大学化学知识融入本科核心课程生物化学的教学刍议

赵东旭， 张金凤， 冯永君， 李 晖

(北京理工大学1)生命学院生物系，2)化学与化工学院化学系， 北京 100081)

生物化学课程是生命科学类本科专业的核心课程。为提高教学质量，相关高校开展的教研与教改活动颇多[1-8]。本应于2020年召开的全国第七届生物化学与分子生物学教学研讨会也终于于2021年7月30日在线下隆重举行。而且《生命的化学》期刊还就此契机,邀请教学与教研经验丰富的杨荣武主审，出版了教学研究专刊(第7期)。从其名称看，生物化学教学离不开化学基础，即通常所说的四大化学-无机化学(或大学化学)、有机化学、分析化学和物理化学。纵观高校课程的常规安排顺序，生物化学课程一般在四大化学之后，或至少在无机化学及有机化学之后开设，甚至有些高校生物化学课程与有机化学专业的学生一同开设，以示其与生命科学类其他专业之区别和对化学课程重要性之认可。实际上，早在上世纪50年代初，我国生化老前辈刘思职院士就提出了“生者化，化又生，生化即化生；新必陈，陈必谢，新陈恒代谢”的观点(见其主编的我国第一本中文生物化学教材《生物化学大纲》)，从动态、静态两个方面描述了生命的本质以及化学对生物化学/生物学的重要程度。那么，对于生物化学课程，到底需要哪些方面的化学知识？或者说最基本的化学知识是什么？在学习生物化学课的课前、课中如何预习或融入化学知识？本文尝试对此问题进行梳理和讨论。

1 与生物化学密切相关的大学化学知识的梳理与学理分析

1.1 化学与生物化学内涵与外缘的密切相关性

首先简要回顾一下化学和生物化学的定义。化学是一门关于理解物质结构、如何创造新物质的科学，其主要任务是研究物质的性质、组成、结构和化学变化及其能量变化的规律，在三大基础学科中处于中心地位，它与生命科学、制药、医学、电子、材料科学、地质学、环境科学和食品等有密切关系[9]。化学的范畴一般包括研究无机化合物的性质及反应的无机化学，研究碳氢化合物及其衍生物的性质、结构与反应的有机化学，分析物质的组成、结构、性质以及分离和提纯的分析化学，用物理方法来研究化学问题的物理化学以及研究高聚物的合成、反应、化学和物理性质以及应用的高分子化学[9]。生物化学是传统生物学的一个最重要也是最核心的分支之一，它是研究生命体中的分子和化学反应的学科，也可以说是主要用化学的原理和语言在分子水平上解释生命现象的一门学科[10,11]。除前面提到的将生物化学分为动态生化和静态生化两大部分之外，根据其研究内容，目前也有将其分为3个模块即“结构生物化学”、“代谢生物化学”及“分子生物学”的提法，例如国内不少的医学院校均是将“生物化学”与“分子生物学”合二为一，称之为“生物化学与分子生物学”[12]，这种合并或许与传统“生物化学”课程内容中关于核酸代谢或遗传信息传递，以及调控部分与现在的“分子生物学”课程内容有太多的交集有关。众所周知，所有的生命体均是由大小不同、结构有别的生物分子、无机离子所构成，正如诺贝尔奖获得者亚瑟·肯伯格(Arthur Kornberg)1982年10月12日在哈佛大学医学院建校200周年时所说的那样，“所有的生命体都有一个共同的语言，这个语言就是化学”，或者说生物分子只是相对更复杂一些的化学分子而已。这就决定了同化学一样，生物学也是一门以实验为基础的科学。

上述简要分析表明，化学和生物化学有较大的交集部分，或者说生物化学是以化学为基础的。从学科发展的历史看，生物化学学科是化学学科在解决与认识生命体系中的物质与变化而形成的一门交叉学科，或者说借助于化学的研究手段与方法，认识生物功能以及解释生化过程机制是非常有效的途径。当然，生物化学也丰富了化学的知识及外缘。例如，涉及到化学、材料学、生物学、药学等在内的纳米生物技术，以及脱胎于传统生物学，以“现代分子生物学(以基因为核心内容)”为代表的现代生命科学就是集化学、生物学、物理学于一体的交叉学科。

