糖酵解中间产物磷酸丙糖鉴定实验课的研究性教学

糖酵解中间产物磷酸丙糖鉴定实验课的研究性教学

作者：杨生妹魏万红陈云

来源：《教育教学论坛》2016年第51期

摘要：本文研究以学生为主体，促进学生自主学习的教学方式，设计新的实验方案，使学生更细致地观察实验现象，深入了解实验原理，巩固已学基本知识，拓展背景知识。

关键词：糖酵解；磷酸丙糖鉴定；研究性教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0265-02

糖酵解途是存在于所有生物体中的非常保守的代谢途径，因而该途径成为动态生物化学部分最重要的教学内容。与此相匹配的实验课教学内容糖酵解中间产物磷酸丙糖的鉴定，因为涉及到有机化学课程中糖的颜色反应、生物化学课程酶的活性中心、必需基团、抑制剂及蛋白质变性剂等内容而成为一个操作相对容易但涉及面很多的实验。因此选定此实验内容作为研究性教学，既可以巩固很多已学的基础知识，也有利于开阔新的视野。现将该实验课研究性教学的过程、特点、意义及学生收获总结如下。

一、教学过程及特点

1.选定实验内容，学生分派任务。因为研究性教学强调调动学生的主观能动性[1]，所有学生所做的实验相同，但分别负责不同实验结果及原理的介绍及解释。

2.进行新的实验设计，细化实验现象，深化实验原理。在原先的讲义中[2]，实验共分三个组（表，原1、原2及原3）。实验步骤为：取干酵母粉约2g于烧杯中，加10ml去离子水，用玻棒搅匀，使其成为混悬液，并严格依次添加试剂（表）。充分反应后，用2，4-二硝基苯肼使丙糖显色。

在本次教学过程中，实验进行了新的分组（表，新1-5）。从表中可以看出，新的实验设计比原先多了两个组，其实就是将原先的第一组（原1）分成了三个组（新1、新2及新3）。新4同原2，新5同原3。

3.在实验结束后，每组派代表进行汇报，所有同学进行讨论。

二、教学意义及学生收获

1.拓展背景知识，了解研究意义。汇报阶段，第一组代表回顾糖酵解途径的发现史、讲解糖酵解的关键步骤。由于所选教科书的内容及课时数限定[3]、在理论课上，学生们无缘学习

糖酵解的发现史。此次活动不仅让他们弥补了这方面的不足，也了解了人们对酶及酶促反应本质的认识过程。因为在该途径阐明前，人们认为物质发酵必须是整个活细胞的作用。1897年有人发现酵母细胞榨取汁可以使蔗糖发酵，使人们认识到发酵是细胞中特定物质的作用，从而真正开始了酶的研究[4]。第一个同学还给大家汇报了糖酵解途径与癌症治疗的相关研究进展，即抑制糖酵解途径关键酶的作用，会有效抑制癌细胞的增殖[5，6]。此外，第一组同学代表展示了第一组实验结果。第一组反应试管中仅加入了酵母菌和葡萄糖，该实验的目的是证明如果不采取其他措施，酵母菌因含有糖酵解所需的所有酶、辅助因子及金属离子，在反应足够时间后，可以使所有的葡萄糖被酵解。因此反应结束，该管中不应有丙糖。原先的实验中无此设计，加入新的设计，以观察既没有丙糖，也没有葡萄糖时的实验现象。

第二组试管中，加入酵母菌后，马上加入三氯乙酸，使所有的酶和蛋白质变性，从而使试管中后加入的葡萄糖根本没有被酵解。

第二组同学代表先给大家比较了第一组和第二组的结果，尽管两组的实验现象并无不同，即加入2，4-二硝基苯肼后都没有观察到丙糖的存在，但两组实验的原理大相径庭，第一组有糖酵解，第二组无糖酵解。二组代表不仅回顾了理论课上讲过的蛋白质的变性现象及原理，也告诉同学们理论课上没涉及到的三氯乙酸作为变性剂的机制：在酸性条件下，三氯乙酸可以与蛋白质形成不溶性的盐，从而导致蛋白质变性。

第三组试管中加入的是酵母菌、一碘乙酸及葡萄糖。第三组的同学代表讲解了酶抑制剂的分类及各自的作用原理。糖酵解途径中，磷酸甘油醛脱氢酶是有巯基的酶，一碘乙酸以与酶活性中心的巯基结合，作为酶的不可逆抑制剂使酶活性受到抑制，从而使酵解反应停止在3-磷酸甘油醛水平。按理说这组试管中能看到很多丙糖的存在，但实验结束后并没有观察到预期现象。

