從溶酶體發(fā)現(xiàn)到自噬基因揭秘

河北 訾玉玲

從溶酶體發(fā)現(xiàn)到自噬基因揭秘

河北 訾玉玲

2016年10月3日，日本東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家大隅良典被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。在對酵母細(xì)胞的研究中大隅良典不僅看到了正在運行的自噬行為，還找出了導(dǎo)致無法運行自噬過程的突變細(xì)胞，并基于他發(fā)現(xiàn)的參與調(diào)控細(xì)胞自噬過程的多個關(guān)鍵基因闡明了細(xì)胞自噬過程的分子機制。關(guān)于細(xì)胞自噬機制的研究已經(jīng)進(jìn)行了50年，大隅良典在20世紀(jì)90年代完成的開拓性研究使人們廣泛意識到該過程在生理學(xué)和醫(yī)學(xué)中的重要性。

1.挖掘與高中教材的內(nèi)在聯(lián)系

這項諾貝爾獎與我們高中現(xiàn)行教材中很多內(nèi)容具有相關(guān)性，在人教版必修1“細(xì)胞器—系統(tǒng)內(nèi)的分工與合作”中簡單介紹了溶酶體，表述為“溶酶體是消化車間，內(nèi)部含有多種水解酶，能分解衰老、損傷的細(xì)胞器，吞噬并殺死侵入細(xì)胞的病毒或病菌，被溶酶體分解后的產(chǎn)物，如果是對細(xì)胞有用的物質(zhì)，細(xì)胞可以再利用，廢物則被排出細(xì)胞外”。在“細(xì)胞的衰老和凋亡”一節(jié)中寫到“在成熟的生物體中，細(xì)胞的自然更新、被病原體感染的細(xì)胞的清除，也是通過細(xì)胞凋亡完成的”。結(jié)合諾貝爾獎成果對有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)整合，一起接觸科技最前沿知識，讓學(xué)習(xí)更具時代感。

與細(xì)胞自噬的相關(guān)研究可以追溯到20世紀(jì)50年代，筆者把與這一知識點相關(guān)的諾貝爾獎得主的研究成果進(jìn)行了整理，力求將科技前沿知識與高中教材內(nèi)容有機結(jié)合（見表1），以期擴寬同學(xué)們的視野。

與細(xì)胞自噬有關(guān)的諾貝爾獎分析

2.依托最新研究機理，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練

“細(xì)胞自噬”這一2016年最新諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎成果，可以成為命題“高起點，低落點”的素材，很好地體現(xiàn)時代發(fā)展特色。基于相關(guān)的知識，筆者嘗試創(chuàng)編了一些習(xí)題。

【原創(chuàng)試題】下圖為“細(xì)胞自噬”過程示意圖，當(dāng)細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)、脂肪分子形成一片片的雙層膜結(jié)構(gòu)時，自噬過程就開始了。膜結(jié)構(gòu)會自動卷曲，形成一個具有開口的小球，把周圍的細(xì)胞質(zhì)“吞”進(jìn)去。之后，小球越長越大、開口逐漸封閉，成為一個封閉的自噬體。最后，自噬體與溶酶體融合，把包裹著的分子倒入溶酶體的“消化液”中。經(jīng)過消化，尚可利用的分子碎片將被送回細(xì)胞質(zhì)，循環(huán)利用，無法利用的廢物被排出細(xì)胞外。依據(jù)下面的示意圖，請回答：

（1）動物細(xì)胞是由________、________和________三部分組成的，大部分細(xì)胞器和生物分子都懸浮在________中，很多細(xì)胞活動都在這里進(jìn)行。大量殘渣致使細(xì)胞活動受到影響甚至停滯，自噬作用將淤積在其中的代謝殘渣清除掉，恢復(fù)正常的細(xì)胞活動。

（2）溶酶體中的“消化液”是指內(nèi)含多種________，能分解衰老、損傷的_______，吞噬并殺死侵入細(xì)胞的病毒或病菌，溶酶體中的殺菌物質(zhì)的作用屬于人體的________防線，屬于________免疫。

（3）圖中①→②→③→④的自噬體延伸過程中，小球的開口逐漸封閉，各種衰老、損傷的細(xì)胞器的膜可以成為自噬體的膜，原因是這些生物膜的________很相似，在________上緊密聯(lián)系。

（4）圖中的調(diào)節(jié)復(fù)合物、PI3K復(fù)合物等主要成分的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，其基本組成單位是________，合成場所是________，有關(guān)基因的表達(dá)包括________和________兩個過程。