在国外的相关院校，生物化学课程也是生命科学类各专业最重要课程之一。比较受欢迎的教材包括“Lehninger Principles of Biochemistry《生物化学原理》”已再版到第8版[13]，第3版有中译本[14]。Berg、Tymoczko、Stryer三人编著的“Biochemistry”(国际版，Palgrave macmillan出版社)已再版到第9版[15]。国内针对不同专业的生物化学教材类别及数量，在所有生命科学类教材中也是最多的。然而，在稍早以前，上述国外及国内教材在章节编排上有较明显区别，现在则有趋同的趋势。例如Lehninger生物化学原理开篇即提到了生物分子、生物大分子例如蛋白质和核酸的结构，生命的组织形式与功能，化学组成、化学键与官能团、分子的三维构象与分子识别、化学反应与成键原理等，从组成轮廓上、化学细节上概括了生命[13,14,16]。先前的国内教材多直接从糖类或蛋白质开始，从成键规律、空间结构、性质与功能方面进行介绍[10,11]。但无论何种方式，其中都涉及到一些基本问题，例如共价键形成机制、构型与生物分子的三维结构、生化反应中化学键的断裂与新建形成、基于各种活泼基团的分子识别等，都与化学学科的内容存在着无法割裂的关系。

可以这样说，从未有像分子生物学这样使我们对现代生命科学的认识深入到一个可直接用分子解析的层次，也从未有像化学这样对分子解析的过程能够给予如此清晰的阐释。

1.2 生物化学基于化学而又各具特色

(1)组成的特点，包括组成生物大分子结构单元在内的生物小分子及其衍生物种类较多，其多为代谢中间物。这一点与有机化学部分相比，应在伯仲之间。生物大分子与高聚物分子相比，其种类、组成却相对偏少些。从进化的视角审视，生物分子的起源与普通有机分子的起源是一样的，都是源于进化早期无序的、偶然的化学反应。

(2)结构特征，除蛋白质外的生物大分子所呈现的一级结构、二级结构亦或包括四级结构多是呈现一定的规律性和简单重复性。这一点与高聚物分子有相似之处，但蛋白质的三级结构明显呈现特异性。结构是其发挥生物学功能的基础，是体现出蛋白质结构复杂而特异的根本原因。

(3)功能的多样性，源于一级结构至三级结构的生物大分子的生物学功能显著不同于一般高聚物分子。除上述提到在空间结构上的差别，其生物学功能呈现令人眼花缭乱的多样性，例如蛋白质具有结构、酶催化、防御、信号传递和贮藏等功能，而一般高聚物的功能却是相对单一的。需要重点指出的是，生物大分子在结构形成、组织构建与存在状态呈现出普遍的协同现象、自组织(self-organization)现象以及耗散特征，最终使生命体呈现出“活”的状态，最终使生命具有自我复制、高度纠错、适应环境、突变与进化和智能等特征，而这一点是高聚物分子所不具备的[5]。譬如，酶与底物相互作用，抗原与抗体特异性识别等甚至呈现“智能性”相互作用的现象。作用位点不但有空间上的基本契合，重要的是作用位点内部有包括库仑引力、疏水相互作用、氢键和范德华力等多种弱非共价作用力存在，而且使得两基团之间“恰巧”合适，类似于中国比较常用的一个概念“混沌”，在无序中呈现有序、在模糊中呈现精准。

总之，上述内容可简单概括为生物化学源于化学而又高于化学。其功能的多样性，由化学反应演化出意识等是其重要特色。

1.3 化学基础知识对生物化学教学与学习的意义

化学基础知识，尤其是围绕成键、分子结构等方面的内容，实际上是真正理解生命物质的结构与生化反应机制的基础。因此，对与生物化学课程的教学和学习密切相关的知识进行梳理是必要的。实际上，上述思路的意义还包括以下三点。

第一、以生物化学与四大化学的相互关系为线索，带动生物学各课程间的互动与交流，可以起到互为补充，在交叉中相互促进理解的目的；第二、可以有效避免课程内容上的简单重复，例如生物化学与分子生物学的内涵与外延到底如何界定？尤其是两门课关于DNA复制、转录、翻译以及相应的调控部分的内容如何处理？再如怎样处理微生物学中的代谢部分与生物化学的代谢部分？如何处理植物生理学中关于光合作用、固氮作用与生物化学中的碳代谢和氮代谢？等。尤其在缩短学制或降低学分的背景下，对上述诸多课程整合问题的思考显得尤为重要。

