陳桂芳，李艷利

(上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 上海 200444)

生物化學(xué)是生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容已廣泛滲透到現(xiàn)代科學(xué)的不同領(lǐng)域，成為生命科學(xué)研究的基石。生物化學(xué)課程內(nèi)容涵蓋面廣，難度大，需要記憶和理解的知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)重，所謂“生理生化，必有一掛”[1]，生動(dòng)描繪了生物化學(xué)課程在學(xué)生心目中的艱難形象。同樣，對(duì)于從事生物化學(xué)教學(xué)的教師而言，生物化學(xué)課程也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，從復(fù)雜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系，到分級(jí)調(diào)控的代謝網(wǎng)絡(luò)，再到天書一般的中心法則解讀[2]，對(duì)每一位青椒可能都意味著時(shí)間和精力的巨大付出?！肮び破涫?，必先利其器”，一些實(shí)用素材，包括歌曲、視頻和紙模等，無疑可以將抽象的理論知識(shí)生動(dòng)形象化，發(fā)揮化繁為簡、化難為易的功效。我從2011年正式開始生物化學(xué)的教學(xué)，至今已有10個(gè)年頭，在一輪又一輪的教學(xué)實(shí)踐中，在跟教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師的磨合里，逐漸掌握了一些比較好用的教學(xué)素材，借此機(jī)會(huì)分享，以期能與更多的老師交流。為了便于識(shí)別，我將素材進(jìn)行了簡單的分類。

1 多媒體類

1.1 歌曲：Biochemistry

應(yīng)用場景：緒論，第一次課前，不占課時(shí)

效果：提升好奇心，掌握專業(yè)詞匯biochemistry

推薦指數(shù)：★★★★★

自從某次會(huì)議被楊榮武教授推薦后，歌曲Biochemistry[1]已成為我每屆學(xué)生第一節(jié)生物化學(xué)課前的愉快體驗(yàn)，學(xué)生們踏歌而來[3]，屏幕上同時(shí)播放著歌詞，學(xué)生們?cè)谡n程開始前的好奇心中，在相互討論的嬉笑聲中接受了生物化學(xué)的第一個(gè)專業(yè)英文單詞：Biochemistry。

1.2 游戲：Amino acid game

應(yīng)用場景：氨基酸結(jié)構(gòu)介紹完畢后，向全班學(xué)生推薦，作為課后作業(yè)

效果：掌握氨基酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，熟悉氨基酸英文名稱

推薦指數(shù)：★★★★★

氨基酸是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元，其重要性不言而喻。但是，對(duì)于剛踏入生物化學(xué)大門的初學(xué)者來說，單是20種基本氨基酸的名稱和結(jié)構(gòu)通常就讓初學(xué)者心生膽怯，不知從何下手。而20種基本氨基酸側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)于今后學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)，以及酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)和功能都十分重要。因此，每到此時(shí)，本人都會(huì)向?qū)W生強(qiáng)烈推薦這款小游戲：amino acid game[4]。它是wiley公司旗下公開的生物化學(xué)教學(xué)網(wǎng)站動(dòng)畫版塊的一個(gè)內(nèi)容，采用經(jīng)典的“瞄準(zhǔn)-發(fā)射”游戲形式來提升對(duì)20種基本氨基酸的名稱與側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的指認(rèn)記憶，在反復(fù)游戲中快速熟悉20種基本氨基酸。射中1個(gè)與名稱匹配的氨基酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)得2分，滿分40分，經(jīng)過練習(xí)后，80%的學(xué)生都能在一天內(nèi)拿到滿分。Fig.1為氨基酸小游戲界面[4]。

圖1 氨基酸小游戲界面[4]Fig.1 Web page of the amino acid game[4]

1.3 視頻

1.3.1 ATP合酶的結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制 應(yīng)用場景：氧化磷酸化章節(jié)

效果：深入理解ATP合酶這個(gè)分子馬達(dá)的工作原理

推薦指數(shù)：★★★★★

視頻資源是教師手頭掌握量比較大的一類資源，尤其是短小精悍的小視頻，一般來說也比較好用。但是，一些原版視頻，面向初次接觸相關(guān)內(nèi)容的本科生播放時(shí)，要在課堂短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期效果，最好做漢化處理。

例如氧化磷酸化章節(jié)，在質(zhì)子的電化學(xué)梯度已經(jīng)建立后，質(zhì)子回流時(shí)如何帶動(dòng)ATP合酶這個(gè)分子馬達(dá)，通過3個(gè)β亞基精巧的構(gòu)象變化實(shí)現(xiàn)ATP的合成與釋放，視頻“ATP合酶的結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制(3分17秒)”，可以很好地幫助學(xué)生理解這一過程。但由于該資源是無字幕的全英文視頻，學(xué)生看2遍可能都無法領(lǐng)會(huì)其全部內(nèi)容，視頻效果大打折扣。疫情期間，教師自學(xué)視頻編輯軟件，給視頻加上了中英文對(duì)照字幕，學(xué)生觀看起來一目了然，能夠比較輕松地了解ATP合酶的工作原理。

