生物化学前沿研究动态及其在课堂教学中的应用

闫荣玲, 李常健, 廖 阳, 袁志辉

(湖南科技学院 化学与生物工程学院，永州 425199)

“生物化学”是一门在分子水平探讨生命的化学组成和生命过程的化学变化的基础学科，即研究生物体的分子结构与功能、代谢与调节及遗传信息的传递。如同生命科学其他学科一样，生物化学的前沿研究不断有令人惊叹、激动或兴奋的新成果涌现出来。作为课程的任课教师，及时关注学科的最新研究进展并把获取的信息及时合理地应用到课堂教学中十分必要。本文基于近年教学一线的实践，列举了生物化学领域近年若干重大发现，阐述了这些学科前沿研究动态在课堂教学中应用途径。

1 生物化学前沿研究动态实例

1.1 密码子的双重信息

蛋白质合成时，DNA转录形成的信使RNA(mRNA)所承载的遗传信息转化为蛋白质多肽链，实现了细胞中两种不同化学本质的“语言”之间“翻译”。在此过程中，作为模板的mRNA，其链中每3个相邻核苷酸决定一个氨基酸，人们把决定一个氨基酸的3个核苷酸称为一个密码子，亦称三联体密码[1]。自20世纪60年代密码子被破译以来，人们一直认为它仅是一种专门记录蛋白质序列信息的载体，然而最新的研究发现，密码子不仅决定了哪种氨基酸被掺入到即将合成的蛋白质肽链中，它还决定这些氨基酸的掺入速度。具体地说就是，mRNA上所有密码子以不同速度被解码(读取)，有些快有些慢，每条mRNA包含的所有密码子总和决定了其解译的总体速度，并最终表现在一定时间下特定蛋白质的合成量[2]。知道了密码子的这一信息，研究人员可以操控遗传密码，从而更精细地来上调或下调蛋白质表达水平。如人为替换mRNA上同义密码子(编码相同氨基酸的不同密码子)来改变其编码解码速度，但最终表达出来的蛋白质序列没有出现任何变化[3]。

1.2 葡萄糖转运蛋白的晶体结构

葡萄糖是地球上各种生物最重要、最基本的能量来源，要想降解葡萄糖为机体供能，首先需要的一个前提条件就是把葡萄糖运送进入细胞。生物膜的主要成分为疏水的脂类，因此亲水的葡萄糖分子不能直接穿过细胞膜进入细胞，这时就需要跨膜运载工具的辅助，它就是葡萄糖转运蛋白。葡萄糖转运蛋白镶嵌于细胞膜上，如同细胞膜屏障上的葡萄糖专用通道，在消耗ATP的条件下，通过改变自身空间结构把葡萄糖运送进细胞。人类自1977年第一次从红细胞膜上分离得到葡萄糖转运蛋白质，就一直渴望高分辨率地解析其分子结构，直到2014年这一工作被我国清华大学颜宁研究小组完成，使得葡萄糖转运蛋白也成了第一个被成功进行结构解析的人源膜转运蛋白[4]。知道了它的结构信息，人们就开始思考其在人类疾病诊断与治疗上的实际应用价值。如通过开发某种药物进行人工干预，专一性地破坏癌细胞质膜上葡萄糖转运蛋白的结构，使其不能正常工作，切断癌细胞能量物质的供给，从而杀死癌细胞。

1.3 RNA起源学说

生命起源中，蛋白质、核酸、糖类、脂类这些生物大分子到底哪种物质最先出现的争论到现在也没有定论。由于蛋白质分子结构与功能的多样性，人们一开始认为最先出现的应该是蛋白质分子。然而，20世纪80年代，人们发现了具有酶活性(如切割RNA、切割DNA、连接RNA等)的RNA分子后，开始意识到兼具核酸遗传功能与蛋白质催化活性于一身且相对DNA更为简单的RNA分子可能是地球上最先出现的有机大分子。德国科学家在化学合成领域的研究成果进一步支持了这一推测，它们发现，模拟原始地球环境条件，通过特定反应确实可以形成尿嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤等RNA的重要组成成分[5]。

1.4 环状RNA

一直以来，人们发现存在生物体内的RNA，不管是直接参与蛋白质合成的信使RNA、转运RNA以及核糖体RNA，还是不直接参与蛋白质的合成而是在细胞中起催化、调控等作用的其他RNA分子，全部以线状形式存在。也正因为此，人们形成并接受了所有RNA均为线状的这一认识。然而，近年的研究表明，在细胞中还存在一类环状的RNA分子(circRNA)，与传统的线性RNA(linear RNA，具5′和3′两个末端)不同，circRNA呈封闭环状结构，难以被RNA外切酶降解而更稳定，其在细胞中主要参与基因表达调控，通过与miRNA结合进而解除miRNA对靶基因表达的抑制作用[6]。

1.5 维生素C新功效

维生素C又称抗坏血酸，是一种含有6个碳原子的酸性多羟基化合物。在生物体内，维生素C是一种重要的抗氧化剂，保护身体免于自由基的威胁。最新研究发现，高剂量的维生素C可杀灭小鼠特定类型结直肠癌细胞，研究结果提示人们可以利用维生素C开发治疗结直肠癌的新型靶向疗法[7]。

