DeepView和Diamond软件在“生命活动的主要承担者——蛋白质”教学中的应用

李竟才,陈 倩,刘亚凤, 2,李世升,项 俊

(1.湖北省经济林木种质改良重点实验室，大别山特色资源开发湖北省协同创新中心，黄冈师范学院生物与农业资源学院，湖北 黄冈 438000;2.东山苑寄宿学校，湖北 十堰 442000)

《生物学(必修1)》(普通高中教科书，人民教育出版社)中“生命活动的主要承担者——蛋白质”一节在教材中起着承上启下的作用，氨基酸的结构特点、氨基酸的脱水缩合过程和蛋白质结构多样性是本节的重点和难点[1]。为了更好地呈现本节教学内容，有效突破重难点，在其教学设计中可以应用生物信息学软件——DeepView[2]和Diamond[3]等在教学过程中构建“支架”[4]以展示氨基酸和蛋白质的结构特点。其中DeepView作为三维图形软件，可以显示和分析蛋白质的结构[5]，而Diamond是晶体结构可视化软件[6]，可直观展示氨基酸的结构以及氨基酸合成蛋白质的过程。

1 DeepView和Diamond在教学设计中的应用

在“生命活动的主要承担者——蛋白质”一节的教学设计中，DeepView与Diamond可实现教学内容的可视化，帮助学生快速准确理解掌握原本抽象、难以理解的知识，提高学习效率，另外利用人机互动也可激起学生的学习兴趣，其应用主要体现在以下几个方面：

1.1 分析氨基酸通式

如图1所示，结合教材所给四种氨基酸，教师首先用Diamond现场制作甘氨酸三维球棍模型为例，讲解甘氨酸的原子组成。再用Diamond呈现丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸等另外三种氨基酸的球棍模型图，引导学生观察对比，找出四种氨基酸结构上的异同点，让学生在理解的基础上自己总结出氨基酸的结构通式。

图1 甘氨酸(a)、丙氨酸(b)、缬氨酸(c)、亮氨酸(d)和氨基酸通式(e)的球棍模型

随后由教师展示Diamond绘制的三维氨基酸通式球棍模型，让学生观察分析其结构特点，理解R基的变化导致氨基酸的多样性。最后学生自己通过Diamond软件的旋转和缩放等人机互动功能从不同角度观察氨基酸球棍模型，更清晰认识到氨基酸的三维立体结构，以印证氨基酸的结构通式的概念，并为后续氨基酸脱水缩合过程和蛋白质结构的多样性等内容的学习奠定坚实基础。

1.2 演示氨基酸脱水缩合过程

如图2所示，教师用Diamond制作的两个氨基酸结构通式，演示一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基发生反应，脱去水分子：一个氨基酸的氨基脱去一个氢离子，另一个氨基酸的羧基脱去一个氢氧根离子，总共脱去一个水分子，就形成了一个二肽，而两个氨基酸脱水连接处形成了一个肽键(-CO-NH-)。

图2 氨基酸脱水缩合过程

1.3 解析蛋白质相关计算

Diamond绘制的球棍模型可以用于解析蛋白质形成过程中的相关计算，如氨基酸形成肽链时脱去水分子的数目和形成肽键的数目。如图3所示，教师用Diamond分别展示3～5个氨基酸脱水缩合形成一条肽链的情况，直观地呈现脱下的水分子数以及形成的肽键数，使学生能直观地看出3个氨基酸结合脱去2分子水，形成2个肽键，以此类推：n个氨基酸形成m条肽链时，脱去水分子数=形成肽键数=氨基酸数-肽链数=(n-m)个。通过Diamond制图及人机互动过程，让学生理解氨基酸脱水缩合的过程，掌握蛋白质计算规律，将微观水平的蛋白质分子结构可视化，化抽象为具体，有助于突破本节课的难点。

1.4 展示蛋白质结构的多样性

形成蛋白质的氨基酸只有20种，蛋白质的种类却非常繁多，仅人体内就有5万多种蛋白质[7]，蛋白质的多样性成因也可以用生物信息软件直观展示。如图4所示，教师利用DeepView软件制图动态呈现蛋白质多样性与氨基酸及其顺序的关系。首先依次展示5～6个甘氨酸(G，Gly)形成的肽链与6个丙氨酸(A，Ala)形成的肽链，说明蛋白质的种类与形成肽链的氨基酸的数目、种类有关；接下来又用3个甘氨酸与3个丙氨酸以AAAGGG、GGAAGA、GAGAGA等不同的排列顺序进行连接(图4)，帮助学生直观认识蛋白质的种类还与氨基酸残基的排列顺序有关。此外，学生可以利用DeepView对肽链中的化学键进行空间旋转折叠[3]，实现人机互动，以深刻理解肽链不同的空间结构也会导致蛋白质的多样性。最后学生自主归纳总结蛋白质的多样性取决于氨基酸的数目、种类、排列顺序，以及肽链的空间结构。

图3 氨基酸脱水缩合形成肽链(a)3个、(b)4个、(c)5个氨基酸

图4 蛋白质结构多样性

我国已掌握了人工合成牛胰岛素的技术，如图5所示，教师通过在线(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/structure/?term=)获取牛胰岛素蛋白的序列和三维结构PDB(Protein Data Bank)文件，利用DeepView制作牛胰岛素的三维模型(图5)。通过不同视角的观察如肽链及支链、二级结构和范德华力表面，学生更加清晰地理解蛋白质的三维立体结构，理解改变观察角度，蛋白质的种类不会发生改变，结构与功能也没有改变。

图5 牛胰岛素蛋白不同视角的三维结构图

2 讨论

传统的生物学教学方法单一、可视化程度低，从而使学生感觉被动、乏味。在教学过程中融入现代化的生物信息技术，直观呈现氨基酸和蛋白质结构，提高教学过程的可视化程度，提高学生对抽象的分子结构的理解和认识[8]，会有助于教师的课堂讲授、提高学生的学习兴趣与学习效率[9]，本研究中DeepView与Diamond等生物信息软件能将图像、动态模型“替代实物置于学生面前”[5]，受学生喜爱的程度远远大于简单的文字解说，在教学过程中能激发学生的学习兴趣，相对于“学生手拉手演示多肽链形成”和“借助铁丝盘旋模拟蛋白质空间结构”等方法[1]，DeepView与Diamond等软件更具有可操作性，能更方便、真实地呈现氨基酸和蛋白质的结构，其人机互动过程更是突出了学生的主体地位，是“以学生为中心”教育理念[10]的具体体现，体现了人本主义心理学的原理，起到了启迪学生和激发学生求知潜能的作用。

综上所述，利用DeepView与Diamond等生物信息学软件可以作为生物学知识可视化工具，使学生快速准确地理解掌握原本抽象、难以理解的生物学知识，加深对知识的理解和记忆，有助于突破“蛋白质”一节教学重难点，提高学习效率。