扔掉背誦口訣，重拾生物化學的正確學習方法

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前言

估計部分關注我的知友已經知道，最近在我某回答的評論區中，跟人開撕背誦生物化學的記憶口訣是否有用以及是否正確的事情。雖然我對絕大多數無理指責都是持如下圖的態度，但在「背口訣這種學習方法竟被部分高級知識分子封為經典」的大背景下，本司機覺得，至少在我的專業領域，應該站出來撥亂反正。於是便有了這篇文。

但在介紹正確的學習姿勢前，請允許我噴幾句，為何大部分口訣記憶法是沒有意義的。

1、事實上，有些知識點是可以用口訣來記憶的。比如，炎症的癥狀可以用「紅腫熱痛」四個字來概括。我們可以看到，這其中的每一個字，都包含著實際的生理與病理意義。又比如，昆蟲綱的形態特點可以用「332」來概括，即頭胸腹3部，足3對，翅2對（雙翅目除外）。這其中的每一個數字，都是對形態特點的量化與概括，具有實際的理論意義。

2、然而有許多記憶口訣，卻是利用諧音，強行將知識點拼湊成一句毫無學科意義的話。比如，必需氨基酸的其中一個記憶口訣是「甲攜來一本亮色書」。我們可以很快發現，這句口訣，和上述的「紅腫熱痛」及「332」相比，根本沒有實際的意義，既體現不了氨基酸結構特點，也沒能解釋為何是必需。

3、許多口訣忽略了知識點的重心。比如我在網上找到的大多數關於三羧酸循環的記憶口訣，把重點放在了每一步的羧酸名稱，而完全忽視了關鍵的氧化反應提取化學能的本質，這無疑把如此經典生化通路的生理意義給拐偏了。

4、口訣背多了，也是混淆記憶。我博士階段在醫學院度過，對這種學習方法再了解不過。尤其是病理、生理、藥理這些學科，我接觸到的許多師弟師妹為了應付考試，自創了許多記憶口訣，列印出來反覆背誦。然而背著背著就會出現這樣的問題：這句口訣到底對應的是什麼知識點？也就是，重心完全跑偏。口訣是記住了，但是口訣到底是什麼意思，對應什麼病症或什麼現象，反倒給忘得一乾二淨。

我曾經也背誦過一些記憶口訣，但用不了多久就發現了問題所在：頂多記住了「是什麼」，卻完全不懂「為什麼」。從那之後我就明白，歪門邪道不可行，學習不光要知其然還得知所以然，而這跟我未來將從事什麼職業無關。

這篇文章主要介紹生物化學的學習方法，希望對各位讀者有幫助。

一、生物化學的世界觀

絕大多數的生化教學，都會分成兩大塊：即介紹代謝物質結構的「靜態」生化，以及講解物質能量代謝途徑的「動態」生化。然而在正式進入這兩個版塊之前，我覺得應該首先重視生物化學中的一些基本原理。而一旦掌握了這些基本原理，在面對具體知識點時，便是一通百通。

1、生化的物理基礎

首先，要從熱動力學的角度理解生化的世界。生物分子無時無刻在運動著，分子A和B的結合併非像膠水一樣黏死在一起，而是在結合與解離的動態平衡之中。只要有合適的酶與條件，多數生化反應可以雙向進行，達到動態平衡。但由於有自由能障，許多反應會傾向於自發往某個方向進行。然而生物體並非封閉的體系，要時刻記住有外來物質與能量的輸入，同時也在向外界輸出物質與能量。

外界的能源要為生物體所用，需要轉換成化學能。其中，電子的流動便是通用的能源形式轉換途徑。而電子的流動，又是和化學反應耦合在一起的。

2、生化的化學基礎

生物分子的結構和功能是相適應的，並集中體現在分子的結構和功能官能團上。簡單的化學組分，通過形成高級結構，發揮特定的生物功能。

生化反應是由酶催化的。凡提到生化反應，務必考察底物、產物、酶及輔助分子、反應條件（溫度、pH、離子強度）這四大基本要素。再深入一些，還需考察反應的動力學，如酶與底物的親和力等參數。根據類型，可將生化反應分為氧化還原反應、基團轉移反應、水解反應、裂解反應、異構反應和連接反應六大類。

