2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)與高考猜想

張卓鵬

1 諾貝爾獎(jiǎng)新聞鏈接

北京時(shí)間2013年10月7日晚，瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院將2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予兩位美國(guó)科學(xué)家與一位德國(guó)科學(xué)家：詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼和托馬斯·祖德霍夫。正是他們的研究共同揭開了細(xì)胞內(nèi)部囊泡運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制的神秘面紗展，示了一個(gè)基本的細(xì)胞生理過程的種種細(xì)節(jié)。這一發(fā)現(xiàn)有助于人們更清晰地認(rèn)識(shí)疾病和生命。

2 高考命題猜想

近幾年生物高考特別重視對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的考查，以能力立意為主導(dǎo)，考查考生對(duì)所學(xué)相關(guān)課程基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、基本思想、基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的整體掌握程度和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析、解決實(shí)際問題的能力。以諾貝爾獎(jiǎng)為背景的試題在近幾年高考中已屢次出現(xiàn)，同樣突出對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力、科學(xué)過程與方法以及創(chuàng)新精神的考查。

這類試題的典型特征是：交代取材背景，情境新、知識(shí)活、起點(diǎn)高、落點(diǎn)低，現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，充分體現(xiàn)了當(dāng)今高考以能力立意的命題思想?，F(xiàn)以2013年諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)為背景材料，作幾點(diǎn)高考命題猜想。

2.1 猜想1：考查囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

細(xì)胞在新陳代謝過程中需要將大量的物質(zhì)進(jìn)行分揀、包裝并在正確的時(shí)間運(yùn)送到正確的地點(diǎn)，胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)正是細(xì)胞生命活動(dòng)的支柱。囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制如圖1所示。

囊泡是由單層膜包裹的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從幾十納米到數(shù)百納米不等。囊泡運(yùn)輸是細(xì)胞內(nèi)部一種基本的和重要的物質(zhì)運(yùn)輸方式。目前發(fā)現(xiàn)，通過囊泡運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)主要有兩類：一類是囊泡膜上的膜蛋白和脂類等，主要用于細(xì)胞活動(dòng)過程中膜成分的新陳代謝和信號(hào)傳遞等；另一類是囊泡的內(nèi)含物，包括神經(jīng)遞質(zhì)、激素、各種酶和細(xì)胞因子等，用于細(xì)胞內(nèi)膜性細(xì)胞器之間物質(zhì)的交流和實(shí)施特定的功能，或分泌到細(xì)胞外調(diào)節(jié)自身及其他細(xì)胞功能。

【例1】 2013年諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果是細(xì)胞運(yùn)輸系統(tǒng)的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，這一突破性發(fā)現(xiàn)解釋了為什么胰島素釋入血液時(shí)會(huì)有變化、神經(jīng)細(xì)胞之間的信息傳達(dá)以及病毒感染細(xì)胞的方式。圖2表示細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成及其去向。其中①～⑦表示細(xì)胞結(jié)構(gòu)，甲～丁表示細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的物質(zhì)。請(qǐng)據(jù)圖回答：

（1） 圖中不含有磷脂分子的結(jié)構(gòu)是 （填序號(hào)）。

（2） 圖中合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入⑤與進(jìn)入⑥⑦的方式不同之處是 。

（3） 結(jié)構(gòu)①中進(jìn)行的過程是 ，甲表示的物質(zhì)是 。

（4） 能進(jìn)行DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)有 （填序號(hào)）。

（5） 若圖左側(cè)表示胰島B細(xì)胞合成、分泌胰島素的過程，則乙、丙、丁三種物質(zhì)中最可能有降血糖作用的是 。這一過程體現(xiàn)了細(xì)胞中各種生物膜在功能上的關(guān)系是 。

答案：（1） ① （2） 進(jìn)入⑤細(xì)胞核是通過核孔；進(jìn)入⑥葉綠體或⑦線粒體是通過內(nèi)吞作用，借助于膜的流動(dòng)性 （3） 蛋白質(zhì)的合成 多肽鏈 （4） ⑤、⑥、⑦ （5） 丁 有明確的分工，又有密切的聯(lián)系

