有机化学课程多糖类化合物教学设计.pdf

72第 14 期(总第 812 期)科学咨询72教学研究有机化学是化学类专业的核心课程，也是医学、药学等专业的重要基础课1。糖类化合物是有机化学天然有机物部分的重要章节。随着糖生物学概念的提出，人们逐渐认识到多糖不仅是一种支持生命的基质和能量来源，而且在许多生命现象和生理过程中发挥着重要作用 2-4。可以预言，多糖的研究与开发将成为生命科学中的重要课题。但是由于其结构的复杂性和实验方法的局限性，多糖的研究一直落后于蛋白质和核酸。美国学者M.Yalpani认为：“至今多糖在生物技术领域仍是一个沉睡的巨人，有待于大家去唤醒。”为了唤醒这个沉睡的巨人，大学有机化学引入多糖研究的相关知识点非常必要，这不但有利于学生科研认知的初步形成，更能激发学生们对糖化学科学研究的兴趣。传统多糖教学方式已经落后于时代发展，大学有机化学多糖教学改革势在必行。一、教学过程笔者将“多糖”这一节用2个课时进行讲解，第一课时带领学生进行知识性内容的回顾，通过讲述一些学生熟悉并且感兴趣的事物、有趣的实验及应用案例，激起学生对多糖内容学习的兴趣。第二课时将进行课本内容的重点讲解。（一）课前预习对于预习，我对学生的要求有两个：一是知识性内容的预习，即要求学生理解并记住概念性的知识点；对于上一节，同学们需掌握糖的结构并能辨别糖类化合物，但不要求区分单糖。二是探索性内容的预习，上节课后留给同学们的问题：“糖类都是甜的吗？甜能够作为判断糖类物质和非糖物质的标准吗”。我会要求学生在课前进行大胆推测，带动同学们的热情，以活跃的气氛带入到本课堂中。告诉学生们答案：不是的！甜的不一定是糖，不甜也可能是糖，甜只是一种感觉。（二）情景映入“暖日平岗牛数尾，短蓑破笠三四子。牛饥吃草渴饮水，牧儿仰卧不摇箠。”“锄禾日当午，汗滴禾下土。谁知盘中餐，粒粒皆辛苦”。这是我们非常熟悉的两首古诗词，第一首讲到“牛吃草”，第二首讲到“人吃米”，那么大家是否好奇过，牛可以吃草，人为啥不能吃草呢？大家是否有这种经历，有些同学早晨空腹喝牛奶之后会出现拉肚子的现象。那么，空腹喝牛奶为什么会拉肚子？而另有一部分同学就没有这种经历，这又是什么原因呢？带着这些问题，我们进入新课内容。同学们会因好奇心在本课堂中寻找答案。（三）什么是多糖？多糖是以单糖（葡萄糖、海藻糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖、核糖、木糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸等）之间脱去一分子水，以或糖苷键缩合形成的链状生物高分子聚合物，可以是直链或支链结构。多糖是自然界资源最为丰富的生物大分子，显著的生物活性、无明显不良反应、良好的生物相容性和可降解性等优势，使得多糖在生物医药、工程材料、食品、膳食补充剂、化妆品等领域有广阔的应用前景。随着对多糖药理活性的不断研究，发现其具有广泛的生物活性及较低的毒性，被认为是中药中主要的活性物质之一。在过去的几十年里，人们从自然资源中探索了大量的多糖，并证明有机化学课程多糖类化合物教学设计热合巴提努尔夏提，巴哈尔古丽别克吐尔逊，刘伟（伊犁师范大学化学与环境科学学院，新疆伊宁835000）摘 要：多糖是自然界资源最为丰富的生物大分子，随着对多糖的深入研究，发现多糖不仅是结构和能量物质，还具有显著的生物活性。近年来，多糖已被广泛应用于生物医药、工程材料、食品、膳食补充剂、化妆品等领域。多糖是有机化学课程中的重点也是难点。