马蹄形投影式结合教学游戏、顺口溜协助学习单糖构型与分子结构

刘艳霞 刘 蕾 刘俊康

第三军医大学药学院天然药物化学教研室，重庆 400038

《天然药物化学》课程糖类的教学中，单糖的立体化学是难点，尤其是 Haworth透视式（Haworth representations）的构型判断，关键是要实现从单糖链状结构的Fisher投影式（Fisher projections）到环状结构的Haworth透视式的自然过渡，以往也有相应的报道[1-4]，但学生思维方式的多样性，要求有不同的方法协助理解。本文笔者提出“马蹄形投影式”帮助实现Fisher投影式到Haworth透视式的自然过渡，采用多媒体演示结合教学游戏帮助理解空间效应和原子间“力”的作用，此外，将《天然药物化学》“十一五”国家规划教材[5]中关于单糖立体化学及糖的分类部分内容概括成“单糖顺口溜”，协助快速记忆单糖分子结构及判断绝对（D、L）和相对（α、β）构型。笔者采用PBL教学法引导，马蹄形投影式与教学游戏、顺口溜结合，取得了良好的教学效果。

1 整体思路

教学实施过程中，依照提出问题→学生思考讨论→教员总结给出答案并提出新问题→学生再思考讨论→教员再总结给出答案的整体思路实施教学[6-7]。

1.1 问题一：单糖主碳链的原有形状是怎样的？

Fisher投影式主碳链为“线段状”投影，讨论中发现更多的学生认为主碳链是“锯齿形”，为了直观的阐述这一问题，借助示意图（图1）讲解。

由图1A可见，“锯齿形”主碳链会使羟基空间位置比较接近，互相排斥，而图1B中的“马蹄形”主碳链有效地解决了这一问题，所以从空间位阻的角度看，单糖的主碳链应该是“马蹄形”，而不是“锯齿形”。

图1 D-葡萄糖主碳链形状示意图

为进一步更全面的阐述“马蹄形”主碳链的合理性，笔者将Fisher投影式向右倾倒，右侧的基团以虚线连接，左侧的基团以实线连接，形成一种过渡型Fisher投影式，将其命名为“马蹄形投影式”。本文图2以D-葡萄糖（D-glucose，Glc）为例，演示从链状结构的Fisher投影式经马蹄形投影式到环状结构的Haworth透视式的转化。

由图2可见，马蹄形投影式存在下列特点：①链状结构的Fisher投影式（F式）向右倾倒形成1式，主碳链呈“马蹄形”，接近环状，相对直观地显示有利于成环的空间位置。②1式溶于水后，受到质子攻击，C1位醛羰基形成羟基，因醛羰基两侧化学环境相似，质子可以分别从两侧攻击，因最末端手性碳C5位羟基在右侧，所以质子从右侧攻击形成α-D-葡萄糖，从左侧攻击则形成β-D-葡萄糖。2式演示质子从右侧攻击形成α-D-葡萄糖。③从2式可看出C5位羟基与C1位正碳离子中心空间距离较远。为了降低环张力，成环前C5旋转120°。④2式到3式的转化中，因空间位置的变化，导致投影式中虚实线条改变。反之，通过线条的变化，可以直观的看出旋转120°带来的空间位置转变，从而较易理解Haworth透视式中构型的判断与其对应的Fisher投影式相反。

图2 马蹄形投影式演示D-葡萄糖从Fisher投影式到Haworth透视式的转化

1.2 问题二：C5为什么旋转120°？

教材中概括“为了降低环张力，成环前C5旋转120°。”描述比较笼统，学生较难完全理解。理论上讲，如果空间位置允许，单糖分子中的单键都是可以自由旋转的，在旋转的过程中，碳正离子中心和氧原子的孤对电子存在着异极相吸的作用，其空间距离逐渐拉近，在此过程中，分子中其他原子的位置也随之适当调整，最终C5旋转120°，到达环张力最小、最有利于成环的位置，即3式所示的位置。由此可见，C5旋转120°的过程是一个在“力”的作用下逐渐完成的过程。

