生物化學前沿研究動態及其在課堂教學中的應用

閆榮玲, 李常健, 廖 陽, 袁志輝

(湖南科技學院 化學與生物工程學院，永州 425199)

“生物化學”是一門在分子水平探討生命的化學組成和生命過程的化學變化的基礎學科，即研究生物體的分子結構與功能、代謝與調節及遺傳信息的傳遞。如同生命科學其他學科一樣，生物化學的前沿研究不斷有令人驚嘆、激動或興奮的新成果涌現出來。作為課程的任課教師，及時關注學科的最新研究進展并把獲取的信息及時合理地應用到課堂教學中十分必要。本文基于近年教學一線的實踐，列舉了生物化學領域近年若干重大發現，闡述了這些學科前沿研究動態在課堂教學中應用途徑。

1 生物化學前沿研究動態實例

1.1 密碼子的雙重信息

蛋白質合成時，DNA轉錄形成的信使RNA(mRNA)所承載的遺傳信息轉化為蛋白質多肽鏈，實現了細胞中兩種不同化學本質的“語言”之間“翻譯”。在此過程中，作為模板的mRNA，其鏈中每3個相鄰核苷酸決定一個氨基酸，人們把決定一個氨基酸的3個核苷酸稱為一個密碼子，亦稱三聯體密碼[1]。自20世紀60年代密碼子被破譯以來，人們一直認為它僅是一種專門記錄蛋白質序列信息的載體，然而最新的研究發現，密碼子不僅決定了哪種氨基酸被摻入到即將合成的蛋白質肽鏈中，它還決定這些氨基酸的摻入速度。具體地說就是，mRNA上所有密碼子以不同速度被解碼(讀取)，有些快有些慢，每條mRNA包含的所有密碼子總和決定了其解譯的總體速度，并最終表現在一定時間下特定蛋白質的合成量[2]。知道了密碼子的這一信息，研究人員可以操控遺傳密碼，從而更精細地來上調或下調蛋白質表達水平。如人為替換mRNA上同義密碼子(編碼相同氨基酸的不同密碼子)來改變其編碼解碼速度，但最終表達出來的蛋白質序列沒有出現任何變化[3]。

1.2 葡萄糖轉運蛋白的晶體結構

葡萄糖是地球上各種生物最重要、最基本的能量來源，要想降解葡萄糖為機體供能，首先需要的一個前提條件就是把葡萄糖運送進入細胞。生物膜的主要成分為疏水的脂類，因此親水的葡萄糖分子不能直接穿過細胞膜進入細胞，這時就需要跨膜運載工具的輔助，它就是葡萄糖轉運蛋白。葡萄糖轉運蛋白鑲嵌于細胞膜上，如同細胞膜屏障上的葡萄糖專用通道，在消耗ATP的條件下，通過改變自身空間結構把葡萄糖運送進細胞。人類自1977年第一次從紅細胞膜上分離得到葡萄糖轉運蛋白質，就一直渴望高分辨率地解析其分子結構，直到2014年這一工作被我國清華大學顏寧研究小組完成，使得葡萄糖轉運蛋白也成了第一個被成功進行結構解析的人源膜轉運蛋白[4]。知道了它的結構信息，人們就開始思考其在人類疾病診斷與治療上的實際應用價值。如通過開發某種藥物進行人工干預，專一性地破壞癌細胞質膜上葡萄糖轉運蛋白的結構，使其不能正常工作，切斷癌細胞能量物質的供給，從而殺死癌細胞。

1.3 RNA起源學說

生命起源中，蛋白質、核酸、糖類、脂類這些生物大分子到底哪種物質最先出現的爭論到現在也沒有定論。由于蛋白質分子結構與功能的多樣性，人們一開始認為最先出現的應該是蛋白質分子。然而，20世紀80年代，人們發現了具有酶活性(如切割RNA、切割DNA、連接RNA等)的RNA分子后，開始意識到兼具核酸遺傳功能與蛋白質催化活性于一身且相對DNA更為簡單的RNA分子可能是地球上最先出現的有機大分子。德國科學家在化學合成領域的研究成果進一步支持了這一推測，它們發現，模擬原始地球環境條件，通過特定反應確實可以形成尿嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鳥嘌呤等RNA的重要組成成分[5]。

