以鸟氨酸循环为例探讨生物化学课程教学方法及思政融入

李 帅,李佩琼,刘清南△

(1广州医科大学生命科学学院生物化学教研室, 广州 511436; 2广州医科大学生命科学学院医学遗传学与细胞生物学教研室; △通讯作者)

在医学院校的本科教学课程设置中,一般在大二开设生物化学课程。作为基础学科,本课程内容繁多,涉及面广,机制复杂,因较难理解和记忆,常令大学生望洋兴叹。且通常与生理学同期开课,在学生中甚至流传“生理生化必有一挂”的戏谑说法。因此,激发学生的学习兴趣,掌握代谢的内容,尤其是学习代谢的逻辑和技巧,是医学院校师生共同面临的难题。本文旨在以氨基酸代谢中的鸟氨酸循环为例,分享教学方法和策略,以期为提高生物化学课程教学质量、开展课程思政提供经验和借鉴。

1 物质代谢极为重要,其中循环代谢占有“半壁江山”的地位

生物化学是生命科学的重要基础性学科,其中物质代谢包括糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢4个代谢模块。代谢是生命的四大基本特征之一,学好物质代谢才能更好地理解生命和疾病的分子本质。而代谢中涉及的循环代谢有:三羧酸循环、乳酸循环、糖酵解和糖异生三个不可逆反应的底物调节循环、β氧化循环、柠檬酸-丙酮酸循环、丙氨酸-葡萄糖循环、鸟氨酸循环、甲硫氨酸循环等,在生物化学课程物质代谢中占有非常大的篇幅,但生物分子结构复杂,代谢途径交错成网,调控方式多种多样,加上有诸多代谢并非是从头分解或合成的单一方向代谢途径,许多代谢过程是一个循环过程。因此,这些内容是公认的教学难点和学习的“痛点”[1]。

自古至今,没有哪一种方法能够满足所有的教学需求。每一种技巧、方法和策略都是一个微分,我们把微分综合利用好就是积分,因此做好“微积分”才是制胜的法宝。本文以氨基酸代谢中的鸟氨酸循环为例展开,比较和归纳生物化学代谢某一个点,让学生进行梳理和总结,并巧妙引入课堂思政,提高教学效果,解决教学难点。

2 教学方法和策略

2.1 将代谢内容进行类比总结,梳理知识帮助记忆

为便于学生理解记忆,教师在代谢授课结束或即将结束时,采用比较教学法将代谢中相似的内容进行对比总结,并将同一类复杂的知识简单化,零散的知识系统化。比如重要代谢同工酶(不同亚型分布的酶)参与不同代谢的比较:氨基甲酰磷酸合成酶I(线粒体、尿素生成)和氨基甲酰磷酸合成酶II(胞质、尿嘧啶合成);羟甲基戊二酸合成酶1(胞质、胆固醇合成)和羟甲基戊二酸合成酶2(线粒体、酮体生成),以及磷酸甘油脱氢酶1和2,苹果酸酶1和2,超氧化物歧化酶1,2和3等。此外,还可以比较不同器官(脂肪、肝脏、肌肉)的代谢异同等。这些关键酶和不同循环代谢,由于其涉及的内容广泛,进行对比总结后有利于引领学生将不同知识点串联起来,既能加深对知识的印象,又能掌握规律,对学习生物化学代谢有很好的促进作用。

2.2 立足科学研究历史,引出人体尿素的合成知识

鸟氨酸循环是循环代谢之一,其代谢产物是尿素,因此该循环也称为尿素循环。它是由诺贝尔生理学或医学奖得主Adolf Hans Krebs最早提出的[2],生物化学糖代谢中的三羧酸循环也是他的贡献之一。首先,我们可以通过尿素的结构式引出关键词,即尿素,介绍尿素的科学发展史来引入课堂内容。1773年化学家鲁埃勒(Rouelle)将人尿蒸发得到的固体残渣,再用酒精抽提并蒸干,首次得到尿素结晶。后来人们用人工方法从无机物制得有机化合物尿素,打破了当时流行的“生命力论”。“生命力论”认为含碳化合物是由奇妙的“生命力”造成的非人工可得,只有有机物才能产生有机物,破“生命力论”是科学的一大进步[3]。此处是一个很好的思政切入点,告诉学生不要一味地相信经典,科学的每一次突破和进步都是在前人的基础上,先破而后立的。再回到正题,提问学生这个物质的元素组成特点(含氮高),埋下一个伏笔:人体尿素中的两个N元素分别来自哪个分子?