2 学科前沿研究动态在课堂教学中的应用

教材相对于学科发展的速度，表现出明显的滞后性和局限性[8]。这就要求任课教师及时关注学科前沿动态、吸收和引入具有代表性、突破性或趣味性的学科最新研究成果到课堂中来。一方面可以弥补教材的不足，另一方面可以产生一系列积极效应，如可以激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识，增加课堂的师生互动，改变理工科课堂呆板、枯燥、晦涩的状态。“生物化学”作为生物学相关专业的基础课程，一般在大学一年级开设，作为刚从高中阶段迈入大学学习不到一年的新生来说，尤其需要教师在课堂教学中突破教材的束缚，在阐述清楚课程的基础知识，强调好课程的重难点基础上，加入这些前沿研究动态作为课堂的“调味剂”。本文所列举的几个实例分别对应《生物化学》的第十五章“蛋白质的生物合成”的“蛋白质合成体系”；第九章“糖代谢”的“糖的分解代谢”；第三章“核酸”的“核酸的组成成分”以及“RNA结构与功能”；第七章“维生素”的“水溶性维生素”等章节[1]。在教师有意识地查阅和收集这些学科前沿研究成果后，如何用好这些学科前沿动态呢？可有以下3种途径。

2.1 作为课后阅读素材

大学的课堂不能局限在有限时空内课本知识的有限灌输，如何引导学生利用好课后时间进行所授课程的学习是我们任课老师应该思考的问题[10]。因此，生物化学学科前沿的文献报道及其中文解读等材料可作为课堂教学的延伸，即在课堂教学的末尾，作为课后阅读资料发给同学们，并要求同学们在下节课的时候阐述自己对材料的理解以及由这个材料所引发的所思所想。借此方式，拓展学生的视野，增强学生的专业认知，提高学生的学术修养。

2.2 作为教师课堂教学拓展素材

这种途径最直接，就是教师在备课时，直接把相关素材熟悉吃透后，加在教学设计的合适位置。在课堂教学介绍完某一知识点后，通过提问的形式引入对应的前沿研究成果(如“密码子中是否真的仅蕴藏这蛋白质序列这一单一信息呢？”“你想知道葡萄糖进入细胞的通道是什么样子吗？”“RNA起源学说是否有了新的证据？”“RNA真的全部是线状的吗？”“维生素真的仅有教材中提到的这些功效吗？”)。教师对这些新成果的介绍，既丰富了课堂信息量，活跃了课堂气氛，又使同学们深刻意识到生命科学发展的日新月异，仅局限课堂有限知识的学习远远不够，同时潜移默化地熏陶同学们形成积极思考、敢于创新、勇于尝试的意识。

2.3 作为研讨式教学的背景材料

课程的部分章节适合进行研讨式教学，对于这样的章节，教师在前一节课的末尾阶段，设计和布置一系列具逻辑联系的问题，并把同学们分成若干小组进行课下资料查阅与教具准备，以便在下节课展开小组间交流与讨论[9]。此时，教师所准备的学科前沿材料可以与所布置的问题一道下发作为研讨式教学的背景材料，以帮助同学们更好的理解与准备研讨式课堂的发言。如“蛋白质生物合成”一章的第一节“蛋白质合成体系”即可以采用研讨式教学。在上一章“RNA的生物合成”最后一次课的末尾阶段，我们布置下一节课要学习的“蛋白质合成体系”研讨式教学任务：学生共分成3个小组，分别对应蛋白质合成体系的mRNA、核糖体、tRNA。所有各组均需要了解以下问题：为何人们把蛋白质生物合成喻为“翻译”？蛋白质合成需要哪些主要参与者的协同配合？各参与者各自具有哪些特征？对于不同小组则还需要思考和准备与自己小组相关的针对性问题，如mRNA小组则需要思考与准备：mRNA上的三联体密码如何被发现(包括最初的假设与推理以及实验证据)？密码子表现出哪些基本特点，以及这些特点对其遗传信息传递的影响？mRNA上的密码子除决定蛋白质合成的氨基酸序列之外，是否还蕴含着其他信息？对于最后一个问题，由于教材及参考书上没有相关信息，需要教师提供原始文献或相关资料，也可以引导学生自行查阅资料作为下次课研讨式教学的背景材料。通过课前的精心准备后，各小组利用自己准备的资料与教具按照一定的脉络阐述清楚蛋白质合成体系的其中一个组分，并在阐述的过程中以及阐述结束后接受其他小组的提问以及展开小组间讨论，教师在必要时候进行补充和纠错。

[1]张丽萍, 杨建雄.生物化学简明教材[M].北京：高等教育出版社, 2009: 392-393.

[2]PRESNYAK V, ALHUSAINI N, CHEN Y H, et al.Codon optimality is a major determinant of mRNA stability[J].Cell, 2015, 160(6): 1111-1124.

[3]STERGACHIS A B，HAUGEN E，SHAFER A, et al.Exonic transcription factor binding directs codon choice and affects protein evolution[J].Science, 2013, 342(6164):1367-1372.

[4]DENG D，XU C，SUN P, et al.Crystal structure of the human glucose transporter GLUT1[J].Nature, 2014, 510(7503):121-125.

[5]BECKER S，THOMA I，DEUTSCH A, et al.A high-yielding, strictly regioselective prebiotic purine nucleoside formation pathway[J].Science, 2016, 352(6287): 833-836.

[6]ANDREEVA K, COOPER N G.Circular RNAs: new players in gene regulation[J].Advances in Bioscience & Biotechnology, 2015, 6(6): 433-441.

[7]YUN J，MULLARKY E，LU C, et al.Vitamin C selectively kills KRAS and BRAF mutant colorectal cancer cells by targeting GAPDH[J].Science, 2015, 350(6266): 1391-1396.

[8]马亚林.浅谈传统教材观的弊端[J].学周刊, 2013(10): 98.

[9]黄世虎.研讨式教学的基本理念与实践模式[J].黑龙江教育学院学报, 2010, 29(1): 72-74.

[10]张金萍.高校课堂教学延伸:建立学习型专业素质与能力培养团队[J].中国校外教育(下旬刊), 2012(18): 50.