理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法在“蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”中的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

徐玉芳，李濤，姚文，林楠，孫玉慧

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450002）

生物化學(xué)是一門研究生命現(xiàn)象化學(xué)本質(zhì)的科學(xué)，它運(yùn)用物理、化學(xué)和生物學(xué)的方法，從分子水平來研究生物體基本物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能及其變化規(guī)律[1]。生物化學(xué)是農(nóng)學(xué)類本科許多專業(yè)的必修課，該課程一般在本科二年級上學(xué)期開設(shè)，不但與學(xué)生在大一所學(xué)的無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等關(guān)系密切，而且還是學(xué)生后期學(xué)習(xí)分子生物學(xué)等課程的重要基礎(chǔ)；因此，它起著承上啟下的重要作用。然而，在當(dāng)前的生物化學(xué)課堂上，教師在講臺(tái)上費(fèi)力講，學(xué)生對課程內(nèi)容興趣不大，無法真正融入課堂，僅靠考前死記硬背，沒有真正掌握生物化學(xué)基本知識(shí)的精髓，教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)到。出現(xiàn)這一現(xiàn)象與生物化學(xué)理論抽象、內(nèi)容繁雜、體系龐大等特點(diǎn)密切相關(guān)。啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考問題、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，對于真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)來說至關(guān)重要。在教學(xué)過程中貫徹理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)原則，可以有效激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，用晦澀難懂的基礎(chǔ)理論知識(shí)解釋實(shí)際生活中常常遇到的科學(xué)現(xiàn)象或?qū)嶋H問題，讓學(xué)生不斷認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)生物化學(xué)在人類認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象本質(zhì)中的價(jià)值，使學(xué)生興趣盎然地主動(dòng)走進(jìn)生物化學(xué)的課堂[2-3]。筆者以“蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”為例，探討了本節(jié)中采用理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法的具體設(shè)計(jì)和實(shí)踐，旨在為生物化學(xué)教學(xué)改革提供參考。

1 教學(xué)背景

教材選用中國農(nóng)業(yè)出版社第二版《生物化學(xué)》（劉衛(wèi)群、郭紅祥主編），“蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”為該教材第三章的第五節(jié)，內(nèi)容涵蓋一級結(jié)構(gòu)的變異與分子病、一級結(jié)構(gòu)與生物進(jìn)化、一級結(jié)構(gòu)的局部斷裂與蛋白質(zhì)激活、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。筆者所帶班級為生物工程專業(yè)的學(xué)生。

2 本節(jié)在所屬課程中的地位和作用

蛋白質(zhì)是最重要的生物大分子，以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系為切入點(diǎn)，從分子水平上來認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象，已經(jīng)成為現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展的主要方向之一[4]。因此，理解并掌握蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，是真正認(rèn)識(shí)生物化學(xué)這門學(xué)科的敲門磚。所以，讓學(xué)生學(xué)好這一節(jié)對于培養(yǎng)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)生物化學(xué)的興趣至關(guān)重要。

3 本節(jié)中理論聯(lián)系實(shí)際映射點(diǎn)及教學(xué)方法

著重從學(xué)生感興趣的分子病、生物進(jìn)化、胰島素、高原反應(yīng)、CO中毒等方面構(gòu)建理論聯(lián)系實(shí)際映射點(diǎn)，具體見表1。本節(jié)的教學(xué)方法采用課前預(yù)習(xí)、課中講解、課后思考、專業(yè)知識(shí)與實(shí)際生活相結(jié)合，結(jié)合提問互動(dòng)式的教學(xué)模式，由淺入深地引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，形成良好的師生互動(dòng)氛圍。

表1 “蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)

4 理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)行提問式導(dǎo)入

首先找學(xué)生回顧蛋白質(zhì)四個(gè)結(jié)構(gòu)層次的概念；由一個(gè)學(xué)生首先回答一級結(jié)構(gòu)的定義，然后由第一個(gè)學(xué)生找出回答二級結(jié)構(gòu)概念的學(xué)生，直至四級結(jié)構(gòu)。然后提問：我們?yōu)槭裁匆芯康鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)？蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次和功能有什么關(guān)系？學(xué)生自由討論，選取3個(gè)代表發(fā)表看法。接著呈現(xiàn)不同分子病的圖片，包括鐮刀形細(xì)胞貧血癥、血友病、地中海貧血癥，這些疾病都是由于蛋白質(zhì)分子一級結(jié)構(gòu)的氨基酸的排列順序與正常不同而導(dǎo)致的常見疾病。通過視覺沖擊激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，進(jìn)而引出“蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”這一節(jié)。

