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        課程思政理念下三羧酸循環(huán)途徑的教學(xué)設(shè)計(jì)

        2022-12-03 09:43:58劉曉飛關(guān)樺楠
        黑龍江科學(xué) 2022年21期
        關(guān)鍵詞:合酶脫氫酶乙酰

        劉曉飛,劉 寧,關(guān)樺楠,張 娜

        (哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,哈爾濱 150076)

        充分發(fā)揮課堂教學(xué)的主渠道作用,提升思想政治教育的親和力及針對(duì)性,滿足學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展需求和期待。上海高校進(jìn)行試點(diǎn)課程思政教學(xué)改革,采用搭建思政課程、綜合素養(yǎng)課程、專業(yè)課程相結(jié)合的思想政治教育課程體系,探索專業(yè)課程與思政課同向同行,實(shí)現(xiàn)相得益彰的渠道。注重啟發(fā)性教育,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題,提高思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。不斷挖掘能夠融入課堂的思政元素,實(shí)現(xiàn)全方位育才理念?!陡叩葘W(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》為構(gòu)建課程思政給出了明確方向,課程思政要以社會(huì)主義核心價(jià)值觀為核心,以中國(guó)優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化教育為輔助,從專業(yè)知識(shí)角度融入,引入匠人精神,激勵(lì)學(xué)生建立正確的職業(yè)道德操守。以食品工程學(xué)院食品生物化學(xué)課程中的三羧酸循環(huán)為例,探討如何將思政教育元素有機(jī)融入專業(yè)課教學(xué)中,發(fā)揮其思想政治教育功能,實(shí)現(xiàn)思想政治教育與知識(shí)體系教育有機(jī)統(tǒng)一的思政教育模式。

        食品生物化學(xué)課是食品科學(xué)與工程專業(yè)、食品質(zhì)量與安全專業(yè)和生物工程專業(yè)的專業(yè)必修課及研究生入學(xué)考試專業(yè)課,總84學(xué)時(shí)?!叭人嵫h(huán)”是糖、脂肪、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)的代謝樞紐,是本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn),深入挖掘此知識(shí)點(diǎn)中的思政元素,既有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解,還能幫助學(xué)生樹立正確的社會(huì)價(jià)值觀。

        1 “三羧酸循環(huán)”課程設(shè)計(jì)

        三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)又稱Krebs循環(huán),是糖有氧氧化的第三個(gè)階段(第一個(gè)階段是糖酵解階段,從葡萄糖生成到丙酮酸的過(guò)程;第二個(gè)階段丙酮酸從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入線粒體分解為乙酰CoA的過(guò)程;第三個(gè)階段TCA循環(huán)過(guò)程;第四個(gè)階段TCA循環(huán)中產(chǎn)生的NADH和FADH2,經(jīng)呼吸鏈的電子傳遞生成H2O,氧化磷酸化生成ATP的過(guò)程),介紹TCA循環(huán)的發(fā)現(xiàn)、反應(yīng)步驟、生理意義及其調(diào)節(jié)機(jī)制。

        1.1 TCA循環(huán)發(fā)現(xiàn)

        Hans Krebs選擇鴿子的飛行肌為實(shí)驗(yàn)材料,研究有機(jī)酸在有氧代謝中的相互關(guān)系。證實(shí)琥珀酸是有氧氧化中的一種成分,發(fā)現(xiàn)草酰乙酸、α-酮戊二酸、異檸檬酸和順烏頭酸對(duì)丙酮酸的氧化具有促進(jìn)作用,并提出其可能的轉(zhuǎn)變途徑。一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)此反應(yīng)為環(huán)式的代謝通路。Hans Krebs孜孜不倦的求學(xué)態(tài)度發(fā)現(xiàn)TCA循環(huán)途徑的可能性,每個(gè)人都應(yīng)具有勇于探索的創(chuàng)新精神,將創(chuàng)新立足于國(guó)情,使更多人能夠分享創(chuàng)新成果。

        1.2 TCA循環(huán)反應(yīng)過(guò)程

        將丙酮酸氧化脫羧生成的乙酰CoA徹底氧化分解為機(jī)體供能需要八步反應(yīng),如圖1所示。

        ①合成檸檬酸:乙酰CoA和草酰乙酸在檸檬酸合酶的作用下生成檸檬酸,此反應(yīng)不可逆,是TCA循環(huán)中唯一一個(gè)C-C鍵形成反應(yīng)。檸檬酸合酶是TCA循環(huán)的第一個(gè)關(guān)鍵酶,由于產(chǎn)物檸檬酸不能決定TCA循環(huán)的流向,所以檸檬酸合酶的作用稍弱于其他的關(guān)鍵酶,此反應(yīng)不可逆。

