生物化学教学中实用素材的推荐

陈桂芳，李艳利

(上海大学生命科学学院， 上海 200444)

生物化学是生命科学相关专业的必修基础课程，其内容已广泛渗透到现代科学的不同领域，成为生命科学研究的基石。生物化学课程内容涵盖面广，难度大，需要记忆和理解的知识点多，学生学习任务重，所谓“生理生化，必有一挂”[1]，生动描绘了生物化学课程在学生心目中的艰难形象。同样，对于从事生物化学教学的教师而言，生物化学课程也是一个巨大的挑战，从复杂的蛋白质结构功能关系，到分级调控的代谢网络，再到天书一般的中心法则解读[2]，对每一位青椒可能都意味着时间和精力的巨大付出。“工欲善其事，必先利其器”，一些实用素材，包括歌曲、视频和纸模等，无疑可以将抽象的理论知识生动形象化，发挥化繁为简、化难为易的功效。我从2011年正式开始生物化学的教学，至今已有10个年头，在一轮又一轮的教学实践中，在跟教学团队老师的磨合里，逐渐掌握了一些比较好用的教学素材，借此机会分享，以期能与更多的老师交流。为了便于识别，我将素材进行了简单的分类。

1 多媒体类

1.1 歌曲：Biochemistry

应用场景：绪论，第一次课前，不占课时

效果：提升好奇心，掌握专业词汇biochemistry

推荐指数：★★★★★

自从某次会议被杨荣武教授推荐后，歌曲Biochemistry[1]已成为我每届学生第一节生物化学课前的愉快体验，学生们踏歌而来[3]，屏幕上同时播放着歌词，学生们在课程开始前的好奇心中，在相互讨论的嬉笑声中接受了生物化学的第一个专业英文单词：Biochemistry。

1.2 游戏：Amino acid game

应用场景：氨基酸结构介绍完毕后，向全班学生推荐，作为课后作业

效果：掌握氨基酸侧链结构，熟悉氨基酸英文名称

推荐指数：★★★★★

氨基酸是蛋白质的结构单元，其重要性不言而喻。但是，对于刚踏入生物化学大门的初学者来说，单是20种基本氨基酸的名称和结构通常就让初学者心生胆怯，不知从何下手。而20种基本氨基酸侧链的结构和性质对于今后学习蛋白质，以及酶的高级结构和功能都十分重要。因此，每到此时，本人都会向学生强烈推荐这款小游戏：amino acid game[4]。它是wiley公司旗下公开的生物化学教学网站动画版块的一个内容，采用经典的“瞄准-发射”游戏形式来提升对20种基本氨基酸的名称与侧链结构的指认记忆，在反复游戏中快速熟悉20种基本氨基酸。射中1个与名称匹配的氨基酸侧链结构得2分，满分40分，经过练习后，80%的学生都能在一天内拿到满分。Fig.1为氨基酸小游戏界面[4]。

图1 氨基酸小游戏界面[4]Fig.1 Web page of the amino acid game[4]

1.3 视频

1.3.1 ATP合酶的结构与工作机制 应用场景：氧化磷酸化章节

效果：深入理解ATP合酶这个分子马达的工作原理

推荐指数：★★★★★

视频资源是教师手头掌握量比较大的一类资源，尤其是短小精悍的小视频，一般来说也比较好用。但是，一些原版视频，面向初次接触相关内容的本科生播放时，要在课堂短时间内达到预期效果，最好做汉化处理。

例如氧化磷酸化章节，在质子的电化学梯度已经建立后，质子回流时如何带动ATP合酶这个分子马达，通过3个β亚基精巧的构象变化实现ATP的合成与释放，视频“ATP合酶的结构与工作机制(3分17秒)”，可以很好地帮助学生理解这一过程。但由于该资源是无字幕的全英文视频，学生看2遍可能都无法领会其全部内容，视频效果大打折扣。疫情期间，教师自学视频编辑软件，给视频加上了中英文对照字幕，学生观看起来一目了然，能够比较轻松地了解ATP合酶的工作原理。

