生物化學(xué)中“三羧酸循環(huán)”的教學(xué)設(shè)計

王婷婷

(衡水學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000)

1 引言

三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle)，又叫做TCA循環(huán)、檸檬酸循環(huán)，由于該循環(huán)的第一個產(chǎn)物是含有三個羧基的檸檬酸而得名。三羧酸循環(huán)是動態(tài)生化里的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其內(nèi)容龐雜、知識點(diǎn)繁多，初次學(xué)習(xí)者容易抓不到主線，學(xué)習(xí)起來費(fèi)時費(fèi)力，繼而去尋找一些“速成”的學(xué)習(xí)法。在此教學(xué)設(shè)計中，索性先把學(xué)生學(xué)習(xí)三羧酸循環(huán)的困惑拋出來，以及由此引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)速成學(xué)習(xí)方法，分析為何速成法不可行，先破再立，從而引導(dǎo)學(xué)生回歸正確的學(xué)習(xí)方法，樹立求真求實(shí)的端正態(tài)度，從學(xué)科本身邏輯出發(fā)，掌握物質(zhì)循環(huán)及能量循環(huán)的規(guī)律。幫助學(xué)生掌握三羧酸循環(huán)的過程，深刻理解其中的物質(zhì)代謝和能量代謝規(guī)律。同時培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)所學(xué)，串聯(lián)知識、建構(gòu)知識體系的能力。

2 課前準(zhǔn)備階段

2.1 準(zhǔn)確分析學(xué)情

三羧酸循環(huán)一般出現(xiàn)在生物化學(xué)教材《糖代謝》一章。此章為學(xué)生接觸到的動態(tài)生物化學(xué)部分的第一個生物大分子的代謝。上一章學(xué)生學(xué)習(xí)了能量代謝的方式，本章也已經(jīng)學(xué)習(xí)了糖酵解途徑[1]，對于物質(zhì)代謝以及與能量代謝的關(guān)系有了初步的認(rèn)識，但未必深刻。歷年來，三羧酸循環(huán)都是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，之所以難，在于學(xué)生沒有理解其中的生化法則，沒有找對學(xué)習(xí)方法，單靠死記硬背是不能靈活運(yùn)用的。

2.2 課前布置學(xué)習(xí)任務(wù)單

學(xué)習(xí)三羧酸循環(huán)之前可為學(xué)生布置學(xué)習(xí)任務(wù)單，引導(dǎo)學(xué)生自主預(yù)習(xí)。如找出三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵酶、幾次脫氫反應(yīng)、幾次脫羧反應(yīng)、底物水平磷酸化等等。還可以讓學(xué)生思考每步反應(yīng)之間，物質(zhì)變化的生化邏輯并選擇幾處寫下來；查閱資料寫出三羧酸循環(huán)在代謝中的意義；通過自學(xué)寫出自己認(rèn)為有效的學(xué)習(xí)方法等。學(xué)生已經(jīng)有了糖酵解的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)行參照來學(xué)習(xí)三羧酸循環(huán)。課前學(xué)習(xí)任務(wù)單對學(xué)生的預(yù)習(xí)起導(dǎo)向作用，引導(dǎo)他們在預(yù)習(xí)時從哪幾方面入手，為找到學(xué)習(xí)主線提供思路，也為他們今后的自主學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3 課上實(shí)施階段

3.1 直面學(xué)習(xí)困惑，融入課程思政，端正學(xué)習(xí)態(tài)度

學(xué)生課前已經(jīng)完成了學(xué)習(xí)任務(wù)單，對三羧酸循環(huán)有一定的了解，可能還存在不知如何建立有效的學(xué)習(xí)方法的困惑。先以學(xué)生視角列出一些他們認(rèn)為行之有效的“打開方式”，如網(wǎng)絡(luò)上的一些簡單口訣或是腦洞故事來背誦知識。這些方法僅僅將反應(yīng)物的名稱融入口訣或融入故事的角色名稱。這種現(xiàn)象在學(xué)生學(xué)習(xí)尤其是應(yīng)對考試復(fù)習(xí)時，是比較普遍的。

