探究医学生物化学代谢部分授课技巧

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摘要：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。但生物分子结构复杂、内容抽象繁琐、代谢途径交错成网、调控方式多样，是公认的教学难点和学习的“痛点”。本文从五个方面介绍了代谢教学的方法与技巧，通过“五要素法”讲授代谢的共同点，“点线面体”法架构代谢知识框架，串线回顾法达到课堂教学温故而知新，案例导入法提高学习兴趣，推导演绎法让代谢转化变得有规律可循。通过以上方法，化繁为简，增加课程的趣味性和启发性，提升生物化学的教学效果。

关键词：生物化学；物质代谢；教学技巧；五要素法

代谢生物化学又称为动态生物化学，主要讲述糖、脂肪、氨基酸、核苷酸的分解、合成及相互联系。由于生物分子结构复杂、代谢反应多、专业名词长、调控方式多样等特点，代谢被普遍认为是生物化学教学中的难点。代谢是生命活动的基本特征，是机体产生能量的来源。生长发育、遗传繁殖、应激等过程均与代谢息息相关，因此代谢又是生物化学教学中的重点。掌握好代谢的通路、基本规律、调控方式、相互转变、代谢异常所导致的疾病有助于学生更好地理解生命和疾病的分子本质。关于代谢部分的教学，有很多教师进行了有益的探索和改革，如文献阅读法[1-2]、思维导图法[3]、平时成绩法[4]，雨课堂[5]、翻转课堂[6]以及虚拟增强技术[7]的应用等。这些方法主要侧重于教学方式和技术，对于如何讲好代谢，如何化繁为简，让学习代谢不再成为学生的“痛点”还值得探索。笔者根据多年教学体会，谈一谈我们的生物化学代谢的讲授经验。

1代谢教学“五要素法”

生物大分子代谢在体内形成一个巨大的网络，步骤多、专有名词难记、结构复杂。学好代谢，要善于抓住共同的点。笔者根据教学大纲，梳理了代谢教学的五要素，即“代谢部位、关键酶、调控方式、能量和代谢意义”。如同写作文需交代“时间、地点、人物、事件”，这五个要素是代谢途径中最核心的部分，是教学中的重点。虽然生物体内代谢途径错综复杂，但五要素学习也有共性或规律，以下分别简要阐述。(1)部位：不同的器官或细胞，基因表达有所不同，导致酶蛋白表达有差异，因此很多代谢具有器官和细胞特异性。在代谢器官方面教学中尤其要注意肝脏为主或肝脏特异性的代谢；从细胞部位方面，一般要掌握发生在线粒体还是细胞质。(2)关键酶是控制代谢速度的限速酶，也是代谢调控的靶酶。虽然一个代谢途径有很多酶催化，但关键酶一般具有3个共性特点，即：常发生在代谢通路的起始步骤、不可逆反应，一般需能量参与，如糖酵解中的己糖激酶、脂肪合成中的乙酰辅酶A羧化酶、三羧酸循环中的柠檬酸合酶，都是第一步反应且不可逆。虽然柠檬酸合酶没有消耗能量，但乙酰CoA是个高能化合物，所以也满足上述的三个特点。(3)调控方式：代谢的调控一般指快速调控，包括变构调节和化学修饰两种方式。变构调节最明显的特点即代谢产物一般反馈抑制前面的关键酶，这符合化学反应的平衡理论。在讲解中也可通过打比方，“市场上商品滞销，企业需要减产”，让学生比较容易理解。化学修饰调节一般是激素对代谢的调节方式，即激素结合受体后，激活胞内的腺苷环化酶(adenylatecyclase,AC)，导致cAMP升高进而激活蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)。合成代谢中的关键酶磷酸化一般表现为抑制；而一些分解代谢的酶磷酸化则表现为激活，如糖原磷酸化酶、磷酸化酶b激酶、脂肪细胞甘油三酯脂肪酶等。(4)能量：能量是物质代谢中的暗线，包括能量生成和消耗。一般分解代谢释放能量，需要重点掌握的是葡萄糖和脂肪酸分解代谢的能量生成(ATP)计算方法。ATP的生成主要有底物水平的磷酸化和氧化磷酸化两种方式。底物水平磷酸化有2个，分别存在于糖酵解和三羧酸循环，简单记住就可以。氧化磷酸化是代谢途径中脱氢产生的NADH和FADH2通过电子传递链实现的，而NADH和FADH2主要是三羧酸循环和脂肪酸β-氧化产生的。三羧酸循环可以归纳为“4321”，即4次脱氢产生3个NADH和1个FADH2，2次脱羧释放2个CO2，1次底物水平磷酸化生成1个GTP。脂肪酸β-氧化则是每一轮反应产生FADH2和NADH各1个。合成代谢需要的能量一般是ATP，但UTP、CTP和GTP也参与了三大营养分子合成，如UTP参与了糖原合成、CTP参与磷脂合成、GTP参与蛋白质合成，在教学中要善于帮助学生归纳总结。(5)代谢的意义。生物化学教学中需重点介绍的代谢意义有三羧酸循环、磷酸戊糖途径、糖异生、脂肪酸β-氧化、酮体生成、血脂代谢、氨代谢、芳香族氨基酸代谢等。教学中需要结合代谢所处的地位、中间物和产物功能、代谢正常或异常对机体的影响等方面进行介绍。教学中可以结合一些生化检测报告、病例来讲授，限于篇幅，这里不举例说明。

