生物信息学等多个学科，学科之间彼此交叉，相互渗透，因此对于从事蛋白质相关研究或有志于投身于蛋白组学研究的生物专业学生而言，学科基础课《生物化学》中的相关知识与当今蛋白质研究的切合度有限，难以满足今后科学研究的需求。由此可见，在高年级本科生中开展《蛋白质化学》专业选修课程，全面系统地介绍蛋白质化学相关基础知识以及最新研究进展，具有重要的意义和必要性。

二、《蛋白质化学》课程体系构建的思考

目前，上海大学实施的是短学期教学体制，每学期为10周。基于对教学效果的考量，学校鼓励小班教学，专业选修课的学生数量一般在20—30人。根据这些实际情况，笔者认为在有限的时间内应该尽可能让学生建立较为全面的知识体系，同时通过调动学生的积极性，使学生更为主动地体会到蛋白质化学相关研究的发展。因此，在课程开展过程中，笔者采用了老师讲授和学生讨论相结合的授课形式，通过师生互动，促进学生对相关理论知识的理解，并提高其运用知识的实践能力。经过三年的课程实践，本课程的基本构建框架已经成型，具体的课程体系构建如下。

1.蛋白质化学基础理论。①蛋白质结构理论与研究方法。蛋白质结构是功能研究的基础，蛋白质的高级结构直接决定了蛋白质的功能。只有详细了解蛋白质及其复合物和组装体的结构，才有可能对蛋白质的生理功能进行揭示。因此，在课程开展之初，笔者首先向学生介绍蛋白质结构的基础知识。虽然蛋白质的基础组成与多级结构等知识在《生物化学》课程中都有所涉及。但是，从实际教学情况来看，大部分学生学得多也忘得快，很少能把握住知识的核心。而《蛋白质化学》的教学重点与《生物化学》又有所区分，所以本课程主要关注蛋白质从基本构成元件氨基酸到高级空间结构的演变过程，重点强调了各级结构特点以及关键影响因素。在教学过程中，为了便于学生理解和记忆，笔者选择以常见蛋白为模型，形象说明各级结构的特点，并穿插介绍各级结构研究历史中的小故事，特别是诺贝尔奖相关的突破性进展，以此来提升学生的兴趣。由于是专业选修课，课程设置的目的是希望学生能够更为全面、深入地了解相关知识，因此笔者在课程教授过程中不强调对知识的死记硬背，而更希望学生因为兴趣而理解，因为理解而记忆，最终达到吸收知识的目的。在蛋白质结构基础知识掌握的基础上，进一步向学生介绍用以揭示各级结构的研究方法，强化学生对蛋白质结构的认识和理解。在蛋白质结构研究方法介绍中，笔者按照蛋白质一级结构到四级结构的变化规律，逐级介绍蛋白质的相关研究方法，包括一级结构研究中的生物学方法（cDNA法）、化学方法（Edman降解法）和物理方法（质谱法）、二三级结构研究方法圆二色谱法、拉曼光谱法、荧光光谱法和紫外光谱法以及高级结构研究的X-射线衍射技术、核磁共振技术和冷冻电镜技术等。在讲授的过程中，注意将技术的核心与结构的特点结合起来，既讲授技术的原理和应用，又帮助学生再次理解各级结构的特点。其中，在高级结构研究方法介绍中，结合国内外顶尖研究组最新发表的相关工作，让学生更为及时地了解当今科技发展的趋势。同时，笔者引入了蛋白质数据库作为生物信息学知识的一部分，介绍了蛋白质数据库这一有用的蛋白质研究平台，让学生建立对蛋白质结构相关的生物信息学知识的基本印象，鼓励学生根据自身兴趣进一步深入了解各数据库的特点以及适用范围。这一部分内容由于专业性较强，属于工具类知识，所以未对学生做强制要求，仅仅作为知识普及，便于学生在将来研究需要时知道如何寻求帮助；②蛋白质折叠。蛋白质折叠是蛋白质从一级结构向高级结构转变的过程，是蛋白质具有生理功能的必经之路。