1.3.2 蛋白质测序 应用场景：蛋白质一级结构的测定

效果：以核糖核酸酶A的测序为例，生动理解蛋白质测序的主要环节

推荐指数：★★★★

蛋白质测序是一个系统工程，包含一整套策略和步骤，课堂讲解时，容易陷入普遍性策略的枯燥文海中。“蛋白质测序”这套视频，以核糖核酸酶A为例，比较清晰地再现了针对具体蛋白质的具体策略。其中包含若干小细节，例如色谱分离和紫外监测等，可以帮助学生较好地回顾相关知识点。同样，资料也是全英文讲解，经过教师后期录屏，添加中英文对照字幕，课堂播放效果明显提升。总之，对于精美生动的原版视频，花一些时间做汉化处理，是非常必要和值得的，性价比很高。

1.4 网站：RCSB PDB

应用场景：蛋白质结构与功能整个学习期

效果：增强蛋白质三维结构的感性印象，全英文课外阅读材料

推荐指数：★★★★★

蛋白质数据库RCSB PDB[5]是一个非常精美实用的网站，创建于1971年，今年刚好是数据库创建50周年。网站收录大分子结构数据，数据量大，并且更新及时，值得跟踪关注。该数据库目前收录了177 426个结构，这个数字在10年前是63 776个，由此可见大分子结构研究发展的迅猛态势。教学中会经常用到的1个版块是Learn-Molecule of the month，该版块每个月都会介绍1个明星分子。例如本月的明星分子是胎儿血红蛋白(fetal hemoglobin)，主页右上角赫然在目。点开后，一般会有3大段对明星分子的介绍，涉及结构、功能、机制等，文字简练，可读性很强，对生化相关知识的整合很有益处，是非常好的课外阅读补充材料。一般生物化学教材上提到的生物大分子，该网站几乎都有介绍，例如血红蛋白、胶原蛋白、ATP合酶、细胞色素c等。除了文字介绍外，还有精美的三维结构图，有些还配有动画内容，结构图的源文件可以下载，用Rasmol等软件可以打开仔细观看研究。教师将该网站介绍后，学生在之后的课堂汇报环节讲述到特定蛋白质时，就引用了该网站大量的内容，非常生动，引人入胜。该网站的其他版块，例如教学资源Educational Resources版块，有海报、历年年历(竟然有中文版)和视频等，也非常值得浏览。本人会把来年年历做成台历，作为课堂汇报优秀小组的奖品，很受欢迎。Fig.2为 RCSB PDB网站首页[5]。

1.5 软件：RasMol

应用场景：蛋白质的三维结构章节

效果：自己动手导入、观看、研习蛋白质三维结构

推荐指数：★★★★

RasMol软件是一款分子图像观察小软件，免费下载。可以打开*.ent、*.pdb后缀的文件，包括前面推荐的PDB数据库下载的结构文件。可以观看蛋白质、核酸包括DNA和RNA、大分子复合物等的三维结构，也可以对大分子结构做动态拉伸，还能找出蛋白质中的氢键、二硫键、特定的α螺旋和β折叠等二级结构，给感兴趣的配体和基团着色等。另外，可以显示蛋白质或核酸的一级结构序列，是教学科研的好帮手。