2代谢“点-线-面-体”知识框架法

代谢难学，但是并非要求学生掌握代谢的每一个步骤、每一个酶或中间产物，但是代谢中重要的途径、代谢中间物、相互联系与转化、整体的调控这个知识体系是需要掌握的。因此教学中要善于架构“点-线-面-体”这个学习框架。所谓“点”指的是重要的代谢中心点或交汇点，如葡糖糖代谢中的葡萄糖-6-磷酸、三大物质代谢交汇点乙酰CoA，以及参与很多物质合成的甘氨酸等。“线”是各个代谢通路，需要掌握线的“起点”“终点”和重要的“中间点”，以上述的五要素法开展代谢通路的具体教学。“面”是指四类生物大分子的代谢概况，要掌握重要分子的代谢池，如血糖、胆固醇、血脂、氨基酸、血氨、核苷酸的生成和去路。各类分子的代谢通过交叉点连接进一步形成“体”，这个层面主要在“代谢联系与调节”这一章进行归纳和总结，教学中要注重讲解机体通过细胞水平、激素水平、整体水平等层次对代谢稳态的调控。很多高校在代谢教学中喜欢布置同样的一道作业题——要求学生绘制代谢网络图，目的就是为了让学生头脑中形成一个整体的代谢框架。

3课堂串线回顾法

温故而知新。温故不仅是学习者的事情，教师也有责任帮助学生复习，并通过温故促进知新。很多有经验的教师会利用课堂的前5分钟，简要回顾上一堂课的内容，带领全体同学一起温故，提高教学效果。为了提高学生的参与度，我的做法是随机点名，请几名学生说5~10个关键词。老师把学生说的关键词写在黑板上，然后引导学生把这些关键词串联起来，一起回顾上次课所学的知识点。如回顾糖酵解时，学生常说的关键词有葡萄糖、己糖激酶、丙酮酸、NADH、底物水平磷酸化、1,6-二磷酸果糖、胞质等[8]。通过关键词，一方面老师可以更加了解学生对关键知识点的记忆效果，另一方面用这些关键词串联出整个代谢途径，能帮助同学们强化对代谢过程和规律的认识。这种知识回顾方法比单靠老师讲述的效果更好，因为学生可能被抽中发言，他们的上课注意力更集中，自主复习意识也更高。

