化学生物学教学探索与实践

　第26卷第2期2011年4月

大学化学

UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.26No.2

Apr.2011　化学生物学教学探索与实践

梁静　王兴涌　尹文萱

(中国矿业大学化工学院　江苏徐州221116)

摘要　立足于趣味实用,积极进行化学生物学教学内容以及教学方法的探索,旨在扩大学生的知识面,激发学生的兴趣㊂

关键词　化学生物学　教学实践　分子识别

20世纪后半叶,生物学取得了日新月异的进展,以基因重组技术为代表的一批新成果标志着生命科学研究进入了一个崭新的时代㊂人们希望从分子水平了解生命现象的本质,从更新的高度去揭示生命的奥秘㊂化学是研究分子的学科,经历了几个世纪的发展,特别是高效分离分析技术的出现以及选择性合成和手性合成的发展,人们已经具备研究复杂分子体系的能力[1]㊂将化学学科的理论和方法移植到生物学的研究中,可以更迅速地推动生物学的发展,化学学科同时也可得到新的发展契机㊂通过化学与生物学两大学科的交叉融合,于20世纪90年代诞生了一门新的的学科 化学生物学㊂

1996年,哈佛大学率先成立化学与化学生物学系(Department of Chemistry and Chemical Biology),同年Chemistry&Biology创刊,著名的Scripps研究所也于次年成立化学生物学的专门研究机构㊂在我国,北京大学化学与分子工程学院和药学院首先成立了化学生物学系,而后许多大学也都相继成立了化学生物学研究所,并开设化学生物学专业来培养本科生㊁硕士生㊁博士生[2]㊂为了适应学科的发展,促进学生知识体系的更新,我院于2004版应用化学专业培养方案中增设了化学生物学课程,希望通过这样一个窗口,开拓学生的视野,激发学生的兴趣,鼓励学生投入到这样一个具有广阔发展前景的学科㊂为此我们精选教学内容,提高教学艺术,尽可能将课程生动灵活地呈现于学生面前㊂

1　精选教学内容

化学生物学是一门新兴的交叉学科,涉及的领域很广泛㊂在最初出现的时期,化学生物学没有明确的学科定义,尽管有机化学家㊁生物化学家㊁分子生物学家都在讨论化学生物学,但对他们而言,化学生物学的含义是不同的㊂随着学科的发展,化学生物学学科方向逐渐清晰㊂正如Nature Chemical Biology 创刊号所言 Consistent with the diverse perspectives of its practitioners, chemical biology’has many defini⁃tions.In our view,chemical biology focuses on understanding biological systems at the molecular level and using these mechanistic insights to expand chemistry and biology in new directions.”作为此领域的带头人, Stuart L Schreiber教授[3]也指出 化学生物学是分子生物学的有力补充,分子生物学通过突变改变生物大分子如蛋白质㊁核酸的功能,而化学生物学则采用化学手段,如使用小分子或人工设计的分子作为配体直接改变生物分子的功能㊂”使用小分子活性物质直接作为配体,调控生物大分子的功能应是化学生物学学科的核心内容,因此化学生物学应当包括小分子生物活性物质的制备㊁高通量筛选㊁活性分子(药物)设计与研究㊁小分子与大分子的相互作用㊁调控机制或者干扰机制等,目的是为医学服务,发展新药物与新疗法㊂

化学生物学涉猎广泛㊂国外没有统一的教科书,授课形式多采取讲座的形式;国内也仅有马林㊁古练权教授编写的‘化学生物学导论“一书㊂对于怎样尽可能地将化学生物学的原本面貌和发展前沿呈现给学生,以及课堂教学究竟应讲授哪些内容,我们的措施是紧扣学科内涵,同时结合学生的认知水平选择教学内容㊂

