蛋白质数据库PDB在基础生物化学课程教学中的应用

摘 要：蛋白质的结构与功能是基础生物化学课程教学中的重点和难点，对生物化学课程知识体系的构建起至关重要的作用。蛋白质分子结构抽象，功能复杂，文章将蛋白质结构数据库中丰富的立体结构资源引入课程教学，对于提升学生的学习兴趣和教学效果起积极作用。

关键词：生物化学；蛋白质；PDB

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）01-0071-03

Abstract： The structure and function of protein are the key and difficult points in the teaching of Basal Biochemistry， which plays an important role in the construction of biochemical knowledge system. The structure of protein molecular is abstract and the function is complex. This paper introduces abundant three-dimensional structural resources in the protein structure database into teaching practice， which plays an active role in enhancing students" learning interest and teaching effect.

Keywords： biochemistry； protein； PDB

基础生物化学课程是农林院校农学类本科专业的一门必修课程，其课程的教学内容繁杂、抽象，对于教师的“教”和学生的“学”都是很大的挑战。在基础生物化学课程的教学大纲中，静态生物化学部分的内容主要包括蛋白质、核酸、糖、脂等生物分子的基本结构和功能，是整个课程知识体系的基础。在静态生化的内容中，蛋白质结构部分的内容占有非常重要的地位，对于学生理解蛋白质分子的功能，包括进一步掌握酶的催化机制和活性调控、理解动态代谢过程中的生化反应起到促進作用。因此，加强蛋白质结构和功能的教学有着重要的意义，并为学生未来相关专业课程的学习奠定基础。

学生在生物化学课程中初次接触到蛋白质结构的概念时，往往对于抽象的空间结构的把握比较欠缺，对于蛋白质的一级、二级、三级、四级结构的特征缺乏足够的理解。从而导致了对动态生物化学中代谢途径掌握起来比较吃力，比如在胰凝乳蛋白酶的催化机制、酶的活性调节等章节的学习过程中表现得尤为突出。究其根源，主要是由于学生对蛋白质分子的基本结构与高级功能之间相互联系的理解不够；同时，教材中的蛋白质结构展示缺乏立体感、相对单一，存在不足。因此，在针对本科阶段的基础生物化学课程的教学实践中，将蛋白质结构数据库中丰富的资源与课程教学相结合，将数据库中的蛋白质的一级、二级、三级、四级结构的信息直观地展示给学生，通过对蛋白质分子的立体结构进行三维观察，对于教学质量的提升将起到积极的作用。

一、蛋白质数据库（Protein Data Bank）简介

蛋白质数据库（Protein Data Bank，http：//www.rcsb.org/）简称PDB，是由Brookhaven National Laboratories（BNL）在1971年建立的，在1998年转由结构生物信息学联合实验室（Research Collaboratory for Structural Bioinformatics（RCSB））运行管理[1]。PDB数据库中主要包括蛋白质、核酸等生物大分子的3D结构信息，截止到2017年7月，数据库中累积了132055种生物大分子的结构信息。这些立体结构信息主要由X-射线晶体衍射、核磁共振（NMR）、冷冻电镜等技术建立，在生物医学、农业科学等相关研究领域有着广泛的应用[2，3]。

PDB数据库中生物分子的结构信息（PDB Entry）主要由以下7个部分构成，包括结构摘要（Structure Summary）、3D浏览（3D View）、注释（Annotations）、序列（Sequence）、序列相似性（Sequence Similarity）、结构相似性（Structure Similarity）、实验信息（Experiment）。在基础生物化学课程教学中，主要利用的是蛋白质分子的结构摘要部分的信息。以下简要介绍结构摘要部分的主要内容，第一部分是蛋白质分子的立体结构（立体结构可以在线预览，并可保存至本地运行）；第二部份包括分子的摘要信息（分子的名称、分类、提交日期、样品来源、引用文献等）；第三部分主要是分子的结构信息，主要包括对蛋白质序列和结构域的注释等，另外在实验数据部分还包括晶体结构数据、配体分子、提交历史等信息。PDB结构数据信息注释全面、明晰，以下文章中下载使用的蛋白质结构信息采用PDB数据格式（PDB Format）。