本文通过拓展教学内容、丰富教学方式（引入情景、插图、故事）等手段，设计了新颖的多糖教学过程，继而激发学生对多糖类化合物的兴趣，让学生轻松掌握多糖知识，培养学生初步的多糖科研认知。文章对有机化学课程教学有一定的借鉴价值。关键词：有机化学；多糖；教学设计基金项目：伊犁师范大学2022年教改课题项目(YSZD202211)；应用化学专业 有机合成实验 教学内容的改革与实践（YSYB2022135）。作者简介：热合巴提努尔夏提（1993），男，维吾尔族，新疆伊犁人，博士研究生，研究方向：糖化学。73第 14 期(总第 812 期)科学咨询73教学研究了它们的生物活性，如抗氧化、抗菌、抗糖尿病、抗癌、免疫调节、营养等。现在多糖已被用于开发具有不同生物学特性的新药，如抗氧化、抗糖尿病、抗病毒、抗菌、抗真菌、抗肿瘤、抗凋亡、抗增殖、抗炎、免疫调节、抗凝等 5-7。自2000年以来，糖化学、糖生物学和糖化学生物学领域迅猛发展，为糖类药物的研究与开发带来了众多机会，糖类药物的研究进入繁荣期，如抗新冠病毒药物Remedesivir、Molnupiravir等也在不断涌现。（四）多糖的来源及分类多糖的自然来源很多，如动物（海洋动物、昆虫）、植物（全株、叶、果、种子、茎、根茎、玉米、根、分泌物）、藻类、微生物（细菌、真菌）等。长期以来，这些具生物活性的自然多糖被广泛用于人类疾病的治疗。植物多糖分为纤维素、淀粉、糖原、树脂、黏液质等。纤维素是迄今为止在自然界中发现的最丰富的碳水化合物，是植物细胞壁的重要结构成分，主要是以-(14)糖苷键连接的重复的葡萄糖单元组成如图1所示。淀粉是人类作为食物的主要碳水化合物，主要存在于谷物和块根作物（如土豆、山药），由-(14)糖苷键连接的重复的葡萄糖单元组成如图3所示。糖原，又称肝糖，是动物体内糖的储存形式，主要由-(14)-糖苷键和由-(16)糖苷键的葡萄糖组成如图1所示。8-10图 1 主要多糖结构展示图大家现在也初步了解了几种多糖的结构，如图1列举了三种多糖的结构，虽然纤维素、淀粉和糖原都只由一种单糖-葡萄糖组成，但是由于他们的连接方式不同导致性质的巨大区别。我们回到第一个问题里，为什么人不能吃草呢？那是因为草中主要含纤维素，即-(14)糖苷键连接的葡聚糖，人体中却没有水解-(14)糖苷键的酶，无法将纤维素转化为供能物质单糖，而牛、羊等动物体中含有水解-(14)糖苷键的酶，可以水解纤维素变成葡萄糖，为身体供能。对面包，是由淀粉组成，即-(14)糖苷键连接的葡聚糖，人体内含有水解-(14)糖苷键的酶，可以将淀粉水解为供能物质葡萄糖。这个就是人不能吃草的原因，当然如果人体含有-(14)糖苷键的酶，世界上可能就不会存在饥荒了！那么对第二个问题，牛奶中含有乳糖，在体内分解代谢需要乳糖酶的参与，如果人体中含有乳糖酶，会使乳糖在体内分解成葡萄糖和半乳糖如图2所示，如果人体缺少乳糖酶，乳糖就会被细菌利用，大量产气、产酸，刺激肠道收缩，肠道蠕动增强，出现腹痛、腹泻等症状，称之乳糖不耐症。在我国，有2/3的成年人体内缺少乳糖酶，所以部分人在喝牛奶之后会或多或少有乳糖不耐受的症状，即腹胀或腹泻。生活大爆炸里的lenoard就有较严重的乳糖不耐症。那么怎么缓解这种现象呢，大家可以在喝牛奶前先食用乳糖酶！图 2 乳糖体内分解展示图到这里，对学生而言，这两个故事型的案例有着较大的吸引力，学生们已经深深地被吸引到课堂里，学生们有了对多糖进一步了解的好奇心。借此热点，我将重点了解部分多糖结构鉴定讲授给学生。（五）多糖鉴定多糖因其单糖种类、链接方式和位置、支化度、链构象等因素使得多糖具有比核酸和蛋白质更复杂的结构，多糖精细结构解析是多糖研究的一大挑战。