分子可视化技术在生物化学课程教学中的应用

范三红 张斌 白娟 韩兆雪 肖亮 张大鹏 潘君风

摘要 介绍了目前主要的分子可视化插件及技术特征，并以DS Visualizer ActiveX和JSmol为例，探讨了如何在PPT和网页中嵌入交互式分子可视化模块。旨在供高校生物化学和分子生物学教师参考，以激发学生的学习热情，提高教学质量。

关键词 分子可视化；生物化学教学；DS Visualizer ActiveX；JSmol

中图分类号 S-01 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）04-0246-03

Application of Molecular Visualization Technology in Biochemistry Teaching

FAN San-hong，ZHANG Bin，BAI Juan et al （College of Life Sciences，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100）

Abstract This paper introduced the main molecular visualization plug-ins and their technical characteristics，and used DS Visualizer ActiveX and JSmol as examples to explore how to embed the interactive molecular visualization module in PPTs and Web pages.The purpose is to provide a new method to biochemistry and molecular biology teachers in colleges and universities in order to ignite the students′ learning enthusiasm and improve teaching quality.

Key words Molecular visualization；Biochemistry teaching；DS Visualizer ActiveX；JSmol

生物化学是高等农林院校园艺、农学、林学、植物保护、资源与环境、动物医学、动物科学、食品等大生物类专业的基础课，也是生物技术、生物科学与生物工程专业的专业基础课。生物化学、分子生物学和细胞生物学共同呈现了生命现象运转调控的微观机制，对相关专业学生形成并掌握现代生物学知识体系具有重要意义。因而，如何深化生物化学课程改革、提高教学质量一直是农林高校生物类专业学生培养的关键环节。

生物化学教学内容主要包含3个部分：生物分子的结构与功能、物质与能量代谢、以中心法则为核心的信息传递与转换。无论哪一部分，归结到本质都是分子的结构与功能问题，都是通过大分子与小分子、大分子与大分子之间的互作来实现的。如氧气在血液中的运输是通过氧与血红蛋白的分子互作来实现的，血红蛋白在肺部与氧结合而在缺氧组织中将氧释放的特征取决于每个亚基独特的结构及4个亚基之间的协同；TCA循环本质是一系列的酶催化反应，酶催化的过程是通过酶与小分子底物之间的互作完成的；乳糖操纵子的调控可看作阻遏蛋白及RNA聚合酶与DNA的相互作用，这种相互作用决定了乳糖代谢相关基因是否开启。微观的分子变化和互作是一个非常抽象的过程，这种抽象性是影响生物化学教学的重要障碍，而在课件和网络教学资源中整合分子可视化插件，将微观抽象的分子结构和互作过程形象化、交互化地呈现在学生面前将极大地激发学习兴趣，提高教学效果。如何利用各种分子可视化技术将微观结构和过程形象化，是生物化学课程教学改革的重要方向。笔者将主要探讨如何利用分子可视化技术将微观分子及过程可视化，以提高生物化学教学效果。

1 分子结构可视化呈现的3种方式

目前，将微观结构与分子互作过程可视化的形式主要有3种：视频、FLASH动画及分子可视化插件在PPT及网页中的嵌入。

分子动态视频的制作需要专业的视频开发人员和专业的教学人员相互配合，教学人员提供思路和脚本，专业计算机图形设计开发人员根据脚本开发对应视频。通过上述方法开发的视频通常效果很好，缺点在于交互性较差。Biochemistry 第4版的配套光盘中的视频片段就是通过上述方法开发而来。

FLASH动画是近几年流行的教学资源制作模式，通过这种方式可以形象地呈现分子的动态变化和互作过程。FLASH的优点是简明扼要、重点突出、交互性强，缺点是对分子结构的细节呈现过于简化，与真实结构具有较大差异。优秀的FLASH动画同样需要专业开发人员与专业教师配合，是各方面人员协作攻关的结果。

