探究醫學生物化學代謝部分授課技巧

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摘要：代謝是生命的四大基本特征之一，學好物質代謝才能更好地理解生命和疾病的分子本質。但生物分子結構復雜、內容抽象繁瑣、代謝途徑交錯成網、調控方式多樣，是公認的教學難點和學習的“痛點”。本文從五個方面介紹了代謝教學的方法與技巧，通過“五要素法”講授代謝的共同點，“點線面體”法架構代謝知識框架，串線回顧法達到課堂教學溫故而知新，案例導入法提高學習興趣，推導演繹法讓代謝轉化變得有規律可循。通過以上方法，化繁為簡，增加課程的趣味性和啟發性，提升生物化學的教學效果。

關鍵詞：生物化學；物質代謝；教學技巧；五要素法

代謝生物化學又稱為動態生物化學，主要講述糖、脂肪、氨基酸、核苷酸的分解、合成及相互聯系。由于生物分子結構復雜、代謝反應多、專業名詞長、調控方式多樣等特點，代謝被普遍認為是生物化學教學中的難點。代謝是生命活動的基本特征，是機體產生能量的來源。生長發育、遺傳繁殖、應激等過程均與代謝息息相關，因此代謝又是生物化學教學中的重點。掌握好代謝的通路、基本規律、調控方式、相互轉變、代謝異常所導致的疾病有助于學生更好地理解生命和疾病的分子本質。關于代謝部分的教學，有很多教師進行了有益的探索和改革，如文獻閱讀法[1-2]、思維導圖法[3]、平時成績法[4]，雨課堂[5]、翻轉課堂[6]以及虛擬增強技術[7]的應用等。這些方法主要側重于教學方式和技術，對于如何講好代謝，如何化繁為簡，讓學習代謝不再成為學生的“痛點”還值得探索。筆者根據多年教學體會，談一談我們的生物化學代謝的講授經驗。

1代謝教學“五要素法”

生物大分子代謝在體內形成一個巨大的網絡，步驟多、專有名詞難記、結構復雜。學好代謝，要善于抓住共同的點。筆者根據教學大綱，梳理了代謝教學的五要素，即“代謝部位、關鍵酶、調控方式、能量和代謝意義”。如同寫作文需交代“時間、地點、人物、事件”，這五個要素是代謝途徑中最核心的部分，是教學中的重點。雖然生物體內代謝途徑錯綜復雜，但五要素學習也有共性或規律，以下分別簡要闡述。(1)部位：不同的器官或細胞，基因表達有所不同，導致酶蛋白表達有差異，因此很多代謝具有器官和細胞特異性。在代謝器官方面教學中尤其要注意肝臟為主或肝臟特異性的代謝；從細胞部位方面，一般要掌握發生在線粒體還是細胞質。(2)關鍵酶是控制代謝速度的限速酶，也是代謝調控的靶酶。雖然一個代謝途徑有很多酶催化，但關鍵酶一般具有3個共性特點，即：常發生在代謝通路的起始步驟、不可逆反應，一般需能量參與，如糖酵解中的己糖激酶、脂肪合成中的乙酰輔酶A羧化酶、三羧酸循環中的檸檬酸合酶，都是第一步反應且不可逆。雖然檸檬酸合酶沒有消耗能量，但乙酰CoA是個高能化合物，所以也滿足上述的三個特點。(3)調控方式：代謝的調控一般指快速調控，包括變構調節和化學修飾兩種方式。變構調節最明顯的特點即代謝產物一般反饋抑制前面的關鍵酶，這符合化學反應的平衡理論。在講解中也可通過打比方，“市場上商品滯銷，企業需要減產”，讓學生比較容易理解。化學修飾調節一般是激素對代謝的調節方式，即激素結合受體后，激活胞內的腺苷環化酶(adenylatecyclase,AC)，導致cAMP升高進而激活蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)。合成代謝中的關鍵酶磷酸化一般表現為抑制；而一些分解代謝的酶磷酸化則表現為激活，如糖原磷酸化酶、磷酸化酶b激酶、脂肪細胞甘油三酯脂肪酶等。(4)能量：能量是物質代謝中的暗線，包括能量生成和消耗。一般分解代謝釋放能量，需要重點掌握的是葡萄糖和脂肪酸分解代謝的能量生成(ATP)計算方法。ATP的生成主要有底物水平的磷酸化和氧化磷酸化兩種方式。底物水平磷酸化有2個，分別存在于糖酵解和三羧酸循環，簡單記住就可以。氧化磷酸化是代謝途徑中脫氫產生的NADH和FADH2通過電子傳遞鏈實現的，而NADH和FADH2主要是三羧酸循環和脂肪酸β-氧化產生的。三羧酸循環可以歸納為“4321”，即4次脫氫產生3個NADH和1個FADH2，2次脫羧釋放2個CO2，1次底物水平磷酸化生成1個GTP。脂肪酸β-氧化則是每一輪反應產生FADH2和NADH各1個。合成代謝需要的能量一般是ATP，但UTP、CTP和GTP也參與了三大營養分子合成，如UTP參與了糖原合成、CTP參與磷脂合成、GTP參與蛋白質合成，在教學中要善于幫助學生歸納總結。(5)代謝的意義。生物化學教學中需重點介紹的代謝意義有三羧酸循環、磷酸戊糖途徑、糖異生、脂肪酸β-氧化、酮體生成、血脂代謝、氨代謝、芳香族氨基酸代謝等。教學中需要結合代謝所處的地位、中間物和產物功能、代謝正常或異常對機體的影響等方面進行介紹。教學中可以結合一些生化檢測報告、病例來講授，限于篇幅，這里不舉例說明。

