分子生物学作用范文篇1

关键词研究生；分子生物学；实验教学；教学改革；师范院校

中图分类号G40-056文献标识码A文章编号1007-5739（2012）22-0336-01

分子生物学是从分子水平研究生物大分子的结构与功能从而阐明生命现象本质的一门科学[1]。自20世纪50年代以来，分子生物学已发展成为当前生命科学发展的主流，是目前最具潜力、最迅速的生命学科之一，成为研究生物学及相关科学的一个有力工具[2-3]。加强分子生物学实验教学，不仅有利于培养学生掌握分子生物学的理论基础知识和实验操作技能，而且有利于培养学生形成正确的科学研究素养和创造思维精神，让学生更好地进入科学研究领域[4]。

1面临的问题

师范院校研究生的分子生物学基础较为薄弱，学生大部分来源于省市级师范院校，“985”和“211”高校生源较少。师范类院校本科教育以培养中学教师为目的，更注重培养学生的理论知识，对学生的实验动手能力、创造性思维能力、科研素养等重视不够。同时，所读本科师范院校为省市级院校，学校师资、实验条件、资金等条件一般，较难进行系统规范的分子生物学实验教学。

当前师范院校硕士研究生培养时间为3年，学生进校第1年要进行文化课程学习，第3年要提前写毕业论文，做科研的时间相对较短。分子生物学是一门实践操作性很强的课程，大部分研究生的课题研究都需要用到。如何在较短的时间里提高学生的分子生物学理论知识水平，培养学生扎实的实验操作能力，增强分子生物学的科研素养，让学生更好地进入科学研究领域是分子生物学实验教学面临的最主要问题。

2改革的主要内容

2.1师资队伍

师资队伍是分子生物学实验教学首要环节。教师必须具备较强的科研素养，具有较长的分子生物学研究经历及不断获取国际先进技术和经验的能力。由于分子生物学的特殊性，教师最好具有在国外较有影响的分子生物学实验室学习工作的经历；同时，要承担有国家、省部级的科研课题。做为师范院校的学生，实验操作能力的提高是目前最为迫切的任务。分子生物学实验是非常细致的操作，因此具有较好的操作技能、未离开科研实验工作第一线的老师的实验演示对学生实验技能的掌握具有重要作用。同时，兴趣是最好的老师，教师对科研工作特别是对分子生物学的精到理解，对学生科研兴趣的培养尤为重要。具有较高造诣的分子生物学专任教师任教，有利于培养学生形成正确的科研精神和创新思维。要加大师资队伍建设，要让优秀的分子生物学专业且仍在科研实验工作第一线的教师投入到分子生物学实验教学的工作中。

2.2实验平台

实验平台是分子生物学实验教学的重要保障。分子生物学实验要用到较多大型的实验仪器，如PCR仪、分光光度计、冷冻高速离心机、凝胶成像系统等，需要投入大量的资金购买必备的实验仪器。另外，分子生物学实验对实验场地的要求较高，为保证教学效果，每位学生基本要做到每人独立实验。因此，在加强实验平台的建设上，要加大资金投入，建立独立专门的研究生分子生物学实验室；要让实验仪器公开化、常态化，提高实验仪器的使用率；要让每一个学生都有足够的机会操作实验仪器，让每个学生都能熟练掌握常用的分子生物学实验仪器。

2.3教材教学

教材教学是分子生物学实验教学的核心内容。师范院校研究生的生源不一，分子生物学基础差异较大，学生在研究生期间开展的课题对分子生物学掌握程度的要求又一样。因此，教材教学显得尤为重要。

2.3.1科学研究与实验教学相结合。打破传统的固定化的教学模式，更新陈旧的教学内容，把科研素质培养放在实验教学的第一位。教师要把科学研究的思维灌注于整个分子生物学实验教学过程中，适时将任课老师的科研项目引入到实验课程中来。研究生进入学校后，都会较早地了解自己在研究生阶段即将开展的课题的大致方向，因此要把实验教学与科研项目和研究生各自的课题联系起来。教师要以科学研究的指导思想来引领和统筹开展实验教学。

