理论联系实际的教学方法在“蛋白质的分子结构与功能的关系”中的教学设计与实践

徐玉芳，李涛，姚文，林楠，孙玉慧

（河南农业大学 生命科学学院，河南郑州 450002）

生物化学是一门研究生命现象化学本质的科学，它运用物理、化学和生物学的方法，从分子水平来研究生物体基本物质的化学组成、结构、性质、功能及其变化规律[1]。生物化学是农学类本科许多专业的必修课，该课程一般在本科二年级上学期开设，不但与学生在大一所学的无机化学、有机化学等关系密切，而且还是学生后期学习分子生物学等课程的重要基础；因此，它起着承上启下的重要作用。然而，在当前的生物化学课堂上，教师在讲台上费力讲，学生对课程内容兴趣不大，无法真正融入课堂，仅靠考前死记硬背，没有真正掌握生物化学基本知识的精髓，教学目标难以达到。出现这一现象与生物化学理论抽象、内容繁杂、体系庞大等特点密切相关。启发学生主动思考问题、激发学生学习兴趣，对于真正实现教学目标来说至关重要。在教学过程中贯彻理论联系实际的教学原则，可以有效激发学生主动学习的兴趣，用晦涩难懂的基础理论知识解释实际生活中常常遇到的科学现象或实际问题，让学生不断认识到学习生物化学在人类认识生命现象本质中的价值，使学生兴趣盎然地主动走进生物化学的课堂[2-3]。笔者以“蛋白质的分子结构与功能的关系”为例，探讨了本节中采用理论联系实际的教学方法的具体设计和实践，旨在为生物化学教学改革提供参考。

1 教学背景

教材选用中国农业出版社第二版《生物化学》（刘卫群、郭红祥主编），“蛋白质的分子结构与功能的关系”为该教材第三章的第五节，内容涵盖一级结构的变异与分子病、一级结构与生物进化、一级结构的局部断裂与蛋白质激活、蛋白质空间结构与功能的关系。笔者所带班级为生物工程专业的学生。

2 本节在所属课程中的地位和作用

蛋白质是最重要的生物大分子，以蛋白质的结构与功能的关系为切入点，从分子水平上来认识生命现象，已经成为现代生物学发展的主要方向之一[4]。因此，理解并掌握蛋白质的分子结构与功能的关系，是真正认识生物化学这门学科的敲门砖。所以，让学生学好这一节对于培养学生继续学习生物化学的兴趣至关重要。

3 本节中理论联系实际映射点及教学方法

着重从学生感兴趣的分子病、生物进化、胰岛素、高原反应、CO中毒等方面构建理论联系实际映射点，具体见表1。本节的教学方法采用课前预习、课中讲解、课后思考、专业知识与实际生活相结合，结合提问互动式的教学模式，由浅入深地引导，激发学生的求知欲望，形成良好的师生互动氛围。

表1 “蛋白质的分子结构与功能的关系”理论联系实际教学设计

4 理论联系实际的教学过程设计

4.1 结合专业特点，进行提问式导入

首先找学生回顾蛋白质四个结构层次的概念；由一个学生首先回答一级结构的定义，然后由第一个学生找出回答二级结构概念的学生，直至四级结构。然后提问：我们为什么要研究蛋白质的结构？蛋白质的结构层次和功能有什么关系？学生自由讨论，选取3个代表发表看法。接着呈现不同分子病的图片，包括镰刀形细胞贫血症、血友病、地中海贫血症，这些疾病都是由于蛋白质分子一级结构的氨基酸的排列顺序与正常不同而导致的常见疾病。通过视觉冲击激发学生学习的兴趣，进而引出“蛋白质的分子结构与功能的关系”这一节。

4.2 “一级结构的变异与分子病”的理论联系实际教学设计

首先向学生阐明分子病的概念。然后介绍镰刀形细胞贫血症，展现镰刀形细胞贫血症病人的图片和视频，让学生认识到这种疾病的危害性和普遍性；接着展现正常红细胞和镰刀形红细胞的形态差异以及血红蛋白氨基酸序列差异：镰刀状细胞的血红蛋白和正常的血红蛋白相比，只有ß-链氮端第6位的一个氨基酸由谷氨酸变成缬氨酸。提出问题：为什么血红蛋白一级结构的一个氨基酸改变可以造成红细胞的形态发生如此大的改变？进而又为什么导致了镰刀形细胞贫血症？90位学生按照座位临近原则分成5组讨论，每组选出一位学生发表观点，教师根据学生的答案，总结出正确答案并讲解，即缬氨酸侧链的疏水基团使得患者血红蛋白分子表面的负电荷减少，引起等电点改变，溶解度降低，血红蛋白容易发生聚集并形成杆状多聚体，导致红细胞收缩变成镰刀状，输氧性能下降，引起头晕、胸闷等症状[5]。