1.4 環狀RNA

一直以來，人們發現存在生物體內的RNA，不管是直接參與蛋白質合成的信使RNA、轉運RNA以及核糖體RNA，還是不直接參與蛋白質的合成而是在細胞中起催化、調控等作用的其他RNA分子，全部以線狀形式存在。也正因為此，人們形成并接受了所有RNA均為線狀的這一認識。然而，近年的研究表明，在細胞中還存在一類環狀的RNA分子(circRNA)，與傳統的線性RNA(linear RNA，具5′和3′兩個末端)不同，circRNA呈封閉環狀結構，難以被RNA外切酶降解而更穩定，其在細胞中主要參與基因表達調控，通過與miRNA結合進而解除miRNA對靶基因表達的抑制作用[6]。

1.5 維生素C新功效

維生素C又稱抗壞血酸，是一種含有6個碳原子的酸性多羥基化合物。在生物體內，維生素C是一種重要的抗氧化劑，保護身體免于自由基的威脅。最新研究發現，高劑量的維生素C可殺滅小鼠特定類型結直腸癌細胞，研究結果提示人們可以利用維生素C開發治療結直腸癌的新型靶向療法[7]。

2 學科前沿研究動態在課堂教學中的應用

教材相對于學科發展的速度，表現出明顯的滯后性和局限性[8]。這就要求任課教師及時關注學科前沿動態、吸收和引入具有代表性、突破性或趣味性的學科最新研究成果到課堂中來。一方面可以彌補教材的不足，另一方面可以產生一系列積極效應，如可以激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識，增加課堂的師生互動，改變理工科課堂呆板、枯燥、晦澀的狀態?！吧锘瘜W”作為生物學相關專業的基礎課程，一般在大學一年級開設，作為剛從高中階段邁入大學學習不到一年的新生來說，尤其需要教師在課堂教學中突破教材的束縛，在闡述清楚課程的基礎知識，強調好課程的重難點基礎上，加入這些前沿研究動態作為課堂的“調味劑”。本文所列舉的幾個實例分別對應《生物化學》的第十五章“蛋白質的生物合成”的“蛋白質合成體系”；第九章“糖代謝”的“糖的分解代謝”；第三章“核酸”的“核酸的組成成分”以及“RNA結構與功能”；第七章“維生素”的“水溶性維生素”等章節[1]。在教師有意識地查閱和收集這些學科前沿研究成果后，如何用好這些學科前沿動態呢？可有以下3種途徑。

2.1 作為課后閱讀素材

大學的課堂不能局限在有限時空內課本知識的有限灌輸，如何引導學生利用好課后時間進行所授課程的學習是我們任課老師應該思考的問題[10]。因此，生物化學學科前沿的文獻報道及其中文解讀等材料可作為課堂教學的延伸，即在課堂教學的末尾，作為課后閱讀資料發給同學們，并要求同學們在下節課的時候闡述自己對材料的理解以及由這個材料所引發的所思所想。借此方式，拓展學生的視野，增強學生的專業認知，提高學生的學術修養。

2.2 作為教師課堂教學拓展素材

這種途徑最直接，就是教師在備課時，直接把相關素材熟悉吃透后，加在教學設計的合適位置。在課堂教學介紹完某一知識點后，通過提問的形式引入對應的前沿研究成果(如“密碼子中是否真的僅蘊藏這蛋白質序列這一單一信息呢？”“你想知道葡萄糖進入細胞的通道是什么樣子嗎？”“RNA起源學說是否有了新的證據？”“RNA真的全部是線狀的嗎？”“維生素真的僅有教材中提到的這些功效嗎？”)。教師對這些新成果的介紹，既豐富了課堂信息量，活躍了課堂氣氛，又使同學們深刻意識到生命科學發展的日新月異，僅局限課堂有限知識的學習遠遠不夠，同時潛移默化地熏陶同學們形成積極思考、敢于創新、勇于嘗試的意識。