我们经过认真的调研㊁讨论,将教学内容分为6大块:绪论㊁生物催化与生物转化㊁相互作用与分子

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识别㊁生命过程的调控㊁组合化学㊁生物技术㊂在绪论中讲授一些研究实例,然后从实例中总结出化学生物学所涉及的内容㊂比如化合物库的建造要涉及组合化学以及高通量筛选的知识;小分子与靶标的相互作用涉及分子识别,而源于生物体系的分子识别现在也可用于其他方面,比如超分子化学中的分子器件,分子开关以及分子印迹技术等都得到了广泛的应用;相互作用和分子识别介绍小分子与蛋白质㊁核酸㊁聚糖的相互作用,分子识别的物理基础㊁化学基础㊁立体因素等;小分子对大分子功能的调控还不可避免地涉及到很多生命过程中的化学机制,可重点介绍细胞信号转导㊁细胞周期㊁细胞凋亡的化学调控㊂化学生物学源自生物有机化学[4],因此在授课内容中包括了生物催化与生物转化一章,在此章中向学生介绍了催化抗体的概念以及一些研究实例㊂在化学生物学的研究中不可避免地要用到各种生物分析

技术,因此第6章为生物分析技术㊂本课程的教学重点是相互作用与分子识别㊁生命过程的调控㊁组合化学这3章㊂

学生初接触本课,总有这样的疑问: 化学生物学是不是生物化学的另一种叫法?”学完本课程之后,他们能明显感觉到化学生物学与生物化学有很大的不同㊂化学生物学包含了很多化学和生物学的前沿知识,是两门学科在更高层次上的交叉融合㊂

2　引导学生思考

看似复杂的生命现象实质上也遵循物理㊁化学的基本原理,扎实的理论基础对于学生理解深奥的生命过程非常有帮助,所以对基本理论一定要讲懂讲透㊂在此基础上还要善于引导学生,激发他们积极主动思考,将知识逐步深化㊂

例如,学生乍一听到分子识别,都感到非常神秘,人与人之间的识别是依靠神经系统的记忆机制,那么小分子与大分子之间,大分子与大分子之间是怎样实现这种 智能化”的过程呢?其实说穿了并不神秘,是依靠结合部位立体构型的镶嵌互补和官能团间的相互作用㊂相互作用又分为强相互作用和弱相互作用,尤其是弱相互作用(包括静电作用㊁氢键作用㊁疏水作用㊁螯合作用等)不但在维持生物大分子的高级结构及其功能活性中起着相当重要的作用,而且是分子识别的重要方式㊂在DNA中A与T㊁G 与C形成固定搭配,就是生命体系中最重要的一种识别㊂

这样通过一些具体的实例,学生已经将识别的机制认识得非常清楚了㊂如果到此为止,学生对分子识别的认识还只是停留在 面”上,不够深入,教师应继续引导学生思考㊂教师可进一步指出,分子识别导致了专一性结合,这种专一性结合还将引发某些功能,比如药物分子和受体的结合,通过大分子的构象变化和中间复杂的介导环节,将药物小分子的信息传递,引起细胞应答反应,调控细胞功能㊂相同的例子还有精卵融合㊁酶和底物的结合㊁抗体抗原的结合等,使学生认识到分子识别在生物体中所起的重要作用㊂然后引导学生思考:我们可以将分子识别应用于哪些方面呢?有的学生想到,如果这种专一性结合能够转换成光或电信号,可以做成传感器,从众多化合物中高选择性地检测出特定分子的存在及浓度;还有的学生想到可以实现选择性的物质运输㊂其实这些都是超分子体系很重要的应用,这样教师在后面介绍超分子化学时就显得顺理成章,水到渠成㊂学生经过自己的思索,都能认识到分子识别是超分子功能的基础㊂当讲到为了实现分子识别,我们可以为特定分子 量身打造”在空间结构和结合点位上完全匹配的受体,这就是超分子化学中基于分子识别理论迅速发展起来的一个新的研究领域 分子印迹技术(MIT),学生都有所触动,化学家绝妙的设想对学生的思维方式产生了极大的影响㊂这样在理论基础上,知识层层拓展,学生得到的知识是立体多维㊁有血有肉的,给学生印象极为深刻㊂学生认识到将化学学科的基本原理和技术方法应用于生物学科可以极大地促进生物学科的发展,同样将生物学的技术和方法应用于化学领域的影响也是不可估量的㊂

3　联系生活实际

学生当中有不少体育迷,一些著名运动员的服药事件令他们叹息㊂因此,在生物分析技术一节里,