2.3.2教材讲授与专题讲座相结合。在教学内容上，教材讲授与新进展专题讲座相结合，注重科学研究的新发展，要适时邀请相关领域较有造诣的教授就某些专题进行报告。分子生物学是一门发展中的学科，注重科学研究的前沿讲授，让学生及时了解分子生物学的最新发展尤为重要。专题讲座有利于拓宽学生的科研视野，提高学生的科研思维能力，增强学生的科研素养，培养学生的科研兴趣，让学生及早由本科生的教材学习向研究生的科学研究过渡。

2.3.3基础实验与研究实验相结合。基础实验包括质粒DNA的提取、琼脂糖凝胶电泳、酶切鉴定、PCR技术、DNA的纯化、载体的构建、感受态细胞的制备、细胞转化、重组子鉴定、RNA提取等常规分子生物学实验。同时，让学生根据自己的课题科研需要，自主查阅资料设计实验，利用基础实验的常规技术进行研究实验。在实验过程中，任课老师可以定期组织学生汇报，也可附以邮件等方式及时解决实验问题。研究实验以上交毕业论文的形式进行考核，学生均要按照课题研究背景、研究目标、研究意义、实验方法、实验结果、分析讨论进行撰写论文，同时以小型答辩的形式让学生进行汇报，让学生参与讨论相互学习。基础实验培养学生的基本操作能力，研究实验提高学生运用分子生物学技术进行科学研究的能力和学生的科研创造力。

3结语

分子生物学是研究生课程教学中一门重要而又相对难学的课程。随着分子生物学在生命科学领域的应用不断深入，分子生物学实验技能的熟练掌握、运用分子生物学技术的能力对学生科学研究越来越重要。只有通过分子生物学实验教学的不断改革，才能迅速提高学生的分子生物学实验操作能力、有效增强学生的科研素质，为研究生科学研究工作的迅速开展奠定基础。

4参考文献

[1]郑用琏.基础分子生物学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]陈启龙，杨和建.分子生物学实验教学的探讨[J].黄山学院学报，2009，11（3）：136-138.

分子生物学作用范文篇2

关键词：医学检验；现代分子生物学技术；应用；趋势

目前我国科学技术得到飞速发展，在很大程度上促进了现代医学的发展，其中对现代分子生物学技术的应用也越来越多，而且从某一角度来看，现代分子生物学技术对医学的持续发展具有不可替代的重要作用。从整体上来看，基因克隆技术等现代分子生物学技术的出现，已经开始极大的影响到了现代医学发展，并随着逐步完成的基因测序工作，也很好的解决了原先一直得不到解决的难题。在逐步进入到后基因时代后，在生物学界也逐渐开始广泛的应用数理科学，这为生物学发展提供了新的方向，同时也为应用分子诊断技术提供可能。因此分子生物学技术在现代医学中的作用已经十分显著，在医学检验中可以加强对现代分子生物学技术的有效应用，这对多种疾病的有效诊断与治疗都具有重要的意义和作用。

一、现代分子生物学技术在医学检验中的应用

（一）分子生物传感器

分子生物传感器作为一种固定的化学、生物技术，具体指的是在换能器上固定好相应的动植物组织、微生物、细胞、受体、核酸、蛋白、抗原、抗体、酶等生物识别元件，如果待测物在检测过程中会与生物识别元件之间生产特异性反应，那么换能器就能够输出相关的反应结果，也可以检测到一定的光信号和电信号等，进而实现对待测物进行定量、定性分析，得到检验结果。目前在体液中核酸、小分子有机物、微量蛋白等多种物质检测中都已经广泛的应用分子生物传感器，能够为多种疾病的临床分析和诊断提供有价值的参考依据。在Skladal等人的研究结果中显示，压电传感器在经过寡核苷酸探针修饰后对血清中的HCV（丙型肝炎病毒）进行检测，并对其DNA的PCR（聚合酶链式反应）扩增以及结构转录过程进行实时监测，整个过程用时比较短，一般都可以控制在10min左右，而且这一检测装置还能够重复使用。