        ②異檸檬酸的生成:檸檬酸在順烏頭酸酶的作用下生成中間物順烏頭酸,通過(guò)脫H2O,加H2O轉(zhuǎn)變?yōu)楫悪幟仕帷4瞬椒磻?yīng)是TCA循環(huán)中必不可少的,檸檬酸在結(jié)構(gòu)上并不是氧化反應(yīng)的良好底物,但檸檬酸不同,經(jīng)過(guò)異構(gòu)化,其三級(jí)羥基變成易氧化的二級(jí)羥基。

        ③異檸檬酸氧化脫羧:異檸檬酸以NAD+為輔酶,需要Mn2+或Mg2+作為激活劑時(shí),經(jīng)異檸檬酸脫氫酶催化脫氫脫羧生成α-酮戊二酸、NADH+H+和CO2。此反應(yīng)是TCA循環(huán)中第一次氧化脫羧,屬于β-氧化脫羧,異檸檬酸脫氫酶是TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶、限速酶,是最主要的調(diào)節(jié)點(diǎn),此反應(yīng)不可逆。

        ④α-酮戊二酸氧化脫羧:在TPP、硫辛酸、CoA、GDP、NAD+存在下,由α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體催化脫氫脫羧生成琥珀酰CoA、GTP、NADH+H+、CO2和H2O,此反應(yīng)是TCA循環(huán)中第二次氧化脫羧。α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體是TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶[1],此反應(yīng)不可逆。

        ⑤琥珀酸生成:琥珀酰CoA在GDP、無(wú)機(jī)磷酸和Mg2+存在下,經(jīng)琥珀酰CoA合成酶催化脫去CoA,釋放的自由能用于生成ATP,這是TCA循環(huán)中唯一的一次底物水平磷酸化產(chǎn)能過(guò)程。

        ⑥琥珀酸脫氫:TCA的第三次脫氫反應(yīng),琥珀酸在有FAD存在下經(jīng)琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸生成延胡索酸或富馬酸。琥珀酸脫氫酶的輔酶是FAD,脫氫后生成FADH2,經(jīng)線粒體的電子呼吸鏈傳遞生成1.5分子ATP。

        ⑦蘋果酸的生成:延胡索酸在延胡索酸酶催化作用下生成L-蘋果酸。延胡索酸酶僅對(duì)反丁烯二酸(富馬酸)發(fā)生催化,而對(duì)順式雙鍵形式的馬來(lái)酸毫無(wú)作用。延胡索酸酶的催化作用具有高度的立體特異性,其催化產(chǎn)物是L-蘋果酸而不是D-蘋果酸。

        ⑧草酰乙酸的再生:TCA的第四次脫氫反應(yīng),在蘋果酸脫氫酶的催化作用下,蘋果酸仲醇基脫氫氧化成羰基,形成草酰乙酸,NAD+是脫氫酶的輔酶接納脫下來(lái)的H生成NADH+H+。草酰乙酸又可以與乙酰CoA不斷合成檸檬酸。

        生成的草酰乙酸又可參與到TCA循環(huán)中與乙酰CoA進(jìn)行TCA循環(huán)的第一個(gè)反應(yīng)中生成檸檬酸,由此可知,草酰乙酸似乎并沒(méi)有損失,通過(guò)循環(huán)只是乙酰CoA分子中的乙?;粩啾谎趸蒀O2、H2O和釋放出能量。

        TCA循環(huán)總的反應(yīng)方程式是:

        乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3NADH+3H++3FADH2+GTP+CoA-SH

        TCA循環(huán)總結(jié):循環(huán)發(fā)生在線粒體中,為不可逆反應(yīng),整個(gè)反應(yīng)可以概括為“一二三四”,即一次底物水平磷酸化(第五步反應(yīng))、兩次脫羧生成CO2(第三步、第四步反應(yīng))、三個(gè)關(guān)鍵酶(檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體)、四次脫氫反應(yīng)(第三步、第四步、第六步和第八步反應(yīng))[2]。

        1.3 TCA循環(huán)

        糖的有氧氧化是動(dòng)物機(jī)體生理活動(dòng)所需能量的主要來(lái)源,1 mol葡萄糖徹底氧化成CO2和H2O可以生成30 mol(在有氧條件下,按照NADH+在呼吸鏈傳遞產(chǎn)生2.5分子ATP計(jì),F(xiàn)ADH2在呼吸鏈傳遞產(chǎn)生1.5分子ATP計(jì))或32 mol ATP(由于糖酵解中3-磷酸甘油醛在3-磷酸甘油醛脫氫酶的作用下生成1,3-二磷酸甘油酸的同時(shí)生成NADH+H+,取決于NADH+H+借助不同的穿梭途徑進(jìn)入呼吸鏈),產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)高于糖酵解產(chǎn)生的ATP數(shù)。雖然糖酵解產(chǎn)能效率遠(yuǎn)低于糖的有氧代謝,但卻是不可替代的,沒(méi)有細(xì)胞核的紅細(xì)胞、厭氧生物都是以糖酵解作為產(chǎn)生ATP的唯一途徑。TCA循環(huán)是糖類、脂肪和蛋白質(zhì)在體內(nèi)氧化的共同代謝途徑,也是糖類、脂肪和蛋白質(zhì)及其他有機(jī)物質(zhì)代謝的聯(lián)系樞紐[3]。