二、蛋白质三维结构信息在生物化学课程教学中的应用

在基础生物化学教学内容中，蛋白质结构与功能部分的教学是重中之重，而蛋白质三维结构又是此部分的教学重点和难点。将蛋白质数据库中的具有特殊功能的、并有精确三维立体结构的蛋白质分子引入到生化课堂，有助于提高学生对知识的理解和把握。

（一）蛋白质三维结构数据准备

PDB数据库提供方便的在线浏览模式，进一步为了教学的需要，也可以将目标蛋白质分子的三维数据下载到本地，并利用分子可视化软件RasMol离线浏览。RasMol软件可以在http：//www.rasmol.org网站下载并安装。

以人的脱氧血红蛋白（PDB ID：1A3N）为例[4]，首先下载人血红蛋白1A3N四个亚基的氨基酸序列（FASTA Sequence），学生可以对血红蛋白多肽链的序列信息建立直观的认识。同时下载脱氧血红蛋白（PDB ID：1A3N）的三维结构文件（PDB Format），保存至本地后，用RasMol软件打开后浏览，学生可以对分子的整体结构和血红素辅基的结合有更为直观的认识，帮助其理解。教师可以在课堂上对血红蛋白进行立体展示，并将蛋白质分子结构信息与课件整合，进一步促进教学效果的提升。

（二）蛋白质三维结构数据在蛋白质结构与功能教学中的运用

1. 深入理解蛋白质的基本结构，为掌握蛋白质功能奠定基础

蛋白质作为自然界中功能最为丰富多样的生物大分子，其复杂的结构起着决定性的作用。在本章的教学过程中，首先介绍蛋白质的一级结构的概念，通过在PDB数据库中得到的不同种类和功能的蛋白质，将其一级结构的氨基酸序列直观地展示给学生，能很好地促进其对抽象知识的理解。在了解蛋白质一级结构概念的基础上，利用PDB数据库中的蛋白质的三维空间结构信息，把具体的氨基酸残基序列与四种蛋白质二级结构相对应。比如血红蛋白（PDB ID：1A3N）主要由螺旋结构组成，其β链中的氨基酸残基6-16、21-35、52-57、59-75、102-119及125-143序列为α-螺旋，其余部分主要形成无规卷曲。在实际的教学过程中，可以直接将这些残基序列单独列出，带领学生一起在三维结构中找出相对应的信息，并对照教材中的蛋白质二级结构的结构特征进行对照讲解，对于学生理解抽象的二级结构概念有重要的意义。另外，还可以在PDB数据库中下载一些结构更为简单明了的二级结构组成的蛋白质，比如主要由α-螺旋组成的角蛋白（PDB ID：3TNU）[5]，还有主要由β-折叠（片层）组成的蚕丝丝素蛋白（PDB ID：3UA0）[6]等，将这些蛋白质特殊的功能、性质与其结构联系起来，提升学习兴趣，辅助教学工作。

在明确了整条多肽链的所有局部的二级结构的基础上，自然而然地引申出三级结构的概念。在三级结构的讲解中，可以进一步下载更多具有完整三级结构的蛋白质分子，比如人肌红蛋白（PDB ID：3ODQ）[7]，与教材中的例子相补充。通过对分子的三维结构的立体操作，对分子的表面结构特征和内部结构特征进行直观地观察，带领学生观察分子三级结构中的二级结构组成单元，并深入到分子内部，了解基团之间的互作关系。将抽象的分子结构具象化，促进学生完整地认识蛋白质多肽链的三级结构特征，并在此基础上引入由多条多肽链组成的蛋白质的四级结构，为下一步了解蛋白质的功能奠定基础。