（二）分子生物芯片技术

随着科学技术的持续发展，人们对各种疾病的认识水平和程度都不断加深，再加上不断改进和优化的分子生物学，原先传统的医学检验技术已经不能很好的适应当前社会对全面、准确、快速、微量等检验要求。分子生物芯片技术作为一种新型检验手段，指的是在支持物上固定好大量的探针分子，固定好后与标记样品之间进行反应或杂交，然后根据自动化仪器检测到的反应或杂交信号来对样品中靶分子数量进行判断。另外就病原菌检测来说，目前已经完成了大部分病毒、细菌的基因组测序工作，并根据每种微生物的特殊基因制成具有代表性的一张芯片。这样一来，就看将可检测标本中有无病原体基因表达以及相关情况进行反转录，就能够有效的对患者感染和感染病源宿主、进程反应进行综合判断。

（三）分子生物纳米技术

目前在临床中用来检验生物活性物质的方法种类比较多，其中最基础、最关键的技术主要是以抗体为基础，这也是应用范围最广的一种检验技术比如当前在各种异生质以及生物活性物质检测中已经成功的应用了免疫分析联合磁性修饰技术。在纳米磁表面固定一定的特异性抗原或抗体，以化学发光物质、荧光染料、放射性同位素、酶等物质作为检测基础，相较于传统微量滴定板技术来说，该技术具有灵敏、快速、简单等多方面优势。在VanHelden等人的研究结果中显示，将快速、高效的化学发光免疫测定技术联合与抗体连接的纳米磁性微球组成自动检测系统，目前已经在HIV-1和HIV-2检测中得到成功应用.另外目前也已经建立了在人胰岛素检测中应用的全自动夹心法免疫测定技术，其中也需要借助碱性磷酸酶标记二抗、蛋白纳米磁性微粒复合物以及抗体。

（四）分子蛋白组学

随着相关人们对分子蛋白质组学的深入研究，目前已经获得了一定的成果，但是从整体上来说，部分结论还是存在着相互矛盾、众说纷纭等缺陷与不足，比如在以SELDI-TOF-MS（表面增强激光解析离子化--飞行时间质谱技术）为代表的蛋白质组学技术中不能很好的体现出部分具有代表性的肿瘤标志物。导致这一现象出现的原因主要包括以下几个方面：一是该技术自身就存在限制性，如重复性、敏感性，而且在具体检测过程中检测设备在确认每一峰值蛋白的时候都会存在一定的局限性；二是在选择对照组和实验组的时候是否合理，如果选择不合理的话，就会出现某一蛋白组模式反映的仅仅只是代谢紊乱、炎症反应或者是肿瘤的特异性；三是就不同的实验室结果来说，其标本处理过程差异、结果可比性等都难以确认。因此，如果在医学检验中需要加强对分子蛋白组学的广泛应用，深入解决这些问题尤为重要，也只有这样才能够在医学检验中将SELDI-TOF-MS技术的革命性作用充分发挥出来。

二、在医学检验中分子生物学技术的应用发展趋势

就在医学检验中分子生物学技术的应用发展趋势来说，主要体现在以下两个方面：一方面是定量PCR，另一方面是实现PCR的全自动化。比如通过对集检验与扩增为一体的一次性试验卡的应用，就能够很好的处理PCR污染的问题，或者是还可以推广和普及从制备到检测标本整个过程的相应自动化仪器以及全封闭系统，这对PCE交叉污染问题的有效解决具有重要意义和作用。目前在临床科研中，除了对PCR增强研究力度，同时也加强了对Q复制酶扩增系统、3SR（自限序列扩增系统）、TAS（转录扩增系统）、SDA（链置换扩增系统）、LCR（连接酶反应）等体外基因扩增技术的应用。另外人们也逐渐开始更加关注分子生物学技术的质量控制以及标准化两个方面，尤其是卫生部颁布、推广的PCR实验室管理办法，在很大程度上促进了PCR技术的健康发展。

结语：总的来说，随着不断成熟和完善的基因克隆技术以及基因测序工作，目前我国已经逐步进入后基因时代，现代分子生物学技术在各个行业和领域中的作用越来越重要，尤其是对于医学检验来说，通过应用现代分子生物学技术，不仅仅能够更加快速、准确的获得疾病检验结果，为患者疾病的确诊提供有价值的参考依据，同时也大大节省了医疗资源，对我国医疗事业的持续发展具有积极的促进作用。

