生物化學(xué)前沿研究動(dòng)態(tài)及其在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

閆榮玲, 李常健, 廖 陽(yáng), 袁志輝

(湖南科技學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，永州 425199)

“生物化學(xué)”是一門(mén)在分子水平探討生命的化學(xué)組成和生命過(guò)程的化學(xué)變化的基礎(chǔ)學(xué)科，即研究生物體的分子結(jié)構(gòu)與功能、代謝與調(diào)節(jié)及遺傳信息的傳遞。如同生命科學(xué)其他學(xué)科一樣，生物化學(xué)的前沿研究不斷有令人驚嘆、激動(dòng)或興奮的新成果涌現(xiàn)出來(lái)。作為課程的任課教師，及時(shí)關(guān)注學(xué)科的最新研究進(jìn)展并把獲取的信息及時(shí)合理地應(yīng)用到課堂教學(xué)中十分必要。本文基于近年教學(xué)一線(xiàn)的實(shí)踐，列舉了生物化學(xué)領(lǐng)域近年若干重大發(fā)現(xiàn)，闡述了這些學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)在課堂教學(xué)中應(yīng)用途徑。

1 生物化學(xué)前沿研究動(dòng)態(tài)實(shí)例

1.1 密碼子的雙重信息

蛋白質(zhì)合成時(shí)，DNA轉(zhuǎn)錄形成的信使RNA(mRNA)所承載的遺傳信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)多肽鏈，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞中兩種不同化學(xué)本質(zhì)的“語(yǔ)言”之間“翻譯”。在此過(guò)程中，作為模板的mRNA，其鏈中每3個(gè)相鄰核苷酸決定一個(gè)氨基酸，人們把決定一個(gè)氨基酸的3個(gè)核苷酸稱(chēng)為一個(gè)密碼子，亦稱(chēng)三聯(lián)體密碼[1]。自20世紀(jì)60年代密碼子被破譯以來(lái)，人們一直認(rèn)為它僅是一種專(zhuān)門(mén)記錄蛋白質(zhì)序列信息的載體，然而最新的研究發(fā)現(xiàn)，密碼子不僅決定了哪種氨基酸被摻入到即將合成的蛋白質(zhì)肽鏈中，它還決定這些氨基酸的摻入速度。具體地說(shuō)就是，mRNA上所有密碼子以不同速度被解碼(讀取)，有些快有些慢，每條mRNA包含的所有密碼子總和決定了其解譯的總體速度，并最終表現(xiàn)在一定時(shí)間下特定蛋白質(zhì)的合成量[2]。知道了密碼子的這一信息，研究人員可以操控遺傳密碼，從而更精細(xì)地來(lái)上調(diào)或下調(diào)蛋白質(zhì)表達(dá)水平。如人為替換mRNA上同義密碼子(編碼相同氨基酸的不同密碼子)來(lái)改變其編碼解碼速度，但最終表達(dá)出來(lái)的蛋白質(zhì)序列沒(méi)有出現(xiàn)任何變化[3]。

1.2 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的晶體結(jié)構(gòu)

葡萄糖是地球上各種生物最重要、最基本的能量來(lái)源，要想降解葡萄糖為機(jī)體供能，首先需要的一個(gè)前提條件就是把葡萄糖運(yùn)送進(jìn)入細(xì)胞。生物膜的主要成分為疏水的脂類(lèi)，因此親水的葡萄糖分子不能直接穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，這時(shí)就需要跨膜運(yùn)載工具的輔助，它就是葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白鑲嵌于細(xì)胞膜上，如同細(xì)胞膜屏障上的葡萄糖專(zhuān)用通道，在消耗ATP的條件下，通過(guò)改變自身空間結(jié)構(gòu)把葡萄糖運(yùn)送進(jìn)細(xì)胞。人類(lèi)自1977年第一次從紅細(xì)胞膜上分離得到葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)，就一直渴望高分辨率地解析其分子結(jié)構(gòu)，直到2014年這一工作被我國(guó)清華大學(xué)顏寧研究小組完成，使得葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也成了第一個(gè)被成功進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析的人源膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[4]。知道了它的結(jié)構(gòu)信息，人們就開(kāi)始思考其在人類(lèi)疾病診斷與治療上的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。如通過(guò)開(kāi)發(fā)某種藥物進(jìn)行人工干預(yù)，專(zhuān)一性地破壞癌細(xì)胞質(zhì)膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)，使其不能正常工作，切斷癌細(xì)胞能量物質(zhì)的供給，從而殺死癌細(xì)胞。