4案例导入法

兴趣是最好的老师，讲授医学生物化学代谢，最好从案例或疾病引入，引起学生的好奇心，在兴趣的驱使下，学生的注意力会高度集中。如讲授磷酸戊糖途径，我们先给学生看“蚕豆病”的案例(一种遗传病，患者食用蚕豆出现溶血、血尿)，让学生了解发病症状，接下来讲解葡萄糖代谢转变成戊糖的过程，了解代谢中的关键酶和调控因素，最后解答发病原因。讲解完毕，留给学生一些课后思考题，如“蚕豆病患者除了禁食蚕豆，临床用药有没有禁忌？”“为什么葡萄糖-6-磷酸脱氢酶被列为产前筛查的主要项目？”通过案例和问题驱动式学习，学生对磷酸戊糖途径、关键酶、NADPH的功能印象深刻。空军军医大学张翔教授[9]在讲授糖原代谢时，以自己五公里跑步过程中血糖水平的变化为案例，提出问题：为什么运动后血糖出现“下降-稳定-回升”变化，结合问题讲解糖原分解过程并阐述原因。然后提出新的问题：如何提高5千米跑步的成绩，跑前半小时补充葡萄糖可行吗？通过问题解析，引出了运动医学上的“糖原填充法(carbohydrateloading)”以提高体内糖原储备。然后提出“稳态失衡后代偿式恢复”概念，以及糖尿病患者注射胰岛素后血糖水平出现苏木杰效应(Somogyieffect)。这种层层递进的案例/问题引导式教学过程中，学生学习的同时要作思考判断，对于代谢过程和规律的理解都会更加深入。减肥是永恒的话题，生物化学中有多个知识点与减肥有关，因此可以结合减肥的机制来讲授生物化学代谢。如讲授β-氧化，我们一般会结合“左旋肉碱减肥”，肉碱作为脂酰CoA的搬运工，对于加快脂肪分解确实有重要作用。进而根据广告宣传的“苹果酸+左旋肉碱”是减肥黄金组合，让同学们从生化代谢的角度去分析其内在联系。再如，赵晶教授[10]用代谢的整合和联系来解释减肥问题：长期节食减肥为何收效甚微？原来长期节食，机体会相应地下调糖分解酶和甲状腺素水平，降低基础能量需求。一旦恢复正常糖摄入，就会引起体重反弹。还有近些年兴起的“生酮饮食减肥”(高脂低碳饮食减肥)，我们可以引入到酮体代谢的教学中，让同学们对这种“吃肉减肉”的方法产生浓厚兴趣，再讲授酮体代谢过程、调控方式、酮血症的特点，最后来客观评价生酮减肥的效果与弊端。

5推导演绎法

代谢本质上是化学反应，生物体内的物质代谢转变是有其规律的。死记硬背学代谢一定会很痛苦，老师要善于帮助学生推导演绎代谢过程。以糖酵解为例，糖酵解过程复杂，是学生们接触的第一个代谢途径，更加需要推导演绎让这个过程变得易于理解。糖酵解从定义上是葡萄糖变成2分子丙酮酸的过程，那么意味着葡萄糖要一分为二。但是葡萄糖是环状半缩醛结构(吡喃环)，很稳定，打不开怎么办？根据酶促反应学说，需要让底物活化起来，所以顺理成章地讲到第一步，己糖激酶催化ATP投入能量，产生6-磷酸葡萄糖。但是这样一来葡萄糖两边不对称，能量也不够打开环，需要继续投入能量，但此时葡萄糖上没有类似6号碳上的-OH(笔者称之为游离羟基)，怎么办？接下来异构，6-磷酸葡萄糖变成6-磷酸果糖(呋喃型)，1号碳及羟基游离出来，可以继续磷酸化，生成左右对称的1,6-二磷酸果糖，然后就可以一分为二形成2个三碳化合物。讲述的过程结合一些形象的比喻或俏皮话，如用“上帝欲使其灭亡，必先使其疯狂”“舍不得孩子套不住狼，没有ATP打不开葡萄糖”来形容葡萄糖活化的必要性。通过这种方式讲解，教师和学生都不会感觉枯燥，而且记忆学习效果更佳。脂肪酸β氧化也适合进行化学反应的推导。β-氧化是一个螺旋式代谢途径，每一轮的共同特点是β位的-CH2变成-CO，产生少2个C的脂酰CoA和乙酰CoA。但是线粒体内氧化还原反应不直接加氧，所以-CH2需要先脱氢(-2H)、加水(+H2O)引入氧、再脱氢(-2H)才能形成-CO基，最后硫解。根据化学反应特性来推导，学生更容易理解和记住脂肪酸β-氧化的四个步骤顺序。类似的过程还有磷酸戊糖途径，该途径是6个C的葡萄糖要变成5个C的核糖，而生物体内C的释放是通过脱羧生成CO2形成的，因此推导葡萄糖上要形成一个-COOH。而-CHO变成COOH需要加氧，所以也需要脱氢、加水、再脱氢，形成6-磷酸葡萄糖酸后，再进行脱羧，形成5个C的核酮糖-5-磷酸。通过演绎推导法，学生“知其然，更知其所以然”，学习效果大大提高。

