分泌蛋白合成和運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)的模擬*

王海霞 梁 強(qiáng)

（1 山東省聊城市高中教學(xué)研究室 山東聊城 252000 2 山東省陽谷縣第一中學(xué) 山東聊城 252300）

帕拉德及其同事設(shè)計(jì)的分泌蛋白的合成和運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)，將對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的靜態(tài)描述引向動態(tài)研究，是生物學(xué)史上最精彩的實(shí)驗(yàn)之一。人教版教材以資料分析的形式對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了介紹，旨在以分泌蛋白的合成和運(yùn)輸為例說明細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合。因此以分泌蛋白為背景，考查不同細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能也就成為高考的重要考點(diǎn)，近10年高考中全國或部分省市幾乎每年都對這一內(nèi)容進(jìn)行考查，2007年全國新課標(biāo)I 卷第5 題，以曲線圖的形式很好地考查了學(xué)生的理性思維。原題如下：

圖1 表示用3H－亮氨酸標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)的分泌蛋白，追蹤不同時間具有放射性的分泌蛋白顆粒在細(xì)胞內(nèi)分布情況和運(yùn)輸過程。 其中正確的是（C）。

圖1

然而本題的正答率卻很低，學(xué)生出錯原因主要是：1）不能正確理解縱坐標(biāo)放射性顆粒數(shù)百分比的含義。 2）對分泌小泡的誤解，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生的囊泡也誤認(rèn)為是分泌小泡，結(jié)果錯選A。因?yàn)槿私贪娼滩臎]有明確界定分泌小泡的概念，因此很多教師對此題持有異議，甚至對這部分知識的教學(xué)也產(chǎn)生了疑問。此外，在學(xué)習(xí)分泌蛋白合成和運(yùn)輸內(nèi)容時，教師經(jīng)常會用動畫演示細(xì)胞內(nèi)的微觀變化，無形之中使學(xué)生產(chǎn)生錯覺，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中觀察到的細(xì)胞仍然是活細(xì)胞，為了更好地理解本部分內(nèi)容，筆者設(shè)計(jì)了帕拉德經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的簡單模擬實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)中取得了很好效果。

首先補(bǔ)充帕拉德經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的具體過程：

1）將豚鼠的胰腺腺泡細(xì)胞放入含3H－亮氨酸的培養(yǎng)液中短期培養(yǎng)3 min，從中取少量的細(xì)胞固定（使細(xì)胞迅速死亡，但仍保持原有形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)）后，通過一定的技術(shù)（制成超薄切片，使用對射線敏感的感光乳劑曝光，顯影后，在顯微鏡下觀察）可以檢測到放射性蛋白質(zhì)的位置。

2）將培養(yǎng)3 min 的細(xì)胞轉(zhuǎn)入不含3H－亮氨酸的培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)。 定時取少量細(xì)胞進(jìn)行檢測即可追蹤蛋白質(zhì)的運(yùn)輸路徑。

然后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)： 假定每個學(xué)生代表一個胰腺腺泡細(xì)胞，假設(shè)在3H－亮氨酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)3 min，此時發(fā)給學(xué)生每人一張圖片（圖2）。

第3 min 時胰腺腺泡細(xì)胞即圖2 狀態(tài)，教師任選一位學(xué)生收回他的圖片，表示他代表的胰腺腺泡細(xì)胞被固定并用作檢測放射性蛋白質(zhì)的位置，檢測結(jié)果為：放射性蛋白質(zhì)（圖中●）全部分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。然后據(jù)圖介紹分泌小泡：分泌小泡是按照功能命名的名詞，細(xì)胞在合成分泌蛋白時，高爾基體產(chǎn)生的向細(xì)胞膜運(yùn)動的囊泡是分泌小泡（摘自百度百科），內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生的囊泡由于未把產(chǎn)物運(yùn)輸分泌到細(xì)胞外所以不是分泌小泡。

接著假設(shè)： 將其余學(xué)生代表的胰腺腺泡細(xì)胞轉(zhuǎn)入不含3H－亮氨酸的培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)到第10 min，此時發(fā)給學(xué)生第2 張圖片（見圖3）：

圖3

第10 min 時胰腺腺泡細(xì)胞即圖3 狀態(tài)，教師再選一位學(xué)生收回他的圖片，表示他代表的胰腺腺泡細(xì)胞被固定并用作檢測，檢測結(jié)果為：放射性蛋白質(zhì)已轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡和高爾基體，核糖體新合成的蛋白質(zhì)無放射性,原因是培養(yǎng)液中的亮氨酸沒有放射性。

與上相同，第20 min、30 min、40 min 時，教師從第3、4、5 位學(xué)生手中收回另3 張圖片（見圖4、圖5、圖6，最好讓學(xué)生自己將圖中放射性蛋白質(zhì)涂黑）。

將圖2～圖6 放在一起連續(xù)觀察，即可發(fā)現(xiàn)放射性蛋白質(zhì)的運(yùn)輸路徑： 附著核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→囊泡→高爾基體→分泌小泡→細(xì)胞外。 因?yàn)橛^察到的細(xì)胞已被固定殺死，這一結(jié)論是連續(xù)觀察不同細(xì)胞而得出的。

圖4

圖5

隨后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析： 放射性強(qiáng)度可以用放射性顆粒數(shù)（圖中●）的百分比表示：放射性顆粒數(shù)的百分比=某細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的放射性顆粒數(shù)/整個細(xì)胞中的放射性顆粒數(shù)×100%。

要求學(xué)生分別計(jì)算內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、分泌小泡在第3 min、10 min、20 min、30 min、40 min 時的放射性顆粒數(shù)百分比，填入下表:

表1

根據(jù)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)中畫出平滑曲線，結(jié)果如圖7。

圖7

要求學(xué)生進(jìn)一步思考： 如果其他條件保持不變，增加模型中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體囊腔及核糖體的數(shù)量（圖8，摘自網(wǎng)絡(luò)）。那么，曲線降為零的時間是不變還是延后?

圖8

答案：因蛋白質(zhì)的運(yùn)輸路徑變長，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體停留的時間也就延長，曲線降為零的時間要延后。

接著提供實(shí)驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果，見圖9（摘自網(wǎng)絡(luò)，略改動）。

圖9

由圖可以看出: 在前3min 的放射性培養(yǎng)中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中放射性蛋白質(zhì)的數(shù)量逐漸增多，但是它們沒有釋放到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之外，所以內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的放射性顆粒數(shù)的百分比一直是100%。 17 min 時放射性蛋白質(zhì)主要集中在高爾基體，117 min 時主要分布在細(xì)胞膜內(nèi)、外兩側(cè)，這就是教材實(shí)驗(yàn)結(jié)果的由來。

通過上述模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生親身體驗(yàn)了分泌蛋白的合成和運(yùn)輸過程，對教材實(shí)驗(yàn)有了更深的理解，真正做到了知其然，而且做到了知其所以然；同時訓(xùn)練了學(xué)生采集、 處理數(shù)據(jù)并用曲線表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的技能，有效地提升了生物學(xué)科核心素養(yǎng)。