2. 理解蛋白质结构与功能的关系，感受微观领域中的生命之美

蛋白质的多样的功能是由其精细复杂的结构决定的，形成立体结构的多肽链中氨基酸残基的动态变化，对蛋白质功能的形成有重要的意义。因此，以蛋白质的立体结构信息为基础，对其与配体结合前后的氨基酸残基中基团的微观改变进行讲解，对于学生真正掌握蛋白质的空间结构和功能的关系至关重要。比如血红蛋白与氧结合前后的氨基酸残基空间位置的改变，转录因子与DNA分子结合后发生的结构改变等。可以利用血红蛋白与分子氧结合的立體结构（PDB ID：3AQ5）[8]，引导同学将其与脱氧血红蛋白（PDB ID：1A3N）的结构进行对比学习，理解蛋白质功能和结构的对应关系；另外抑癌蛋白p53的转录调控功能与肿瘤发生密切相关，可以下载到p53的DNA结合状态（PDB ID：1TSR）[9]，帮助学生理解转录因子与DNA分子的互作及对下游靶基因的调控作用。教师可以在PDB数据库中找到更多的例子，让学生从更高的层次理解生物分子的功能及在生命活动中扮演的角色，感受微观领域中的分子之美，理解生命，敬佩生命。

三、结束语

本文主要对PDB数据库在蛋白质结构与功能章节教学中的运用进行了介绍。除此之外，PDB数据库中还包括大量蛋白质、核酸分子的结构信息，对于生物化学理论教学有重要的价值。比如酶学章节中酶分子的结构与功能关系，特别是学生比较难理解的酶的催化机制、酶的调控等课程内容；还有新陈代谢反应中关键酶的调控机制等，教师都可以在PDB数据库中找到相应的三维立体结构，辅助课程的教学工作。

蛋白质分子的功能丰富多样，是生命活动的重要参与者，是揭示生命现象奥秘的重要基石。蛋白质的立体结构研究是生命科学领域中的热点，不同种类、不同功能的分子的结构信息正以飞快的速度被不断更新。将蛋白质数据库中的分子结构信息作为生物化学课程教学的素材，开拓学生的视野，提高课程教学质量，对创新型人才培养目标的实现将起到积极的作用。

参考文献：

[1]Berman HM， Westbrook J， Feng Z， et al. The Protein Data Bank[J]. Nucleic Acids Research，2000，28（1）：235-242.

[2]王三山.生物大分子空间结构数据库（PDB）简介[J].生命的化学， 1991，11（2）：13-15.

[3]刘伟，黄伊子，李都悦，等.基于PDB数据库的三个RNA二级结构预测软件评估[J].生物信息学，2015，13（1）：35-39.

[4]Tame JR， Vallone B. The structures of deoxy human haemoglobin and the mutant Hb Tyralpha42His at 120 K. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr， 2000，56（7）：805-811.

[5]Lee H， Kim MS， Chung BM， et al. Structural basis for heteromeric assembly and perinuclear organization of keratin filaments. Nat Struct Mol Biol， 2012，19（7）：707-715.

[6]He YX， Zhang NN， Li WF， et al. N-Terminal Domain of Bombyx mori Fibroin Mediates the Assembly of Silk in Response to pH Decrease. J Mol Biol，2012，418（3-4）：197-207.

[7]Larson SB，Day JS， Nguyen C， et al. Structure of a crystal form of human methemoglobin indicative of fiber formation. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr，2010，66（12）：1316-1322.

[8]Igarashi J， Kobayashi K， Matsuoka A. A hydrogen-bonding network formed by the B10-E7-E11 residues of a truncated hemoglobin from Tetrahymena pyriformis is critical for stability of bound oxygen and nitric oxide detoxification. J Biol Inorg Chem， 2011，16（4）：599-609.

[9] Cho Y， Gorina S， Jeffrey PD， et al. Crystal structure of a p53 tumor suppressor-DNA complex： understanding tumorigenic mutations. Science，1994，265（5170）：346-355.

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