解析：分析題圖可知，結(jié)構(gòu)①～⑦分別為核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、細(xì)胞膜、細(xì)胞核、葉綠體、線粒體，其中核糖體不具有膜結(jié)構(gòu)，即不含磷脂分子。蛋白質(zhì)進(jìn)入⑤細(xì)胞核是通過核孔，進(jìn)入⑥葉綠體或⑦線粒體是通過內(nèi)吞作用，借助于膜的流動(dòng)性。細(xì)胞核、葉綠體和線粒體中都含有DNA，因此都可以發(fā)生DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。胰島素為分泌蛋白，在核糖體上合成后，需經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔膨大、出芽形成囊泡，囊泡包裹著蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到高爾基體，把蛋白質(zhì)輸送到高爾基體腔內(nèi)，做進(jìn)一步的加工。接著，高爾基體邊緣突起形成囊泡，把蛋白質(zhì)包裹在囊泡里，運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜，囊泡與細(xì)胞膜融合，把蛋白質(zhì)釋放到細(xì)胞外，即胞吐出細(xì)胞。這一過程體現(xiàn)了細(xì)胞中各種生物膜在功能上既有明確的分工，又有密切的聯(lián)系。

2.2 猜想2：考查細(xì)胞的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和功能

在傳統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)中，對(duì)各種細(xì)胞器的描述往往以靜態(tài)結(jié)構(gòu)為主。隨著近年來活細(xì)胞成像、超高分辨顯微成像等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)細(xì)胞器的認(rèn)識(shí)已上升到動(dòng)態(tài)的層面，即各種類型的細(xì)胞器雖然分別局限在特定分區(qū)內(nèi)完成細(xì)胞的某些生理功能，但細(xì)胞器之間也在發(fā)生不斷的物質(zhì)交換，以保障細(xì)胞器的穩(wěn)態(tài)和發(fā)揮其正常功能。由此，細(xì)胞生物學(xué)家所面臨的基本科學(xué)問題就是：細(xì)胞內(nèi)經(jīng)囊泡運(yùn)輸?shù)某汕先f種“貨物”，究竟是怎樣被標(biāo)記和識(shí)別，再精確地運(yùn)送到特定的地點(diǎn)，并“卸載”的呢？另外，一旦這個(gè)運(yùn)輸過程發(fā)生紊亂，對(duì)細(xì)胞又將產(chǎn)生什么樣的后果？

【例2】 2013年諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)給美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼、德國(guó)科學(xué)家托馬斯·祖德霍夫，他們的研究成果涉及到細(xì)胞運(yùn)輸系統(tǒng)的膜融合。圖3是人體某組織細(xì)胞示意圖，請(qǐng)據(jù)圖回答：

（1） 結(jié)構(gòu)②的主要生理功能是 。

（2） 若該圖表示胰島B細(xì)胞，則它分泌的信號(hào)分子1是 。該分子從開始合成到分泌出細(xì)胞，必須經(jīng)過的結(jié)構(gòu)依次是 。

（3） 外來的信號(hào)分子2作用于該細(xì)胞時(shí)，首先與細(xì)胞膜上的 結(jié)合，引起該細(xì)胞原有的生理活動(dòng)發(fā)生改變，這一過程體現(xiàn)了細(xì)胞膜的哪一功能？ 。

（4） 該細(xì)胞中的生物膜系統(tǒng)包括 （填標(biāo)號(hào)），在生物膜行使功能時(shí)起主要作用的物質(zhì)是

。

答案：（1） 對(duì)來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、分類、包裝 （2） 胰島素 核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（囊泡）、高爾基體、（囊泡）、細(xì)胞膜 （3） 信息分子 流動(dòng)性 （4） 細(xì)胞膜、核膜和各種細(xì)胞器膜 蛋白質(zhì)

解析：（1） 結(jié)構(gòu)②是高爾基體，對(duì)來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、分類、包裝。（2） 胰島B細(xì)胞分泌胰島素，則信號(hào)分子1為分泌蛋白——胰島素，從開始合成到分泌出細(xì)胞，經(jīng)過的結(jié)構(gòu)依次是核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、（囊泡）、高爾基體、（囊泡）、細(xì)胞膜。（3） 糖蛋白即受體可以與信息分子特異性結(jié)合，從而完成細(xì)胞間的信息交流。（4） 生物膜系統(tǒng)包括細(xì)胞膜、核膜和各種細(xì)胞器膜，這些膜的化學(xué)組成相似，主要由磷脂和蛋白質(zhì)分子組成，其中蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、功能多樣，在生物膜行使功能時(shí)起主要作用的是蛋白質(zhì)分子。

