纵向教学方式在生物化学教学中的应用探讨
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作者:王宁 袁栎 张一鸣 王学军 王倩 陈园园
摘要：传统的生物化学教材与教学方式都是将生物化学知识分解为各知识点进行讲授，这样虽然可以帮助学生学习掌握各知识点的内容，但对整体掌握生物化学，并将之融入完整的生命体是不利的。因此，在学生掌握了基本知识点的基础上，进行纵向教学就很有必要了。本文主要通过几个实例及分析，阐述了纵向教学方式在生物化学教学中的重要性、必要性及其应用，相信能对提高生物化学教学效果起到一定的作用。
关键词：生物化学；纵向教学；医学本科
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）09-0183-03
生物化学是一门研究人体化学组成及生命过程中变化规律的学科，是医学生的必修课程之一[1]。生物化學的内容抽象，很多为微观分子的结构和变化，是学习难度相对较高的一门基础课程，但生化知识的学习对医学生后续课程的学习及未来的临床工作都有着非常重要的作用，因此生物化学也是医学生最重要的专业基础课程之一。
生物化学学科的发展历史经历了静态生物化学（生物分子结构与功能的描述）、动态生物化学（生物体内物质的变化，即代谢途径）以及现代生物化学（遗传信息的传递与表达）三个阶段。目前的主流生物化学教材也据此将基础的生化内容分解为生物大分子（蛋白质、核酸和酶）的结构和功能、主要物质（糖、脂、蛋白质、核苷酸）的代谢、遗传信息的传递（复制、转录、翻译、基因表达调控）这样几部分来分篇进行讲解[2]。这种横向的教学方式可以让学生对生物化学的主要内容有所了解，对各部分的知识点精细掌握，但是学生往往很难将这些人为割裂开的生化知识重新整合到“人”这个整体中，这对学生整体掌握生化知识以及未来进入临床工作非常不利，这就要求我们在生物化学的教学过程中穿插使用纵向的教学方式来弥补传统教学方式和单纯按教材教学的缺陷。
以“胰岛素”这一人体中唯一降低血糖的激素为例，我们可以在学期末学生已经基本掌握了生化知识点的基础上将各部分知识纵向串联起来，以帮助学生了解生物体中各种生化过程的运作，使生物化学不再只停留在虚构层面。如下图，这一题目中包括了几乎整个生化教材的各章节内容：胰岛素基因（核酸的结构）通过遗传信息的表达（即转录、翻译）合成蛋白质（前胰岛素原），而作为一种分泌型蛋白质，胰岛素的成熟需要进行翻译后加工，加工成熟的胰岛素（蛋白质的结构）释放进入血液，通过和靶细胞细胞膜的胰岛素受体结合进而发挥作用，经由信号转导从而影响靶细胞内部代谢相关酶的表达和活性（物质代谢），作用结束的胰岛素则经血流入肝进行灭活（蛋白质的降解）。通过这种“纵向”的串联，就将生物化学理论课程中的大部分内容：蛋白质的结构，核酸的结构，酶的功能，糖脂蛋白质三大营养物质的代谢，基因的转录、翻译，蛋白质翻译后加工，细胞信号转导，等等内容连贯了起来，如此学生就能更加系统地了解这些生化机制在人体中究竟是如何运作和整合的以及它们所处的地位及发挥的作用。
这种纵向模式对于资深的生化教师来说并不难，甚至会觉得理所当然，但是对于刚深入接触生物化学的本科生来说，有时很难融会贯通。
每学期结束时，笔者都会给学生留最后一次作业：“请结合本学期所学《生物化学》的知识，尽可能详细地叙述胰高血糖素（glucagon）的一生。”对学生的作业进行详尽的分析后，发现只有20%的学生能够将生化知识点融入题目中，做出基本完整的解答，而80%的学生答案不尽如人意，主要的缺陷在哪儿呢？让我们对以下两份比较典型的作业进行分析。
第一份作业：
简介：胰高血糖素是体内升高血糖的激素。血糖降低刺激胰高血糖素的分泌。
合成：胰岛A细胞中编码相关基因的DNA片段在DNA聚合酶的作用下转录生成hnRNA，经过进一步的修饰加工生成mRNA，为翻译提供模版。在mRNA的开放阅读框架区，每三个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸，亦称密码子，由tRNA携带氨基酸在核糖体中经过反密码子配对形成肽链，肽链经过一系列的加工修饰形成成熟的胰高血糖素。
作用：胰高血糖素的本质是一种酶，酶的作用机理是降低反应活化能，有利于底物形成过度态，其特点是具有极高的效率和高度的特异性。
胰高血糖素升高血糖的机制包括以下几方面。
1.经肝细胞膜受体激活依赖cAMP的蛋白激酶，从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.通过抑制6-磷酸果糖激酶-2，激活果糖二磷酸酶-2，从而减少2，6-二磷酸果糖的合成，后者是6-磷酸果糖激酶-1的最强变构激活剂，又是果糖二磷酸酶-1的抑制剂。于是果糖激酶被抑制，糖异生加速。
3.促进磷酸烯醇式丙酮羧激酶的合成，抑制肝L型丙酮酸激酶，加速肝摄取血中的氨基酸，从而增强糖异生。
4.通过激活脂肪组织内激素敏感性脂肪酶，加速脂肪动员。
代谢：胰高血糖素的本质是蛋白质，会被降解为氨基酸和寡肽。