第三、在了解最必要的化学知识的同时，也可以将这一思路向其他基础学科推展。譬如，梳理哪些物理学知识对于生物化学的学习是最必须的，这些物理学知识所针对的生物学知识点是什么?例如力学/流体力学在结缔组织、血液循环等过程的应力问题。理清上述学理问题的科学价值还在于，有望给某一学科的学习提供一个不同的视角，例如物理知识在理解生物分子之间相互作用时会提供何种视角与机制？另一方面，当前生命科学基础或生物学导论课已作为很多工科专业的公共必修课，那么上述课程提供给不同工科专业学生的难道仅是生命科学的基本知识？应该传授什么样的理念使这些将来从事工科技术领域的学生对生命科学产生兴趣，并具备一定的生命科学思考模式，同时在将来的工作或技术创新中能主动结合相关的生命科学知识或生物化学逻辑？这些都是我们从中可以得到的重要启发。

2 与生物化学密切相关的化学知识点

下文对无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等常设课程中与生物化学密切相关的化学知识点进行简要梳理，同时给出了对应的相关生化内容，见Table1。

(1)无机化学中的相关知识点，本课程的核心是提供最基本的原子结构与成键原理[9]。

(2)有机化学的相关知识点，在本文提到的四门课中，有机化学应该是帮助学习、理解共价键的成键原理、分子的三维结构、分子间相互作用机制的最密切的课程[17]。

(3)物理化学相关知识点，为理解常规酶促反应原理，从反应动力学、反应热力学角度给以阐释[18]。

(4)分析化学相关知识点，为一些成分的分离分析提供最基本的原理，尤其是光谱、色谱技术等[19]。

3 基础化学知识融入生物化学课程教学的思路与教改实践探索

由于在教学过程中深刻认识到各类化学基础知识对生物化学课程教学和学习中的重要作用，为此，本文主要采用两项措施使这一理念落实到实处。一是在《生物化学》课程教学中有意引领化学知识在理解生物分子的结构、作用机制中的关键作用，二是课前通过第二课堂环节来认识这一理念，使生物化学授课老师、化学课授课老师和学生在认识上达到统一。同时，在具体教学过程中，本文采用多种模式例如直接叙述型、研讨型等来贯彻这一理念。

3.1 化学基础知识对生物化学知识点的关联性举例

上节对与生物化学密切相关的大学基础化学知识进行简要梳理，由于生物化学与大学基础化学知识是密切而复合的，在具体学习过程中，一个生物化学知识点通常涉及到多门课程的多个知识点，下面以肽键、酶作用机制、蛋白质纯化为例来说明二者之间的关系，这几个知识点分别代表了生物分子的结构、相互作用(与识别、反应、代谢关联)、生物化学知识的应用等内容，具有一定的代表性(Fig.1)。

表1 大学课程与相应的基础知识点与对应的生物化学知识点的关系

续表1(Continued Table 1)

续表1(Continued Table 1)

图1 生物化学知识点与化学基础知识关联的思维导图 肽键(A)、酶作用机制(B)、蛋白质纯化(C)三个生化知识点与对应的化学课程及相关的化学基础知识之间有密切关系。这三个生化知识点分别代表了生物分子的结构、生物分子之间的相互作用(与识别、反应、代谢关联)、生物化学知识的应用等内容，具有较强的代表性。Fig.1 The mind map on the relationship between the knowledge points of Biochemistry and the basic knowledge of Chemistry The three knowledge points of Biochemistry “peptide bond (A), mechanism of enzyme (B), protein purification (C)” had closed relationship to the corresponding chemistry course and relative knowledge points. This three knowledge points of Biochemistry represented the structure of biomolecule, interaction among biomolecules (relative to recognition, reaction, metabolism), practice of biochemical knowledge respectively, and so it had strong representativeness

需要指出的是，几乎每个生物化学的知识点都会涉及到若干条/项/领域的化学知识，此处只是摘取了其中几个例子。本领域的老师或有兴趣的老师可以借鉴这种思路来指导学生梳理大学化学知识对生物化学学习重要性的认识，尤其是加强对生物化学内涵的理解。