        1.4 TCA循環(huán)的生理學(xué)意義

        TCA循環(huán)是糖、脂肪、蛋白質(zhì)為機(jī)體提供能量的最終路徑,TCA循環(huán)從乙酰CoA生成檸檬酸開始,乙酰CoA不僅由糖代謝的產(chǎn)物,也可以是脂肪或蛋白質(zhì)代謝的中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)變而來(lái),因此糖、脂肪、蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物主要經(jīng)過(guò)TCA循環(huán)途徑徹底分解成為CO2、H2O和ATP。TCA循環(huán)實(shí)際上是三種主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)氧化功能的共同通路。

        糖有氧氧化是糖、脂肪、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)代謝的紐帶,糖有氧氧化使三大物質(zhì)代謝通過(guò)一些共同的中間代謝物或代謝環(huán)節(jié)廣泛地連接形成網(wǎng)絡(luò),不僅有相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,還有相互協(xié)調(diào)和相互制約關(guān)系。

        1.5 TCA循環(huán)調(diào)節(jié)

        TCA循環(huán)有著嚴(yán)密的調(diào)控體系,主要由三個(gè)關(guān)鍵酶進(jìn)行調(diào)控(分別是檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體),異檸檬酸脫氫酶是最主要的調(diào)節(jié)點(diǎn),其次是α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體,最后是檸檬酸合酶,因?yàn)闄幟仕岷厦干傻臋幟仕岵⒉荒軟Q定TCA循環(huán)的流動(dòng)方向,檸檬酸生成過(guò)多時(shí)會(huì)通過(guò)線粒體內(nèi)膜上的檸檬酸-丙酮酸穿梭系統(tǒng),將線粒體基質(zhì)內(nèi)的乙酰CoA轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中,基質(zhì)中的乙酰CoA先與草酰乙酸縮合成檸檬酸,經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中,在線粒體基質(zhì)中,檸檬酸在檸檬酸裂解酶的作用下裂解為乙酰CoA和草酰乙酸,乙酰CoA成為合成脂肪酸的原料,所以說(shuō)檸檬酸合酶是TCA循環(huán)中作用排名第三的關(guān)鍵酶。

        2 思政元素融入體會(huì)

        課堂中適時(shí)適度地引入和融合思政元素,真正做到潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲。以校訓(xùn)“求真至善,修德允能”為道德規(guī)范指南,時(shí)刻堅(jiān)守道德紅線。以我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化為基石,以歷史為借鑒,以事實(shí)為案例,以身邊的榜樣為力量,積極引導(dǎo)當(dāng)代學(xué)生樹立正確的國(guó)家觀、民族觀、歷史觀、文化觀,在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的社會(huì)價(jià)值觀。

        思政元素融入切莫生搬硬套,對(duì)于專業(yè)課程的思政元素融入可以參照《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》,要從歷史出發(fā),深入探索與本專業(yè)相關(guān)的社會(huì)價(jià)值觀和內(nèi)在底蘊(yùn),演繹大國(guó)工匠的本色與追求,激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)情懷,立足行業(yè),心系國(guó)家發(fā)展,做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

        構(gòu)建有思政教師參與的課程思政團(tuán)隊(duì),在思政教師的幫助下從思政課程角度協(xié)助專業(yè)課程,齊心協(xié)力探究專業(yè)課中的思政元素。教師要提升自身思政素養(yǎng)和綜合素質(zhì),為學(xué)生搭建堅(jiān)固的職業(yè)道德情操,立足專業(yè)奉獻(xiàn)社會(huì)。

        從我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化角度出發(fā),將儒家文化中的“仁、義、禮、智、信”五常之道。作為道德準(zhǔn)則和依據(jù),指導(dǎo)學(xué)生提升處理人際關(guān)系和構(gòu)建和諧社會(huì)的能力。深入挖掘與本課程相關(guān)的思政元素,精準(zhǔn)定位思政切入點(diǎn)。借助云計(jì)算、學(xué)習(xí)分析等信息技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化課程評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)思政課程的自然融入。任課教師從教案設(shè)計(jì)、課內(nèi)實(shí)施、評(píng)價(jià)體系建立和反饋修正等方面進(jìn)行探索和研究。相關(guān)部門要將構(gòu)建課程思政工作納入教師工作量,激發(fā)教師參與的積極性和主動(dòng)性,通過(guò)制度,為課程思政的構(gòu)建保駕護(hù)航。

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