2代謝“點-線-面-體”知識框架法

代謝難學，但是并非要求學生掌握代謝的每一個步驟、每一個酶或中間產物，但是代謝中重要的途徑、代謝中間物、相互聯系與轉化、整體的調控這個知識體系是需要掌握的。因此教學中要善于架構“點-線-面-體”這個學習框架。所謂“點”指的是重要的代謝中心點或交匯點，如葡糖糖代謝中的葡萄糖-6-磷酸、三大物質代謝交匯點乙酰CoA，以及參與很多物質合成的甘氨酸等。“線”是各個代謝通路，需要掌握線的“起點”“終點”和重要的“中間點”，以上述的五要素法開展代謝通路的具體教學。“面”是指四類生物大分子的代謝概況，要掌握重要分子的代謝池，如血糖、膽固醇、血脂、氨基酸、血氨、核苷酸的生成和去路。各類分子的代謝通過交叉點連接進一步形成“體”，這個層面主要在“代謝聯系與調節”這一章進行歸納和總結，教學中要注重講解機體通過細胞水平、激素水平、整體水平等層次對代謝穩態的調控。很多高校在代謝教學中喜歡布置同樣的一道作業題——要求學生繪制代謝網絡圖，目的就是為了讓學生頭腦中形成一個整體的代謝框架。

3課堂串線回顧法

溫故而知新。溫故不僅是學習者的事情，教師也有責任幫助學生復習，并通過溫故促進知新。很多有經驗的教師會利用課堂的前5分鐘，簡要回顧上一堂課的內容，帶領全體同學一起溫故，提高教學效果。為了提高學生的參與度，我的做法是隨機點名，請幾名學生說5~10個關鍵詞。老師把學生說的關鍵詞寫在黑板上，然后引導學生把這些關鍵詞串聯起來，一起回顧上次課所學的知識點。如回顧糖酵解時，學生常說的關鍵詞有葡萄糖、己糖激酶、丙酮酸、NADH、底物水平磷酸化、1,6-二磷酸果糖、胞質等[8]。通過關鍵詞，一方面老師可以更加了解學生對關鍵知識點的記憶效果，另一方面用這些關鍵詞串聯出整個代謝途徑，能幫助同學們強化對代謝過程和規律的認識。這種知識回顧方法比單靠老師講述的效果更好，因為學生可能被抽中發言，他們的上課注意力更集中，自主復習意識也更高。

4案例導入法

興趣是最好的老師，講授醫學生物化學代謝，最好從案例或疾病引入，引起學生的好奇心，在興趣的驅使下，學生的注意力會高度集中。如講授磷酸戊糖途徑，我們先給學生看“蠶豆病”的案例(一種遺傳病，患者食用蠶豆出現溶血、血尿)，讓學生了解發病癥狀，接下來講解葡萄糖代謝轉變成戊糖的過程，了解代謝中的關鍵酶和調控因素，最后解答發病原因。講解完畢，留給學生一些課后思考題，如“蠶豆病患者除了禁食蠶豆，臨床用藥有沒有禁忌？”“為什么葡萄糖-6-磷酸脫氫酶被列為產前篩查的主要項目？”通過案例和問題驅動式學習，學生對磷酸戊糖途徑、關鍵酶、NADPH的功能印象深刻。空軍軍醫大學張翔教授[9]在講授糖原代謝時，以自己五公里跑步過程中血糖水平的變化為案例，提出問題：為什么運動后血糖出現“下降-穩定-回升”變化，結合問題講解糖原分解過程并闡述原因。然后提出新的問題：如何提高5千米跑步的成績，跑前半小時補充葡萄糖可行嗎？通過問題解析，引出了運動醫學上的“糖原填充法(carbohydrateloading)”以提高體內糖原儲備。然后提出“穩態失衡后代償式恢復”概念，以及糖尿病患者注射胰島素后血糖水平出現蘇木杰效應(Somogyieffect)。這種層層遞進的案例/問題引導式教學過程中，學生學習的同時要作思考判斷，對于代謝過程和規律的理解都會更加深入。減肥是永恒的話題，生物化學中有多個知識點與減肥有關，因此可以結合減肥的機制來講授生物化學代謝。如講授β-氧化，我們一般會結合“左旋肉堿減肥”，肉堿作為脂酰CoA的搬運工，對于加快脂肪分解確實有重要作用。進而根據廣告宣傳的“蘋果酸+左旋肉堿”是減肥黃金組合，讓同學們從生化代謝的角度去分析其內在聯系。再如，趙晶教授[10]用代謝的整合和聯系來解釋減肥問題：長期節食減肥為何收效甚微？原來長期節食，機體會相應地下調糖分解酶和甲狀腺素水平，降低基礎能量需求。一旦恢復正常糖攝入，就會引起體重反彈。還有近些年興起的“生酮飲食減肥”(高脂低碳飲食減肥)，我們可以引入到酮體代謝的教學中，讓同學們對這種“吃肉減肉”的方法產生濃厚興趣，再講授酮體代謝過程、調控方式、酮血癥的特點，最后來客觀評價生酮減肥的效果與弊端。