其實(shí)這些速成的方法有弊端的。首先，它沒有根基，關(guān)注的僅僅是循環(huán)中物質(zhì)的名稱，沒有建立在生化的知識體系中，物質(zhì)和物質(zhì)之間有何關(guān)系，由何連接，能量如何釋放，都沒有給出分析。因此，這樣的背誦只能應(yīng)對默寫類題型，不能靈活運(yùn)用，有悖于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。其次，背得多了，僅僅記住了名稱，容易混淆，到底背誦的口訣對應(yīng)什么知識會越來越模糊。最后，希望學(xué)生認(rèn)識到，人類的大腦應(yīng)不僅僅是背誦大量知識，這樣的工作人工智能就可以做，在未來的就業(yè)市場中是沒有競爭力的，這也不是高等教育的目的，現(xiàn)在培養(yǎng)的是學(xué)生學(xué)習(xí)的能力。此部分融入課程思政，希望培養(yǎng)學(xué)生求真求實(shí)的端正學(xué)習(xí)態(tài)度，追求基于生化邏輯的學(xué)習(xí)方法。

3.2 從物質(zhì)和能量代謝的本質(zhì)出發(fā)，抓住主線

既然網(wǎng)絡(luò)上的“速成法”不可行，繼而引出正確的基于生化邏輯的學(xué)習(xí)方法。掌握了它的精髓，學(xué)習(xí)三羧酸循環(huán)就會變得容易。先帶領(lǐng)學(xué)生由糖的有氧氧化出發(fā)，分析物質(zhì)代謝的本質(zhì)，以及其中偶聯(lián)的能量代謝。葡萄糖徹底氧化會分解最終生成CO2和H2O以及能量?？梢园堰@個過程歸結(jié)為物質(zhì)代謝和能量代謝兩個方面。在分解過程中，物質(zhì)代謝方面，應(yīng)主要關(guān)注有機(jī)物中碳原子的變化，以及生成CO2的數(shù)量。而在能量代謝方面，應(yīng)關(guān)注脫氫反應(yīng)，代謝物脫下的氫會生成NADH+H+或FADH2，進(jìn)入呼吸鏈生成ATP，同時將氫傳遞給O2生成H2O，當(dāng)然也可通過底物水平磷酸化生成ATP。

作為糖的有氧氧化的一個階段，三羧酸循環(huán)也符合以上特點(diǎn)。領(lǐng)悟了這些生化規(guī)律，也就找到了學(xué)習(xí)三羧酸循環(huán)的主線——物質(zhì)代謝和能量代謝。依據(jù)主線學(xué)習(xí)，思路就會變得清晰。在三羧酸循環(huán)的八步反應(yīng)中[1]，每一步反應(yīng)都與產(chǎn)能或物質(zhì)分解直接相關(guān)，或是為其做準(zhǔn)備的。重點(diǎn)看碳原子數(shù)的變化，是否脫羧生成CO2，是否脫氫進(jìn)行電子傳遞體系磷酸化，是否進(jìn)行底物水平磷酸化。當(dāng)然有些反應(yīng)步驟是為這些變化做準(zhǔn)備的，這也體現(xiàn)了其中的生化邏輯，如檸檬酸脫水生成順烏頭酸，再加水生成異檸檬酸，是因?yàn)闄幟仕崾菍ΨQ結(jié)構(gòu)不易氧化，變成仲醇后易氧化，為下一步氧化做準(zhǔn)備。在學(xué)習(xí)每一步反應(yīng)時，可請學(xué)生來分析此步的作用，可加深其對這些生化規(guī)律的理解。

3.3 兼顧分支，描繪全貌，提煉意義

僅僅抓住主線學(xué)習(xí)是不完整的，在強(qiáng)調(diào)主線的同時，還要注意此部分知識的重要分支，交代清楚它的來龍去脈。如開始學(xué)習(xí)時應(yīng)先介紹三羧酸循環(huán)的發(fā)現(xiàn)[2]，它在糖的有氧氧化中所處的位置，發(fā)生的場所，丙酮酸的轉(zhuǎn)運(yùn)等問題。另外對于三羧酸循環(huán)的起點(diǎn)應(yīng)特別指出，不同的教材有不同的介紹，有些認(rèn)為起點(diǎn)為乙酰輔酶A，有些認(rèn)為起點(diǎn)為丙酮酸。這樣可避免學(xué)生看到不同教材時產(chǎn)生疑惑。學(xué)習(xí)每一步反應(yīng)時應(yīng)加入關(guān)鍵酶的激活劑、抑制劑，能量計算等。補(bǔ)充草酰乙酸的回補(bǔ)反應(yīng)[3]。此部分可與糖酵解進(jìn)行對比學(xué)習(xí)。