正常情況下，生化反應都是受到嚴密調控的。它既可以是底物和產物濃度層面的反饋調控，也可以是酶濃度、定位、結構、活性層面的調控。

3、生化的細胞基礎

細胞為生化反應提供了適宜的場所，並降低了僅靠分子熱運動隨機碰撞產生反應的偶然性，使得反應高效進行。簡單而言，細胞骨架為生物分子提供了附著點與運動軌跡，細胞器可利用內膜系統將生物分子定位、分區、集中，細胞內和細胞間的環境為生化反應提供了適宜的緩衝條件。同時，細胞膜系統也在不斷地運動，包括移動、融合與分裂，從而推動生物化學分子的運動。

4、生化的遺傳基礎

所有生化反應都有相應的遺傳基礎。基因組中攜帶著酶的信息，它既參與決定酶的高級結構，也決定了酶是否表達。遺傳物質，為生化反應體系在物種內的縱向傳遞，及代謝途徑的進化，提供了最根本的物質基礎。反過來，代謝物質也參與了遺傳物質的合成與修飾，以及遺傳信息的表達。

5、生化的進化基礎

遺傳、變異、適應，是進化的三大要素。其中，對適應的正確理解十分重要。

第一，適應並不等同於極端速率的反應，在環境選擇的壓力下，最適的速率才能生存，最終得以縱向遺傳。第二，高等並不等同於擁有最多最全的代謝途徑。比如，相比起單細胞生物，高等生物可以輕鬆獲得更豐富的食物，並從中攝取生物分子。而從頭合成部分生物分子，需要付出較高的物質和能量代價，因此相比起來，高等生物可能反而缺失某些代謝途徑，從而將物質和能量用於支持其他代謝途徑。

劃重點：在正式進入具體的生化知識版塊之前，要首先理順以上提到的生化世界觀，並在這個大框架里理解更加細緻的內容。

二、靜態生化——以氨基酸為例

之所以拿氨基酸為例來講解，是因為這一塊應該算得上是最「凌亂」也是最複雜的內容：密碼子、三字母縮寫、單字母縮寫、R基團分組、必需非必需……對於沒有掌握好學習方法的人來說，確實很容易直接懵逼，也容易走上強行背誦口訣的歪路。

我們先來認識氨基酸的基本結構：C中心，一氨基，一羧基，一個氫，再加一個R基。其中R基有許多種，而其他結構不變。因此，從R基入手去理解氨基酸的結構與功能，便是最好的途徑。

分類法，是一種歸納總結客觀規律的方法。如上圖，許多教科書已經代勞——非極性脂肪族、芳香族、極性不帶電族、正電族和負電族。如果我們只是強行記住每一組內的氨基酸的名字，其實並沒有什麼實際作用。我們應該去思考，到底是什麼樣的化學結構決定了這樣的化學特徵，具有這種特徵的氨基酸，又具有什麼樣的生物學功能。

舉個例子：非極性脂肪族氨基酸，為什麼會叫這個名字呢？道理當然要從去化學基礎去思考（這就是為什麼要先去理順生化世界觀）。非極性的分子，電荷分布均勻。排除單質化學鍵這種可能性（因為氨基酸不是單質），符合這樣特徵的化學結構，在氨基酸基本構成元素C、H、O、N、S中可以存在的並不多。最具代表性的是甲基、乙基這種一串或成環的-CH(n)結構。

只要學會這種方法，以後判斷氨基酸性質的時候，就不會是像背口訣一樣，先回憶某個叫什麼名稱的氨基酸是否對應某個口訣，而是看著結構就知道是什麼性質。而口訣之中，是根本沒有攜帶任何結構上的信息的。

再進一步，我們還應結合功能來加深我們的認識。同樣還是以非極性脂肪族氨基酸為例，這一族到底有什麼基本功能呢？這時候我們又應該回歸化學基礎去思考。非極性，意味著疏水。在細胞之中，有許多疏水結構，比如膜中的脂質。因此我們也不難理解，膜蛋白的跨膜部分，總是由大量非極性氨基酸來構成的。