将分子可视化插件整合入PPT和网页是该研究主要介绍的方法。该方法以真实的分子结构数据为基础，呈现大分子空间结构及其与其他大分子和小分子的互作模式。该方法的特点在于分子结构数据完全基于真实的数据，是真实结构数据的呈现，使得学生更直观地观测理解生物分子结构，理解生物分子互作模式。不足之处在于，虽然目前结构数据库中有大量结构信息，但结构信息大多是静态信息，如何将这些静态结构加以动态呈现，利用已有的结构信息揭示分子动态互作模式，需要教学人员进行精细挑选和精巧构思。

2 目前流行的分子可视化插件

将交互式分子可视化模块嵌入到网络教学资源或课件依赖于专业的分子可视化插件。早期用于分子可视化的软件有Rasmol和Pymol等，在教学过程中直接用这些软件打开结构数据进行讲解。后来MDL公司在Rasmol基础上开发出免费的浏览器插件Chime[1]。Chime在早期的生物化学和分子生物学网络交互教学资源开发中发挥了关键的作用，如《基因的分子生物学》第5版[2]的配套光盘中就采用了Chime浏览器插件。随着时间推移和JAVA、JAVA applet的流行，Chime逐步被免費开源软件Jmol[3-4]所代替，生物化学相关教学辅助内容开始使用Jmol开发，如《生物化学原理》第6版[5]的网络教学资源部分。近年来，随着JavaScript、WebGL、HTML5等技术在浏览器端的应用，开发者有逐步放弃JAVA applet的趋势。目前开发的浏览器端的分子可视化插件基本上都是基于JavaScript和WebGL，比如NCBI开发的iCN3D及大分子结构数据库RCSB采用的NGL[6]。当然，这些可视化插件不只是为了教学而开发，最重要的目标是开发出适用于所有主流浏览器的分子可视化插件，让研究者、学习者便利、个性化地展示分子结构、分子互作机制。

目前各種浏览器插件仍然在不断演化中，最终哪种会成为主流仍未可知[7]（表1）。在PPT中嵌入分子可视化插件是将该类技术引入生物化学课堂教学的关键。目前2种主要的插件DS Visualizer ActiveX和AxPyMOL分别由BIOVIA和Schrdinger公司开发，2个公司均为商业公司，上述软件为它们整个分子结构分析软件的部分模块。2个插件均基于ActiveX技术，可以便利地在PPT中整合分子结构及动态。2个插件系统也面临着要适应不同Office版本及不同操作系统的问题。

3 在课件中嵌入分子可视化插件

大分子结构与功能是静态生物化学部分的核心，利用分子可视化插件可直观地将分子结构、活性中心等呈现在学生面前，加速学习过程。下面以DS Visualizer ActiveX 4.1插件为例展示如何呈现蛋白质二级结构。首先下载安装DS Visualizer ActiveX（http：//accelrys.com/products/collaborative-science/biovia-discovery-studio/visualization-download.php），依据安装向导，安装完成后在安装目录下可打开PPT和网页嵌入实例。进入PowerPoint后，首先启动ActiveX，再进入PowerPoint选项、自定义页面，设置显示“其他控件”图标。在工具栏面板中点击“其他控件”图标，选择Accelrys DS ActiveX Control Class控件，在PPT页面选择区域插件显示区域。当显示区域设置好后，可以编写VB脚本控制分子结构呈现模式。编写脚本前首先构思如何呈现需要展现过程，然后根据构思编写脚本实现。比如讲解蛋白质二级结构中的α-螺旋，可按照图1所示的流程进行呈现。首先在PPT中插入分子可视化区域，在旁侧放置了一列按钮用于控制呈现区的内容和效果，然后编写每一个按钮点击后执行的VB代码。使用上述策略，可将蛋白质二级结构以不同视角、不同模式直观地呈现在学生面前，并突出氢键在α-螺旋结构形成中的重要性。