2.3 猜想3：考查與生物大分子運(yùn)輸錯(cuò)誤有關(guān)的疾病

許多人類疾病從本質(zhì)上講就是生物大分子運(yùn)輸錯(cuò)誤或不能被有效運(yùn)輸排除掉造成的，如神經(jīng)系統(tǒng)疾病、糖尿病及免疫系統(tǒng)的疾病等。針對(duì)細(xì)胞囊泡運(yùn)輸機(jī)制的研究為新藥物的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了新途徑，預(yù)期將有針對(duì)生物大分子運(yùn)輸錯(cuò)誤的藥物產(chǎn)生。

【例3】 科學(xué)研究表明：精神因素（焦慮、緊張等的心理應(yīng)激）會(huì)使T細(xì)胞活性下降，對(duì)病毒、真菌感染的抵抗能力和對(duì)腫瘤細(xì)胞的監(jiān)控能力下降，還間接引起機(jī)體生成抗體的能力降低。圖4表示神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌三大系統(tǒng)相互調(diào)節(jié)的部分示意圖，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問題。

（1） 由圖4可知，神經(jīng)系統(tǒng)可通過突觸前膜

直接調(diào)節(jié)免疫器官或免疫細(xì)胞的活動(dòng)，還可通過下丘腦分泌有關(guān)激素間接調(diào)節(jié)免疫器官或免疫細(xì)胞的活動(dòng)。

（2） 精神因素使T細(xì)胞活性下降，為什么會(huì)引起機(jī)體生成抗體的能力降低？

。

（3） 維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)離不開細(xì)胞間的信息交流，動(dòng)物細(xì)胞間進(jìn)行信息交流的途徑有：一是

（填三種）等信息分子通過體液運(yùn)輸并作用于靶細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)；二是通過細(xì)胞的相互接觸實(shí)現(xiàn)信息交流。吞噬細(xì)胞將抗原呈遞給T細(xì)胞是通過哪種途徑實(shí)現(xiàn)的？ 。

（4） 下列是人體的生理反應(yīng)：① 流感病毒侵入人體時(shí)，有時(shí)可作用于紅細(xì)胞，使紅細(xì)胞成為靶細(xì)胞，導(dǎo)致體內(nèi)產(chǎn)生抗紅細(xì)胞抗體，這種抗體也可以對(duì)正常紅細(xì)胞發(fā)生作用，引起紅細(xì)胞裂解，稱為溶血性貧血；② 美國(guó)有一免疫功能異常的兒童，不能接觸任何病原體，少量病菌亦可導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)?。虎?某人一吃海鮮就出現(xiàn)嚴(yán)重的腹瀉。上述三種生理反應(yīng)依次屬于

（A.過敏反應(yīng)；B.自身免疫??；C.免疫缺陷??；D.遺傳?。?。

答案：（1） 神經(jīng)遞質(zhì) （2） 精神因素使T細(xì)胞活性下降，T細(xì)胞呈遞抗原以及釋放淋巴因子能力就會(huì)下降，B細(xì)胞增殖分化成的漿細(xì)胞就減少，故機(jī)體生成抗體的能力會(huì)降低 （3） 神經(jīng)遞質(zhì)、激素、免疫活性物質(zhì) 途徑二 （4） BCA

解析：正常機(jī)體通過調(diào)節(jié)作用，使各個(gè)器官、系統(tǒng)協(xié)調(diào)活動(dòng)，共同維持內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定?！吧窠?jīng)—體液—免疫”調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)是機(jī)體維持穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)機(jī)制，其中神經(jīng)調(diào)節(jié)處于主導(dǎo)地位。神經(jīng)系統(tǒng)可通過突觸前膜釋放神經(jīng)遞質(zhì)直接調(diào)節(jié)免疫器官或免疫細(xì)胞的活動(dòng)，還可通過下丘腦分泌有關(guān)激素間接調(diào)節(jié)免疫器官或免疫細(xì)胞的活動(dòng)。精神因素使T細(xì)胞活性下降，T細(xì)胞呈遞抗原以及釋放淋巴因子能力就會(huì)下降，B細(xì)胞增殖分化成的漿細(xì)胞就減少，故機(jī)體生成抗體的能力會(huì)降低。

從圖中還可以看出，動(dòng)物細(xì)胞間進(jìn)行信息交流的途徑主要有兩種：一是神經(jīng)遞質(zhì)、激素、免疫活性物質(zhì)等信息分子通過體液運(yùn)輸并作用于靶細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)；二是通過細(xì)胞間的相互接觸來實(shí)現(xiàn)信息交流，如吞噬細(xì)胞將抗原呈遞給T細(xì)胞。

