《蛋白质化学》课程体系初探

摘要：《蛋白质化学》作为生命科学的一门专业选修课，是生命科学人才培养的重要组成部分。本文基于本科生从事创新性实验研究的需要以至今后进一步的科研需求，论述了在本科高年级开设《蛋白质化学》课程的重要性；并探索了课程的教学体系，从蛋白质结构、蛋白质研究的常用手段和方法、热点蛋白质的专题介绍、蛋白质组学等方面对课程体系进行设置。

关键词：蛋白质化学；课程体系；专业选修

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0219-03

一、开设《蛋白质化学》课程的重要性

21世纪是生命科学的世纪，生命科学的研究中，蛋白质科学的研究是热点和前沿。2001年，人类基因组草图由两个独立机构描绘出来，分别发表在《科学》杂志和《自然》杂志上，截止到2005年，人类基因组计划的测序工作也已经基本完成。然而，科学家们很快发现，人类基因组测序工作的完成，并不意味着生命科学研究的终点，相反，一个更具挑战性的任务放在每一位生命科学工作者的面前：了解基因的功能，即所谓功能基因组学。而蛋白质组学则是功能基因组学的重要研究领域，欲进行蛋白质组学的研究，了解蛋白质化学的相关知识和实验手段是前提和基础。目前，各大高校在生命科学学院基本都开设了《生物化学》必修课程，该课程阐述了蛋白质的相关基本知识，然而，对于从事蛋白质相关的创新性实验研究以及有志于今后从事蛋白质研究的学生来说，《生物化学》课程对蛋白质知识的讲授满足不了科研的需求，因此，在本科高年级进行《蛋白质化学》的授课是非常必要和迫切的。

二、《蛋白质化学》教学体系初探

目前，开设《蛋白质化学》课程的高校并不多，开设了这门课的高校，其教学体系也各有侧重，这主要是由于《蛋白质化学》课程的特点是内容多、难度大、更新快。立足于上海大学短学期制的教学实际，想要在短短十周内覆盖蛋白质化学的所有内容是不切实际的，因此，笔者对这门课程的体系设置所采取的总体指导方针是：立足基础、把握重点、推陈出新和结合实际。具体课程体系安排如下：

1.蛋白质的结构。这部分内容又分为两部分：蛋白质结构的理论篇和方法篇。理论篇中，主要对《生物化学》课程蛋白质结构的相关内容进行复习和提升。之所以要复习提高这部分内容，是因为蛋白质结构的相关知识是所有蛋白质研究的起点和基础，无论是分离纯化还是分析鉴定，又或者是研究蛋白质的相互作用，都需要这部分知识的牢固掌握，因此，对这部分基础内容，笔者认为，需要不遗余力地强化和巩固。而在教学中，笔者也发现，学生对这部分基础内容的掌握确实不够扎实，从氨基酸的英文三字母缩写，氨基酸在缓冲溶液中的带电性质，到二十种氨基酸对二级结构的贡献等，都需要强化记忆。在方法篇中，主要介绍蛋白质结构的研究方法，包括一级结构的研究方法和高级结构的研究方法。蛋白质一级结构的研究方法除了经典的Edman降解法之外，还有目前科研常用的质谱法，这两种都是直接测序的方法，另外介绍了更高效的间接测序法：基因测序法，也称重组cDNA技术，即由重组cDNA的序列倒推氨基酸序列。通过蛋白质一级结构的最新研究方法的介绍，使学生直接感受到科技的进步，激发学习的热情。蛋白质高级结构的研究最有效的两种手段是X射线衍射和核磁共振法，这两种方法的适用对象不同，也各有其优缺点。除此之外，对结构已知的蛋白质进行研究时，也可能会用到一些蛋白质结构的研究手段，如圆二色光谱（CD），主要用来研究缓冲环境、配体、离子等对蛋白质二级结构的细微影响。掌握这些内容，对于学生今后从事这方面的研究打下了良好的基础。另一方面，对已知结构的蛋白质结构信息的有效搜索和了解，对该蛋白的深入研究有很好的辅助作用，因此，对蛋白质数据库的了解和使用，就显得尤为重要。丰富便利的网络资源让蛋白质数据库的接近不再困难，如何有效查找相关信息成为学生的必修功课。我们向学生推荐了国际上最完整的也是最常用的蛋白质结构数据库：PDB数据库，包含了约7万个生物大分子的三维结构信息，信息量丰富且查找方便，是蛋白质研究者的利器。PDB数据库中的蛋白质信息可以下载并进行脱网研究和分析，这就需要一款可以查看和分析蛋白质结构的软件，Rasmol软件满足了这种需求。Rasmol软件是一款免费的小巧软件，却可以达到准专业级的水平。对于普通从事蛋白质研究的人员来说，这款软件是非常实用的。我们在课程中向同学们介绍了这款软件，也深得同学的喜爱和赞赏。

