生物化學中“三羧酸循環”的教學設計

王婷婷

(衡水學院 生命科學學院，河北 衡水 053000)

1 引言

三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)，又叫做TCA循環、檸檬酸循環，由于該循環的第一個產物是含有三個羧基的檸檬酸而得名。三羧酸循環是動態生化里的重點和難點，其內容龐雜、知識點繁多，初次學習者容易抓不到主線，學習起來費時費力，繼而去尋找一些“速成”的學習法。在此教學設計中，索性先把學生學習三羧酸循環的困惑拋出來，以及由此引發的網絡速成學習方法，分析為何速成法不可行，先破再立，從而引導學生回歸正確的學習方法，樹立求真求實的端正態度，從學科本身邏輯出發，掌握物質循環及能量循環的規律。幫助學生掌握三羧酸循環的過程，深刻理解其中的物質代謝和能量代謝規律。同時培養學生根據所學，串聯知識、建構知識體系的能力。

2 課前準備階段

2.1 準確分析學情

三羧酸循環一般出現在生物化學教材《糖代謝》一章。此章為學生接觸到的動態生物化學部分的第一個生物大分子的代謝。上一章學生學習了能量代謝的方式，本章也已經學習了糖酵解途徑[1]，對于物質代謝以及與能量代謝的關系有了初步的認識，但未必深刻。歷年來，三羧酸循環都是學生學習的難點，之所以難，在于學生沒有理解其中的生化法則，沒有找對學習方法，單靠死記硬背是不能靈活運用的。

2.2 課前布置學習任務單

學習三羧酸循環之前可為學生布置學習任務單，引導學生自主預習。如找出三羧酸循環中的關鍵酶、幾次脫氫反應、幾次脫羧反應、底物水平磷酸化等等。還可以讓學生思考每步反應之間，物質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在代謝中的意義；通過自學寫出自己認為有效的學習方法等。學生已經有了糖酵解的學習經驗，可進行參照來學習三羧酸循環。課前學習任務單對學生的預習起導向作用，引導他們在預習時從哪幾方面入手，為找到學習主線提供思路，也為他們今后的自主學習奠定基礎。

3 課上實施階段

3.1 直面學習困惑，融入課程思政，端正學習態度

學生課前已經完成了學習任務單，對三羧酸循環有一定的了解，可能還存在不知如何建立有效的學習方法的困惑。先以學生視角列出一些他們認為行之有效的“打開方式”，如網絡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物的名稱融入口訣或融入故事的角色名稱。這種現象在學生學習尤其是應對考試復習時，是比較普遍的。

其實這些速成的方法有弊端的。首先，它沒有根基，關注的僅僅是循環中物質的名稱，沒有建立在生化的知識體系中，物質和物質之間有何關系，由何連接，能量如何釋放，都沒有給出分析。因此，這樣的背誦只能應對默寫類題型，不能靈活運用，有悖于應用型人才培養的目標。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什么知識會越來越模糊。最后，希望學生認識到，人類的大腦應不僅僅是背誦大量知識，這樣的工作人工智能就可以做，在未來的就業市場中是沒有競爭力的，這也不是高等教育的目的，現在培養的是學生學習的能力。此部分融入課程思政，希望培養學生求真求實的端正學習態度，追求基于生化邏輯的學習方法。

3.2 從物質和能量代謝的本質出發，抓住主線

既然網絡上的“速成法”不可行，繼而引出正確的基于生化邏輯的學習方法。掌握了它的精髓，學習三羧酸循環就會變得容易。先帶領學生由糖的有氧氧化出發，分析物質代謝的本質，以及其中偶聯的能量代謝。葡萄糖徹底氧化會分解最終生成CO2和H2O以及能量?？梢园堰@個過程歸結為物質代謝和能量代謝兩個方面。在分解過程中，物質代謝方面，應主要關注有機物中碳原子的變化，以及生成CO2的數量。而在能量代謝方面，應關注脫氫反應，代謝物脫下的氫會生成NADH+H+或FADH2，進入呼吸鏈生成ATP，同時將氫傳遞給O2生成H2O，當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，三羧酸循環也符合以上特點。領悟了這些生化規律，也就找到了學習三羧酸循環的主線——物質代謝和能量代謝。依據主線學習，思路就會變得清晰。在三羧酸循環的八步反應中[1]，每一步反應都與產能或物質分解直接相關，或是為其做準備的。重點看碳原子數的變化，是否脫羧生成CO2，是否脫氫進行電子傳遞體系磷酸化，是否進行底物水平磷酸化。當然有些反應步驟是為這些變化做準備的，這也體現了其中的生化邏輯，如檸檬酸脫水生成順烏頭酸，再加水生成異檸檬酸，是因為檸檬酸是對稱結構不易氧化，變成仲醇后易氧化，為下一步氧化做準備。在學習每一步反應時，可請學生來分析此步的作用，可加深其對這些生化規律的理解。