1.3 RNA起源學(xué)說(shuō)

生命起源中，蛋白質(zhì)、核酸、糖類(lèi)、脂類(lèi)這些生物大分子到底哪種物質(zhì)最先出現(xiàn)的爭(zhēng)論到現(xiàn)在也沒(méi)有定論。由于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的多樣性，人們一開(kāi)始認(rèn)為最先出現(xiàn)的應(yīng)該是蛋白質(zhì)分子。然而，20世紀(jì)80年代，人們發(fā)現(xiàn)了具有酶活性(如切割RNA、切割DNA、連接RNA等)的RNA分子后，開(kāi)始意識(shí)到兼具核酸遺傳功能與蛋白質(zhì)催化活性于一身且相對(duì)DNA更為簡(jiǎn)單的RNA分子可能是地球上最先出現(xiàn)的有機(jī)大分子。德國(guó)科學(xué)家在化學(xué)合成領(lǐng)域的研究成果進(jìn)一步支持了這一推測(cè)，它們發(fā)現(xiàn)，模擬原始地球環(huán)境條件，通過(guò)特定反應(yīng)確實(shí)可以形成尿嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤等RNA的重要組成成分[5]。

1.4 環(huán)狀RNA

一直以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)存在生物體內(nèi)的RNA，不管是直接參與蛋白質(zhì)合成的信使RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA以及核糖體RNA，還是不直接參與蛋白質(zhì)的合成而是在細(xì)胞中起催化、調(diào)控等作用的其他RNA分子，全部以線(xiàn)狀形式存在。也正因?yàn)榇?，人們形成并接受了所有RNA均為線(xiàn)狀的這一認(rèn)識(shí)。然而，近年的研究表明，在細(xì)胞中還存在一類(lèi)環(huán)狀的RNA分子(circRNA)，與傳統(tǒng)的線(xiàn)性RNA(linear RNA，具5′和3′兩個(gè)末端)不同，circRNA呈封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，難以被RNA外切酶降解而更穩(wěn)定，其在細(xì)胞中主要參與基因表達(dá)調(diào)控，通過(guò)與miRNA結(jié)合進(jìn)而解除miRNA對(duì)靶基因表達(dá)的抑制作用[6]。

1.5 維生素C新功效

維生素C又稱(chēng)抗壞血酸，是一種含有6個(gè)碳原子的酸性多羥基化合物。在生物體內(nèi)，維生素C是一種重要的抗氧化劑，保護(hù)身體免于自由基的威脅。最新研究發(fā)現(xiàn)，高劑量的維生素C可殺滅小鼠特定類(lèi)型結(jié)直腸癌細(xì)胞，研究結(jié)果提示人們可以利用維生素C開(kāi)發(fā)治療結(jié)直腸癌的新型靶向療法[7]。

2 學(xué)科前沿研究動(dòng)態(tài)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

教材相對(duì)于學(xué)科發(fā)展的速度，表現(xiàn)出明顯的滯后性和局限性[8]。這就要求任課教師及時(shí)關(guān)注學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)、吸收和引入具有代表性、突破性或趣味性的學(xué)科最新研究成果到課堂中來(lái)。一方面可以彌補(bǔ)教材的不足，另一方面可以產(chǎn)生一系列積極效應(yīng)，如可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增加課堂的師生互動(dòng)，改變理工科課堂呆板、枯燥、晦澀的狀態(tài)。“生物化學(xué)”作為生物學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，一般在大學(xué)一年級(jí)開(kāi)設(shè)，作為剛從高中階段邁入大學(xué)學(xué)習(xí)不到一年的新生來(lái)說(shuō)，尤其需要教師在課堂教學(xué)中突破教材的束縛，在闡述清楚課程的基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)好課程的重難點(diǎn)基礎(chǔ)上，加入這些前沿研究動(dòng)態(tài)作為課堂的“調(diào)味劑”。本文所列舉的幾個(gè)實(shí)例分別對(duì)應(yīng)《生物化學(xué)》的第十五章“蛋白質(zhì)的生物合成”的“蛋白質(zhì)合成體系”；第九章“糖代謝”的“糖的分解代謝”；第三章“核酸”的“核酸的組成成分”以及“RNA結(jié)構(gòu)與功能”；第七章“維生素”的“水溶性維生素”等章節(jié)[1]。在教師有意識(shí)地查閱和收集這些學(xué)科前沿研究成果后，如何用好這些學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)呢？可有以下3種途徑。