通過學(xué)習(xí)三羧酸循環(huán)的過程，讓學(xué)生體會它的生理意義也非常重要。在后續(xù)動態(tài)生化的其它章節(jié)中，三羧酸循環(huán)可與其它知識建立起聯(lián)系，形成知識網(wǎng)絡(luò)。生理意義是對反應(yīng)過程的高度深化和集中反映，是代謝途徑的重要組成部分。三羧酸的生理意義可提煉為“高效產(chǎn)能，普遍供能，多方溝通”十二個字，便于啟發(fā)學(xué)生思考與聯(lián)想[4]。

4 課后提升階段

4.1 小組討論，深化進(jìn)階

課后可給出一些思考題進(jìn)行小組討論，讓學(xué)生在討論中通過個體間的相互反饋以及個體內(nèi)的自我反思走向高階學(xué)習(xí)，只有真正深入理解三羧酸循環(huán)的過程，建立代謝的網(wǎng)絡(luò)，才能做出很好的回答。這里舉三個問題作為例子。

第一個問題，CO2中的C是否直接來自乙酰輔酶A？三羧酸循環(huán)總體的反應(yīng)表現(xiàn)為乙酰輔酶A分解生成2分子CO2，容易被誤認(rèn)為CO2中的C全部直接來自乙酰輔酶A。通過觀察三羧酸循環(huán)C原子的變化，可很容易判斷出，第一次生成CO2時，C并不是直接來自乙酰輔酶A的。另外，用同位素14C、13C分別標(biāo)記乙酰輔酶A的甲基及羧基碳的實(shí)驗(yàn)表明：在第一輪循環(huán)中沒有標(biāo)記的CO2釋放出來。說明釋放的兩分子CO2中的C原子并非是乙酰輔酶A的C原子，而是另一個底物草酰乙酸的C原子[5,6]。

第二個問題，循環(huán)中可重新生成的各物質(zhì)是“催化劑”嗎？因?yàn)槿人嵫h(huán)中，除乙酰輔酶A，其它物質(zhì)在循環(huán)中仿佛都是“可再生的”，“沒有消耗的”，就會有人把這些物質(zhì)歸為“催化劑”。這其實(shí)也是錯誤的，催化劑的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)或RNA，另外這些物質(zhì)也不可能沒有消耗，三羧酸循環(huán)為糖異生、脂類、氨基酸等物質(zhì)的合成提供原料，與體內(nèi)其它代謝是聯(lián)系在一起的，并不是孤立存在的。

第三個問題，三羧酸循環(huán)中并未出現(xiàn)氧氣，為何說其需氧？回答這個問題，也要將體內(nèi)的代謝聯(lián)系在一起看，三羧酸循環(huán)能產(chǎn)生大量能量，其實(shí)是其脫氫產(chǎn)生的NADH+H+和FADH2進(jìn)入呼吸鏈，將氫傳遞給氧生成水，同時生成ATP。若無氧必然會導(dǎo)致NADH+H+和FADH2大量堆積，影響三羧酸循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以說三羧酸循環(huán)需要氧氣來維持它正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 收集反饋，繼續(xù)優(yōu)化

在課程的線上平臺開辟討論區(qū)，收集學(xué)生對三羧酸循環(huán)的學(xué)習(xí)、討論反饋，以及討論過程中產(chǎn)生的新困惑，繼續(xù)對此部分的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化、答疑。鼓勵學(xué)生討論后進(jìn)行個體內(nèi)的反思，將此部分知識內(nèi)化，形成自己的認(rèn)識，在討論區(qū)中分享出來。比如一些建立在生化邏輯上的口訣等，可以把三羧酸循環(huán)概括為“四三二一”口訣，即四次脫氫反應(yīng)，三大關(guān)鍵酶，兩次脫羧生成CO2，一次底物水平磷酸化[7]。通過學(xué)生的反饋及自身的反思，教師可對此部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，以期取得更好的教學(xué)效果。

在三羧酸循環(huán)的教學(xué)設(shè)計中，筆者強(qiáng)調(diào)了提取主線，這其實(shí)是建立與舊知的聯(lián)系，以舊知激活新知。在此過程中，教師的引導(dǎo)，學(xué)習(xí)方法的選取，學(xué)習(xí)思維的建立，學(xué)習(xí)同伴間的反饋，自我反思知識內(nèi)化，都是非常重要的。生物化學(xué)的學(xué)習(xí)一定是建立在生化邏輯的基礎(chǔ)之上的，使知識連接成網(wǎng)絡(luò)，形成有機(jī)的知識體系，才能取得良好的學(xué)習(xí)效果。