以鳥氨酸循環(huán)為例探討生物化學(xué)課程教學(xué)方法及思政融入

李 帥,李佩瓊,劉清南△

(1廣州醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物化學(xué)教研室, 廣州 511436; 2廣州醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)教研室; △通訊作者)

在醫(yī)學(xué)院校的本科教學(xué)課程設(shè)置中,一般在大二開設(shè)生物化學(xué)課程。作為基礎(chǔ)學(xué)科,本課程內(nèi)容繁多,涉及面廣,機(jī)制復(fù)雜,因較難理解和記憶,常令大學(xué)生望洋興嘆。且通常與生理學(xué)同期開課,在學(xué)生中甚至流傳“生理生化必有一掛”的戲謔說法。因此,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,掌握代謝的內(nèi)容,尤其是學(xué)習(xí)代謝的邏輯和技巧,是醫(yī)學(xué)院校師生共同面臨的難題。本文旨在以氨基酸代謝中的鳥氨酸循環(huán)為例,分享教學(xué)方法和策略,以期為提高生物化學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量、開展課程思政提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 物質(zhì)代謝極為重要,其中循環(huán)代謝占有“半壁江山”的地位

生物化學(xué)是生命科學(xué)的重要基礎(chǔ)性學(xué)科,其中物質(zhì)代謝包括糖代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝、核苷酸代謝4個(gè)代謝模塊。代謝是生命的四大基本特征之一,學(xué)好物質(zhì)代謝才能更好地理解生命和疾病的分子本質(zhì)。而代謝中涉及的循環(huán)代謝有:三羧酸循環(huán)、乳酸循環(huán)、糖酵解和糖異生三個(gè)不可逆反應(yīng)的底物調(diào)節(jié)循環(huán)、β氧化循環(huán)、檸檬酸-丙酮酸循環(huán)、丙氨酸-葡萄糖循環(huán)、鳥氨酸循環(huán)、甲硫氨酸循環(huán)等,在生物化學(xué)課程物質(zhì)代謝中占有非常大的篇幅,但生物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,代謝途徑交錯(cuò)成網(wǎng),調(diào)控方式多種多樣,加上有諸多代謝并非是從頭分解或合成的單一方向代謝途徑,許多代謝過程是一個(gè)循環(huán)過程。因此,這些內(nèi)容是公認(rèn)的教學(xué)難點(diǎn)和學(xué)習(xí)的“痛點(diǎn)”[1]。

自古至今,沒有哪一種方法能夠滿足所有的教學(xué)需求。每一種技巧、方法和策略都是一個(gè)微分,我們把微分綜合利用好就是積分,因此做好“微積分”才是制勝的法寶。本文以氨基酸代謝中的鳥氨酸循環(huán)為例展開,比較和歸納生物化學(xué)代謝某一個(gè)點(diǎn),讓學(xué)生進(jìn)行梳理和總結(jié),并巧妙引入課堂思政,提高教學(xué)效果,解決教學(xué)難點(diǎn)。

2 教學(xué)方法和策略

2.1 將代謝內(nèi)容進(jìn)行類比總結(jié),梳理知識(shí)幫助記憶

為便于學(xué)生理解記憶,教師在代謝授課結(jié)束或即將結(jié)束時(shí),采用比較教學(xué)法將代謝中相似的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比總結(jié),并將同一類復(fù)雜的知識(shí)簡(jiǎn)單化,零散的知識(shí)系統(tǒng)化。比如重要代謝同工酶(不同亞型分布的酶)參與不同代謝的比較:氨基甲酰磷酸合成酶I(線粒體、尿素生成)和氨基甲酰磷酸合成酶II(胞質(zhì)、尿嘧啶合成);羥甲基戊二酸合成酶1(胞質(zhì)、膽固醇合成)和羥甲基戊二酸合成酶2(線粒體、酮體生成),以及磷酸甘油脫氫酶1和2,蘋果酸酶1和2,超氧化物歧化酶1,2和3等。此外,還可以比較不同器官(脂肪、肝臟、肌肉)的代謝異同等。這些關(guān)鍵酶和不同循環(huán)代謝,由于其涉及的內(nèi)容廣泛,進(jìn)行對(duì)比總結(jié)后有利于引領(lǐng)學(xué)生將不同知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來,既能加深對(duì)知識(shí)的印象,又能掌握規(guī)律,對(duì)學(xué)習(xí)生物化學(xué)代謝有很好的促進(jìn)作用。