1.3.2 蛋白質(zhì)測序 應(yīng)用場景：蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測定

效果：以核糖核酸酶A的測序?yàn)槔?，生?dòng)理解蛋白質(zhì)測序的主要環(huán)節(jié)

推薦指數(shù)：★★★★

蛋白質(zhì)測序是一個(gè)系統(tǒng)工程，包含一整套策略和步驟，課堂講解時(shí)，容易陷入普遍性策略的枯燥文海中?！暗鞍踪|(zhì)測序”這套視頻，以核糖核酸酶A為例，比較清晰地再現(xiàn)了針對(duì)具體蛋白質(zhì)的具體策略。其中包含若干小細(xì)節(jié)，例如色譜分離和紫外監(jiān)測等，可以幫助學(xué)生較好地回顧相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。同樣，資料也是全英文講解，經(jīng)過教師后期錄屏，添加中英文對(duì)照字幕，課堂播放效果明顯提升。總之，對(duì)于精美生動(dòng)的原版視頻，花一些時(shí)間做漢化處理，是非常必要和值得的，性價(jià)比很高。

1.4 網(wǎng)站：RCSB PDB

應(yīng)用場景：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能整個(gè)學(xué)習(xí)期

效果：增強(qiáng)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的感性印象，全英文課外閱讀材料

推薦指數(shù)：★★★★★

蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫RCSB PDB[5]是一個(gè)非常精美實(shí)用的網(wǎng)站，創(chuàng)建于1971年，今年剛好是數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建50周年。網(wǎng)站收錄大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，并且更新及時(shí)，值得跟蹤關(guān)注。該數(shù)據(jù)庫目前收錄了177 426個(gè)結(jié)構(gòu)，這個(gè)數(shù)字在10年前是63 776個(gè)，由此可見大分子結(jié)構(gòu)研究發(fā)展的迅猛態(tài)勢。教學(xué)中會(huì)經(jīng)常用到的1個(gè)版塊是Learn-Molecule of the month，該版塊每個(gè)月都會(huì)介紹1個(gè)明星分子。例如本月的明星分子是胎兒血紅蛋白(fetal hemoglobin)，主頁右上角赫然在目。點(diǎn)開后，一般會(huì)有3大段對(duì)明星分子的介紹，涉及結(jié)構(gòu)、功能、機(jī)制等，文字簡練，可讀性很強(qiáng)，對(duì)生化相關(guān)知識(shí)的整合很有益處，是非常好的課外閱讀補(bǔ)充材料。一般生物化學(xué)教材上提到的生物大分子，該網(wǎng)站幾乎都有介紹，例如血紅蛋白、膠原蛋白、ATP合酶、細(xì)胞色素c等。除了文字介紹外，還有精美的三維結(jié)構(gòu)圖，有些還配有動(dòng)畫內(nèi)容，結(jié)構(gòu)圖的源文件可以下載，用Rasmol等軟件可以打開仔細(xì)觀看研究。教師將該網(wǎng)站介紹后，學(xué)生在之后的課堂匯報(bào)環(huán)節(jié)講述到特定蛋白質(zhì)時(shí)，就引用了該網(wǎng)站大量的內(nèi)容，非常生動(dòng)，引人入勝。該網(wǎng)站的其他版塊，例如教學(xué)資源Educational Resources版塊，有海報(bào)、歷年年歷(竟然有中文版)和視頻等，也非常值得瀏覽。本人會(huì)把來年年歷做成臺(tái)歷，作為課堂匯報(bào)優(yōu)秀小組的獎(jiǎng)品，很受歡迎。Fig.2為 RCSB PDB網(wǎng)站首頁[5]。

1.5 軟件：RasMol

應(yīng)用場景：蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)章節(jié)

效果：自己動(dòng)手導(dǎo)入、觀看、研習(xí)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)

推薦指數(shù)：★★★★

RasMol軟件是一款分子圖像觀察小軟件，免費(fèi)下載?？梢源蜷_*.ent、*.pdb后綴的文件，包括前面推薦的PDB數(shù)據(jù)庫下載的結(jié)構(gòu)文件?？梢杂^看蛋白質(zhì)、核酸包括DNA和RNA、大分子復(fù)合物等的三維結(jié)構(gòu)，也可以對(duì)大分子結(jié)構(gòu)做動(dòng)態(tài)拉伸，還能找出蛋白質(zhì)中的氫鍵、二硫鍵、特定的α螺旋和β折疊等二級(jí)結(jié)構(gòu)，給感興趣的配體和基團(tuán)著色等。另外，可以顯示蛋白質(zhì)或核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)序列，是教學(xué)科研的好幫手。