4 在网络教学资源中集成分子结构探索模块

建设网络教学资源的主要目标是巩固课堂教学内容和拓展学生视野。将分子结构模块探索模块整合入网络教学资源将强化学生对生物分子结构与功能的理解，增加学生探索微观生命运动机制的兴趣。与课堂教学过程相比，网络教学资源中的分子结构探索模块需要更强的互动性，让没有基础的学生更容易理解和入门。最早的生物化学教学资源中主要使用Chime插件，近年来主要采用的是Jmol和JSmol[8-10]，但这种情况最近有所改变，最主要原因是移动互联设备对JAVA在浏览器中的嵌入支持不够，开发者正在将相关技术转换到以JS、WebGL和HTML5。由于目前的相关教学资源仍以Jmol和JSmol为主，因而该研究仍以JSmol为主介绍分子探索模块在网页中的集成。图2是整合分子可视化模块探索DNA分子结构的网页（http：//biomodel.uah.es/en/model3/adn.htm），图的左侧为显示分子的JmolPane，右侧为解释文本，其中包含了3个交互按钮和2个交互复选框，点击按钮或复选框时会触发JS脚本，控制JmolPane区按照指令显示分子结构。Reload按钮控制分子的重新装载，Orientate按钮控制分子旋转到顶视，X按钮启动分子的卡通模式呈现；第1个复选框控制是否显示氢键，第2个复选框则控制是否显示磷酸戊糖骨架。实现上述交互的核心是在网页中嵌入JmolPane，并编写对应的JS脚本控制JmolPane。

5 结论与讨论

生物化学是从分子角度理解和解释生命现象的基础学科，其对现代生物类专业大学生知识结构建立的重要性无需赘述。该研究探讨了如何将分子可视化插件整合入PPT和网页，以提高教学效果、激发学生的学习兴趣。可以确定上述技术的运用必然能提高学生对抽象的分子结构的理解和认识，但运用上述技术还面临一些难点。首先，制作优秀的基于分子可视化插件的教学资源需要有一定的编程基础，只有这样才能灵活地对分子结构进行操作，以展现想要展现的角度和内容。其次，虽然目前有大量的分子结构，每一个结构都有自己的特点，需要从中挑选出代表性的结构，精细构思出呈现脚本，这样才能更好地帮助学生掌握和理解微观分子互作运动规律。另外，分子可视化插件技术，特别是基于网页的插件技术仍然在不断演进，原有的插件技术可能因为浏览器端技术的演化逐步被淘汰。无论怎样，利用分子可视化插件技术可提高生物化学教学质量是不争的事实，这种技术已被国外一些高校及重要生化教材所采用。笔者希望该研究能起到抛砖引玉的作用，使得分子可视化技术能被更多生物化学教师采用，以提高我国高校生物化学课程的教学水平。

参考文献

[1] 唐律，麦裕华，李景宁.基于Chime插件技术的网络分子可视化资源建设[J].大学化学，2008，23（4）：47-50.

[2] WATSON J D，BAKER T A，BELL S P，et al.Molecular biology of the gene[M].5th Edition.New York：Cold Spring Harbor Laboratory Press，2003.

[3] 李安邦.Jmol：新一代分子结构查看软件[J].中国医学教育技术，2011，25（3）：293-295.

[4] 白涛，马红艳.新一代分子可视化软件Jmol及其教学应用简介[J].化学教育，2012，33（11）：77-82.

[5] NELSON D L，COX M M.Lehninger principles of biochemistry[M].6th Edition.New York：W.H.Freeman & Co.Ltd.，2013.

[6] ROSE A S，HILDEBRAND P W.NGL Viewer：A web application for molecular visualization[J].Nucleic acids research，2015，43：576–579.

[7] Wikipedia：List of molecular graphics systems[EB/OL].[2016-11-01].https：//en.wikipedia.org/wiki/List_of_molecular_graphics_systems.

[8] MARTZ E.Free，Interactive Tutorials in Jmol[EB/OL].（2016-07-17）[2016-11-01].http：//www.umass.edu/microbio/chime/.

[9] HODIS E，MARTZ E，SUSSMAN J L，et al.Welcome to Proteopedia[EB/OL].（2015-12-27）[2016-11-01].http：//proteopedia.org/wiki/index.php/Main_Page.

[10] BARICH D.Biomolecules at Kenyon[EB/OL].（2016-05-27）[2016-11-01].http：//biology.kenyon.edu/BMB/biomolecules.htm.