當(dāng)機(jī)體免疫功能失調(diào)時(shí)，可引起過敏反應(yīng)、自身免疫病以及免疫缺陷病。過敏反應(yīng)是指已免疫機(jī)體在再次接受相同物質(zhì)刺激時(shí)所發(fā)生的反應(yīng)；自身免疫病是指自身免疫反應(yīng)對(duì)自身的組織和器官造成損傷并出現(xiàn)癥狀；免疫缺陷病是指機(jī)體免疫功能不足或缺乏引起的疾病。

2.4 猜想4：考查神經(jīng)遞質(zhì)釋放的機(jī)制

20世紀(jì)90年代，諾貝爾獎(jiǎng)得主托馬斯·祖德霍夫聚焦于神經(jīng)細(xì)胞中的鈣離子敏感蛋白，描摹出鈣離子流動(dòng)的分子機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了突觸囊泡感受外界信號(hào)的關(guān)鍵因子和關(guān)鍵蛋白——鈣離子和鈣結(jié)合蛋白，通過它們，突觸小泡接受信號(hào)，快速準(zhǔn)確地釋放，完成神經(jīng)信號(hào)的傳遞。

【例4】 圖5左側(cè)是神經(jīng)-肌肉接頭，其結(jié)構(gòu)和功能與突觸類似。當(dāng)興奮傳導(dǎo)至突觸小體時(shí)，突觸間隙中的Ca2+通過突觸前膜上的Ca2+通道內(nèi)流，導(dǎo)致突觸小泡與突觸前膜融合，釋放神經(jīng)遞質(zhì)。血鈣正常值約為9～11 mg/100 mL血漿。低于7 mg/100 mL血漿時(shí)屬低血鈣，低血鈣即細(xì)胞外鈣濃度降低，對(duì)鈣離子內(nèi)流的抑制屏障作用減弱，使神經(jīng)細(xì)胞興奮性增高。請(qǐng)回答下列問題：

（1） 傳出神經(jīng)末梢及其支配的肌肉在反射弧中稱為 。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，刺激大腦皮層的中央前回，也會(huì)引起肌肉的收縮，此時(shí)接受刺激的是反射弧中的 。

（2） 神經(jīng)遞質(zhì)盡管是小分子物質(zhì)，但仍是通過胞吐方式釋放到突觸間隙，其意義在于 。

（3） 乙酰膽堿屬于一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，當(dāng)乙酰膽堿與肌細(xì)胞膜上相應(yīng)受體結(jié)合后，引起肌肉收縮。α-銀環(huán)蛇毒能與乙酰膽堿受體結(jié)合，α-銀環(huán)蛇毒中毒時(shí)，肌肉表現(xiàn)是 。

（4） 由題中信息可知，肌肉收縮需要鈣離子，但是血鈣過高卻會(huì)引起肌無力，原因是血鈣過高降低了

。

（5） 動(dòng)態(tài)皺紋又稱動(dòng)力性皺紋，它是由于面部表情肌長(zhǎng)期收縮牽拉皮膚而形成的?！叭舛径舅孛廊荨币呀?jīng)成為時(shí)下普遍接受的面部除皺方式。肉毒毒素是肉毒桿菌分泌的一種神經(jīng)毒素，能特異地與突觸前膜上Ca2+通道結(jié)合。結(jié)合圖解分析“肉毒毒素美容”的原理：

。

答案：（1） 效應(yīng)器 神經(jīng)中樞 （2） 短時(shí)間內(nèi)使神經(jīng)遞質(zhì)大量釋放 （3） 松弛（或不能收縮、或舒張） （4） 神經(jīng)細(xì)胞興奮性 （5） 肉毒毒素能特異地與突觸前膜上Ca2+通道結(jié)合，阻止了Ca2+內(nèi)流，從而影響突觸前膜釋放乙酰膽堿，導(dǎo)致面部表情肌松弛

解析：神經(jīng)遞質(zhì)盡管是小分子物質(zhì)，但仍是通過胞吐方式釋放到突觸間隙，其意義在于短時(shí)間內(nèi)使神經(jīng)遞質(zhì)大量釋放，從而有效實(shí)現(xiàn)神經(jīng)興奮的快速傳遞。α-銀環(huán)蛇毒能與乙酰膽堿受體結(jié)合，α-銀環(huán)蛇毒中毒時(shí)，則導(dǎo)致乙酰膽堿不能與相應(yīng)的受體結(jié)合，肌肉則表現(xiàn)為松弛（或不能收縮、或舒張）。