参考文献：

[1]分子生物学技术在医学检验中的应用进展[J].王海英.当代医学.2011（06）

[2]现代分子生物学技术在医学检验中的应用[J].李鹏.临床和实验医学杂志.2007（03）

[3]为21世纪中国检验医学事业崛起而奋斗——写于本刊更名之际[J].杨振华.中华检验医学杂志.2000（01）

[4]四年制医学检验技术专业的培养目标及教学的思考[J].陈婷梅，尹一兵，冯文莉，涂植光.中国高等医学教育.2014（08）

[5]医学检验创新人才培养模式的构建与实践[J].张继瑜，王前，郑磊，裘宇容，亓涛，熊石龙，李海侠.中华检验医学杂志.2014（01）

[6]临床检验基础课程的实验教学改革与体会[J].曾涛，马丽.国际检验医学杂志.2013（12）

分子生物学作用范文篇3

[关键词]教学改革；分子对接；AutoDockvina软件；虚拟筛选；药物化学

药物设计是药物化学的重要研究内容，药物设计主要基于经典的药物化学原理、生物大分子的结构信息和已知化合物的结构信息，构建具有药理活性的小分子化合物，旨在提供候选药物，为创新药物的研究提供物质基础。药物设计学课程的目标是让药学本科生掌握药物分子设计的基本原理、研究内容和研究方法，建立药物分子设计的思路和理念[1]。分子对接(MolecularDocking)是两个或多个分子之间通过几何匹配和能量匹配而相互识别的过程[2-3]。分子对接在药物分子设计中具有十分重要的意义。分子对接也是药物虚拟筛选的一种常用方法，通过分子对接可以从化合物库中筛选出潜在的活性先导化合物，也可以揭示药物小分子和生物靶点之间的相互作用方式，预测化合物的亲和力及活性，也可以用于先导化合物的结构优化等[4]。目前，多重耐药菌以及耐药菌感染引发的死亡等问题已成为全球关注的医学与社会问题，严重地威胁着感染性疾病的治疗，为此迫切需要能够抵抗多重耐药菌的具有新结构与新作用机制的抗菌药物[5-6]。而细菌RNA聚合酶已成为最热门的一类抗菌药物靶标，开发其相应的抑制剂克服已有抗生素的耐药性具有重要的意义[7]。分子对接作为药物设计学课程中主要内容，既是学习的重点也是难点。笔者根据多年从事新型抗菌药物的研究经历，结合科研工作实践，在桂林医学院药学专业的药物设计学课程的教学案例中，以“虚拟筛选细菌RNA聚合酶抑制剂”作为教学切入点，以AutoDockvina、PyMOL和LigPlot等药物设计软件来进行虚拟筛选，通过自建的小型化合物库，虚拟筛选细菌RNA聚合酶抑制剂。本案例的设计目的是让学生熟悉如何从数据库选择合适的靶点作为研究对象，化合物库的构建，蛋白及小分子的预处理，以及AutoDockvina的对接流程，PyMOL和LigPlot的作图方法等，激发学生的学习兴趣，了解和熟练掌握通过虚拟筛选的手段从化合物库中发现新型活性先导化合物的方法。

1教学案例的设计

1.1软件介绍

AutoDock是由美国Scripps研究所的OIson小组开发的分子对接软件包[8-9]。AutoDock程序目前最新的版本为4.2.6。AutoDockvina是一个开源的分子对接程序[10]，最初由OlegTrott博士在Scripps研究所的分子图形实验室设计和开发的。AutoDockvina与AutoDock相比，前者大大提高了准确性，而且AutoDockvina可以利用系统上的多个CPU或CPU内核来显著缩短运行时间。AutoDockvina是目前最为广泛使用的虚拟筛选软件之一。PyMOL是一款经典的三维分子结构显示软件[11-12]。PyMOL已广泛应用于正式发表的科学研究文献中的三维分子结构显示。本教学案例使用的PyMOL版本为1.7.4。LigPlot是一款针对学术用户的软件[13]，是免费、开源二维的结构显示软件，可自动生成二维配体-蛋白质相互作用图，最新版本是LigPlot+v2.2，能够链接到PyMOL软件。