蛋白质折叠被认为是对中心法则的补充说明，也因此被成为第二遗传密码。蛋白质折叠在上述蛋白质结构认识基础上帮助学生更为深刻地了解蛋白质结构与功能的紧密联系。在这部分教学过程中，笔者首先通过“变性”这个知识点的讲授，让学生建立蛋白质结构与功能的初步联系。之后，通过以著名的蛋白质复性实验——“Anfinsen实验”的设计思路、研究过程以及实验结果分析作为案例，让学生随着实验一步步了解蛋白质折叠的隐藏秘密，激发学生的探索兴趣。在这个案例中，学生不仅可以再次理解变性对于蛋白质功能的影响，又可以了解到蛋白质变性的可逆性。通过变性—复性整个过程的演变，可以了解蛋白质变性的可逆性以及可逆的条件，也可以深刻地认识到蛋白质结构对其功能的重要性。在“自组装折叠”的基础上，从动力学和热力学角度分析蛋白质折叠过程，并由此引入“蛋白质辅助折叠”理论，帮助学生全面认识蛋白质折叠中的影响因素。同时，以实际病例为代表说明蛋白质错误折叠的危害，并从疾病治疗的角度鼓励学生思考如何引导蛋白质的正确折叠以减少疾病发生的概率。从教学效果来看，简单的知识传授远不如实际案例的分享效果显著，学生更乐于结合实际现象进行深入思考和讨论；③蛋白质分离与纯化。在蛋白质研究中，获取必要的蛋白质对象，分离与纯化是关键。很多分离和纯化技术在日常生物学研究中都十分常见也运用广泛，因此笔者认为这是本课程中最有实际应用价值的知识，也希望学生能及时掌握并学以致用。那么如何实现蛋白质的分离纯化？这与蛋白质本身的理化性质息息相关，而理化性质又与蛋白质的组成密切联系。在蛋白质分离纯化原则说明过程中，笔者通过回顾蛋白质结构的特点，启发学生认识到蛋白质独有的理化性质及其分离纯化的基础。随后，从分子量、溶解度、电离性质和亲和力等不同方面介绍常用的蛋白质分离纯化的方法。其中，详细介绍了蛋白质分子生物学研究中最为常用的技术——双向电泳技术，使学生从原理、过程以及应用范围等多角度认识和掌握该技术。同时，要求学生通过理解而掌握凝胶过滤和凝胶电泳中所采用的分子筛效应的区别。此外，蛋白质层析是蛋白质分离中的一个大的技术家族，包含了亲和层析、离子交换层析、凝胶过滤层析、疏水层析以及分配层析等多种类型，应用广泛而且技术发展成熟。因此，笔者在该部分课程的后期将蛋白质层析作为一个独立的知识单元向学生展示在实际操作中如何根据蛋白质的具体性质特点选择合适的层析技术进行分离纯化，使学生不仅掌握相关的理论知识，更要学会如何在研究工作中运用知识；④蛋白质检测。如何确认已经获取的蛋白质的种类呢？这一问题将课程引入到蛋白质的检测中。蛋白质的检测技术不仅是实验室基础研究的重要内容，也与人类生活息息相关。这样具有实际应用的内容更容易引起学生的兴趣。因此，通过引导学生思考生活中面临的不同蛋白质检测需求，逐步展开蛋白质检测技术的介绍。首先，介绍蛋白质检测中的通用技术，即针对所有蛋白质而不针对特定种类。以“三聚氰胺事件”为例引导学生思考，如何检测样本中的蛋白质含量，为什么会发生“三聚氰胺事件”？基于此探讨蛋白质鉴定的六大常规技术：凯式定氮法、双缩脲法、Folin-酚试剂法、紫外吸收法、考马斯亮蓝法和BCA法，并通过比较技术的各自特点使学生初步了解蛋白质检测中的技术选择标准。同时，结合蛋白质定量分析的实际需求，在常规技术介绍基础上，详细介绍了酶联免疫吸附分析法（ELISA）和Western-blotting技术。通过介绍技术的原理、步骤以及关键影响因素等让学生熟悉这两项重要技术，为今后的科研工作储备必要的知识。

