生物信息学在高中教学中的应用

摘 要：高中阶段的生物教材中，仅把生物信息学作为科普知识向学生做简要介绍。为了加强学生对它的直观认识，通过和学生共同探讨思考，利用现有的简陋条件，指导学生设计了相关的程序，取得了良好的教学和思想教育效果。

关键词：生物信息学；高中教学；编程

高中教材必修二的《基因的表达》这一章节中就介绍了有关生物信息学的概念和一些应用的实例。在这个内容的学习过程中，学生表达出强烈的兴趣。特别是当笔者提到需要编写程序时，学生感觉特别高深，但又表达出强烈的学习兴趣，愿意学习这个内容。经过和学生们再三思考讨论后，笔者发现Excel软件具备一些这样的功能。这个软件学生在通用技术上学习过，并且它自带了一款入门时简单易学的编程软件VB，所以这就为实验的开展打下了基础，我们所要做的就是将生物语言转化成计算机语言。

1.内容确定

我们选择高中教材必修二的《基因的表达》这部分知识，因为它和信息学更容易衔接。最后确定用于编程的生物学相关内容：（1）判断某序列是否为DNA序列；（2）将DNA序列转化成RNA序列；（3）将RNA序列翻译成蛋白质序列。

2.程序编写和调试

2.1软件选择

Excel2003版本。先将版本安全性调低，有利于宏的运行。方法：选择工具―宏―安全性（调低）。再打开Excel自带的程序编辑器，方法：选择工具―宏―VB编辑器。

2.2程序的编写

2.2.1判断某序列是否为DNA序列

设计思路：生物学原理是，如果序列中的字母不是A、T、C、G，则这个序列不是DNA序列。

2.2.1将DNA序列转化成RNA序列

设计思路：生物学原理是碱基互补配对原则，程序语言实现―字母的转换A-U，U-A，G-C，C-G。

2.2.3将RNA序列翻译成蛋白质序列

设计思路：生物学基础是蛋白质的密码子表。如果有AUG序列则翻译开始，如果出现UAA、UAG、UGA序列，则翻译终止。其他情况则根据密码子表逐一翻译。

最终通过一系列的编写调试，这三个程序编写成功。具体程序见附录1。并且举例验证其不光能够运行，同时也符合生物学原理，验证过程见附录2。

3.实验总结

学生参与这个实验后，对学科之间的交叉有了直观、深刻的认识，并切实提高了对学习的浓厚兴趣。他们在总结讨论表示：原本以为Excel已经很精通了，不曾想到这么简单的东西还可以用来做这么深奥的学问，由此带来的震撼和体会特别巨大。他们深刻地感到，知识不再是为了应付考试而存在的抽象空洞概念，而是可以切切实实用于解决问题的工具。同时，由此带来的学生课堂学习态度的变化非常明显，教师们明显感觉到学生上课过程中眼中带着对知识的渴求。

笔者对这个实验带来的这些意外惊喜效果也感触颇深。教育是一门艺术而不是技术，它完成的质量的高低，取决于教师付出多少努力和心血。切实地去思考去做去完善自己的教育理念，一定会比单纯地说教更能取得良好的效果。

[附录1]

1.判断某序列是否为DNA序列

Private Function TX（DNA）

Dim a， i As Integer；Dim B， c As String

a = Len（DNA）；B = UCase（DNA）

For i = 1 To a

If Mid（B， i， 1） =“A”Or Mid（B， i， 1） = “T” Or Mid（B， i， 1） = “C” Or Mid（B， i， 1） =“G”Then

Else：Exit For

End If

Next i

If i = a + 1 Then

c =“是基因序列”

Else：c =“不是基因序列”

End If

TX = c

End Function

2.将DNA序列转化成RNA序列

Private Function Trc（DNA）

Dim a， i As Integer；Dim B As String

a = Len（DNA）；B = UCase（DNA）

For i = 1 To a

If Mid（B， i， 1） =“A”Then

Mid（B， i， 1） =“U”

ElseIf Mid（B， i， 1） =“T”Then

Mid（B， i， 1） =“A”

ElseIf Mid（B， i， 1） =“C”Then

Mid（B， i， 1） =“G”