本节以简单的表述介绍多糖结构鉴定的常用化学方法，使学生们初步形成对新型结构解析方法的探索能力、创新能力，初步感受科研气氛。二、连续酸水解（部分酸水解）连续酸水解是多糖较常用的用于多糖骨架及支链的单糖组成的分析方法。多糖主链较支链稳定性高，吡喃糖较呋喃糖稳定性高，因此可以通过逐级酸水解的方法，将水解部分和未水解部分分别进行单糖分析，得到支链及主链的单糖组成11。对于此内容我会形象地用图3来进行解释，我们把多糖比喻成一棵茂密的大树，在连续水解前，由主干(多糖主链)，枝干（多糖第一支链），叶子（多糖第二支链）组成。当我们使用弱酸水解时，首先会把相对结合较弱的叶子水解下来；第二步我们用中强酸水解后，可以把枝干水解下来，最后只剩下主干。这样我们分别得到了这棵树的叶子，枝干及主干，即得到了多糖的主链，第一侧链和第二侧链，再将这些组分经单糖分析就可以确定主链，第一侧链及第二侧链的单糖组成。运用这样一个非常形象的插图，同学们首先能更好地理74第 14 期(总第 812 期)科学咨询74教学研究解多糖的多分支结构，其次能学会巧妙地将复杂多糖结构转变为简单结构的方法。图 3 多糖连续水解展示图三、Smith 降解Smith降解是运用了我们在“醇”那一章的知识点，即高碘酸只能氧化连二或连三羟基，断裂具有羟基的两个CC键，生成醛、酮或羧酸等产物（当同学们发现自己学过的知识点会在这一章可以用来鉴定多糖结构时，会使同学们收获感满满）。由于多糖是多羟基化合物，因此可以根据多糖是否与高碘酸反应，推断该多糖中是否存在连二羟基或者连三羟基。除此之外，可以根据Smith降解产物进一步推断糖苷键的连接方式。Smith降解分析单糖连接方式较甲基化分析实验步骤简便，产物稳定，能初步地分类确定主要的连接方式。此内容我同样会利用画图的方式更加直观地介绍，如图4所示，将不同类型的多糖经高碘酸氧化后，生成物经还原以后生成相应的甲醛、甲酸或单糖，再经定性分析，得到相应的未被氧化的单糖及smith降解产物甘油和赤藓醇等。图 4 多糖高碘酸氧化及 smith 降解步骤图最后，我会告诉同学们，对于复杂结构的多糖，我们只应用两种方法是不够的，还需要甲基化、核磁及质谱等综合解析多糖结构，此部分同学们可以自行了解，也希望同学们通过升学，考研读博，为多糖相关研究带来新的启发，共同来唤醒这头沉睡的巨人。四、结束语多糖一直以来都是有机化学课程中最难的内容之一，通过对教学案例的设计，将枯燥无味的知识性内容通过课堂教学与经典例子结合的方法，让学生以最快的速度掌握章节的重难点。同时，开展以图片的形式直观地展现知识内容，能够有效增强学生的学习主动性，也激发学生的科研兴趣，培养了学生的科学精神和创新精神。参考文献：1 F ZHOU,Y ZHAO,W ZHANG,et al.Ideological and Political Case Design and Practice of Carbohydrate Teaching in Organic ChemistryJ.Daxue Huaxue,2020(1):2.2 B MOHANTA,D J SEN,B MAHANTI,et al.Antioxidant Potential of Herbal Polysaccharides:An Overview on Recent ResearchesJ.Sensors International,2022(3):100158.3 J N BEMILLER.Carbohydrate and Noncarbohydrate 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