5推導演繹法

代謝本質上是化學反應，生物體內的物質代謝轉變是有其規律的。死記硬背學代謝一定會很痛苦，老師要善于幫助學生推導演繹代謝過程。以糖酵解為例，糖酵解過程復雜，是學生們接觸的第一個代謝途徑，更加需要推導演繹讓這個過程變得易于理解。糖酵解從定義上是葡萄糖變成2分子丙酮酸的過程，那么意味著葡萄糖要一分為二。但是葡萄糖是環狀半縮醛結構(吡喃環)，很穩定，打不開怎么辦？根據酶促反應學說，需要讓底物活化起來，所以順理成章地講到第一步，己糖激酶催化ATP投入能量，產生6-磷酸葡萄糖。但是這樣一來葡萄糖兩邊不對稱，能量也不夠打開環，需要繼續投入能量，但此時葡萄糖上沒有類似6號碳上的-OH(筆者稱之為游離羥基)，怎么辦？接下來異構，6-磷酸葡萄糖變成6-磷酸果糖(呋喃型)，1號碳及羥基游離出來，可以繼續磷酸化，生成左右對稱的1,6-二磷酸果糖，然后就可以一分為二形成2個三碳化合物。講述的過程結合一些形象的比喻或俏皮話，如用“上帝欲使其滅亡，必先使其瘋狂”“舍不得孩子套不住狼，沒有ATP打不開葡萄糖”來形容葡萄糖活化的必要性。通過這種方式講解，教師和學生都不會感覺枯燥，而且記憶學習效果更佳。脂肪酸β氧化也適合進行化學反應的推導。β-氧化是一個螺旋式代謝途徑，每一輪的共同特點是β位的-CH2變成-CO，產生少2個C的脂酰CoA和乙酰CoA。但是線粒體內氧化還原反應不直接加氧，所以-CH2需要先脫氫(-2H)、加水(+H2O)引入氧、再脫氫(-2H)才能形成-CO基，最后硫解。根據化學反應特性來推導，學生更容易理解和記住脂肪酸β-氧化的四個步驟順序。類似的過程還有磷酸戊糖途徑，該途徑是6個C的葡萄糖要變成5個C的核糖，而生物體內C的釋放是通過脫羧生成CO2形成的，因此推導葡萄糖上要形成一個-COOH。而-CHO變成COOH需要加氧，所以也需要脫氫、加水、再脫氫，形成6-磷酸葡萄糖酸后，再進行脫羧，形成5個C的核酮糖-5-磷酸。通過演繹推導法，學生“知其然，更知其所以然”，學習效果大大提高。

6結語

代謝是現代醫學研究的熱點，關于代謝的新知識、新途徑在不斷增長，未來的生物化學教材可能變得更加復雜。因此，大學的教學不僅是知識的傳授，更應注意邏輯思維、批判意識、歸納能力和系統分析能力的培養。本文所列舉的教學方法，主要從代謝的共性、框架、課堂教學方法、學生分析能力和邏輯思維等方面，幫助學生化繁為簡，加強理論知識應用能力，提高學習效果。生物化學是公認的難學課程。為了激發學生學習興趣、活躍課堂氣氛，南京大學楊榮武教授[11]組織了四屆全國大學生“生物化學歌曲大賽”，引領“生物化學快樂學習”的新潮流，在全國高校和社會上引起強烈反響。教無定法、貴在得法，本文也僅是筆者多年教學的一點體會，肯定還有老師有更多的做法與經驗。無論什么方法，只要是以“學”為中心，以價值養成和能力導向為目標的教學改革，都值得提倡。教學是一門藝術，希望老師們發揚“教無止境”的教學藝術主義，持續優化教學方法、豐富教學素材，增加課程的趣味性和啟發性，不斷提升生物化學的教學效果。

參考文獻

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[9]張翔.微課《拯救你的糖慌—肝糖原的分解》

[10]趙晶.“代謝整合與調節”一章的在線教學內容升級設計.中國生物化學與分子生物學報,2020,36(11):1381-1384

[11]李玉璽,劉慧敏,楊榮武.運用《生物化學》歌曲，輔助《生物化學》教學.中國生物化學與分子生物學報,2021,37(3):401-406

作者：黃春洪  單位：南昌大學基礎醫學院生物化學與分子生物學教研室