数据库应用于生物化学教学探索

黄冬梅,刘华欣,屈小亚,王淑静

(厦门医学院基础医学部生物化学与分子生物学教研室, 厦门 361023)

生物化学是临床医学相关专业学生必修的一门重要的专业基础课程,不仅为学生后续学习病理学、药理学等医学相关课程提供知识铺垫,同时也为学生在日后的临床诊断和治疗提供了方法和技术。然而学生在生物化学课程的学习过程中普遍认为学习难度大、需要记忆和理解的知识点多、生化代谢途径和调节机制深奥难懂。由于生物化学的学科内容具有覆盖面广、知识点多、较为抽象的特点,导致学生在建立知识点之间的逻辑联系上存在困难,因此如何将生物化学的核心知识点串联起来构建知识网络,避免学生死记硬背,是生物化学教学中的一个难点。

生物化学的基础课程主要分为两个部分的内容:结构生物化学部分和代谢生物化学部分,其中,结构生物化学部分主要包括生物分子如蛋白质、核酸、糖、脂的基本结构和功能,而代谢生物化学主要包括上述生物化学分子动态变化的代谢过程。结构生物化学是代谢生物化学发生的物质基础,代谢生物化学的正常运行又是生命体健康和生命活动的前提。两个部分的知识点之间存在密不可分、环环相扣的联系,同时生命体内生物化学的异常变化也与疾病发生和发展密切相关。教师利用这些内在规律帮助学生构建生物化学知识的主要框架,可以促进学生对知识的理解和掌握[1]。以酶蛋白分子为例,酶是不可缺少的生物催化剂,它的结构和活性决定了生命体内代谢过程中化学反应的速率,是调节机体生命活动的重要因子,也是临床疾病的发生、诊断和治疗中的重要靶点。因此,以代谢反应中的关键酶为对象,我们尝试以核酸-蛋白质-酶-代谢-疾病为主线,以临床医学专业二年级学生为对象,在生物化学课程的教学过程中融入免费的在线数据库,让学生通过自主检索数据库和文献获得代谢过程中关键酶的核酸序列、蛋白质一级序列和高级结构模型,随后进一步分析其与疾病的关系并进行展示。学生基于生物分子的结构决定其功能的特点,进一步掌握代谢途径中关键酶的催化机制和活性调控,理解动态代谢过程中的生物化学反应,从而将结构生物化学与代谢生物化学的知识点串联起来。这个过程利用在线数据库工具将抽象的理论知识具象化,引导学生步步深入探索,建立知识逻辑框架,激发学生的兴趣,又可以提高学生自主学习的能力,培养其科学思维和科研能力[2,3]。

1 应用于生物化学教学的数据库资源的筛选

随着测序技术的发展和生物数据爆炸式的增长,各种类型的生物学数据库应运而生,用以收集、归纳和整理这些海量的生物信息,同时也成为研究者进行科学研究和生产实践不可或缺的工具。结合互联网时代教学模式创新的需求[4],在教学过程引入数据库的检索不仅可以提高医学生利用信息资源的意识,而且在不需要昂贵的仪器和耗材的情况下将理论知识情景化来提高学习效能。

教学团队通过文献资料和科研经验筛选了一批适用于辅助生物化学课程教学的免费在线数据库(表1)。例如,经典的三大生物信息学数据库(GenBank核酸数据库、EMBL数据库、DDBJ数据库),可获取核酸序列;UniProt数据库可以用于获取蛋白质的一级结构序列;蛋白质结构数据库(PDB)、MMDB、CATH数据库能可视化蛋白质高级结构,并将蛋白质结构和功能联系起来;BRENDA酶学数据库可用于了解酶的基本信息、催化特性、动力学特点和生理功能等;KEGG PATHWAY数据库展示了代谢生物化学中的糖、脂、核苷酸、氨基酸代谢途径并提供了详细的注释和说明,学生可以进行代谢途径的整合,也可以对单个节点的反应进行记忆和扩展学习;MalaCards人类疾病数据库可检索各种代谢疾病,GeneCards人类基因数据库可检索关键酶以获取相关代谢疾病信息,既能加深生物化学这门基础课程与临床工作的联系,又可夯实学生在后续临床诊断工作的理论基础。