2.3 运用多种教学方法,呈现主题内容:鸟氨酸循环

教师总结归纳生物化学代谢反应特点,以问题为导向进行学习:由于代谢是一个从起始产物到终末产物的过程,任何代谢学习的逻辑都是掌握6个要素:底物、终末产物、酶、ATP消耗(生成)、反应部位和调节。因此,尿素生成过程中要关注C和两个N元素的来源。学生应抓住重点,带着问题学习鸟氨酸循环的内容。

教师引导学生关注反应调节酶,比较学习不同酶的作用:在起始阶段,NH3、CO2和H2O在线粒体中氨基甲酰磷酸合成酶I的作用下,将有毒的氨活化为不稳定的高能磷酸化合物,即氨甲酰磷酸,开启鸟氨酸循环。活化是所有生化物质代谢的特点,葡萄糖、脂肪酸、甘油等均要活化后才能进入后续的各种代谢途径中。所以氨基甲酰磷酸合成酶I是重要的调节节点,并联系氨基甲酰磷酸合成酶II(胞浆)参与核苷酸尿嘧啶合成代谢。这说明催化的化学反应虽然相同,但由于所在的部位不同,产物代谢的去路就不一样。就像我们每个人,可能做的工作内容一样,但是因为身处的环境和岗位不一样,价值取向就不同。这也提示我们,每个人要到国家、社会切实需要的地方去发挥作用。

教师借角色扮演调动学生的积极性,参与课堂活动:鸟氨酸进入循环反应这一步骤也是在线粒体中进行的,鸟氨酸和氨基甲酰磷酸生成瓜氨酸。此步骤及之后的过程让学生参与进来,氨基甲酰磷酸已经提供了一个C和N,后续要关注N的走向和来源。请第一个学生充当鸟氨酸的角色,持两支不同颜色的笔代表鸟氨酸中的两个N并置入学生上下口袋,氨基甲酰磷酸(第三种颜色的笔)结合鸟氨酸变成瓜氨酸,请学生观察第三支笔应该放在哪里。因为氨基甲酰磷酸是与鸟氨酸远端的N结合在一起,因此,要把第三支笔和第一支笔放在一起。紧随其后,瓜氨酸从线粒体中出来,第二个学生(天冬氨酸)手持一支粉笔(代表N)和瓜氨酸学生握手,形成精氨酸代琥珀酸。后续两人分开,天冬氨酸学生失去粉笔成为延胡索酸,瓜氨酸学生再得到一个N(此时共4个)变成精氨酸学生。最后,精氨酸学生裂解并失去新生成含2个N的尿素,仅保留2个N重新变回鸟氨酸学生。此后,鸟氨酸再次进入线粒体,循环往复,参与更多的尿素生成。鸟氨酸一次次参与反应中,但最终并没有损失自己的元素。请问这样的分子在尿素生成中到底有无贡献?怎样看待鸟氨酸的价值[4]?在我们人类社会中,很多人就像鸟氨酸一样,他们并没有直接创造价值,而是提供一个平台,催化了价值的快速产生。比如物流公司-快递员,再比如各种网购平台、短视频平台等,给我们的生活带来了很多便利,这也是这个时代的特征。

2.4 编制故事口诀,让知识的记忆变得简单轻松

笔者从事生物化学课程教学,深知本课程内容繁多,很多内容必须在记忆的基础上才能拓展和深入。因此,在教学中编制口诀来记忆一些学习内容就显得非常重要。比如:合成嘌呤碱的原料有一碳单位、谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、CO2。编制记忆口诀:有(一)农户,种(谷)为生,靠(天)吃饭,天若不降(甘)霖,则会(碳)气。鸟氨酸循环则有“一只鸟飞入林中,吃了氨基甲酰磷酸,变成吃瓜群众,跑出林子时抬头一望天空,有一群精兵骑着老虎,老虎被干掉变成了盐湖,精兵见势不妙尿了裤子,做鸟兽散”的口诀故事,既能活跃课堂,又能简化学生的学习负担,增加对生物化学学习的信心,得到学生的认可和赞许,提高了课程教学满意度。