4.2 “一級結(jié)構(gòu)的變異與分子病”的理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)

首先向?qū)W生闡明分子病的概念。然后介紹鐮刀形細(xì)胞貧血癥，展現(xiàn)鐮刀形細(xì)胞貧血癥病人的圖片和視頻，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到這種疾病的危害性和普遍性；接著展現(xiàn)正常紅細(xì)胞和鐮刀形紅細(xì)胞的形態(tài)差異以及血紅蛋白氨基酸序列差異：鐮刀狀細(xì)胞的血紅蛋白和正常的血紅蛋白相比，只有?-鏈氮端第6位的一個(gè)氨基酸由谷氨酸變成纈氨酸。提出問題：為什么血紅蛋白一級結(jié)構(gòu)的一個(gè)氨基酸改變可以造成紅細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生如此大的改變？進(jìn)而又為什么導(dǎo)致了鐮刀形細(xì)胞貧血癥？90位學(xué)生按照座位臨近原則分成5組討論，每組選出一位學(xué)生發(fā)表觀點(diǎn)，教師根據(jù)學(xué)生的答案，總結(jié)出正確答案并講解，即纈氨酸側(cè)鏈的疏水基團(tuán)使得患者血紅蛋白分子表面的負(fù)電荷減少，引起等電點(diǎn)改變，溶解度降低，血紅蛋白容易發(fā)生聚集并形成桿狀多聚體，導(dǎo)致紅細(xì)胞收縮變成鐮刀狀，輸氧性能下降，引起頭暈、胸悶等癥狀[5]。

4.3 “一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)”的理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)

首先，請學(xué)生回顧上節(jié)課的蛋白質(zhì)變性和復(fù)性的概念，接著引出核糖核酸酶，首先介紹核糖核酸酶的作用是水解RNA的磷酸二酯鍵。然后講解核糖核酸酶一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：既124個(gè)氨基酸組成一條多肽鏈，4個(gè)二硫鍵使其折疊成球狀分子。接著提問：結(jié)合蛋白質(zhì)變性因素，加入什么試劑可以使核糖核酸酶變性？變性之后是否還具有功能？去除變性劑后4個(gè)二硫鍵重新形成并恢復(fù)天然活性說明了什么？3個(gè)問題層層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去思考，每一個(gè)問題都鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)發(fā)言，然后發(fā)言的學(xué)生指定回答下一個(gè)問題的學(xué)生，增加課堂樂趣，最后教師總結(jié)正確答案。最后要求學(xué)生思考一個(gè)問題：結(jié)合核糖核酸酶的變性與復(fù)性，思考為什么在實(shí)驗(yàn)室操作RNA時(shí)要非常小心防止降解？

4.4 “一級結(jié)構(gòu)與生物進(jìn)化”的理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)

首先，詢問學(xué)生在大一時(shí)有沒有學(xué)過植物分類這門課？常規(guī)的植物分類是按照什么標(biāo)準(zhǔn)把不同的植物進(jìn)行分門別類的？學(xué)生們自由討論，找出兩位學(xué)生代表回答，教師講解正確答案，既傳統(tǒng)的植物分類是依據(jù)植物的外觀形態(tài)進(jìn)行，而外觀表型是由功能蛋白質(zhì)決定，所以根據(jù)蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的氨基酸序列可以進(jìn)行物種分類；接著引出同源蛋白概念，根據(jù)同源蛋白氨基酸序列差異程度，有助于判斷物種之間的親緣關(guān)系，反映生物系統(tǒng)進(jìn)化情況。接著以細(xì)胞色素C為例，讓學(xué)生觀察不同生物與人的細(xì)胞色素C相比的差異氨基酸數(shù)目表，從這張表中能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？學(xué)生自由討論，挑選3位學(xué)生發(fā)表看法，教師總結(jié)并講解正確答案，即親緣關(guān)系越近，氨基酸序列的相似度越高。最后要求學(xué)生課下練習(xí)用MEGA軟件繪制細(xì)胞色素C的進(jìn)化樹。

4.5 “一級結(jié)構(gòu)的局部斷裂與蛋白質(zhì)激活”的理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)