2.1 作為課后閱讀素材

大學(xué)的課堂不能局限在有限時(shí)空內(nèi)課本知識(shí)的有限灌輸，如何引導(dǎo)學(xué)生利用好課后時(shí)間進(jìn)行所授課程的學(xué)習(xí)是我們?nèi)握n老師應(yīng)該思考的問(wèn)題[10]。因此，生物化學(xué)學(xué)科前沿的文獻(xiàn)報(bào)道及其中文解讀等材料可作為課堂教學(xué)的延伸，即在課堂教學(xué)的末尾，作為課后閱讀資料發(fā)給同學(xué)們，并要求同學(xué)們?cè)谙鹿?jié)課的時(shí)候闡述自己對(duì)材料的理解以及由這個(gè)材料所引發(fā)的所思所想。借此方式，拓展學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)認(rèn)知，提高學(xué)生的學(xué)術(shù)修養(yǎng)。

2.2 作為教師課堂教學(xué)拓展素材

這種途徑最直接，就是教師在備課時(shí)，直接把相關(guān)素材熟悉吃透后，加在教學(xué)設(shè)計(jì)的合適位置。在課堂教學(xué)介紹完某一知識(shí)點(diǎn)后，通過(guò)提問(wèn)的形式引入對(duì)應(yīng)的前沿研究成果(如“密碼子中是否真的僅蘊(yùn)藏這蛋白質(zhì)序列這一單一信息呢？”“你想知道葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞的通道是什么樣子嗎？”“RNA起源學(xué)說(shuō)是否有了新的證據(jù)？”“RNA真的全部是線(xiàn)狀的嗎？”“維生素真的僅有教材中提到的這些功效嗎？”)。教師對(duì)這些新成果的介紹，既豐富了課堂信息量，活躍了課堂氣氛，又使同學(xué)們深刻意識(shí)到生命科學(xué)發(fā)展的日新月異，僅局限課堂有限知識(shí)的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同時(shí)潛移默化地熏陶同學(xué)們形成積極思考、敢于創(chuàng)新、勇于嘗試的意識(shí)。

2.3 作為研討式教學(xué)的背景材料

課程的部分章節(jié)適合進(jìn)行研討式教學(xué)，對(duì)于這樣的章節(jié)，教師在前一節(jié)課的末尾階段，設(shè)計(jì)和布置一系列具邏輯聯(lián)系的問(wèn)題，并把同學(xué)們分成若干小組進(jìn)行課下資料查閱與教具準(zhǔn)備，以便在下節(jié)課展開(kāi)小組間交流與討論[9]。此時(shí)，教師所準(zhǔn)備的學(xué)科前沿材料可以與所布置的問(wèn)題一道下發(fā)作為研討式教學(xué)的背景材料，以幫助同學(xué)們更好的理解與準(zhǔn)備研討式課堂的發(fā)言。如“蛋白質(zhì)生物合成”一章的第一節(jié)“蛋白質(zhì)合成體系”即可以采用研討式教學(xué)。在上一章“RNA的生物合成”最后一次課的末尾階段，我們布置下一節(jié)課要學(xué)習(xí)的“蛋白質(zhì)合成體系”研討式教學(xué)任務(wù)：學(xué)生共分成3個(gè)小組，分別對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)合成體系的mRNA、核糖體、tRNA。所有各組均需要了解以下問(wèn)題：為何人們把蛋白質(zhì)生物合成喻為“翻譯”？蛋白質(zhì)合成需要哪些主要參與者的協(xié)同配合？各參與者各自具有哪些特征？對(duì)于不同小組則還需要思考和準(zhǔn)備與自己小組相關(guān)的針對(duì)性問(wèn)題，如mRNA小組則需要思考與準(zhǔn)備：mRNA上的三聯(lián)體密碼如何被發(fā)現(xiàn)(包括最初的假設(shè)與推理以及實(shí)驗(yàn)證據(jù))？密碼子表現(xiàn)出哪些基本特點(diǎn)，以及這些特點(diǎn)對(duì)其遺傳信息傳遞的影響？mRNA上的密碼子除決定蛋白質(zhì)合成的氨基酸序列之外，是否還蘊(yùn)含著其他信息？對(duì)于最后一個(gè)問(wèn)題，由于教材及參考書(shū)上沒(méi)有相關(guān)信息，需要教師提供原始文獻(xiàn)或相關(guān)資料，也可以引導(dǎo)學(xué)生自行查閱資料作為下次課研討式教學(xué)的背景材料。通過(guò)課前的精心準(zhǔn)備后，各小組利用自己準(zhǔn)備的資料與教具按照一定的脈絡(luò)闡述清楚蛋白質(zhì)合成體系的其中一個(gè)組分，并在闡述的過(guò)程中以及闡述結(jié)束后接受其他小組的提問(wèn)以及展開(kāi)小組間討論，教師在必要時(shí)候進(jìn)行補(bǔ)充和糾錯(cuò)。

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