理論聯系實際的教學方法在“蛋白質的分子結構與功能的關系”中的教學設計與實踐

徐玉芳，李濤，姚文，林楠，孫玉慧

（河南農業大學 生命科學學院，河南鄭州 450002）

生物化學是一門研究生命現象化學本質的科學，它運用物理、化學和生物學的方法，從分子水平來研究生物體基本物質的化學組成、結構、性質、功能及其變化規律[1]。生物化學是農學類本科許多專業的必修課，該課程一般在本科二年級上學期開設，不但與學生在大一所學的無機化學、有機化學等關系密切，而且還是學生后期學習分子生物學等課程的重要基礎；因此，它起著承上啟下的重要作用。然而，在當前的生物化學課堂上，教師在講臺上費力講，學生對課程內容興趣不大，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基本知識的精髓，教學目標難以達到。出現這一現象與生物化學理論抽象、內容繁雜、體系龐大等特點密切相關。啟發學生主動思考問題、激發學生學習興趣，對于真正實現教學目標來說至關重要。在教學過程中貫徹理論聯系實際的教學原則，可以有效激發學生主動學習的興趣，用晦澀難懂的基礎理論知識解釋實際生活中常常遇到的科學現象或實際問題，讓學生不斷認識到學習生物化學在人類認識生命現象本質中的價值，使學生興趣盎然地主動走進生物化學的課堂[2-3]。筆者以“蛋白質的分子結構與功能的關系”為例，探討了本節中采用理論聯系實際的教學方法的具體設計和實踐，旨在為生物化學教學改革提供參考。

1 教學背景

教材選用中國農業出版社第二版《生物化學》（劉衛群、郭紅祥主編），“蛋白質的分子結構與功能的關系”為該教材第三章的第五節，內容涵蓋一級結構的變異與分子病、一級結構與生物進化、一級結構的局部斷裂與蛋白質激活、蛋白質空間結構與功能的關系。筆者所帶班級為生物工程專業的學生。

2 本節在所屬課程中的地位和作用

蛋白質是最重要的生物大分子，以蛋白質的結構與功能的關系為切入點，從分子水平上來認識生命現象，已經成為現代生物學發展的主要方向之一[4]。因此，理解并掌握蛋白質的分子結構與功能的關系，是真正認識生物化學這門學科的敲門磚。所以，讓學生學好這一節對于培養學生繼續學習生物化學的興趣至關重要。

3 本節中理論聯系實際映射點及教學方法

著重從學生感興趣的分子病、生物進化、胰島素、高原反應、CO中毒等方面構建理論聯系實際映射點，具體見表1。本節的教學方法采用課前預習、課中講解、課后思考、專業知識與實際生活相結合，結合提問互動式的教學模式，由淺入深地引導，激發學生的求知欲望，形成良好的師生互動氛圍。

表1 “蛋白質的分子結構與功能的關系”理論聯系實際教學設計

4 理論聯系實際的教學過程設計

4.1 結合專業特點，進行提問式導入

首先找學生回顧蛋白質四個結構層次的概念；由一個學生首先回答一級結構的定義，然后由第一個學生找出回答二級結構概念的學生，直至四級結構。然后提問：我們為什么要研究蛋白質的結構？蛋白質的結構層次和功能有什么關系？學生自由討論，選取3個代表發表看法。接著呈現不同分子病的圖片，包括鐮刀形細胞貧血癥、血友病、地中海貧血癥，這些疾病都是由于蛋白質分子一級結構的氨基酸的排列順序與正常不同而導致的常見疾病。通過視覺沖擊激發學生學習的興趣，進而引出“蛋白質的分子結構與功能的關系”這一節。

4.2 “一級結構的變異與分子病”的理論聯系實際教學設計

首先向學生闡明分子病的概念。然后介紹鐮刀形細胞貧血癥，展現鐮刀形細胞貧血癥病人的圖片和視頻，讓學生認識到這種疾病的危害性和普遍性；接著展現正常紅細胞和鐮刀形紅細胞的形態差異以及血紅蛋白氨基酸序列差異：鐮刀狀細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構的一個氨基酸改變可以造成紅細胞的形態發生如此大的改變？進而又為什么導致了鐮刀形細胞貧血癥？90位學生按照座位臨近原則分成5組討論，每組選出一位學生發表觀點，教師根據學生的答案，總結出正確答案并講解，即纈氨酸側鏈的疏水基團使得患者血紅蛋白分子表面的負電荷減少，引起等電點改變，溶解度降低，血紅蛋白容易發生聚集并形成桿狀多聚體，導致紅細胞收縮變成鐮刀狀，輸氧性能下降，引起頭暈、胸悶等癥狀[5]。