4.3 “一级结构决定高级结构”的理论联系实际教学设计

首先，请学生回顾上节课的蛋白质变性和复性的概念，接着引出核糖核酸酶，首先介绍核糖核酸酶的作用是水解RNA的磷酸二酯键。然后讲解核糖核酸酶一级结构特点：既124个氨基酸组成一条多肽链，4个二硫键使其折叠成球状分子。接着提问：结合蛋白质变性因素，加入什么试剂可以使核糖核酸酶变性？变性之后是否还具有功能？去除变性剂后4个二硫键重新形成并恢复天然活性说明了什么？3个问题层层递进，引导学生主动去思考，每一个问题都鼓励学生主动发言，然后发言的学生指定回答下一个问题的学生，增加课堂乐趣，最后教师总结正确答案。最后要求学生思考一个问题：结合核糖核酸酶的变性与复性，思考为什么在实验室操作RNA时要非常小心防止降解？

4.4 “一级结构与生物进化”的理论联系实际教学设计

首先，询问学生在大一时有没有学过植物分类这门课？常规的植物分类是按照什么标准把不同的植物进行分门别类的？学生们自由讨论，找出两位学生代表回答，教师讲解正确答案，既传统的植物分类是依据植物的外观形态进行，而外观表型是由功能蛋白质决定，所以根据蛋白质一级结构的氨基酸序列可以进行物种分类；接着引出同源蛋白概念，根据同源蛋白氨基酸序列差异程度，有助于判断物种之间的亲缘关系，反映生物系统进化情况。接着以细胞色素C为例，让学生观察不同生物与人的细胞色素C相比的差异氨基酸数目表，从这张表中能发现什么规律？学生自由讨论，挑选3位学生发表看法，教师总结并讲解正确答案，即亲缘关系越近，氨基酸序列的相似度越高。最后要求学生课下练习用MEGA软件绘制细胞色素C的进化树。

4.5 “一级结构的局部断裂与蛋白质激活”的理论联系实际教学设计

首先，询问学生有没有接触过糖尿病患者？如果有，是否知道治疗糖尿病的有效药物是什么？以此引出胰岛素。胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素，因此，弄清楚胰岛素分子的结构特征和合成过程对于推进糖尿病的治疗至关重要。1958年，英国的Sanger由于解析了胰岛素的化学结构而获得诺贝尔化学奖。国际顶级期刊《自然》曾发表评论文章说：合成胰岛素将是遥远的事情。可是，自强不息的中国人不畏艰难，开启了人工合成胰岛素的征程。七年后，当第一张人工合成胰岛素的结晶照片诞生于中国实验室后，整个世界都震惊了。通过人工合成胰岛素的历史，引入课堂思政教育，激发学生的爱国主义情怀，引导学生不畏艰难投身祖国的科研一线。接着，向学生具体讲解胰岛素的合成过程也是一个曲折的过程，涉及前胰岛素原一级结构的局部断裂[4]。

4.6 “蛋白质空间结构与功能的关系”的理论联系实际教学设计

首先，询问学生们是否知道肺部吸入的氧气是怎样运输到其他组织中？引出血红蛋白和肌红蛋白的功能差异[6]。接着提出问题：肌红蛋白和血红蛋白相比，氨基酸序列相似度很高，三级结构几乎完全相同，为什么它们的功能差异如此之大？让学生分组讨论，选出代表发表看法。接着，教师进行归纳，讲解两者高级结构的差异导致功能差异的原因，即肌红蛋白只有一条链，只具有三级结构而不具有四级结构，不存在亚基之间的协同作用，而血红蛋白有四个亚基，具有四级结构和亚基间的协同作用[4]。接着，播放煤气中毒的视频案例，询问学生是否知道煤气中毒的原理，激发学生的求知欲望。经过学生讨论后，教师总结发言：既煤气中毒的原因是CO中毒，是由于CO与肌红蛋白或血红蛋白的亲和能力是O2的300倍左右，能与O2竞争结合血红蛋白中的血红素辅基，从而使血红蛋白丧失携带O2的能力，导致人体缺氧窒息死亡[7]。接着，通过高原反应进一步向学生阐述蛋白质高级结构与功能的关系。首先给学生展示高原反应的图片，询问学生是否有过高原反应的经历？高原反应是人体突然进入高海拔地区暴露于低压低氧环境后所产生的各种不适症状，比如呼吸困难、食欲不振等[8]。接着抛出问题，为什么低氧分压会造成高原反应？由此引出BPG（2,3-二磷酸甘油酸）对血红蛋白氧合作用的别构抑制作用，即低氧分压时，红细胞内BPG浓度增高，它能与脱氧血红蛋白结合而抑制血红蛋白由紧张态向松弛态的构象改变，抑制氧合作用[5]。通过高原反应的实例让学生进一步了解蛋白质空间结构的改变对功能的影响。

5 结语

一堂好课，要能够使抽象科学理论落地发芽、开花、结果，要能够调动起学生来充分发挥其主观能动性[9]。生物化学本身是一门多学科的交叉学科，其基础理论知识的讲述往往不能让学生形成直观的认识，因此，学生感到枯燥无味，没有兴趣去深入走近课堂。但是当任课教师通过一个常见的生活实例讲解理论内容时，学生们都会表现出浓厚的学习兴趣。因此，将晦涩难懂的生化理论与实际生活结合起来讲授，是激发学生学习兴趣、实现教学目标的有效途径，而怎样进行理论联系实际的教学方法设计也是教师必须思考的问题。理论联系实际教学，不能仅仅作为开场白，只有将其贯彻到课堂过程的始终，精心打磨，认真设计，才能使学生持久热爱并认真对待每一节生物化学课。