2.2 立足科學(xué)研究歷史,引出人體尿素的合成知識(shí)

鳥氨酸循環(huán)是循環(huán)代謝之一,其代謝產(chǎn)物是尿素,因此該循環(huán)也稱為尿素循環(huán)。它是由諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Adolf Hans Krebs最早提出的[2],生物化學(xué)糖代謝中的三羧酸循環(huán)也是他的貢獻(xiàn)之一。首先,我們可以通過尿素的結(jié)構(gòu)式引出關(guān)鍵詞,即尿素,介紹尿素的科學(xué)發(fā)展史來引入課堂內(nèi)容。1773年化學(xué)家魯埃勒(Rouelle)將人尿蒸發(fā)得到的固體殘?jiān)?再用酒精抽提并蒸干,首次得到尿素結(jié)晶。后來人們用人工方法從無機(jī)物制得有機(jī)化合物尿素,打破了當(dāng)時(shí)流行的“生命力論”?！吧φ摗闭J(rèn)為含碳化合物是由奇妙的“生命力”造成的非人工可得,只有有機(jī)物才能產(chǎn)生有機(jī)物,破“生命力論”是科學(xué)的一大進(jìn)步[3]。此處是一個(gè)很好的思政切入點(diǎn),告訴學(xué)生不要一味地相信經(jīng)典,科學(xué)的每一次突破和進(jìn)步都是在前人的基礎(chǔ)上,先破而后立的。再回到正題,提問學(xué)生這個(gè)物質(zhì)的元素組成特點(diǎn)(含氮高),埋下一個(gè)伏筆:人體尿素中的兩個(gè)N元素分別來自哪個(gè)分子?

2.3 運(yùn)用多種教學(xué)方法,呈現(xiàn)主題內(nèi)容:鳥氨酸循環(huán)

教師總結(jié)歸納生物化學(xué)代謝反應(yīng)特點(diǎn),以問題為導(dǎo)向進(jìn)行學(xué)習(xí):由于代謝是一個(gè)從起始產(chǎn)物到終末產(chǎn)物的過程,任何代謝學(xué)習(xí)的邏輯都是掌握6個(gè)要素:底物、終末產(chǎn)物、酶、ATP消耗(生成)、反應(yīng)部位和調(diào)節(jié)。因此,尿素生成過程中要關(guān)注C和兩個(gè)N元素的來源。學(xué)生應(yīng)抓住重點(diǎn),帶著問題學(xué)習(xí)鳥氨酸循環(huán)的內(nèi)容。

教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注反應(yīng)調(diào)節(jié)酶,比較學(xué)習(xí)不同酶的作用:在起始階段,NH3、CO2和H2O在線粒體中氨基甲酰磷酸合成酶I的作用下,將有毒的氨活化為不穩(wěn)定的高能磷酸化合物,即氨甲酰磷酸,開啟鳥氨酸循環(huán)?；罨撬猩镔|(zhì)代謝的特點(diǎn),葡萄糖、脂肪酸、甘油等均要活化后才能進(jìn)入后續(xù)的各種代謝途徑中。所以氨基甲酰磷酸合成酶I是重要的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn),并聯(lián)系氨基甲酰磷酸合成酶II(胞漿)參與核苷酸尿嘧啶合成代謝。這說明催化的化學(xué)反應(yīng)雖然相同,但由于所在的部位不同,產(chǎn)物代謝的去路就不一樣。就像我們每個(gè)人,可能做的工作內(nèi)容一樣,但是因?yàn)樯硖幍沫h(huán)境和崗位不一樣,價(jià)值取向就不同。這也提示我們,每個(gè)人要到國(guó)家、社會(huì)切實(shí)需要的地方去發(fā)揮作用。