ElseIf Mid（B， i， 1） =“G”Then

Mid（B， i， 1） = “C”

End If

Next i

Trc=B

End Function

3.将RNA序列翻译成蛋白质序列

Private Function Trs（RNA）

Dim a（64）， B（64） As String；Dim d， e， f， i， j， k， l As Integer；Dim P， Q， R As String

a（1） = “UUU”：B（1） = “-F-”；

a（2） = “UUC”： B（2） = “-F-”；

a（3） = “UUC”：B（3） = “-L-”；

a（4） = “UUC”：B（4） = “-L-”；

a（5） = “CUU”：B（5） = “-L-”；

a（6） = “CUC”：B（6） = “-L-”；

a（7） = “CUA”：B（7） = “-L-”；

a（8） = “CUG”：B（8） = “-L-”；

a（9） = “AUU”：B（9） = “-I-”；

a（10） = “AUC”：B（10） = “-I-”；

a（11） = “AUA”：B（11） = “-I-”；

a（12） = “AUG”：B（12） = “-M-”；

a（13） = “GUU”：B（13） = “-V-”；

a（14） = “GUC”：B（14） = “-V-”；

a（15） = “GUA”：B（15） = “-V-”；

a（16） = “GUG”：B（16） = “-V-”；

a（17） = “UCU”：B（17） = “-S-”

a（18） = “UCC”：B（18） = “-S-”

a（19） = “UCA”：B（19） = “-S-”

a（20） = “UCG”：B（20） = “-S-”

a（21） = “CCU”：B（21） = “-P-”

a（22） = “CCC”：B（22） = “-P-”

a（23） = “CCA”：B（23） = “-P-”

a（24） = “CCG”：B（24） = “-P-”

a（25） = “ACC”：B（25） = “-T-”

a（26） = “ACA”：B（26） = “-T-”

a（27） = “ACG”：B（27） = “-T-”

a（28） = “ACU”：B（28） = “-T-”

a（29） = “GCU”：B（29） = “-A-”

a（30） = “GCC”：B（30） = “-A-”

a（31） = “GCA”：B（31） = “-A-”

a（32） = “GCG”：B（32） = “-A-”

d = Len（RNA）：P = UCase（RNA）

For i = 1 To d

Q = Mid（P， i， 3）

If Q =“AUG”Then

l = l + 1

ElseIf （Q =“UGA”Or Q =“UAG”Or Q =“UAA”） And l 0 Then

Exit For

End If

If l 0 Then

For j = 1 To 64

If a（j） = Q Then

R = R & B（j）：i = i + 2

End If

Next j

End If

Next i

If l = 0 Then R =“无起始密码子”

Trs = R

End Function

[附录2]

1.打开Excel 2003选择工具―宏―安全性（调低）

2在左侧工程-VB Project窗口空白处右击―插入模块

3.将附录一中的程序复制粘贴于此处

4.测试过程

（1）判断某序列是否为DNA序列

Excel的单元格A1中输入的是DNA序列；A2单元格输入的不是DNA序列

在C1单元格中输入=tx（a1）；C2表格中输入=tx（a1）

（注：TX是我们编写的宏程序代码）

测试结果成功，能够判断其是否为DNA序列，如果是则输出“是基因序列”，否则输出“不是基因序列”。

（2）将DNA序列转化成RNA序列

如果经过1步骤测试是DNA序列，我们可以将它翻译成RNA序列

A1单元格中输入DNA序列，我们在E1单元格输入=trc（a1）

结果E1单元格返回代码值是转录后的序列，并且测试结果符合我们生物学原理

（3）将RNA序列翻译成蛋白质序列。

A1单元格中我们输入的是有起始密码子和终止密码子的RNA序列

A2单元格中我们输入的RNA序列没有起始密码子

在A4单元格中输入=trs（a1）；在A5中输入=trs（a2）

测试结果成功，并生物学原理：A4中输出的是序列翻译后的结果，A5则输出“不存在起始密码子”。

参考文献：

林卓然.VB语言程序设计[M].电子工业出版社，2009-01.

作者简介：沈亮余，男，1986年12月，理学硕士，就职于四川省大竹中学，研究方向：高中生物教学。