類似的結合結構與功能來加深記憶的例子還能舉好多。比如我們可以發現，僅有酪氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的R基帶有羥基（讀到這裡請自覺翻看前面的圖，以及-COOH醇羥基不算）。這種電荷分布不均勻的基團，往往可以發生活躍反應，比如磷酸化反應。這也就是為什麼，蛋白的磷酸化位點，基本都是Tyr、Ser和Thr。又比如，半胱氨酸的R基攜帶非常獨特的-SH基團。只要有機化學還沒有忘光，那就可以立刻明白，這是一個活躍的氧化還原反應基團。這也是為什麼，有一種叫谷胱甘肽的生理抗氧化劑，需要由半胱氨酸來參與合成。再來個芳香族的氨基酸例子。由於苯環具有吸收紫外的功能，因此我們的黑色素便是由酪氨酸開始來合成，如此才能保護其他細胞不受紫外的傷害。

再來提人體的必需和非必需氨基酸。如果理順了生化的進化基礎，那便能明白，所謂的必需和非必需，只是一個環境選擇、進化適應的結果。儘管所有的氨基酸都有可能通過從頭合成的方式獲得，但這要付出相應的代價。比如，長鏈和支鏈氨基酸，在人體中是從食物獲取，而非從頭合成。（看圖看圖看圖！）因為長鏈和支鏈合成起來，費勁耗能。符合這個條件的有纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、賴氨酸。而要讓人體從頭合成苯環，也是頭疼。因此，芳香族中的苯丙氨酸和色氨酸，也最好是靠食物獲取，省得自己合成起來麻煩。

但稍等一下，長鏈支鏈與苯環，不還有其他氨基酸符合這個條件嗎？比如精氨酸和酪氨酸，一個長鏈一個苯環，這怎麼解釋？其實答案很簡單，精氨酸可以從谷氨酸加乙醯基和氨基獲得，而這乙醯化和氨基轉移反應，進行起來可簡單得多。而酪氨酸，不覺得和苯丙氨酸很像嗎？無非就是後者的苯環多加一個羥基。

但是，不要覺得必需和非必需是一刀切的概念。在特定的生理或病理情況下，某些非必需氨基酸就變成必需的了，稱為條件性必需氨基酸。而這一類氨基酸，往往在合成上有一個特點，即步驟多，和/或消耗ATP與還原力。

進化總是傾向於，用最少的代價做最多的事情。人是高等生物，因此可以輕鬆獲得更多的食物。對於一些難合成的、需要付出較高代價的氨基酸，還是直接從食物獲取來得簡單愉快。但是，假設所有的氨基酸都通過食物攝取，而不在細胞內建立一套合成機制，那又不行。因為只要在食物來源上稍微受限，便會有致死性的後果。

三、動態生化——以三羧酸循環為例

「乙醯草醯成檸檬，異檸檬又成α酮，琥醯琥酸延胡索，蘋果落在草叢中」。這是我在網上找到的記憶三羧酸循環的最簡短的口訣（還有好多短篇故事版）。配著下面這幅三羧酸循環反應圖，肯定會有人覺得「驚為天人」，「簡直棒呆了」，然後興緻勃勃地背誦起來。

如果你是這樣做的——恭喜你，有關三羧酸循環的知識點，你完全學歪了！

提問：三羧酸循環的主要生理意義是什麼？答案：1、提取化學能用於氧化磷酸化產能；2、生成合成其他生物分子（如氨基酸）的原料；3、生成信號調控分子（本科階段可無視第3點）。

我們先來關注第1點：提取化學能。在第一節世界觀的物理基礎那裡就提到，外界輸入的能源需要轉化為化學能，才能為生物所用。其中，推動電子流便是最根本的策略。要有電子流，首先得有電子。能夠產電子的生化反應，最重要的一類便是氧化還原反應（世界觀的化學基礎）。因此，TCAncycle中最為關鍵的，便是其中的氧化脫羧和脫氫步驟。從上圖我們不難數出，氧化脫羧有Isocitrate → α-Ketoglutarate，α-Ketoglutarate → Succinyl-CoA兩步，脫氫有Succinate → Fumarate，Malate →nOxaloacetate兩步。而這四步反應，是不是恰好都生成了還原力NADH或FADH2？而其他的反應，從意義1的角度而言，是不是都只是在為這些反應做鋪墊？

尤其我們還能聯繫熱動力學的知識來加強我們的記憶和理解。在世界觀那裡又說了，多數生化反應是雙向並達到動態平衡的。然而這四步反應氧化反應，有的步驟存在極負的Gibbs自由能差（△G為負值）。比如脫羧反應中，Isocitrate → α-Ketoglutarate為-20.9 kJ/mol，α-Ketoglutarate → Succinyl-CoA為-33.5 kJ/mol。這說明了，這些關鍵反應，都是傾向於正向進行產生還原力，而非逆向進行消耗還原力。