1.2AutoDock分子对接方法的建立

1.2.1小分子化合物库的建立在本次教学案例中，首先安排学生在课前进行化合物库的建立。从文献中收集具有抗菌活性的中药单体化合物，先使用ChemDraw软件绘制出单体化合物的结构，再用Caculations-MM2-MinimizeEnergy模块对小分子化合物进行能量优化，并保存成mol2格式。用raccoon软件将mol2格式批量转换为pdbqt格式，创建一个包含5个化合物(化合物1-5)的小型数据库。1.2.2蛋白的预处理从PDB数据库获取细菌RNA聚合酶三维结构(PDBID：3DXJ)。利用PyMOL1.7.4软件，保留蛋白的C和D链，除去其他链，除去水分子(保留D链的H2O1539)，除去金属离子，将处理好的蛋白保存为3dxjp.pdb。在AutoDock4.2软件中，将3dxjp.pdb添加氢原子，计算电荷，设置原子类型为AssignAD4type，并保存为3dxjp.pdbqt格式。1.2.3配体小分子的预处理利用PyMOL软件，从蛋白晶体复合物中提取出共晶配体NE6，并保存为NE6.pdb格式。将NE6.pdb在Chem3DPro14.0中使用MM2力场进行构象优化，保存为pdb格式。在AutoDockTools中的Ligand模块打开此配体，在Ligand模块中选择ChooseTorsions弹出的TorsionCount对话框，并保存为NE6.pdbqt文件。1.2.4设置Grid参数打开3dxjp.pdbqt和NE6.pdbqt，设置Grid参数，以蛋白的活性位点(centerx=-11.5，centery=58.49，centerz=4.587)为中心；设置x=50，y=50，z=50，xyz分别表示在各方向上的格点的数量；Spacing设置为0.375Å，设置完成后保存为grid.gpf文件。1.2.5设置Docking参数在AutoDockTools中的Docking模块打开保存好的两个pdbqt文件，SearchParameters选择遗传算法(GeneticAlgorithm)，NumberofGARuns设置为10，MaximumNumberofevals设置为250000，其他参数为默认，输出文件保存为dock.dpf文件。1.2.6执行运算在键盘运行win+R，输入cmd命令，使用cd命令进入工作文件夹。输入autogrid4-grid.gpf-lgrid.glg运行程序，输出grid.glg文件。再输入autodock4-pdock.dpf-ldock.dlg，输出dock.dlg文件。在AutoDockTools的Analyze板块中对dlg格式文件进行分析，保存最优构象。为检查Autodock4.2参数设置的合理性，将共晶配体NE6与蛋白3DXJ按上述参数设置进行分子对接，然后把对接前后的NE6的结构相比较。在VMD1.9.3软件中，对NE6和保存的最优构象计算均方根偏差(RMSD)值，如果RMSD值＜2Å，说明建立的分子对接模型可靠性较高。也可以利用PyMOL软件比较对接前后的共晶配体的构象(图1)，如果叠合度很高，也能说明对接模型的可靠性较高。

1.3AutoDockvina虚拟筛选

根据以上建立的分子对接模型，将对接参数写进AutoDockvina的配置文件conf.txt，这个文件里面写上用于对接的详细参数。然后通过win+R进入运行窗口，输入“cmd”进入命令行窗口，进入AutoDockvina工作文件夹。输入“vina--configconf.txt”，回车，运行该程序完成对接的虚拟筛选。所得对接结果如表1所示。对接结果显示Ser1084、Gln1019、Gly620、Leu618等关键氨基酸分别与化合物4上与氮原子直接相连的羰基、羟基及六元环上氧原子存在氢键相互作用；而其他氨基酸如Val1466、Trp1038、Val1037、Glu1034、Leu619、Asn617、Lys621、Ile1467等与该化合物有疏水作用。