2.蛋白质研究的常用手段和方法。在对蛋白质结构知识掌握的基础上，教学进入下一个非常实用的环节：蛋白质研究的常用手段和方法。这部分内容也可粗分为两大块：蛋白质的分离纯化方法和分析鉴定方法。在蛋白质研究的常用手段和方法中，首先应该掌握的是蛋白质的分离纯化方法，它们是研究蛋白质的必备武器。这部分内容非常丰富，我们重点介绍了两大手段：聚丙烯酰胺凝胶电泳和蛋白质层析。电泳是生物化学实验中常用的实验方法，它既可用于核酸的分离分析，亦可用于蛋白质的分离鉴定。在了解基本的电泳原理的基础之上，明确各种电泳方法适用的对象以及各种形式的电泳所能够起到的效果就成了教学的重点和难点。蛋白质层析也包括了一系列的层析方法，如离子交换层析、亲和层析、凝胶过滤层析等，各种层析方法的原理不同，所能达到的效果、起到的作用也不尽相同，如何根据研究对象的不同，从而选取有效的层析手段来达到预期的效果就成了解决问题最关键的所在。蛋白质的分析鉴定手段也很多，有跟分离纯化相关的SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳、western blot的方法，也有酶联免疫吸附测定（ELISA）等。由于ELISA方法是基于抗原抗体的免疫反应，所以，教学过程中还要简单介绍一些免疫学的相关知识，使学生更好地掌握这部分内容。总体而言，在教学中，这部分的重点是对实验原理的讲解，使学生在掌握实验原理的基础上明白各种实验方法如何被正确运用到实际研究工作中去。在缺乏配套实验教学的情况下，如何让学生理解这些手段、如何在实际研究中得到运用成了笔者必须直面的问题。对此，笔者采取的方法是让学生阅读相关文献，每讲一种实验方法，就配套一两篇中英文文献，文献的内容以相应的实验方法为主，并解决了某个科研问题。文献的接触以中文文献开始，慢慢过渡到英文文献。借助文献，学生不仅可以牢固掌握相关实验手段的实验流程和所能解决的科研问题，也能深入理解实验方法对科研的意义和重要性，避免了学生学习蛋白质实验手段的盲目性。此外，文献还能帮助学生了解最新的科研进展，接触最新的科研领域，拓宽了专业的视野，为今后的研究打下良好的基础。

3.热点蛋白质的专题介绍。事实胜于雄辩。在蛋白质化学系统理论与方法教学的同时，插入一些热点蛋白质的专题介绍，可以充分调动学生的听课积极性。例如，2008年诺贝尔生理或医学奖授予发现和推广绿色荧光蛋白的三位科学家，那么，绿色荧光蛋白究竟是一个什么样的结构，它为何拥有如此优良的性质，学生对此具有强烈的好奇心，因此，介绍绿色荧光蛋白这一特定蛋白质的结构和性质时，学生就听得非常认真，教学效果自然很好。并且，通过绿色荧光蛋白专题，还增进了学生对生物发光以及生物标记等领域的了解。再比如，蛋白质的非正常聚集跟很多疾病如疯牛病、老年痴呆症（又称阿兹海默症）、帕金森症相关，那么，蛋白质的聚集究竟是由什么引起的，蛋白质聚集的过程中，它们的结构又发生什么样的变化，这些都是学生迫切想弄清楚的问题。通过对其中一两种疾病相关蛋白的介绍，使学生深切认识到蛋白质的结构对于维持机体正常功能的极端重要性。同时，将蛋白质聚集这样一个值得深入探讨的科研或医学问题在课堂上提出来，也可引导一部分极具潜力的学生去从事相关研究工作。

4.蛋白质组学。蛋白质组学是当今蛋白质研究的热点，因此，蛋白质组学的基本概念、常用方法和研究内容是课程体系的组成部分。但是，蛋白质组学又是一个方法多样、内容庞杂、综合性很强的领域，因此，教学的主要任务是使学生了解这方面的基本概念和内容。在研究方法上，除了第二部分我们介绍的常用研究手段外，蛋白质组学还综合运用了多种手段和方法，如双向电泳、生物质谱技术、蛋白质芯片和酵母双杂交等。借助于上海大学生命科学学院的有利科研条件，教学中还特别介绍和演示了原子力显微镜（AFM）、表面等离子体共振（SPR）等最新蛋白质研究手段，使学生真切感受到科研的魅力。

当今世界，生命科学研究可谓自然科学研究的朝阳，而蛋白质研究又是生命科学研究朝阳中的晨曦，作为21世纪的大学生，牢固掌握蛋白质化学的基本内容和实验方法，了解蛋白质研究的前沿和热点，是战略性的重要任务。本文从蛋白质结构、蛋白质研究的常用手段和方法、热点蛋白质的专题介绍、蛋白质组学四个方面对《蛋白质化学》课程体系进行安排。其中，蛋白质结构是基础，重点是蛋白质研究的常用手段和方法，重点中又突出强调了实用的、新的研究方法，略去了一些不太常用的手段和方法，并且抓住热点蛋白质这些个最大的实际，充分调动学生的学习积极性，使学生从这门课中窥到蛋白质研究的全貌，为今后的科研创新铺平道路。