3.2 借助第二课堂启迪对化学基础知识重要性的认识

课堂外的培训内容或环节即“第二课堂”，主要包括学生参加科技竞赛、大学生创新计划、科研实验室实践、企业见习与实习等。它重点强调了学生自主参与创新实践活动，可以调动学生兴趣，激发创新意识、提高理论联系实际的创新能力。目前，各高校对这一人才培育环节都给予了高度重视。为此，本文也借助这一平台来贯彻上述教学理念。我们在教学实践中，主要采用以下三种方式来提高学生对于大学化学基础知识融入生物化学学习重要性的理解，较明显地提高了学生对生物化学内容的理解。

首先，通过与负责化学教学的老师研讨，由化学课程的老师强调化学基础知识对生命科学尤其是最密切相关的课程《生物化学》学习的重要性。这在较大程度上排解了学生“我是希望学习生物学专业的，为什么要让我学习化学呢”这样略带“急功近利”的错误认识；其次，由于本校采用大类招生与培养(将来就读数学、物理、化学、生命、材料类专业的学生在大学一年级采用相同的培养方案)的方式开展第一学年的学习。本院便招集对生命科学感兴趣的同学到我院参观，并与研究生进行深入座谈，通过研究生正在进行的基于化学知识、操作培训的实验的感悟，来引领同学对化学知识学习的重视；三是在生物化学的教学中，在任课老师的主持下将学生随机分组，以讨论生物化学与化学的关系，总结后将相关的理解和心得等文字材料再传递给下一届同学，充分发挥朋辈学习和传承交流的效果。

3.3 生物化学课堂教学中融入化学知识的几种方法

在教学实践过程中，将化学基础知识引入生物化学教学的方式有多种，本文发现采用以下三种方式是比较有效的。尽管如此，所介绍的方式只是一种参考，具体使用过程可以灵活运用，创新发展，以达到这样一个目标，即：使两门课程的基础知识相互融合和交叉渗透，从而真正发挥化学在生物化学教学中的基础与促进作用。

3.3.1 教师直接叙述型 上课前，教师对所涉及的化学知识进行梳理并发给学生，作为学生提前预习的材料，起到温故而知新的效果。譬如，先总结出酸碱最初的概念，然后在给出酸碱质子理论、共轭酸碱对、弱酸及弱碱的电离平衡、两性物质的酸碱性等概念。并由此引出含有“共轭酸碱对(例如HAc和Ac-)”的混合溶液能缓解外加少量酸、碱或水的影响，而保持溶液pH不发生显著变化，此即为缓冲作用，这种溶液即为缓冲溶液。继而，在上课时指出，缓冲液对于生物系统的维持、细胞生理条件的稳定、酶催化反应的环境都是非常重要的。以血液系统为例，血液中主要以无机磷酸盐为缓冲系统，其浓度相当于1 mmol/L。假如生理状况下的pH 7.4加酸使其变化到7.3，相较于在纯水体系的同样改变，用酸量要高5 600倍。很显然，这种情况是不可能发生的。同时，也说明体液pH的稳定既是进化的结果，更重要的是说明了体液pH的稳定性对人体生理功能维持的重要性。再如，在酶作用机制(例如溶菌酶、天冬氨酸蛋白酶)讲授中，同样也会用到共轭酸碱理论及相关知识。

3.3.2 融于章节内容型 本方式亦可以称作自我总结型。在上课之前或在某章节讲授结束时，请学生回忆在哪些课程或哪门课程中学习过相关知识？对相关的化学知识点进行梳理。这种类似于个别动物的“反刍”方式，在很多情况下都会发挥真正领会内涵的提升效果。譬如，教师提出一个问题：双螺旋结构的形成中释放热量，请同学们回去查阅相关的资料来阐释这个问题。其分析如下：双螺旋的形成造成系统有序度增加，△S< 0；根据△G=△H-T△S，除非热量释放到周围的环境中让熵增加，否则无法形成双螺旋系统的有序度增加。最后，教师可以根据学生的回答来拓展至生物化学中的大分子折叠形成三维结构的一般概念，它们都可以通过释放热量到周围的环境中实现这一有序度增加的过程。

