生物教学论文

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生物教学论文1

　　1 化学生物学实验

　　作为一门强调实验技术的学科, 化学生物学实验课程内容涵盖了合成化学、生物化学、分子生物学、生物医药等前沿研究在学科各方向的代表性工作, 诸如生物大分子的固相合成及质谱分析, 天然及非天然蛋白质的表达与活性表征, DNA及蛋白质的点击化学反应, 小分子与蛋白及蛋白质组之间的相互作用等[5]。每个实验内容都包括背景知识、实验设计、实验操作、分析讨论及总结与思考五部分。举例来说, 在“生物大分子的固相合成与质谱分析”实验中, 学生会首先简要了解生物大分子如核酸、多肽、蛋白质、脂类以及多聚糖的合成方法, 之后再以多肽的固相合成为例, 具体了解合成的原理、表征方式以及作为鉴定方式之一的质谱分析技术。实验内容上, 选取具有生理意义的胸腺五肽 (TP-5) 为代表进行手工固相合成[8]。TP-5是基本序列为H-Arg-Lys-Asp-Val-Tyr-OH的氨基酸片段。它具有免疫调节作用, 对恶性肿瘤及自身免疫性疾病等有着较好的疗效。TP-5合成后的处理及质谱鉴定完成后, 会引导学生对在实验中遇到的问题, 如氨基酸偶联对产率的影响等予以讨论。实验中, 使用哌啶和主要成分为三氟乙酸的切割试剂时, 需要在通风橱内进行操作并佩戴护目镜、口罩, 做好防护。三氟乙酸与N, N-二甲基甲酰胺 (DMF) 放热也可能会导致多肽变质, 因此DMF需要在处理过程中完全除去。沉淀多肽所需的冷却乙醚, 要在冰水浴中而非冰箱中冷却, 防止由于冰箱启动时闪烁起火而造成危险。多肽固相合成的其他方法以及固相合成技术在其他生物大分子中的应用也会留给学生做进一步的思考。通过完成这个实验, 学生能够理解多肽固相合成的原理、多肽/蛋白质药物及生物大分子的检测与鉴定技术, 为进一步了解蛋白质的半合成技术打下铺垫。

　　“蛋白质连接反应与蛋白质半合成技术”实验讲述了表达蛋白连接技术、内含肽 (Intein) 蛋白的自剪切原理及蛋白质翻译后修饰的重要生理意义。有了前面蛋白质全合成实验的铺垫, 蛋白质半合成的实验教学进展较为顺利。学习过生物化学课程的学生对蛋白质翻译后的修饰并不陌生, 体内各种各样的信号通路研究与修饰蛋白都密切相关。然而翻译后修饰的蛋白由于稳定性等方面的原因并非都可以从蛋白生物表达中直接获取, 而化学全合成则在合成分子量大的蛋白时存在困难, 因此, 蛋白质半合成就利用生物表达的方法得到自然化学连接中分子量较大的构建单元, 然后将化学合成的多肽与重组表达的蛋白质片段进行连接, 从而得到目标蛋白质。学生在实验中运用基于内含肽的蛋白质半合成技术完成泛素蛋白 (Ubiquitin) 的荧光标记, 并运用泛素水解酶及酶标仪来对产物的活性进行鉴定。实验操作中, 根据实验目的不同会使用到三种不同p H的PBS缓冲液。学生需要理解每一步当中使用不同p H的目的。在荧光标记泛素蛋白的步骤中, 我们发现问题最多的是将p H从3调节到6.8的实验细节。这个步骤需要一直在冰盐浴上操作以防止蛋白质的降解。前期实验结果表明, p H高于7会导致泛素酰肼蛋白水解而最终无法完成蛋白质的半合成。在实验进行中, 我们注意到在调节p H步骤上耗费较长时间、且没有注意控制温度的学生未能得到目的蛋白。但是, 积极地探索、思考问题的来源并寻求解决办法, 教会学生面对不理想的实验结果时如何进行分析并总结, 也正是课程教师想要传递给学生的, 因为这也是科学研究能够不断进步的动力。

　　“非天然氨基酸的定点嵌入与标记”实验包含了非天然氨基酸定点引入的原理及应用, 生物正交反应、点击化学的机理等。非天然氨基酸 (UAA) 上带有不同荧光、特定反应活性或光操纵性质的基团, 当通过遗传重组技术把它们引入到特定蛋白质 (如抗酸伴侣蛋白Hde A) 的特定位点后, 蛋白质就被赋予了新的性质, 从而可以研究它们与其他蛋白或蛋白质组的互作。本实验课程设计是在抗酸伴侣蛋白Hde A中定点引入带有炔烃的非天然氨基酸, 然后通过Click化学将它与带有叠氮基团的荧光分子Alexa Fluor 488相连, 再通过凝胶成像以及考马斯亮蓝染色检测连接反应。蛋白SDS-PAGE结果显示, 体系中有较多游离的Alexa Fluor 488存在, 而且由于信号较强, 影响目标产物的检测。这时, 我们将会引导学生讨论可能的原因是什么, 是反应效率较低, 还是荧光分子加入过量, 以及与之对应的解决办法。感兴趣的学生还可以在接下来的实验中进行探索, 尝试是否能真正解决问题。如若不能的话, 可能的原因又是什么等等。