第四组试管比第三组试管多加了硫酸肼。这组试管中有大量的磷酸丙糖积累。第四组同学代表首先让大家注意在糖酵解反应过程中，从1，6-二磷酸果糖到3-磷酸甘油醛的产生都是可逆过程，因此尽管第三组的试管中加入了酶抑制剂，使反应停止在3-磷酸甘油醛阶段，但由于可逆步骤中间产物间建立平衡，因而第三组试管中无太多的甘油醛积累。另外在反应体系中，有可能存在其他的氧化剂，它们也有可能使磷酸甘油醛被氧化。第四组同学通过查找其他教科书认识到硫酸肼具强还原性[7]。因此，硫酸肼第一可还原试管中其他的氧化剂，减弱它们对磷酸甘油醛的氧化；第二可还原已被氧化的磷酸甘油醛，这就很好地解释为什么在第四组试管中磷酸甘油醛能够大量积累。新的实验方案对认识硫酸肼的作用原理有重要意义，使学生认识到实验设计需要综合多方面的知识，巧妙设计才能更好地观察到需要观察的现象。

第五组试管中加入的是酵母菌、氟化钠及葡萄糖。氟化钠是烯醇化酶的抑制剂，它使糖酵解反应停止在2-磷酸甘油酸的阶段。但由于在此之前有很多可逆步骤，这些步骤的产物之间也存在平衡，因此这组试管中也存在少量的磷酸甘油醛。这组实验使学生加深了对糖酵解各步骤性质的了解。第五组同学代表的拓展讲解又使他们了解到氟化钠的抑制作用与镁有关，镁为烯

醇化酶的辅基，而氟会与镁结合，取代镁与烯醇化酶的结合，这一过程也使学生巩固了酶的辅助因子的概念及非专一性不可逆酶抑制剂的概念。

2.提高主观能动性，质疑讲解内容并寻求解决方案。汇报结束后同学们进行了热烈讨论，并提出很多不同见解。有同学提问，为什么抑制糖酵解途径可以影响癌细胞的生长？负责同学回答：因为癌细胞生长迅速，所以癌细胞处于相对缺氧的环境，细胞主要靠糖的无氧酵解供能[6]，另外即使在氧供充足的条件下，癌细胞也主要通过糖酵解途径获得能量，这一现象被称为“Warburg效应”[8]。这一机制为我们诊断治疗癌症提供了思路和途径。有同学接着提问，抑制糖酵解途径对正常细胞有没有影响？同学代表回答，正常细胞可以通过其他的有氧供能途径得到能量。

观摩活动的老师提出，除了用2，4-二硝基苯肼使糖显色，有没有更特异的鉴定方法。被提问的同学回答，用薄层层析法，不同的糖层析时的迁移率不同，可以鉴定出具体的糖[9]。

综上所述，通过本次实验操作及讲述，大家对变性剂与抑制剂及有了感性认识；对利用抑制剂鉴定代谢途径的中间产物的原理，对酶的活性基团的概念的理解也较原来深刻许多；糖酵解途径在临床方面的应用激发了学生的学习兴趣及积极性；同学间的分工及合作加强了他们的团队意识，提高了他们发现问题解决问题的能力。

参考文献：

[1]刘立军.关于研究性教学在大学教育中的若干思考[J].天津工业大学学报，2012，32（增刊）：187-188.

[2]扬州大学生物化学教研室.生物化学实验[M].自编教材，2002.

[3]邹思湘.动物生物化学[M].第五版.中国农业出版社，2013.

[4]王镜岩，朱圣庚，徐长法.生物化学[M].第三版.北京：高等教育出版社，2002.

[5]李阳.基于糖酵解途径的乳腺癌治疗研究进展[J].中国肿瘤临床，2015，42（21）：1063-1066.

[6]江畅.肿瘤干细胞糖代谢的研究进展[J].肿瘤学杂志，2014，20（11）：947-950.

[7]荣国斌.大学有机化学[M].华东理工大学出版，2006.

[8]Warburg O. On the origin of cancer cells[J]. Science，1956，123 （3191）：309-314.

[9]邵雪玲，毛歆，郭一清.生物化学与分子生物学实验指导[M].武汉大学出版社，2003.