3.3.3 研讨型 教师在开始新的章节前，将总结好的内容发给学生，请学生以内容为蓝本，尝试从以往所学课程中自行找出相关知识点，达到“旧书不厌百回读，熟读深思子自知”的效果。在某一章节结束时，教师亦可以组织学生研讨所学知识点能否拓展到其他课程的学习。实际上，这一点也是提醒学生，高阶知识几无例外地要借助已有或已学的知识。即便是以后开展博士论文的工作或更高深的科学研究，情况也是如此。例如，配制1 000 mL的0.5 mol/L的NaCl溶液时，要用到高中所学习到的关于摩尔浓度的知识。

4 讨论

上文对与生物化学密切相关的化学知识进行了梳理，其表层原因是为满足生命科学及相关专业对生物化学课程的教与学，毕竟这门核心基础课是很重要的，可谓是课程体系中的重中之重。但本文的深层次目的是提醒大家，当我们从其他相关视角或者从更专业层面如何看待这一教学操作？毕竟对多门课程来说，前后章节的关联性也是相对的，人们是通过一定的记忆来逐渐消化与理解的。对于课程所涉及到的其他课程知识，甚至是不曾学习或以后也不会开设的知识，可否通过在课后查阅资料和讨论等方式解决？或者可否形成自主性学习与跨越式学习的能力？另外一个需要关注的情况是，国内外对学科与专业发展态势有较大不同的差别。教育部已对各专业也进行了梳理，撤并多个二级学科而成一级学科，专业数量明显减少，落实了“厚基础宽口径”培养措施。例如，国内高校已普遍成立生命学院或生命科学学院或生命科学与技术学院，但国外很多大学还在以我国过去的二级学科为基层单位，例如英国剑桥大学是生物化学系，美国普林斯顿大学是分子生物学系、神经生物学系。这种基层系的设置必然会影响到课程的设置，某些基础课程很可能会被弱化。也就是说，与国内大学对课程的系统性安排不同，国外高校对某一专业的课程安排相对离散自由，一般多是拟定若干门核心课程，其他课程则完全由学生根据自己的兴趣自行决定。例如美国南加州大学生物系的学生对大学化学、有机化学有要求，但对物理化学、分析化学则未限定，但若选择与生物学密切相关的医学类专业，则对分析化学的要求是必须的。美国哥伦比亚大学生物系对大学化学和有机化学的要求则是必须的(prerequisite)，普林斯顿大学分子生物学系、神经生物学系的学生对化学课程的要求与哥伦比亚大学类似。这几所具有较强代表性学校对生物化学与化学基础课程的安排显示，国内外有共性之处，例如对大学化学和有机化学课程的认可，但也有一定的区别。考虑到国外较多的大学多是在三年级才开始分流到不同的专业(我国部分重点高校正在逐渐认识大类培养的模式并探索从二年级起开始分专业学习)，仅就《生物化学》与相关化学课程的安排而言，国外大学在课程安排上的思路或模式对国内高校的借鉴方式及意义仍有待深入研讨。再进一步了解与上述研讨的课程递进安排原则相关的“分子生物学”课程的选修情况，目前，该课程是一门生命科学专业的重要课程，而且似乎是“高端”课程，一般认为，缺少必要生物学知识和生物化学知识是不能学习分子生物学时，但国外一些大学已把该课程作为许多专业的选修课，那么我们又该如何理解这种大跨度的学习安排？是学习知识还是学习思维？因此，需要反思，当我们还习惯于把四大化学作为学习生物化学的基础时，应如何理解上述存在的情况？又该如何应对这种情况？如何理解和借助学科交叉已成科学发展趋势的大背景以促进生物学专业的建设与课程整合？

这些问题都需要今后进行必要的深入讨论，以提出合适的解决办法。无论如何，随着分析技术的进步，新的更接近生命现象存在的分子机制会不断发现，信息技术、深度学习、材料科学与技术等会呈现爆发式增长，如何对不同学科进行融合，如何对同一学科下的不同专业进行融合是我们必须要面对的。

致谢本文作者致谢美国普林斯顿大学钟启宏老师、美国哥伦比亚大学李晓旭老师等关于美国部分大学中大学化学相关课程与生物化学课程设置方面所提供宝贵资料。