1.氨基酸通过主动转运过程被吸收，包括氨基酸与转运氨基酸的载体蛋白和Na形成三联体，以及γ-谷氨酰基。
2.氨基酸经过联合脱氨作用生成α-酮酸和另一种氨基酸。
3.通过丙氨酸—葡萄糖循环，氨从肌肉运往肝；通过谷氨酰胺，氨从脑和肌肉等组织运往肝或肾。
4.通过鸟氨酸循环合成尿素排除体外。
这份作业中也涵盖了生化的很多知识点，但是缺乏系统性，说明在该同学的头脑中并没有形成一个完整的生化知识体系，只是想到一些零散的知识点和概念，将之罗列出来，并且其中一些知识点还是错误的，跟题目关联不大，这也折射出了学生在学习生化过程中的一些弊端——或许单一知识点的掌握尚可，但却无法将点串成线，连成面。这样学习的最终结果必然导致知识体系的混乱，整本书的内容在头脑中混沌一片，难以理清。根据统计，有10%左右的学生存在这种情况。 第二份作业：
胰高血糖素是由胰岛α细胞分泌的含29个氨基酸残基的直链多肽，其N末端第1—6位氨基酸残基为其生物活性所必需。胰高血糖素在血清中的浓度为50—100ng/L，在血浆中的半衰期为5—10分钟，主要在肝灭活，肾也有降解作用。
1.胰高血糖素的生物作用。胰高血糖素是一种促进物质分解代谢的激素，动员体内能源物质的分解供能，它的主要靶器官是肝。
（1）抑制糖酵解途径：胰高血糖素通过AC—cAMP—PKA通路转导信号，它与肝细胞膜上的G蛋白偶联受体（Gs）结合后，改变其构象，活化的Gs蛋白α亚基激活下游的AC效应分子，使细胞内第二信使cAMP浓度升高，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，从而减少2，6-二磷酸果糖的合成，后者是6-磷酸果糖激酶-1最强的变构激活剂，又是果糖二磷酸酶-1的抑制剂，于是糖酵解途径被抑制，糖异生则加速。另外，丙酮酸激酶是糖酵解途径的第二个重要调节点，F-1、6-2P是其变构激活剂，依赖cAMP的蛋白激酶和依赖钙离子、钙调蛋白的蛋白激酶可使其磷酸化而失活，胰高血糖素通过Gs蛋白-AC-cAMP-PKA抑制丙酮酸激酶活性，从而抑制糖酵解途径。
（2）迅速分解肝糖原，升高血糖，胰高血糖素与肝细胞膜受体结合，经Gs蛋白-AC-cAMP-PKA通路激活磷酸化酶，使糖原合酶失活，从而加速肝糖原分解，抑制肝内糖原合成。
（3）增加肝内糖异生，胰高血糖素促进磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，抑制肝I型丙酮酸激酶，加速肝摄取血中的氨基酸，从而促进草酰乙酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸，促进糖异生。
（4）加速脂肪动员，胰高血糖素激活脂肪组织内激素敏感性脂肪酶，加速脂肪分解。
（5）减少胆固醇的合成，胰高血糖素降低并抑制HMG-CoA还原酶的活性，减少胆固醇的合成。
2.胰高血糖素分泌的調节。
（1）血糖和氨基酸水平的作用。血糖水平是调节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，引起肝释放大量的葡萄糖入血，升高血糖，反之分泌减少。饥饿时胰高血糖素分泌的增加对维持血糖的稳态，保证脑的物质代谢和能量供应具有重要意义。血中氨基酸增加时，在促进胰岛素分泌降低血糖的同时，还分泌胰高血糖素，防止低血糖的发生。
（2）激素的调节。促胃液素可以促进胰高血糖素的分泌，促胰液素能抑制其分泌，胰岛素和生长抑素可直接抑制相邻的α细胞分泌胰高血糖素，胰岛素可通过降低血糖间接抑制胰高血糖素的分泌。
（3）神经调节。交感神经兴奋时，通过α细胞膜中的β受体促进胰高血糖素的分泌。副交感神经兴奋时，则通过M受体抑制其分泌。
3.胰高血糖素的降解。肝细胞膜上存在可将某些水溶性激素特异结合的受体，并通过内吞作用将激素吞入细胞内进行代谢转化。发挥作用后有待灭活的胰高血糖素在肝内进行生物转化。生成的氨基酸进入机体代谢循环合成新的蛋白质或转变为某些激素及核苷酸等含氮物质。
这份作业与第一份作业相比，感觉主线更为清晰，能够基本按照胰高血糖素的分泌、作用方式、降解来描述，但是其中缺失了重要的一环——胰高血糖素的合成。从这份作业可以看出，该同学已经具备了基本的知识体系，但是有些知识点还未能融入其中，造成了知识点的缺失和遗漏。近60%的学生存在这一问题。
由此可见，纵向教学方式不仅可以帮助学生深化生物化学知识的理解与掌握，还可以帮助教师了解学生学习的缺陷并进行针对性的增强和补充。事实上，经过这个作业的完成与教师的点评解析讨论后，大多数学生都能形成基本的知识框架与结构。因此，纵向教学方式对生物化学教学还是必要和重要的。
参考文献：
[1]尹丽.提高生物化学教学质量的几点建议[J].继续医学教育，2012，（10）：17-20.
[2]周峰.浅谈多媒体与生物化学教学[J].卫生职业教育，2007，25（22）：48-49.
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