縱向教學方式在生物化學教學中的應用探討

王寧 袁櫟 張一鳴 王學軍 王倩 陳園園

摘要：傳統的生物化學教材與教學方式都是將生物化學知識分解為各知識點進行講授，這樣雖然可以幫助學生學習掌握各知識點的內容，但對整體掌握生物化學，并將之融入完整的生命體是不利的。因此，在學生掌握了基本知識點的基礎上，進行縱向教學就很有必要了。本文主要通過幾個實例及分析，闡述了縱向教學方式在生物化學教學中的重要性、必要性及其應用，相信能對提高生物化學教學效果起到一定的作用。

關鍵詞：生物化學；縱向教學；醫學本科

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）09-0183-03

生物化學是一門研究人體化學組成及生命過程中變化規律的學科，是醫學生的必修課程之一[1]。生物化學的內容抽象，很多為微觀分子的結構和變化，是學習難度相對較高的一門基礎課程，但生化知識的學習對醫學生后續課程的學習及未來的臨床工作都有著非常重要的作用，因此生物化學也是醫學生最重要的專業基礎課程之一。

生物化學學科的發展歷史經歷了靜態生物化學（生物分子結構與功能的描述）、動態生物化學（生物體內物質的變化，即代謝途徑）以及現代生物化學（遺傳信息的傳遞與表達）三個階段。目前的主流生物化學教材也據此將基礎的生化內容分解為生物大分子（蛋白質、核酸和酶）的結構和功能、主要物質（糖、脂、蛋白質、核苷酸）的代謝、遺傳信息的傳遞（復制、轉錄、翻譯、基因表達調控）這樣幾部分來分篇進行講解[2]。這種橫向的教學方式可以讓學生對生物化學的主要內容有所了解，對各部分的知識點精細掌握，但是學生往往很難將這些人為割裂開的生化知識重新整合到“人”這個整體中，這對學生整體掌握生化知識以及未來進入臨床工作非常不利，這就要求我們在生物化學的教學過程中穿插使用縱向的教學方式來彌補傳統教學方式和單純按教材教學的缺陷。

以“胰島素”這一人體中唯一降低血糖的激素為例，我們可以在學期末學生已經基本掌握了生化知識點的基礎上將各部分知識縱向串聯起來，以幫助學生了解生物體中各種生化過程的運作，使生物化學不再只停留在虛構層面。如下圖，這一題目中包括了幾乎整個生化教材的各章節內容：胰島素基因（核酸的結構）通過遺傳信息的表達（即轉錄、翻譯）合成蛋白質（前胰島素原），而作為一種分泌型蛋白質，胰島素的成熟需要進行翻譯后加工，加工成熟的胰島素（蛋白質的結構）釋放進入血液，通過和靶細胞細胞膜的胰島素受體結合進而發揮作用，經由信號轉導從而影響靶細胞內部代謝相關酶的表達和活性（物質代謝），作用結束的胰島素則經血流入肝進行滅活（蛋白質的降解）。通過這種“縱向”的串聯，就將生物化學理論課程中的大部分內容：蛋白質的結構，核酸的結構，酶的功能，糖脂蛋白質三大營養物質的代謝，基因的轉錄、翻譯，蛋白質翻譯后加工，細胞信號轉導，等等內容連貫了起來，如此學生就能更加系統地了解這些生化機制在人體中究竟是如何運作和整合的以及它們所處的地位及發揮的作用。

這種縱向模式對于資深的生化教師來說并不難，甚至會覺得理所當然，但是對于剛深入接觸生物化學的本科生來說，有時很難融會貫通。

每學期結束時，筆者都會給學生留最后一次作業：“請結合本學期所學《生物化學》的知識，盡可能詳細地敘述胰高血糖素（glucagon）的一生。”對學生的作業進行詳盡的分析后，發現只有20%的學生能夠將生化知識點融入題目中，做出基本完整的解答，而80%的學生答案不盡如人意，主要的缺陷在哪兒呢？讓我們對以下兩份比較典型的作業進行分析。

第一份作業：

簡介：胰高血糖素是體內升高血糖的激素。血糖降低刺激胰高血糖素的分泌。

合成：胰島A細胞中編碼相關基因的DNA片段在DNA聚合酶的作用下轉錄生成hnRNA，經過進一步的修飾加工生成mRNA，為翻譯提供模版。在mRNA的開放閱讀框架區，每三個相鄰的核苷酸為一組，代表一種氨基酸，亦稱密碼子，由tRNA攜帶氨基酸在核糖體中經過反密碼子配對形成肽鏈，肽鏈經過一系列的加工修飾形成成熟的胰高血糖素。

作用：胰高血糖素的本質是一種酶，酶的作用機理是降低反應活化能，有利于底物形成過度態，其特點是具有極高的效率和高度的特異性。

胰高血糖素升高血糖的機制包括以下幾方面。

1.經肝細胞膜受體激活依賴cAMP的蛋白激酶，從而抑制糖原合酶和激活磷酸化酶，迅速使肝糖原分解，血糖升高。

2.通過抑制6-磷酸果糖激酶-2，激活果糖二磷酸酶-2，從而減少2，6-二磷酸果糖的合成，后者是6-磷酸果糖激酶-1的最強變構激活劑，又是果糖二磷酸酶-1的抑制劑。于是果糖激酶被抑制，糖異生加速。