2.蛋白质化学专题介绍。①蛋白质检测专题介绍。在上述知识理论体系介绍中，笔者尽力将生活实例与科学知识结合，但是基本知识本身仍旧过于理论，不容易引起学生的共鸣。因此，在知识体系构建的基础上，笔者特意增加了一个蛋白质检测专题介绍，以肿瘤标志物这种目前认知度较为广泛的蛋白质为代表，介绍蛋白质检测的重要性以及蛋白质检测的最新研究进展。笔者从医院所采用的检测技术入手，向学生揭示这些检测技术背后的原理以及各自的技术特点，让学生了解当今蛋白质检测技术的发展与应用。同时，结合最新的文献报道，在现有仪器分析的基础上，引入了电化学分析、SPR以及核酸扩增技术等知识介绍，让学生更深层次地认识到蛋白质分析的基础研究进展。除了生活中可以遇见的成熟商业化分析技术，各式各样的实验室蛋白质分析技术虽然还未能走进千家万户，但是它们代表了当今生化分析的潮流，也预示了蛋白质分析的发展趋势。这些理论与实际结合的专题介绍相对于刻板的知识讲解容易引起学生的共鸣和探讨的兴趣，因此教学效果也比较明显，学生表现了极大的兴趣和探索的欲望，会主动参与到课程内容的讨论中，进而加深了对知识的理解和记忆，达到了教学的目标；②学生课题介绍。之前曾提到上海大学的专业选修课鼓励小班教学，学生规模相对较小，因此比较便于师生之间的互动。笔者希望学生能从单纯的知识接受者角色中解脱出来，更为积极主动地参与到知识的讲授中来，通过自我学习推进知识的理解和掌握。结合本课程的特点，笔者选取了具有代表性的与蛋白质研究相关的诺贝尔奖研究作为课题，通过学生自学掌握研究的相关内容，并在课堂通过知识讲解与老师展开互动。相关课题包括：“发现抗体的化学结构”、“发现大脑分泌的肽类激素”、“发现限制性内切酶及其在分子遗传学方面的应用”、“发现调节免疫反应的细胞表面受体的遗传结构”、“发现生长因子”、“发现G蛋白及其在细胞中的信号转导作用”、“发现朊病毒—传染的一种新的生物学原理”以及“发现端粒和端粒酶如何保护染色体”等。在选择学生课题的过程中，把握几个关键的原则。首先，课题必须与蛋白质研究相关；其次，课题的研究与课程中教授过的知识有重叠；最后，课题能够揭示蛋白质结构与功能的紧密联系。通过这样的课题设置，可以让学生在自学的过程中再次温习已经学习过的知识，能够实现教学相长。笔者通过几年的课程实践发现，虽然面向的教学对象是本科生，他们大多没有实验室研究经验，但是其学习主动性较好，通过在网上进行资料搜索，大多数学书可以很好地完成任务，部分特别突出的学生可以将研究故事说得非常生动形象，激发了其他学生的兴趣。通过这些互动课题的设置，学生对蛋白质研究中涉及的相关知识又有了更好地梳理，对蛋白质研究工作有了更为深入的认识，为将来的研究方向选择奠定了基础。

三、小结

蛋白质及其相关研究已经成为当今生命科学研究的热门所在。在蛋白组学研究蒸蒸日上的今天，生物学专业学生具备一定量的蛋白质相关基础知识十分必要。因此，结合当前生命科学研究的发展趋势和蛋白质科学研究的热点重点，本文探讨了在高年级本科生中开展《蛋白质化学》教学工作的重要性和必要性。同时，结合笔者近几年来在《蛋白质化学》课程中的实际教学经验，本文从蛋白质化学基础理论体系设置以及蛋白质化学专题介绍两方面详细阐述了《蛋白质化学》这门专业选修课的课程体系设置方案，教学内容涉及蛋白质结构、蛋白质折叠、蛋白质分离纯化以及蛋白质检测鉴定等多方面。通过理论与实际相结合的教学方式，以诺贝尔奖相关研究介绍为契机，激发学生的学习兴趣，鼓励学生积极参与到课程的讨论中来，实现教学相长，使其能更好地掌握与蛋白质化学相关的理论知识，熟悉蛋白质研究中常用方法的技术要领，为今后开展蛋白质相关的研究工作储备充足的基础知识。

The Discussion and the Thinking of the Teaching System of“Protein Chemistry”for the College Students

ZHAO Jing，CAO Ya

（School of Life Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

Abstract：Nowadays，protein studies have become the leading-edge researches in the field of life sciences. Based on the recent development on the studies of the proteins，this paper states the necessity of setting up the course of "Protein Chemistry" for the senior undergraduates，and discusses the teaching system and teaching methods of the course based on the teaching experiences of the writers.

Key words："Protein Chemistry"；theoretical instruction；subject introduction