4.3 “一級結構決定高級結構”的理論聯系實際教學設計

首先，請學生回顧上節課的蛋白質變性和復性的概念，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構特點：既124個氨基酸組成一條多肽鏈，4個二硫鍵使其折疊成球狀分子。接著提問：結合蛋白質變性因素，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個二硫鍵重新形成并恢復天然活性說明了什么？3個問題層層遞進，引導學生主動去思考，每一個問題都鼓勵學生主動發言，然后發言的學生指定回答下一個問題的學生，增加課堂樂趣，最后教師總結正確答案。最后要求學生思考一個問題：結合核糖核酸酶的變性與復性，思考為什么在實驗室操作RNA時要非常小心防止降解？

4.4 “一級結構與生物進化”的理論聯系實際教學設計

首先，詢問學生在大一時有沒有學過植物分類這門課？常規的植物分類是按照什么標準把不同的植物進行分門別類的？學生們自由討論，找出兩位學生代表回答，教師講解正確答案，既傳統的植物分類是依據植物的外觀形態進行，而外觀表型是由功能蛋白質決定，所以根據蛋白質一級結構的氨基酸序列可以進行物種分類；接著引出同源蛋白概念，根據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系，反映生物系統進化情況。接著以細胞色素C為例，讓學生觀察不同生物與人的細胞色素C相比的差異氨基酸數目表，從這張表中能發現什么規律？學生自由討論，挑選3位學生發表看法，教師總結并講解正確答案，即親緣關系越近，氨基酸序列的相似度越高。最后要求學生課下練習用MEGA軟件繪制細胞色素C的進化樹。

4.5 “一級結構的局部斷裂與蛋白質激活”的理論聯系實際教學設計

首先，詢問學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。胰島素是機體內唯一降低血糖的激素，因此，弄清楚胰島素分子的結構特征和合成過程對于推進糖尿病的治療至關重要。1958年，英國的Sanger由于解析了胰島素的化學結構而獲得諾貝爾化學獎。國際頂級期刊《自然》曾發表評論文章說：合成胰島素將是遙遠的事情?？墒牵詮姴幌⒌闹袊瞬晃菲D難，開啟了人工合成胰島素的征程。七年后，當第一張人工合成胰島素的結晶照片誕生于中國實驗室后，整個世界都震驚了。通過人工合成胰島素的歷史，引入課堂思政教育，激發學生的愛國主義情懷，引導學生不畏艱難投身祖國的科研一線。接著，向學生具體講解胰島素的合成過程也是一個曲折的過程，涉及前胰島素原一級結構的局部斷裂[4]。

4.6 “蛋白質空間結構與功能的關系”的理論聯系實際教學設計

首先，詢問學生們是否知道肺部吸入的氧氣是怎樣運輸到其他組織中？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，三級結構幾乎完全相同，為什么它們的功能差異如此之大？讓學生分組討論，選出代表發表看法。接著，教師進行歸納，講解兩者高級結構的差異導致功能差異的原因，即肌紅蛋白只有一條鏈，只具有三級結構而不具有四級結構，不存在亞基之間的協同作用，而血紅蛋白有四個亞基，具有四級結構和亞基間的協同作用[4]。接著，播放煤氣中毒的視頻案例，詢問學生是否知道煤氣中毒的原理，激發學生的求知欲望。經過學生討論后，教師總結發言：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，導致人體缺氧窒息死亡[7]。接著，通過高原反應進一步向學生闡述蛋白質高級結構與功能的關系。首先給學生展示高原反應的圖片，詢問學生是否有過高原反應的經歷？高原反應是人體突然進入高海拔地區暴露于低壓低氧環境后所產生的各種不適癥狀，比如呼吸困難、食欲不振等[8]。接著拋出問題，為什么低氧分壓會造成高原反應？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抑制作用，即低氧分壓時，紅細胞內BPG濃度增高，它能與脫氧血紅蛋白結合而抑制血紅蛋白由緊張態向松弛態的構象改變，抑制氧合作用[5]。通過高原反應的實例讓學生進一步了解蛋白質空間結構的改變對功能的影響。

5 結語

一堂好課，要能夠使抽象科學理論落地發芽、開花、結果，要能夠調動起學生來充分發揮其主觀能動性[9]。生物化學本身是一門多學科的交叉學科，其基礎理論知識的講述往往不能讓學生形成直觀的認識，因此，學生感到枯燥無味，沒有興趣去深入走近課堂。但是當任課教師通過一個常見的生活實例講解理論內容時，學生們都會表現出濃厚的學習興趣。因此，將晦澀難懂的生化理論與實際生活結合起來講授，是激發學生學習興趣、實現教學目標的有效途徑，而怎樣進行理論聯系實際的教學方法設計也是教師必須思考的問題。理論聯系實際教學，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，認真設計，才能使學生持久熱愛并認真對待每一節生物化學課。