表1 免费在线生物学数据库列表

2 数据库应用于生物化学教学的设计构想

2.1 数据库检索数据的准备

在基础生物化学课程中,代谢途径的关键酶是联系结构生物化学和代谢生物化学的重要枢纽。生物体内99%以上的酶的化学本质是蛋白质,其蛋白质结构决定了酶的活性和功能,进而影响了代谢过程[5]。以关键酶为检索对象,从结构层次上可以检索和分析其蛋白质空间和一级结构及核酸序列,从功能层次上可以探究其在体内代谢途径的调节过程和疾病的发生关系。结合生物化学课程知识点的教授过程,我们在结束蛋白质结构与功能和核酸结构与功能这两个章节的教学内容后,向学生提供用于数据库检索的关键酶列表(表2)和数据库操作指南[5],以5-6名学生为单元进行分组。每个小组分别从糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢中选择一个关键酶进行检索,小组间不重复。

表2 用于数据库检索的关键调节酶

2.2 数据库检索实施构思

我们结合学生的实际学情,以磷酸果糖激酶-1为例,为学生讲解各个数据库的简易操作流程。

2.2.1 获取关键酶的英文名 我们提示学生根据教材中的中英文名词对照索引获得酶的英文名称,如“磷酸果糖激酶-1”为“phosphofructokinase-1”。

2.2.2 获取关键酶的核酸和蛋白质序列,并认知序列结构特点 通过检索词,我们利用NCBI数据库获得该酶的基因组序列、mRNA序列和蛋白质一级结构序列,引导学生对这些序列进行对比分析,强化学生对中心法则的认知,提醒学生注意核酸序列方向为5’→3’端,多肽链序列为N端→C端。

2.2.3 理解关键酶的空间结构 通过检索词在PDB数据库获得磷酸果糖激酶-1的三维空间结构,我们首先将氨基酸序列与局部蛋白质的二级结构相对应,随后进一步对分子的三维结构动态旋转和缩放进行直观的观察,明确二级结构和三级结构的差异,同时了解基团之间的相互作用,理解空间结构的维系作用力[6],提示学生可以下载三维结构文件(PDB Format)后用RasMol软件打开浏览和展示。

2.2.4 查询酶的相关信息 我们通过BRENDA数据库检索获得影响磷酸果糖激酶-1的特征性常数Km值和酶活性影响因素如最适pH、最适温度、抑制剂、激活剂等,加深学生对酶的特性和酶促反应动力学的理解,促进其深入了解酶在代谢中的作用机制。

2.2.5 明确酶在信号通路中的作用 学生通过检索KEGG数据库中PATHWAY模块,获得磷酸果糖激酶-1的EC号和涉及的代谢通路,将EC号联系酶学数据库,巩固酶学章节的知识;通过点击代谢通路图的注释和链接,获得磷酸果糖激酶-1催化的化学反应和代谢途径的详细注释。

2.2.6 了解酶与疾病的联系 学生通过GeneCards数据库检索获得磷酸果糖激酶-1的细胞定位和涉及的代谢紊乱疾病。

2.2.7 学习关键酶及相关疾病的研究手段和进展 学生通过MalaCards数据库获得代谢紊乱疾病的症状、治疗药物,并查阅相关文献,学习研究者们的科研成果,了解国内外相应代谢疾病的研究现状和进展。

2.3 数据库应用于生物化学教学的效果分析

我们通过学习调查反馈及考核成绩反馈来分析学生学习成效,在期末设置临床相关疾病的发病机制考题如“从分子水平上分析镰刀型红细胞型贫血的发病机制”或者“从分子水平联系代谢阐述蚕豆病的发病机制”。经统计,教学班中65名学生中,约79%的学生可以获得满分(总分5分),学生的平均分接近4分。同时,调查反馈显示,80%以上学生认为通过在生物化学课程的应用中,对这些数据库如NCBI有了初步的了解,50%以上的学生认为数据库的使用对自己参加科研训练和升学需求上可以有所帮助。总体而言,在教学过程中融入数据库主要有以下几个方面的作用。

2.3.1 学生团队合作和自主学习能力提升 以小组为单位的探索式学习,有助于小组成员通过自主讨论来选择目标酶和确定组内分工,通过合理制定评分机制包括完成速度、完成度、组内贡献互评、教师评分等多个指标的分档打分,可以促进学生主动或被动地深入学习。