3.3 兼顧分支，描繪全貌，提煉意義

僅僅抓住主線學習是不完整的，在強調主線的同時，還要注意此部分知識的重要分支，交代清楚它的來龍去脈。如開始學習時應先介紹三羧酸循環的發現[2]，它在糖的有氧氧化中所處的位置，發生的場所，丙酮酸的轉運等問題。另外對于三羧酸循環的起點應特別指出，不同的教材有不同的介紹，有些認為起點為乙酰輔酶A，有些認為起點為丙酮酸。這樣可避免學生看到不同教材時產生疑惑。學習每一步反應時應加入關鍵酶的激活劑、抑制劑，能量計算等。補充草酰乙酸的回補反應[3]。此部分可與糖酵解進行對比學習。

通過學習三羧酸循環的過程，讓學生體會它的生理意義也非常重要。在后續動態生化的其它章節中，三羧酸循環可與其它知識建立起聯系，形成知識網絡。生理意義是對反應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“高效產能，普遍供能，多方溝通”十二個字，便于啟發學生思考與聯想[4]。

4 課后提升階段

4.1 小組討論，深化進階

課后可給出一些思考題進行小組討論，讓學生在討論中通過個體間的相互反饋以及個體內的自我反思走向高階學習，只有真正深入理解三羧酸循環的過程，建立代謝的網絡，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？三羧酸循環總體的反應表現為乙酰輔酶A分解生成2分子CO2，容易被誤認為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分別標記乙酰輔酶A的甲基及羧基碳的實驗表明：在第一輪循環中沒有標記的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，循環中可重新生成的各物質是“催化劑”嗎？因為三羧酸循環中，除乙酰輔酶A，其它物質在循環中仿佛都是“可再生的”，“沒有消耗的”，就會有人把這些物質歸為“催化劑”。這其實也是錯誤的，催化劑的化學本質是蛋白質或RNA，另外這些物質也不可能沒有消耗，三羧酸循環為糖異生、脂類、氨基酸等物質的合成提供原料，與體內其它代謝是聯系在一起的，并不是孤立存在的。

第三個問題，三羧酸循環中并未出現氧氣，為何說其需氧？回答這個問題，也要將體內的代謝聯系在一起看，三羧酸循環能產生大量能量，其實是其脫氫產生的NADH+H+和FADH2進入呼吸鏈，將氫傳遞給氧生成水，同時生成ATP。若無氧必然會導致NADH+H+和FADH2大量堆積，影響三羧酸循環的運轉。所以說三羧酸循環需要氧氣來維持它正常運轉。

4.2 收集反饋，繼續優化

在課程的線上平臺開辟討論區，收集學生對三羧酸循環的學習、討論反饋，以及討論過程中產生的新困惑，繼續對此部分的教學設計進行優化、答疑。鼓勵學生討論后進行個體內的反思，將此部分知識內化，形成自己的認識，在討論區中分享出來。比如一些建立在生化邏輯上的口訣等，可以把三羧酸循環概括為“四三二一”口訣，即四次脫氫反應，三大關鍵酶，兩次脫羧生成CO2，一次底物水平磷酸化[7]。通過學生的反饋及自身的反思，教師可對此部分教學內容進行進一步的優化設計，以期取得更好的教學效果。

在三羧酸循環的教學設計中，筆者強調了提取主線，這其實是建立與舊知的聯系，以舊知激活新知。在此過程中，教師的引導，學習方法的選取，學習思維的建立，學習同伴間的反饋，自我反思知識內化，都是非常重要的。生物化學的學習一定是建立在生化邏輯的基礎之上的，使知識連接成網絡，形成有機的知識體系，才能取得良好的學習效果。