教師借角色扮演調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,參與課堂活動(dòng):鳥氨酸進(jìn)入循環(huán)反應(yīng)這一步驟也是在線粒體中進(jìn)行的,鳥氨酸和氨基甲酰磷酸生成瓜氨酸。此步驟及之后的過程讓學(xué)生參與進(jìn)來,氨基甲酰磷酸已經(jīng)提供了一個(gè)C和N,后續(xù)要關(guān)注N的走向和來源。請(qǐng)第一個(gè)學(xué)生充當(dāng)鳥氨酸的角色,持兩支不同顏色的筆代表鳥氨酸中的兩個(gè)N并置入學(xué)生上下口袋,氨基甲酰磷酸(第三種顏色的筆)結(jié)合鳥氨酸變成瓜氨酸,請(qǐng)學(xué)生觀察第三支筆應(yīng)該放在哪里。因?yàn)榘被柞Ａ姿崾桥c鳥氨酸遠(yuǎn)端的N結(jié)合在一起,因此,要把第三支筆和第一支筆放在一起。緊隨其后,瓜氨酸從線粒體中出來,第二個(gè)學(xué)生(天冬氨酸)手持一支粉筆(代表N)和瓜氨酸學(xué)生握手,形成精氨酸代琥珀酸。后續(xù)兩人分開,天冬氨酸學(xué)生失去粉筆成為延胡索酸,瓜氨酸學(xué)生再得到一個(gè)N(此時(shí)共4個(gè))變成精氨酸學(xué)生。最后,精氨酸學(xué)生裂解并失去新生成含2個(gè)N的尿素,僅保留2個(gè)N重新變回鳥氨酸學(xué)生。此后,鳥氨酸再次進(jìn)入線粒體,循環(huán)往復(fù),參與更多的尿素生成。鳥氨酸一次次參與反應(yīng)中,但最終并沒有損失自己的元素。請(qǐng)問這樣的分子在尿素生成中到底有無貢獻(xiàn)?怎樣看待鳥氨酸的價(jià)值[4]?在我們?nèi)祟惿鐣?huì)中,很多人就像鳥氨酸一樣,他們并沒有直接創(chuàng)造價(jià)值,而是提供一個(gè)平臺(tái),催化了價(jià)值的快速產(chǎn)生。比如物流公司-快遞員,再比如各種網(wǎng)購平臺(tái)、短視頻平臺(tái)等,給我們的生活帶來了很多便利,這也是這個(gè)時(shí)代的特征。

2.4 編制故事口訣,讓知識(shí)的記憶變得簡(jiǎn)單輕松

筆者從事生物化學(xué)課程教學(xué),深知本課程內(nèi)容繁多,很多內(nèi)容必須在記憶的基礎(chǔ)上才能拓展和深入。因此,在教學(xué)中編制口訣來記憶一些學(xué)習(xí)內(nèi)容就顯得非常重要。比如:合成嘌呤堿的原料有一碳單位、谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、CO2。編制記憶口訣:有(一)農(nóng)戶,種(谷)為生,靠(天)吃飯,天若不降(甘)霖,則會(huì)(碳)氣。鳥氨酸循環(huán)則有“一只鳥飛入林中,吃了氨基甲酰磷酸,變成吃瓜群眾,跑出林子時(shí)抬頭一望天空,有一群精兵騎著老虎,老虎被干掉變成了鹽湖,精兵見勢(shì)不妙尿了褲子,做鳥獸散”的口訣故事,既能活躍課堂,又能簡(jiǎn)化學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),增加對(duì)生物化學(xué)學(xué)習(xí)的信心,得到學(xué)生的認(rèn)可和贊許,提高了課程教學(xué)滿意度。

2.5 采用虛擬仿真教學(xué),“問道”代謝

教師采用虛擬仿真教學(xué),利用其沉浸感、交互性、想象性、互動(dòng)性等特征[5],可以克服傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的限制,特別適合生物化學(xué)的教學(xué)。虛擬仿真教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn),實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移。

筆者曾去過廣東羅浮山,一來參觀學(xué)習(xí)東江縱隊(duì)的紅色歷史,二來一睹名山美景。作為中國(guó)道教名山,晉代的著名養(yǎng)生家、丹道大家葛洪在羅浮山朱明洞留下“藥槽丹灶”。筆者親身感受,再多的文字介紹葛洪煉丹經(jīng)歷,不如親自在博物館觸屏處,“問道”葛洪怎么煉丹。即:點(diǎn)擊屏幕,從煉丹材料(丹砂、水、黃銅、鉛等)選擇合適的材料置入煉丹爐,只有正確的丹砂才能煉化為水銀,并再次添加硫粉,才能煉化得到純度高的丹砂,循環(huán)多次后得到高純的水銀或丹砂。這件事讓筆者很快對(duì)煉丹(其實(shí)就是化學(xué)反應(yīng))過程有了比文字學(xué)習(xí)更深刻的印象。這實(shí)際上是一種虛擬仿真的學(xué)習(xí)過程,因此,筆者認(rèn)為除了實(shí)驗(yàn)課適合開展虛擬仿真教學(xué)[6],生物化學(xué)理論課,尤其是代謝途徑的學(xué)習(xí)也非常適合仿真學(xué)習(xí)。我們嘗試用PPT動(dòng)態(tài)演示代謝途徑,得到學(xué)生認(rèn)可,后續(xù)開放虛擬仿真并用于生物化學(xué)教學(xué)中。目前正在籌劃階段,相信能取得不錯(cuò)的教學(xué)效果。