3.促進磷酸烯醇式丙酮羧激酶的合成，抑制肝L型丙酮酸激酶，加速肝攝取血中的氨基酸，從而增強糖異生。

4.通過激活脂肪組織內激素敏感性脂肪酶，加速脂肪動員。

代謝：胰高血糖素的本質是蛋白質，會被降解為氨基酸和寡肽。

1.氨基酸通過主動轉運過程被吸收，包括氨基酸與轉運氨基酸的載體蛋白和Na形成三聯體，以及γ-谷氨酰基。

2.氨基酸經過聯合脫氨作用生成α-酮酸和另一種氨基酸。

3.通過丙氨酸—葡萄糖循環，氨從肌肉運往肝；通過谷氨酰胺，氨從腦和肌肉等組織運往肝或腎。

4.通過鳥氨酸循環合成尿素排除體外。

這份作業中也涵蓋了生化的很多知識點，但是缺乏系統性，說明在該同學的頭腦中并沒有形成一個完整的生化知識體系，只是想到一些零散的知識點和概念，將之羅列出來，并且其中一些知識點還是錯誤的，跟題目關聯不大，這也折射出了學生在學習生化過程中的一些弊端——或許單一知識點的掌握尚可，但卻無法將點串成線，連成面。這樣學習的最終結果必然導致知識體系的混亂，整本書的內容在頭腦中混沌一片，難以理清。根據統計，有10%左右的學生存在這種情況。

第二份作業：

胰高血糖素是由胰島α細胞分泌的含29個氨基酸殘基的直鏈多肽，其N末端第1—6位氨基酸殘基為其生物活性所必需。胰高血糖素在血清中的濃度為50—100ng/L，在血漿中的半衰期為5—10分鐘，主要在肝滅活，腎也有降解作用。

1.胰高血糖素的生物作用。胰高血糖素是一種促進物質分解代謝的激素，動員體內能源物質的分解供能，它的主要靶器官是肝。

（1）抑制糖酵解途徑：胰高血糖素通過AC—cAMP—PKA通路轉導信號，它與肝細胞膜上的G蛋白偶聯受體（Gs）結合后，改變其構象，活化的Gs蛋白α亞基激活下游的AC效應分子，使細胞內第二信使cAMP濃度升高，cAMP作用于靶分子PKA，使其活性增加，PKA使FBP-2（果糖二磷酸酶-2）活化，6-磷酸果糖激酶-2失活，從而減少2，6-二磷酸果糖的合成，后者是6-磷酸果糖激酶-1最強的變構激活劑，又是果糖二磷酸酶-1的抑制劑，于是糖酵解途徑被抑制，糖異生則加速。另外，丙酮酸激酶是糖酵解途徑的第二個重要調節點，F-1、6-2P是其變構激活劑，依賴cAMP的蛋白激酶和依賴鈣離子、鈣調蛋白的蛋白激酶可使其磷酸化而失活，胰高血糖素通過Gs蛋白-AC-cAMP-PKA抑制丙酮酸激酶活性，從而抑制糖酵解途徑。

（2）迅速分解肝糖原，升高血糖，胰高血糖素與肝細胞膜受體結合，經Gs蛋白-AC-cAMP-PKA通路激活磷酸化酶，使糖原合酶失活，從而加速肝糖原分解，抑制肝內糖原合成。

（3）增加肝內糖異生，胰高血糖素促進磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，抑制肝I型丙酮酸激酶，加速肝攝取血中的氨基酸，從而促進草酰乙酸轉變為磷酸烯醇式丙酮酸，促進糖異生。

（4）加速脂肪動員，胰高血糖素激活脂肪組織內激素敏感性脂肪酶，加速脂肪分解。

（5）減少膽固醇的合成，胰高血糖素降低并抑制HMG-CoA還原酶的活性，減少膽固醇的合成。

2.胰高血糖素分泌的調節。

（1）血糖和氨基酸水平的作用。血糖水平是調節胰高血糖素分泌的主要因素，低血糖的胰高血糖素分泌增加，引起肝釋放大量的葡萄糖入血，升高血糖，反之分泌減少。饑餓時胰高血糖素分泌的增加對維持血糖的穩態，保證腦的物質代謝和能量供應具有重要意義。血中氨基酸增加時，在促進胰島素分泌降低血糖的同時，還分泌胰高血糖素，防止低血糖的發生。

（2）激素的調節。促胃液素可以促進胰高血糖素的分泌，促胰液素能抑制其分泌，胰島素和生長抑素可直接抑制相鄰的α細胞分泌胰高血糖素，胰島素可通過降低血糖間接抑制胰高血糖素的分泌。

（3）神經調節。交感神經興奮時，通過α細胞膜中的β受體促進胰高血糖素的分泌。副交感神經興奮時，則通過M受體抑制其分泌。

3.胰高血糖素的降解。肝細胞膜上存在可將某些水溶性激素特異結合的受體，并通過內吞作用將激素吞入細胞內進行代謝轉化。發揮作用后有待滅活的胰高血糖素在肝內進行生物轉化。生成的氨基酸進入機體代謝循環合成新的蛋白質或轉變為某些激素及核苷酸等含氮物質。

這份作業與第一份作業相比，感覺主線更為清晰，能夠基本按照胰高血糖素的分泌、作用方式、降解來描述，但是其中缺失了重要的一環——胰高血糖素的合成。從這份作業可以看出，該同學已經具備了基本的知識體系，但是有些知識點還未能融入其中，造成了知識點的缺失和遺漏。近60%的學生存在這一問題。

由此可見，縱向教學方式不僅可以幫助學生深化生物化學知識的理解與掌握，還可以幫助教師了解學生學習的缺陷并進行針對性的增強和補充。事實上，經過這個作業的完成與教師的點評解析討論后，大多數學生都能形成基本的知識框架與結構。因此，縱向教學方式對生物化學教學還是必要和重要的。

參考文獻：

[1]尹麗.提高生物化學教學質量的幾點建議[J].繼續醫學教育，2012，（10）：17-20.

[2]周峰.淺談多媒體與生物化學教學[J].衛生職業教育，2007，25（22）：48-49.