2.3 作為研討式教學的背景材料

課程的部分章節適合進行研討式教學，對于這樣的章節，教師在前一節課的末尾階段，設計和布置一系列具邏輯聯系的問題，并把同學們分成若干小組進行課下資料查閱與教具準備，以便在下節課展開小組間交流與討論[9]。此時，教師所準備的學科前沿材料可以與所布置的問題一道下發作為研討式教學的背景材料，以幫助同學們更好的理解與準備研討式課堂的發言。如“蛋白質生物合成”一章的第一節“蛋白質合成體系”即可以采用研討式教學。在上一章“RNA的生物合成”最后一次課的末尾階段，我們布置下一節課要學習的“蛋白質合成體系”研討式教學任務：學生共分成3個小組，分別對應蛋白質合成體系的mRNA、核糖體、tRNA。所有各組均需要了解以下問題：為何人們把蛋白質生物合成喻為“翻譯”？蛋白質合成需要哪些主要參與者的協同配合？各參與者各自具有哪些特征？對于不同小組則還需要思考和準備與自己小組相關的針對性問題，如mRNA小組則需要思考與準備：mRNA上的三聯體密碼如何被發現(包括最初的假設與推理以及實驗證據)？密碼子表現出哪些基本特點，以及這些特點對其遺傳信息傳遞的影響？mRNA上的密碼子除決定蛋白質合成的氨基酸序列之外，是否還蘊含著其他信息？對于最后一個問題，由于教材及參考書上沒有相關信息，需要教師提供原始文獻或相關資料，也可以引導學生自行查閱資料作為下次課研討式教學的背景材料。通過課前的精心準備后，各小組利用自己準備的資料與教具按照一定的脈絡闡述清楚蛋白質合成體系的其中一個組分，并在闡述的過程中以及闡述結束后接受其他小組的提問以及展開小組間討論，教師在必要時候進行補充和糾錯。

[1]張麗萍, 楊建雄.生物化學簡明教材[M].北京：高等教育出版社, 2009: 392-393.

[2]PRESNYAK V, ALHUSAINI N, CHEN Y H, et al.Codon optimality is a major determinant of mRNA stability[J].Cell, 2015, 160(6): 1111-1124.

[3]STERGACHIS A B，HAUGEN E，SHAFER A, et al.Exonic transcription factor binding directs codon choice and affects protein evolution[J].Science, 2013, 342(6164):1367-1372.

[4]DENG D，XU C，SUN P, et al.Crystal structure of the human glucose transporter GLUT1[J].Nature, 2014, 510(7503):121-125.

[5]BECKER S，THOMA I，DEUTSCH A, et al.A high-yielding, strictly regioselective prebiotic purine nucleoside formation pathway[J].Science, 2016, 352(6287): 833-836.

[6]ANDREEVA K, COOPER N G.Circular RNAs: new players in gene regulation[J].Advances in Bioscience & Biotechnology, 2015, 6(6): 433-441.

[7]YUN J，MULLARKY E，LU C, et al.Vitamin C selectively kills KRAS and BRAF mutant colorectal cancer cells by targeting GAPDH[J].Science, 2015, 350(6266): 1391-1396.

[8]馬亞林.淺談傳統教材觀的弊端[J].學周刊, 2013(10): 98.

[9]黃世虎.研討式教學的基本理念與實踐模式[J].黑龍江教育學院學報, 2010, 29(1): 72-74.

[10]張金萍.高校課堂教學延伸:建立學習型專業素質與能力培養團隊[J].中國校外教育(下旬刊), 2012(18): 50.