2.6 注重德育,以研促教,培養(yǎng)學(xué)生科研思維,提升教學(xué)效果

我們樹立“課程思政”理念,要強(qiáng)調(diào)學(xué)科教育應(yīng)具備360度德育“大熔爐”的作用。在中國(guó)高等教育發(fā)展進(jìn)程中,必須旗幟鮮明地提出,堅(jiān)持“立德樹人”是所有教育工作者的神圣使命,并且上升到戰(zhàn)略高度[7]。近幾年以來,高等教育要求我們?cè)谥v授知識(shí)的同時(shí),還要闡述知識(shí)背后的邏輯、精神、價(jià)值、思想、藝術(shù)和哲學(xué)。為此,我校實(shí)行全程導(dǎo)師制[8],不僅包含知識(shí)和技能層面的指導(dǎo),更強(qiáng)調(diào)道德層面的引導(dǎo)及心理層面的疏導(dǎo)。導(dǎo)師應(yīng)發(fā)揮師者人格魅力和知識(shí)素養(yǎng)的綜合影響,真正達(dá)到技術(shù)培養(yǎng)和素質(zhì)教育的融合。

從科研方面來說,最重要的是學(xué)以致用,最初始的學(xué)以致用就是把學(xué)到的知識(shí)用到自己的學(xué)科研究領(lǐng)域中去。筆者利用本科生導(dǎo)師的培養(yǎng)制度,結(jié)合自身多年從事腫瘤代謝的研究進(jìn)行課程內(nèi)容的講授。腫瘤細(xì)胞快速生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移,對(duì)氮的需要比較旺盛,腫瘤中有明顯的代謝重組現(xiàn)象。筆者引導(dǎo)學(xué)生提出科學(xué)問題:腫瘤中是否有鳥氨酸循環(huán)代謝的改變(增強(qiáng)/減弱),其作用和機(jī)制是什么?學(xué)生再去查閱有無相關(guān)研究的論文,最后再優(yōu)化科學(xué)問題。感興趣的本科生完成項(xiàng)目書的撰寫,并參加學(xué)校大創(chuàng)項(xiàng)目或者省級(jí)、國(guó)家級(jí)大學(xué)生課外科研。筆者注重對(duì)學(xué)生科研興趣的培養(yǎng)和科研思維的訓(xùn)練,以提升教學(xué)效果和學(xué)生滿意度。

此外,我校和學(xué)院每年都會(huì)設(shè)立大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目并給予基金資助,本科生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下自主撰寫和提交申請(qǐng)書,并參與校級(jí)答辯,以此為契機(jī)大力培養(yǎng)本科生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和開展科研的能力。以筆者所帶本科生來看,有4人次獲得校級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目立項(xiàng)、省級(jí)和國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng),2人次獲得全國(guó)生命科學(xué)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)并獲得研究生推免資格。我們還會(huì)繼續(xù)踐行這種方式,并不斷完善。

我們以生物化學(xué)課程中的鳥氨酸循環(huán)部分為例,結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐積累,采取合理的教學(xué)方法,可以極大降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度,提高其學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果,并且隨時(shí)將課本上的知識(shí)遷移、拓展到科研中去。這不僅僅是學(xué)生科研思維的初步訓(xùn)練、查閱文獻(xiàn)的簡(jiǎn)單動(dòng)手操作,更是結(jié)合了本科生導(dǎo)師制開展學(xué)科競(jìng)賽、課外科研的科研行為,并通過獲得獎(jiǎng)項(xiàng)、項(xiàng)目資助提高學(xué)生能力的同時(shí),達(dá)到了“讓學(xué)生獲得知識(shí),運(yùn)用知識(shí),并品嘗知識(shí)帶來的果實(shí)”的良好教學(xué)效果。