实际教学中，仅采用多媒体演示，仍不够直观，而且不易解释“力”的作用。因此笔者设计教学游戏——人体单糖模型，通过游戏教学，充分调动学生的眼、手、脑，满足学生探根究底的好奇心，激发学生对枯燥的化学结构的学习兴趣。具体方法为：两位同学背对背站立，为一个碳原子，四只手臂按照分别约成108°伸开，比拟碳原子的四个化学键，键合羟基和氢的键，佩带不同颜色手套以示区分，碳原子与碳原子的键合通过牵手表示，两只手臂平行排列表示羰基。指导学生从图2中“1”式演示到“H”式，并能演示优势构象式的“N1”式、“1N”式、“C1”式和“1C”式。 实际演示的过程中，请 C1和C5的同学手持磁铁，一个N极向外，一个S极向外，在旋转地过程中，学生可以体会到“力”的作用。

1.3 问题三：如何快速记忆单糖分子结构和判断构型？

使学生理解Fisher投影式到Haworth透视式的转化，其最终目的是使学生更快、更准确地判断单糖的构型和记忆单糖分子结构。《天然药物化学》“十一五”国家规划教材第二章第一节中，用大量篇幅叙述了Fisher投影式到Haworth透视式的转换及两种投影式中的构型判断，第二节糖的分类中罗列了数个单糖的Fisher投影式。笔者将该部分内容概括成顺口溜帮助学生理解和记忆。

其中，右侧-OH由多到少排列，如核糖排在木糖的前面；遇到-OH数目相同时，-OH在上者排在前面，如阿拉伯糖排在来苏糖的前面。同时，本顺口溜只适用于Fisher投影式向右倾倒形成的Haworth透视式，其1～5号碳原子呈顺时针排列。

单糖顺口溜

五碳醛糖，核木阿（阿拉伯糖）来；

六碳醛糖，阿（阿洛糖）葡半甘；

六碳酮糖，果加山梨；

甲基五碳，鸡纳鼠夫；

支碳链糖，金缕链芹。

四碳一氧成呋喃；

五碳一氧是吡喃。

投影式学起来也不难，

费歇尔吸气呈马蹄，喝水右倒打哈欠（哈瓦斯）连成环，

费歇尔要求很简单，上高下低，右D左L，同α异β总不变；

哈瓦斯变化有点烦，

五碳吡喃心意坚，下D上L，同α异β记心间，

五碳呋喃、六碳吡喃很捣蛋，成环先旋120，

上D下L，异α同β全改变，

六碳和甲基五碳呋喃糖更难办，构型根本无从辨。

2 讨论

PBL法引导教学内容逐层深入，自然而然地吸引了学生的注意力。

马蹄形投影式直观的反应了单糖分子结构有利于成环的主碳链结构，帮助实现链状结构的Fisher投影式到环状结构的Haworth透视式的自然过渡，使学生更容易理解抽象的化学结构。

教学游戏直观演示糖分子结构的变化，使抽象的化学知识转变为生动、形象的肢体语言，使学生在游戏的过程中体会微观的、原子间“力”的相互作用，充分实现学习过程中眼、手、脑的结合，寓教于乐，获得很好的教学效果。学生在游戏的同时理解难懂的理论，简单易懂且印象深刻，即时教学效果显著且记忆持久。

单糖顺口溜引导学生更加细致地阅读教材内容，既起到提纲挈领的作用，又起到总结复习的作用，使学生更容易理解和记忆教材内容。教材中六碳醛糖的排序以葡萄糖为基础，其他糖为其不同位置的差向异构体，这种方式更具专业思想，思考再三后仍然保留了顺口溜中简单的排序依据，是基于顺口溜就应该简单，以达到耳熟能详为最终目标。

[1]Varki A，Freeze HH，Manzi AE.Overview of glycoconjugate analysis[J].Curr Protoc Protein Sci，2009，（8）：1-8.

[2]陈迪炎.从单糖的Fischer式改写成Haworth式的讨论[J].高等函授学报：自然科学版，2000，13（3）：26-28.

[3]孙卫东.由单糖的Fischer投影式导出Haworth透视式的不同方法[J].温州师范学院学报：自然科学版，2005，26（5）：50-53.

[4]秦志强，卫星星.利用搭桥法简化记忆单糖分子结构[J].晋东南师范专科学校学报，2003，20（2）：63-64.

[5]吴立军.天然药物化学[M].5版.北京：人民卫生出版社，2009：60-64.

[6]刘秀财，王宏兰，齐晓丹，等.生物化学教学中应用PBL教学模式的探讨[J].中国当代医药，2011，18（5）：128，131.

[7]邹纯才.PBL教学法在药物分析实验课程中的应用[J].中国当代医药，2011，18（17）：176-177.