首先，詢問學(xué)生有沒有接觸過糖尿病患者？如果有，是否知道治療糖尿病的有效藥物是什么？以此引出胰島素。胰島素是機(jī)體內(nèi)唯一降低血糖的激素，因此，弄清楚胰島素分子的結(jié)構(gòu)特征和合成過程對于推進(jìn)糖尿病的治療至關(guān)重要。1958年，英國的Sanger由于解析了胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。國際頂級期刊《自然》曾發(fā)表評論文章說：合成胰島素將是遙遠(yuǎn)的事情?？墒牵詮?qiáng)不息的中國人不畏艱難，開啟了人工合成胰島素的征程。七年后，當(dāng)?shù)谝粡埲斯ず铣梢葝u素的結(jié)晶照片誕生于中國實(shí)驗(yàn)室后，整個(gè)世界都震驚了。通過人工合成胰島素的歷史，引入課堂思政教育，激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷，引導(dǎo)學(xué)生不畏艱難投身祖國的科研一線。接著，向?qū)W生具體講解胰島素的合成過程也是一個(gè)曲折的過程，涉及前胰島素原一級結(jié)構(gòu)的局部斷裂[4]。

4.6 “蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系”的理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)設(shè)計(jì)

首先，詢問學(xué)生們是否知道肺部吸入的氧氣是怎樣運(yùn)輸?shù)狡渌M織中？引出血紅蛋白和肌紅蛋白的功能差異[6]。接著提出問題：肌紅蛋白和血紅蛋白相比，氨基酸序列相似度很高，三級結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，為什么它們的功能差異如此之大？讓學(xué)生分組討論，選出代表發(fā)表看法。接著，教師進(jìn)行歸納，講解兩者高級結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致功能差異的原因，即肌紅蛋白只有一條鏈，只具有三級結(jié)構(gòu)而不具有四級結(jié)構(gòu)，不存在亞基之間的協(xié)同作用，而血紅蛋白有四個(gè)亞基，具有四級結(jié)構(gòu)和亞基間的協(xié)同作用[4]。接著，播放煤氣中毒的視頻案例，詢問學(xué)生是否知道煤氣中毒的原理，激發(fā)學(xué)生的求知欲望。經(jīng)過學(xué)生討論后，教師總結(jié)發(fā)言：既煤氣中毒的原因是CO中毒，是由于CO與肌紅蛋白或血紅蛋白的親和能力是O2的300倍左右，能與O2競爭結(jié)合血紅蛋白中的血紅素輔基，從而使血紅蛋白喪失攜帶O2的能力，導(dǎo)致人體缺氧窒息死亡[7]。接著，通過高原反應(yīng)進(jìn)一步向?qū)W生闡述蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。首先給學(xué)生展示高原反應(yīng)的圖片，詢問學(xué)生是否有過高原反應(yīng)的經(jīng)歷？高原反應(yīng)是人體突然進(jìn)入高海拔地區(qū)暴露于低壓低氧環(huán)境后所產(chǎn)生的各種不適癥狀，比如呼吸困難、食欲不振等[8]。接著拋出問題，為什么低氧分壓會(huì)造成高原反應(yīng)？由此引出BPG（2,3-二磷酸甘油酸）對血紅蛋白氧合作用的別構(gòu)抑制作用，即低氧分壓時(shí)，紅細(xì)胞內(nèi)BPG濃度增高，它能與脫氧血紅蛋白結(jié)合而抑制血紅蛋白由緊張態(tài)向松弛態(tài)的構(gòu)象改變，抑制氧合作用[5]。通過高原反應(yīng)的實(shí)例讓學(xué)生進(jìn)一步了解蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變對功能的影響。

5 結(jié)語

一堂好課，要能夠使抽象科學(xué)理論落地發(fā)芽、開花、結(jié)果，要能夠調(diào)動(dòng)起學(xué)生來充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性[9]。生物化學(xué)本身是一門多學(xué)科的交叉學(xué)科，其基礎(chǔ)理論知識(shí)的講述往往不能讓學(xué)生形成直觀的認(rèn)識(shí)，因此，學(xué)生感到枯燥無味，沒有興趣去深入走近課堂。但是當(dāng)任課教師通過一個(gè)常見的生活實(shí)例講解理論內(nèi)容時(shí)，學(xué)生們都會(huì)表現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣。因此，將晦澀難懂的生化理論與實(shí)際生活結(jié)合起來講授，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的有效途徑，而怎樣進(jìn)行理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法設(shè)計(jì)也是教師必須思考的問題。理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)，不能僅僅作為開場白，只有將其貫徹到課堂過程的始終，精心打磨，認(rèn)真設(shè)計(jì)，才能使學(xué)生持久熱愛并認(rèn)真對待每一節(jié)生物化學(xué)課。