（5）溶酶體通過膜上的氫離子泵使H+從細(xì)胞溶膠進(jìn)入溶酶體內(nèi)，保持pH為5左右，溶酶體內(nèi)的酶如果側(cè)漏而進(jìn)入pH約為7的細(xì)胞溶膠中，則________（填“會”或“不會”）失去活性，是溶酶體合成和分泌了這些酶嗎？________（填“是”或“否”）。

（6）為細(xì)胞自噬過程提供能量的細(xì)胞器是________，它是細(xì)胞進(jìn)行________的主要場所。在人體衰老過程中，這一過程減慢，并伴隨_______、___ ___、___ ___等變化。

（7）神經(jīng)元的軸突末端的膨大被稱為_______，內(nèi)部的突觸小泡中含有________，該物質(zhì)以________方式釋放，可以通過信號轉(zhuǎn)變完成興奮在神經(jīng)細(xì)胞之間的傳遞。衰老的神經(jīng)細(xì)胞自噬作用不完全，已無法有效清除細(xì)胞內(nèi)的異?；蚴軗p蛋白，神經(jīng)細(xì)胞無法消化那些本應(yīng)該被分解的物質(zhì)，造成軸突腫大，而影響神經(jīng)系統(tǒng)正常功能，導(dǎo)致阿爾茨海默病發(fā)生。

（8）下列關(guān)于囊泡和生物膜的敘述，正確的是 （ ）

A.囊泡是雙層膜，主要由磷脂分子和蛋白質(zhì)合成

B.所有的酶都在生物膜上，沒有生物膜，生物就無法進(jìn)行各種代謝

C.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過“出芽”形成的含分泌蛋白的囊泡，會移動到高爾基體，而不會移至核膜

D.大腸桿菌的囊泡由高爾基體形成，高爾基體的膜可轉(zhuǎn)化為細(xì)胞膜

【試題來源】

參考《普通生物學(xué)》第三版（陳閱增）、《cell》雜志和《生物幫》相關(guān)資料。

【試題評價】

本試題利用2016年最新諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎“細(xì)胞自噬”的機理圖，創(chuàng)設(shè)新情境，緊密圍繞教材中的有關(guān)知識，內(nèi)容涉及細(xì)胞結(jié)構(gòu)、溶酶體的作用、酶活性的影響因素、生物膜系統(tǒng)、蛋白質(zhì)合成、基因表達(dá)、神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)等知識，信息量較大，綜合性較強。

【深入解析】

（1）本小題主要考查細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，強調(diào)細(xì)胞自噬作用的重要性。（2）人教版必修1細(xì)胞器的功能中指出溶酶體內(nèi)含多種水解酶，能分解衰老損傷的細(xì)胞器，這一作用屬于人體的第二道防線，屬于非特異性免疫。（3）大隅良典的細(xì)胞自噬體膜的來源可以很好地考查生物膜系統(tǒng)的有關(guān)知識，它們在組成成分和結(jié)構(gòu)上相似，在結(jié)構(gòu)和功能上相互聯(lián)系。（4）蛋白質(zhì)的合成場所在核糖體，以氨基酸為基本單位，相應(yīng)基因的表達(dá)需要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個階段。（5）酶的作用需要適宜的pH，過酸或過堿都會破壞其空間結(jié)構(gòu)，從而失去活性。溶酶體內(nèi)含有水解酶，但合成這些酶的場所是在核糖體。（6）細(xì)胞自噬過程消耗的能量主要來自有氧呼吸，“動力工廠”是線粒體，細(xì)胞衰老的5大特征需要熟練掌握。（7）阿爾茨海默病發(fā)生與細(xì)胞自噬有關(guān)，這一與神經(jīng)遞質(zhì)傳遞有關(guān)的疾病可以作為考查神經(jīng)調(diào)節(jié)內(nèi)容的知識載體。突觸小體中的神經(jīng)遞質(zhì)以胞吐的方式釋放出突觸前膜。（8）囊泡是單層膜，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中也有酶可催化化學(xué)反應(yīng)，大腸桿菌是原核生物，沒有高爾基體。

【參考答案】

（1）細(xì)胞膜 細(xì)胞質(zhì) 細(xì)胞核 細(xì)胞質(zhì)（基質(zhì)）

（2）水解酶 細(xì)胞器 第二道 非特異性

（3）組成成分和結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)和功能

（4）氨基酸 核糖體 轉(zhuǎn)錄 翻譯

（5）會 否

（6）線粒體 有氧呼吸 水分減少 酶活性降低 細(xì)胞膜通透性改變 色素積累（答出三點即可）

（7）突觸小體 神經(jīng)遞質(zhì) 胞吐

（8）C

學(xué)生喜歡時代感強的課堂，把諾貝爾獎的內(nèi)容與所學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合在一起，找到契合點，做深入的思考，可以極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

（作者單位：河北省石家莊市第二十七中學(xué)）