2.3.2 深化对知识点的掌握 相较于传统教学的单纯记忆,通过数据库融入课程教学的过程中,多数学生能够按照操作流程完成分组任务,并且有助于加深自身对生物化学知识点的理解。小组汇报促进学生进一步消化知识。基于问卷和访谈的结果,多数学生认为融入数据库有助于知识的理解,但也有少数学生认为该项任务比较困难,无法完成。

2.3.3 强化过程性学习 基于核酸序列-氨基酸序列-空间结构-性质-功能-调节-疾病的主线,学生在完成任务的过程中,需要不断回顾前面学习的知识点,并进行重组和联结。因此,这一方式可以改善学生在章节知识之间出现断层的现象,有利于培养学生的知识整合能力,促进学生深入理解生物化学代谢反应机制。

实施过程中也存在一些问题,需要进一步调整和解决:①多数数据库为国外机构建立的网站,有时候出现网络连接障碍;②数据库的界面多为外文,部分学生对专业性外语术语存在障碍,导致畏难情绪出现。③学生对数据库操作存在不解,无法自行解决。整体而言,学生熟练运用数据库的能力仍比较薄弱,对课本和教师的依赖性较强,在遇到困难时,自主解决问题的能力仍需提高。

3 数据库应用于生物化学课程教学的注意事项

对数据库应用于生物化学教学的实践过程进行反思,教师团队认为合理应用数据库于生物化学教学过程要注意以下事项。

3.1 合理选择数据库,在精不在多

数据库的形式和种类极具多样化,数量日益增长,除了常见的数据库如NCBI、KEGG等外,还有一些特异性强的数据库如美国国家癌症研究所和美国国家人类基因组研究所联合启动的项目建立的与临床医疗数据密切相关的癌症基因组图谱(the cancer genome atlas,TCGA)数据库。面对如此众多的数据库,生物化学课程教学中无法一一涵盖介绍,选择科研中常用且与课程知识点密切相关的数据库有利于教学设计的实施。

3.2 避免本末倒置,让学生产生畏难情绪

数据库是促进学习的工具。教师应该熟练掌握并通过简化易懂的方式教会学生使用,并跟踪辅助学生掌握相应数据库的用法,避开选择过于复杂的数据库和深奥晦涩的操作指南,可以避免学生产生畏难情绪。除了在课堂上进行简单的讲解外,教师还应该为学生提供线上(在线网站例如慕课、B站等和公众号平台)数据库使用教程,让学生利用课外时间学习。在本项目实施过程中,结合本校临床医学专业的课程设置特点,在学生完成医学文献检索课程的基础上,通过以下几种方式帮助学生利用数据库提高生物化学课程学习的效果。首先,为学生提供山东大学生物信息学课程中一级核酸序列数据库GeneBank、一级蛋白质结构数据库(PDB)、二级蛋白质数据库CATH的视频内容作为数据库操作的参考视频;其次,通过学习通平台发布BRENDA酶数据库、KEGG数据库、GeneCard数据库的操作指南;另外,设置了数次课外的交流会,帮助学生解决实施过程中的问题和疑问。

3.3 整个方案的实施过程要进行精心设计,以期待学生在掌握生物化学知识的同时领悟生命现象的分子本质,提高学生不断利用信息技术获取生物化学知识的能力。

2015年,国务院印发《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》是教育事业进入“互联网+”时代的标志[7]。基于互联网技术的数据库资源与生物化学教学融合,可以促进学生对理论知识的理解,提高学生自主学习和独立思考的能力。数据库为学生提供了课本之外的广阔的信息资源天地,既可以提高医学专业学生对信息资源利用的意识,又可以培养学生科学研究素养和辩证思维能力。学生在利用数据库资源学习生物化学知识的过程,是一种教学重心从教师的教转移到学生学的过程。学生在完成作业的过程是一种从被动学习的方式向积极探索、自主学习为核心的学习方法转变的过程。这是一种正确科学精神的传授过程,有利于学生在学习过程中萌发出自己的科研思维与创新意识[8]。同时,完成小组作业的过程促进了学生之间的互动与交流,培养学生交流沟通能力和团队协作能力,促进学生对知识的内化吸收。总体而言,笔者认为将数据库作为生物化学教学的辅助工具可以作为一种值得尝试的方式,有利于从以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习效果为中心的三个方面提高生物化学教学效果。