2教学效果及学生反馈

在实际的教学中，学生对受体蛋白的预处理和对接过程会遇到一些困难，老师会重点解答同学们的以下几个疑问：(1)为什么要对受体蛋白进行加氢处理？蛋白晶体复合物结构中通常会缺少氢原子的坐标，而氢原子尤其是极性氢原子对计算静电作用是必须的。因此，在利用AutoDock进行对接时，需要给蛋白加上氢原子，也可以利用PyMOL软件来快速完成这个操作，依次点选Edit-Hydrogen-Add-Polaronly，加上的氢原子会以白色短线形式出现。(2)可以通过几种途径来准备配体小分子？①利用ChemDraw软件准备配体小分子。如果是未有文献报道的小分子化合物，先在ChemDraw2D画好结构式，然后复制到ChemDraw3D做能量优化。能量优化步骤：Caculations-MM2-minimizeenergy-Run，然后File-Saveas-SYBYL2(*.mol2)，留待在AutoDock中进一步处理备用。②利用PubChem数据库下载复杂分子。如果是已知的化合物，尤其一些结构比较复杂的分子，例如细菌RNA聚合酶抑制剂利福霉素(Rifamycin)，如果我们还是用ChemDraw2D来画结构式，会很容易画错，所以建议大家直接登录PubChem数据库下载2D或者3D结构。那么怎样选择一个合适的蛋白作为研究对象呢？在实际的课堂教学中，我们一般会建议学生基于如下条件选取晶体结构：解析度尽可能高、尽可能未有氨基酸残基缺失或突变、优先选择人源、有文献报道的且带有共晶配体的复合物晶体等。总之，我们建议同学们在不知道怎么选蛋白作为研究对象的情况下，就多看文献找思路。(3)如何在分子模拟水平上验证分子对接结果的可靠性？如果已经有明确的共晶配体分子的晶体复合物作为研究对象，我们在建立分子对接模型用于虚拟筛选之前，必须进行晶体复合物重现性研究，即Re-dock研究。也就是要用复合物中的共晶配体作为配体小分子，在AutoDock中设置相关参数，对接以后得到的构象，再与对接前的原配体的构象进行比较，以RMSD值来评价两者之间相似度的差距。一般认为RMSD＜2Å，才能说明对接后得到的构象与原配体差别较小，如果分子对接可以很好重现了复合物中蛋白与配体小分子的结合情况，即侧面证明了分子对接方法可靠性较高。本课程的授课对象为药学三年级的本科生，学生已学习过药物化学、生物化学、药理学等专业课程，具备一定的药学专业知识基础，也具有一定药学实验基础。但是，部分同学初次接触计算机辅助药物设计软件，专业外语的基础薄弱，导致在学习药物分子设计的软件过程中会遇到许多困难。通过对以上学情的分析，笔者在本案例的教学过程中，首先通过雨课堂的方式把相关药物分子设计的软件操作教程提前发送给学生，并录制软件的操作视频，让学生课前充分地熟悉软件的使用方法。在实际的课堂教学中，老师从小分子化合物库的构建及预处理，蛋白大分子的下载以及优化等最简单的步骤开始演示，对学生的疑问进行现场解答。鼓励学生自主学习与探索，采用小组交流讨论，鼓励同学之间互相帮助。通过这些举措，学生可快速学会软件的用法，显著提高了学生的积极性和学习兴趣。该教学案例的设计也融入药物设计学课程考核中，是重要的考核内容。药物设计学课程的成绩组成为：期评成绩=教学案例的课程作业+文献报告+课堂表现+PPT制作及讲解。我们要求学生在实施这个教学案例后，把分子对接的结果发送给老师，以及通过PyMOL和LigPLot软件制作小分子与蛋白靶标的相互作用图，通过PPT制作与讲解，鼓励和引导学生走上讲台，加深对知识点理解的同时，培养了学生分析解决问题能力、团队协作能力以及表达能力。在课后调研过程中，学生均表示了对药物设计软件的欢迎，也有同学表示在老师课堂演示之后，分子对接实践由学生自行开展，对软件的安装、熟悉和使用需要花费一定的时间精力，部分学生由于计算机基础较弱，学习具体操作存在一定困难，而被卡在某操作环节，这个时候更加需要老师和同学帮助其解决技术难关。调研结果同时表明，学生很喜欢这种极具实战性的药物分子虚拟筛选的案例课程，也希望学校多配置高性能计算机，多开展专门的药物设计软件的系统培训，从而帮助我校药学专业学生更好地熟悉软件的使用，提高学生药物分子设计和虚拟筛选的能力。

3结语