生物化学中“三羧酸循环”的教学设计

王婷婷

(衡水学院 生命科学学院，河北 衡水 053000)

1 引言

三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)，又叫做TCA循环、柠檬酸循环，由于该循环的第一个产物是含有三个羧基的柠檬酸而得名。三羧酸循环是动态生化里的重点和难点，其内容庞杂、知识点繁多，初次学习者容易抓不到主线，学习起来费时费力，继而去寻找一些“速成”的学习法。在此教学设计中，索性先把学生学习三羧酸循环的困惑抛出来，以及由此引发的网络速成学习方法，分析为何速成法不可行，先破再立，从而引导学生回归正确的学习方法，树立求真求实的端正态度，从学科本身逻辑出发，掌握物质循环及能量循环的规律。帮助学生掌握三羧酸循环的过程，深刻理解其中的物质代谢和能量代谢规律。同时培养学生根据所学，串联知识、建构知识体系的能力。

2 课前准备阶段

2.1 准确分析学情

三羧酸循环一般出现在生物化学教材《糖代谢》一章。此章为学生接触到的动态生物化学部分的第一个生物大分子的代谢。上一章学生学习了能量代谢的方式，本章也已经学习了糖酵解途径[1]，对于物质代谢以及与能量代谢的关系有了初步的认识，但未必深刻。历年来，三羧酸循环都是学生学习的难点，之所以难，在于学生没有理解其中的生化法则，没有找对学习方法，单靠死记硬背是不能灵活运用的。

2.2 课前布置学习任务单

学习三羧酸循环之前可为学生布置学习任务单，引导学生自主预习。如找出三羧酸循环中的关键酶、几次脱氢反应、几次脱羧反应、底物水平磷酸化等等。还可以让学生思考每步反应之间，物质变化的生化逻辑并选择几处写下来；查阅资料写出三羧酸循环在代谢中的意义；通过自学写出自己认为有效的学习方法等。学生已经有了糖酵解的学习经验，可进行参照来学习三羧酸循环。课前学习任务单对学生的预习起导向作用，引导他们在预习时从哪几方面入手，为找到学习主线提供思路，也为他们今后的自主学习奠定基础。

3 课上实施阶段

3.1 直面学习困惑，融入课程思政，端正学习态度

学生课前已经完成了学习任务单，对三羧酸循环有一定的了解，可能还存在不知如何建立有效的学习方法的困惑。先以学生视角列出一些他们认为行之有效的“打开方式”，如网络上的一些简单口诀或是脑洞故事来背诵知识。这些方法仅仅将反应物的名称融入口诀或融入故事的角色名称。这种现象在学生学习尤其是应对考试复习时，是比较普遍的。

其实这些速成的方法有弊端的。首先，它没有根基，关注的仅仅是循环中物质的名称，没有建立在生化的知识体系中，物质和物质之间有何关系，由何连接，能量如何释放，都没有给出分析。因此，这样的背诵只能应对默写类题型，不能灵活运用，有悖于应用型人才培养的目标。其次，背得多了，仅仅记住了名称，容易混淆，到底背诵的口诀对应什么知识会越来越模糊。最后，希望学生认识到，人类的大脑应不仅仅是背诵大量知识，这样的工作人工智能就可以做，在未来的就业市场中是没有竞争力的，这也不是高等教育的目的，现在培养的是学生学习的能力。此部分融入课程思政，希望培养学生求真求实的端正学习态度，追求基于生化逻辑的学习方法。

3.2 从物质和能量代谢的本质出发，抓住主线

既然网络上的“速成法”不可行，继而引出正确的基于生化逻辑的学习方法。掌握了它的精髓，学习三羧酸循环就会变得容易。先带领学生由糖的有氧氧化出发，分析物质代谢的本质，以及其中偶联的能量代谢。葡萄糖彻底氧化会分解最终生成CO2和H2O以及能量。可以把这个过程归结为物质代谢和能量代谢两个方面。在分解过程中，物质代谢方面，应主要关注有机物中碳原子的变化，以及生成CO2的数量。而在能量代谢方面，应关注脱氢反应，代谢物脱下的氢会生成NADH+H+或FADH2，进入呼吸链生成ATP，同时将氢传递给O2生成H2O，当然也可通过底物水平磷酸化生成ATP。