然而，脫氫反應則不同。如Succinate → Fumarate的△G = 0。這又是為什麼呢？其實道理很簡單，要結合生理意義2「生成合成其他生物分子的原料」來理解。TCA cycle不是一個封閉的反應圈，有許多旁路可以輸入，也有許多旁路可以輸出。其中最重要的輸出點，是α-Ketoglutarate和 Succinyl-CoA這兩個關口（如下圖所示）。

因此不難理解，在α-Ketoglutarate之前的氧化步驟，通過極負的△G，以推動反應正向進行。而Succinyl-CoA之後的反應，即使是脫氫，其△G都是比較小的，不會給反應的逆向進行帶來障礙。甚至於在最後的Malate → Oxaloacetate的脫氫步驟，△G = 29.7 kJ/mol（注意符號是正的）。在細胞需要能量時，檸檬酸合酶會迅速將Oxaloacetate消耗掉變成Citrate（這裡又是一個△G = -32.2 kJ/mol極利於正向進行的反應），使得Malate → Oxaloacetate的逆向進行缺乏原料，從而推動反應正向進行。而當ATP：ADP，acetyl-CoA：CoA，以及NADH：NAD數值變大，即細胞能源充足甚至過剩時，檸檬酸合酶的活性就會被抑制，使得Oxaloacetate堆積，阻止反應正向進行，從而減緩TCA cycle。

至於生理意義3「生成信號調控分子」，則要聯繫世界觀的遺傳基礎來學習。然而限於篇幅，不展開敘述。而即使是生物學本科課堂，暫時也沒有傳授及學習這部分知識點的必要性。

在生化世界觀大框架里學習這些具體知識，是不是有一種豁然開朗的感覺？如果我們只是強行記住了口訣，是不是只是記住了每一步的羧酸的名字，而完全忽略了其中最為關鍵的「氧化推動電子流」，「生成分子原料」的關鍵知識點？n

總結

生物化學是生物學中最基礎也是最關鍵的學科，任何一個生命過程，都有相應的生化基礎。正因為如此，學習生化，更加要掌握正確的姿勢。

有人說，生物學是理科中的文科。我個人認為，這句話簡直體現了生物學教育的悲哀。別的不多說，光生化一門，就有許多奇奇怪怪毫無意義甚至意義跑偏的記憶口訣，卻不從基本原理去教學去理解，無怪乎在某些人眼中淪為「背多分」學科。

有人說，我不是專門搞生物的，為何要學得這麼系統？是的，對於非專業人士，確實不需要刨根問底學生化，比如根本不需要去考慮反應的△G，也不需要去考慮代謝的旁路，而只需大概知道有這麼些物質，在身體裡面有某種反應即可。但若去學黃藥師的夫人馮蘅一般，硬背整本《九陰真經》又不知其所以然，又有什麼意義？真有人覺得背熟這些口訣，就能用於非專業環境的實際生活，比如防止被騙嗎？非也，不懂的就是不懂，該被騙的還是會被騙。

又有人說，反正就是應付考試。於此我只能說，出類似於「按順序默寫TCA cycle每個羧酸名字」考題的老師……

當然話說回來，要像上述這麼細緻去理解各個生化知識點的話，無論是對老師的備課，還是學生的學習，都是極大的挑戰。但是，教學並不止於傳授知識，還應重傳授學習的方法。我認為這是區分優秀教師和一般教師的標準之一。而學生的學習也不應止於書本字句的記憶，還應重理解。將板書或PPT重抄一遍，用各色熒光筆塗滿書本，只是看起來很用功，但做的是無用功。

同時，不同階段也有不同的學習深度，比如這裡第三次提到TCA cycle意義3無需在本科課堂學習就是一例。科學探索是無止境的，尤其在生物學領域，每天都會出現新的知識，我們一輩子都學不完。然而，掌握了正確的學習方法，才能有助於我們在有限的生命內，盡量多地將無盡的知識化為自己的智慧。如果一個人的學習是背誦，還只會背口訣，那麼將來一定會被人工智慧所替代。

而至於有人說我「居高臨下」「拳打幼兒園小朋友」的，呵，不妨檢查一下是不是自己太low了。[滑稽]