2.5 采用虚拟仿真教学,“问道”代谢

教师采用虚拟仿真教学,利用其沉浸感、交互性、想象性、互动性等特征[5],可以克服传统教学环境的限制,特别适合生物化学的教学。虚拟仿真教学有利于激发学生的学习动机,增强学习体验,实现情境学习和知识迁移。

笔者曾去过广东罗浮山,一来参观学习东江纵队的红色历史,二来一睹名山美景。作为中国道教名山,晋代的著名养生家、丹道大家葛洪在罗浮山朱明洞留下“药槽丹灶”。笔者亲身感受,再多的文字介绍葛洪炼丹经历,不如亲自在博物馆触屏处,“问道”葛洪怎么炼丹。即:点击屏幕,从炼丹材料(丹砂、水、黄铜、铅等)选择合适的材料置入炼丹炉,只有正确的丹砂才能炼化为水银,并再次添加硫粉,才能炼化得到纯度高的丹砂,循环多次后得到高纯的水银或丹砂。这件事让笔者很快对炼丹(其实就是化学反应)过程有了比文字学习更深刻的印象。这实际上是一种虚拟仿真的学习过程,因此,笔者认为除了实验课适合开展虚拟仿真教学[6],生物化学理论课,尤其是代谢途径的学习也非常适合仿真学习。我们尝试用PPT动态演示代谢途径,得到学生认可,后续开放虚拟仿真并用于生物化学教学中。目前正在筹划阶段,相信能取得不错的教学效果。

2.6 注重德育,以研促教,培养学生科研思维,提升教学效果

我们树立“课程思政”理念,要强调学科教育应具备360度德育“大熔炉”的作用。在中国高等教育发展进程中,必须旗帜鲜明地提出,坚持“立德树人”是所有教育工作者的神圣使命,并且上升到战略高度[7]。近几年以来,高等教育要求我们在讲授知识的同时,还要阐述知识背后的逻辑、精神、价值、思想、艺术和哲学。为此,我校实行全程导师制[8],不仅包含知识和技能层面的指导,更强调道德层面的引导及心理层面的疏导。导师应发挥师者人格魅力和知识素养的综合影响,真正达到技术培养和素质教育的融合。

从科研方面来说,最重要的是学以致用,最初始的学以致用就是把学到的知识用到自己的学科研究领域中去。笔者利用本科生导师的培养制度,结合自身多年从事肿瘤代谢的研究进行课程内容的讲授。肿瘤细胞快速生长和转移,对氮的需要比较旺盛,肿瘤中有明显的代谢重组现象。笔者引导学生提出科学问题:肿瘤中是否有鸟氨酸循环代谢的改变(增强/减弱),其作用和机制是什么?学生再去查阅有无相关研究的论文,最后再优化科学问题。感兴趣的本科生完成项目书的撰写,并参加学校大创项目或者省级、国家级大学生课外科研。笔者注重对学生科研兴趣的培养和科研思维的训练,以提升教学效果和学生满意度。

此外,我校和学院每年都会设立大学生创新项目并给予基金资助,本科生在导师的指导下自主撰写和提交申请书,并参与校级答辩,以此为契机大力培养本科生设计实验和开展科研的能力。以笔者所带本科生来看,有4人次获得校级大创项目立项、省级和国家级创新创业项目立项,2人次获得全国生命科学竞赛三等奖并获得研究生推免资格。我们还会继续践行这种方式,并不断完善。

我们以生物化学课程中的鸟氨酸循环部分为例,结合近几年的教学实践积累,采取合理的教学方法,可以极大降低学生的学习难度,提高其学习积极性和教学效果,并且随时将课本上的知识迁移、拓展到科研中去。这不仅仅是学生科研思维的初步训练、查阅文献的简单动手操作,更是结合了本科生导师制开展学科竞赛、课外科研的科研行为,并通过获得奖项、项目资助提高学生能力的同时,达到了“让学生获得知识,运用知识,并品尝知识带来的果实”的良好教学效果。