6结语

代谢是现代医学研究的热点，关于代谢的新知识、新途径在不断增长，未来的生物化学教材可能变得更加复杂。因此，大学的教学不仅是知识的传授，更应注意逻辑思维、批判意识、归纳能力和系统分析能力的培养。本文所列举的教学方法，主要从代谢的共性、框架、课堂教学方法、学生分析能力和逻辑思维等方面，帮助学生化繁为简，加强理论知识应用能力，提高学习效果。生物化学是公认的难学课程。为了激发学生学习兴趣、活跃课堂气氛，南京大学杨荣武教授[11]组织了四届全国大学生“生物化学歌曲大赛”，引领“生物化学快乐学习”的新潮流，在全国高校和社会上引起强烈反响。教无定法、贵在得法，本文也仅是笔者多年教学的一点体会，肯定还有老师有更多的做法与经验。无论什么方法，只要是以“学”为中心，以价值养成和能力导向为目标的教学改革，都值得提倡。教学是一门艺术，希望老师们发扬“教无止境”的教学艺术主义，持续优化教学方法、丰富教学素材，增加课程的趣味性和启发性，不断提升生物化学的教学效果。

参考文献

[1]CicutoC,PazinatoM,TorresB.Teachingmetabolismwithscientificarticles:anewapproach.BiochemMolBiolEdu,2019,47(1):85-92

[2]陈静,生欣,陆红玲,等.文献阅读在医学生生物化学物质代谢教学中的实践.基础医学教育,2017,19(4):255-256

[3]郑敏,郏弋萍,欧阳满.以“糖代谢”为例探讨思维导图为主体的新型生物化学教学模式的建立.卫生职业教育,2017,35(23):37-38

[4]罗明秀,李建宁,张茜,等.平时成绩在临床专业医学生物化学教学中的作用探索—以物质代谢篇为例.中国高等医学教育,2020(1):47-48

[5]李宁,王顺,杨菁,等.基于雨课堂的混合式教学在生物化学脂代谢教学中的应用.基础医学教育,2018,20(6):491-493

[6]梁丽琴,王文科,贾震虎,等.基于小组合作构建代谢网络的翻转课堂教学实践研究—以《生物化学》课程中的甘油三酯代谢内容为例.生命的化学,2018,38(4):654-662

[7]束波,范芳.虚拟现实技术在物质代谢途径教学中的应用.基础医学教育,2019,21(5):401-403

[8]黄春洪,杨晓红,胡晓鹃,等.如何让生化课堂生动化.生命的化学,2018,38(1):156-159

[9]张翔.微课《拯救你的糖慌—肝糖原的分解》

[10]赵晶.“代谢整合与调节”一章的在线教学内容升级设计.中国生物化学与分子生物学报,2020,36(11):1381-1384

[11]李玉玺,刘慧敏,杨荣武.运用《生物化学》歌曲，辅助《生物化学》教学.中国生物化学与分子生物学报,2021,37(3):401-406

作者：黄春洪  单位：南昌大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室