2 實(shí)物類

2.1 自制實(shí)物：二面角紙模

應(yīng)用場景：蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)章節(jié)

效果：理解二面角Φ和Ψ，以及二級(jí)結(jié)構(gòu)的規(guī)則構(gòu)象

推薦指數(shù)：★★★★

蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)章節(jié)，關(guān)于肽鍵具有剛性和平面的性質(zhì)一節(jié)，有一個(gè)比較關(guān)鍵的概念，即圍繞α碳原子的2個(gè)二面角Φ和Ψ。由于內(nèi)容比較抽象，學(xué)生可能比較難以理解，利用A4紙制作課堂小道具(如Fig.3)，F(xiàn)ig.3A可以展示1個(gè)獨(dú)立的二面角在各角度的狀態(tài)，F(xiàn)ig.3B和3C是同一個(gè)紙模。Fig.3B是Φ和Ψ均為0°的情況，而Fig.3C是Φ和Ψ均為180°的情況，Φ和Ψ取其他角度時(shí)的狀態(tài)也能用該紙模自由呈現(xiàn)，從而體現(xiàn)2個(gè)二面角在不同取值時(shí)肽鏈的折疊狀態(tài)。課堂演示后，學(xué)生表示對(duì)于理解二面角有很大幫助。在后面講述蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的規(guī)則構(gòu)象α螺旋和β折疊時(shí)，該道具仍然可以用來強(qiáng)化二面角的概念，以及二面角對(duì)主鏈構(gòu)象的決定性作用。

圖2 RCSB PDB網(wǎng)站首頁[5] Fig.2 Homepage of RCSB PDB[5]

圖3 二面角紙模圖示 (A) 平面ABC與平面BCD構(gòu)成一個(gè)夾角為0°的二面角，兩個(gè)平面可以圍繞BC邊展開成0°到360°的任意角度；(B) 圍繞α碳原子的二面角Φ和Ψ，此時(shí)，Φ=Ψ=0°；(C) 圍繞α碳原子的二面角Φ和Ψ，此時(shí)，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 按圖索驥實(shí)物制作

2.2.1 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)紙模 應(yīng)用場景：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)章節(jié)

效果：具象感受DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，特別是分子表面的大溝小溝

推薦指數(shù)：★★★★★

圖4 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)紙模的制作步驟[6] Fig.4 The procedure of building a paper model of DNA double helix structure[6]

每次講DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，本人都會(huì)給學(xué)生看DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的紙質(zhì)模型(RCSB PDB網(wǎng)站可以下載[6])，還會(huì)要求學(xué)生每人親手做1個(gè)DNA雙螺旋的紙模，然后把它們連接成更長的DNA鏈。在這個(gè)過程中，學(xué)生們能夠深入理解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)，例如磷酸戊糖骨架在螺旋外部，堿基配對(duì)埋藏在螺旋內(nèi)部，堿基對(duì)之間36°的扭轉(zhuǎn)以及雙螺旋表面的大溝小溝是如何形成的等。Fig.4為 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)紙模的制作步驟[6]。

2.2.2 tRNA一二三級(jí)結(jié)構(gòu)紙模 應(yīng)用場景：tRNA結(jié)構(gòu)章節(jié)

效果：具象感受tRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

推薦指數(shù)：★★★★

可以做成紙模的還有tRNA的一二三級(jí)結(jié)構(gòu)(仍然在RCSB PDB網(wǎng)站下載[7])，非常有助于學(xué)生理解記憶tRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，例如tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)序列長度，含有較多稀有核苷，三葉草形二級(jí)結(jié)構(gòu)，倒L型三級(jí)結(jié)構(gòu)等。Fig.5為tRNA一二三級(jí)結(jié)構(gòu)紙模的制作步驟[7]。

圖5 tRNA一二三級(jí)結(jié)構(gòu)紙模的制作步驟[7]Fig.5 The procedure of building paper models of tRNA primary, secondary and tertiary structures [7]

3 總結(jié)

生物化學(xué)課程是生物學(xué)最重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程之一，為細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)等其他基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生入門生命科學(xué)具有特別重要的意義。如何在課程中通過傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的各種手段，廣泛而深入地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入生命科學(xué)的神奇世界，是每位教師面臨的挑戰(zhàn)。然而，只要用心用腦，回報(bào)也是異常豐厚的。深入其中，浸潤其中，對(duì)生命科學(xué)的理解逐年加深，也漸漸愛上生物化學(xué)，因?yàn)樗鼛缀鯚o處不在，無所不包，在日常生活中，在學(xué)生的畢業(yè)答辯會(huì)上，在科研工作中，在學(xué)術(shù)會(huì)議上，都有它的身影。希望本文所分享的點(diǎn)滴心得對(duì)于老師們提升生化教學(xué)有所助益，對(duì)于廣大學(xué)生學(xué)習(xí)生化有所幫助。