作为糖的有氧氧化的一个阶段，三羧酸循环也符合以上特点。领悟了这些生化规律，也就找到了学习三羧酸循环的主线——物质代谢和能量代谢。依据主线学习，思路就会变得清晰。在三羧酸循环的八步反应中[1]，每一步反应都与产能或物质分解直接相关，或是为其做准备的。重点看碳原子数的变化，是否脱羧生成CO2，是否脱氢进行电子传递体系磷酸化，是否进行底物水平磷酸化。当然有些反应步骤是为这些变化做准备的，这也体现了其中的生化逻辑，如柠檬酸脱水生成顺乌头酸，再加水生成异柠檬酸，是因为柠檬酸是对称结构不易氧化，变成仲醇后易氧化，为下一步氧化做准备。在学习每一步反应时，可请学生来分析此步的作用，可加深其对这些生化规律的理解。

3.3 兼顾分支，描绘全貌，提炼意义

仅仅抓住主线学习是不完整的，在强调主线的同时，还要注意此部分知识的重要分支，交代清楚它的来龙去脉。如开始学习时应先介绍三羧酸循环的发现[2]，它在糖的有氧氧化中所处的位置，发生的场所，丙酮酸的转运等问题。另外对于三羧酸循环的起点应特别指出，不同的教材有不同的介绍，有些认为起点为乙酰辅酶A，有些认为起点为丙酮酸。这样可避免学生看到不同教材时产生疑惑。学习每一步反应时应加入关键酶的激活剂、抑制剂，能量计算等。补充草酰乙酸的回补反应[3]。此部分可与糖酵解进行对比学习。

通过学习三羧酸循环的过程，让学生体会它的生理意义也非常重要。在后续动态生化的其它章节中，三羧酸循环可与其它知识建立起联系，形成知识网络。生理意义是对反应过程的高度深化和集中反映，是代谢途径的重要组成部分。三羧酸的生理意义可提炼为“高效产能，普遍供能，多方沟通”十二个字，便于启发学生思考与联想[4]。

4 课后提升阶段

4.1 小组讨论，深化进阶

课后可给出一些思考题进行小组讨论，让学生在讨论中通过个体间的相互反馈以及个体内的自我反思走向高阶学习，只有真正深入理解三羧酸循环的过程，建立代谢的网络，才能做出很好的回答。这里举三个问题作为例子。

第一个问题，CO2中的C是否直接来自乙酰辅酶A？三羧酸循环总体的反应表现为乙酰辅酶A分解生成2分子CO2，容易被误认为CO2中的C全部直接来自乙酰辅酶A。通过观察三羧酸循环C原子的变化，可很容易判断出，第一次生成CO2时，C并不是直接来自乙酰辅酶A的。另外，用同位素14C、13C分别标记乙酰辅酶A的甲基及羧基碳的实验表明：在第一轮循环中没有标记的CO2释放出来。说明释放的两分子CO2中的C原子并非是乙酰辅酶A的C原子，而是另一个底物草酰乙酸的C原子[5,6]。

第二个问题，循环中可重新生成的各物质是“催化剂”吗？因为三羧酸循环中，除乙酰辅酶A，其它物质在循环中仿佛都是“可再生的”，“没有消耗的”，就会有人把这些物质归为“催化剂”。这其实也是错误的，催化剂的化学本质是蛋白质或RNA，另外这些物质也不可能没有消耗，三羧酸循环为糖异生、脂类、氨基酸等物质的合成提供原料，与体内其它代谢是联系在一起的，并不是孤立存在的。

第三个问题，三羧酸循环中并未出现氧气，为何说其需氧？回答这个问题，也要将体内的代谢联系在一起看，三羧酸循环能产生大量能量，其实是其脱氢产生的NADH+H+和FADH2进入呼吸链，将氢传递给氧生成水，同时生成ATP。若无氧必然会导致NADH+H+和FADH2大量堆积，影响三羧酸循环的运转。所以说三羧酸循环需要氧气来维持它正常运转。

4.2 收集反馈，继续优化

在课程的线上平台开辟讨论区，收集学生对三羧酸循环的学习、讨论反馈，以及讨论过程中产生的新困惑，继续对此部分的教学设计进行优化、答疑。鼓励学生讨论后进行个体内的反思，将此部分知识内化，形成自己的认识，在讨论区中分享出来。比如一些建立在生化逻辑上的口诀等，可以把三羧酸循环概括为“四三二一”口诀，即四次脱氢反应，三大关键酶，两次脱羧生成CO2，一次底物水平磷酸化[7]。通过学生的反馈及自身的反思，教师可对此部分教学内容进行进一步的优化设计，以期取得更好的教学效果。

在三羧酸循环的教学设计中，笔者强调了提取主线，这其实是建立与旧知的联系，以旧知激活新知。在此过程中，教师的引导，学习方法的选取，学习思维的建立，学习同伴间的反馈，自我反思知识内化，都是非常重要的。生物化学的学习一定是建立在生化逻辑的基础之上的，使知识连接成网络，形成有机的知识体系，才能取得良好的学习效果。