2 实物类

2.1 自制实物：二面角纸模

应用场景：蛋白质的三维结构章节

效果：理解二面角Φ和Ψ，以及二级结构的规则构象

推荐指数：★★★★

蛋白质三维结构章节，关于肽键具有刚性和平面的性质一节，有一个比较关键的概念，即围绕α碳原子的2个二面角Φ和Ψ。由于内容比较抽象，学生可能比较难以理解，利用A4纸制作课堂小道具(如Fig.3)，Fig.3A可以展示1个独立的二面角在各角度的状态，Fig.3B和3C是同一个纸模。Fig.3B是Φ和Ψ均为0°的情况，而Fig.3C是Φ和Ψ均为180°的情况，Φ和Ψ取其他角度时的状态也能用该纸模自由呈现，从而体现2个二面角在不同取值时肽链的折叠状态。课堂演示后，学生表示对于理解二面角有很大帮助。在后面讲述蛋白质二级结构的规则构象α螺旋和β折叠时，该道具仍然可以用来强化二面角的概念，以及二面角对主链构象的决定性作用。

图2 RCSB PDB网站首页[5] Fig.2 Homepage of RCSB PDB[5]

图3 二面角纸模图示 (A) 平面ABC与平面BCD构成一个夹角为0°的二面角，两个平面可以围绕BC边展开成0°到360°的任意角度；(B) 围绕α碳原子的二面角Φ和Ψ，此时，Φ=Ψ=0°；(C) 围绕α碳原子的二面角Φ和Ψ，此时，Φ=Ψ=180°Fig.3 Paper models of dihedral angles (A) A zero degree dihedral angle formed by the plane ABC and plane BCD. The two planes may form any dihedral angles from 0° to 360° around side BC; (B) Two dihedral angles Φ and Ψ centered on the alpha carbon atom, here, Φ=Ψ=0°; (C) Two dihedral angles Φ and Ψ centered on alpha carbon atom, here, Φ=Ψ=180°

2.2 按图索骥实物制作

2.2.1 DNA双螺旋结构纸模 应用场景：DNA双螺旋结构章节

效果：具象感受DNA双螺旋结构，特别是分子表面的大沟小沟

推荐指数：★★★★★

图4 DNA双螺旋结构纸模的制作步骤[6] Fig.4 The procedure of building a paper model of DNA double helix structure[6]

每次讲DNA双螺旋结构时，本人都会给学生看DNA双螺旋结构的纸质模型(RCSB PDB网站可以下载[6])，还会要求学生每人亲手做1个DNA双螺旋的纸模，然后把它们连接成更长的DNA链。在这个过程中，学生们能够深入理解DNA双螺旋结构的重要特点，例如磷酸戊糖骨架在螺旋外部，碱基配对埋藏在螺旋内部，碱基对之间36°的扭转以及双螺旋表面的大沟小沟是如何形成的等。Fig.4为 DNA双螺旋结构纸模的制作步骤[6]。

2.2.2 tRNA一二三级结构纸模 应用场景：tRNA结构章节

效果：具象感受tRNA的结构特点

推荐指数：★★★★

可以做成纸模的还有tRNA的一二三级结构(仍然在RCSB PDB网站下载[7])，非常有助于学生理解记忆tRNA的结构特点，例如tRNA的一级结构序列长度，含有较多稀有核苷，三叶草形二级结构，倒L型三级结构等。Fig.5为tRNA一二三级结构纸模的制作步骤[7]。

图5 tRNA一二三级结构纸模的制作步骤[7]Fig.5 The procedure of building paper models of tRNA primary, secondary and tertiary structures [7]

3 总结

生物化学课程是生物学最重要的学科基础课程之一，为细胞生物学和分子生物学等其他基础课程的学习打下了坚实的基础，对学生入门生命科学具有特别重要的意义。如何在课程中通过传统的或现代的各种手段，广泛而深入地引导学生进入生命科学的神奇世界，是每位教师面临的挑战。然而，只要用心用脑，回报也是异常丰厚的。深入其中，浸润其中，对生命科学的理解逐年加深，也渐渐爱上生物化学，因为它几乎无处不在，无所不包，在日常生活中，在学生的毕业答辩会上，在科研工作中，在学术会议上，都有它的身影。希望本文所分享的点滴心得对于老师们提升生化教学有所助益，对于广大学生学习生化有所帮助。