對“細胞中蛋白質(zhì)的合成、加工與運輸過程”的思考

河北 田 瀅

筆者注意到，人教版新教材必修1《分子與細胞》對分泌蛋白的合成過程做出了一些調(diào)整?！凹毎胁煌鞍踪|(zhì)的合成、加工與運輸過程”這一內(nèi)容一直都是各類考試的“寵兒”，如2020 年山東省普通高中學業(yè)水平等級考試生物卷第1 題，在高考中作為首道題，其重要程度可見一斑。本文結(jié)合大學教材，以高中學生理解水平為出發(fā)點，針對本部分內(nèi)容進行闡釋，力求幫助授課教師整理并形成較為完整的知識體系。

1.新教材中的變化

人教版老版教材中這部分內(nèi)容的闡述是分泌蛋白最初是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體中由氨基酸形成肽鏈，肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進行加工，形成有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。

新版教材將其調(diào)整為：首先，在游離的核糖體中以氨基酸為原料開始多肽鏈的合成，當合成了一段肽鏈后，這段肽鏈會與核糖體一起轉(zhuǎn)移到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上繼續(xù)其合成過程，并且邊合成邊轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)，再經(jīng)過加工、折疊，形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。

經(jīng)對比不難發(fā)現(xiàn)新教材中的描述更為詳盡，添加了一些細節(jié)內(nèi)容，這些內(nèi)容并非生物學的新發(fā)現(xiàn)，可見是在《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）的指導下對教材編寫做出的調(diào)整，是契合《中國高考評價體系》（以下簡稱《評價體系》）所做出的修改，值得廣大授課教師關(guān)注，并以此為切入點研究新高考、適應(yīng)新高考。

2.山東高考題分析

【試題】經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)加工的蛋白質(zhì)進入高爾基體后，S 酶會在其中的某些蛋白質(zhì)上形成M6P 標志。具有該標志的蛋白質(zhì)能被高爾基體膜上的M6P 受體識別，經(jīng)高爾基體膜包裹形成囊泡，在囊泡逐漸轉(zhuǎn)化為溶酶體的過程中，帶有M6P 標志的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶酶體酶；不能發(fā)生此識別過程的蛋白質(zhì)經(jīng)囊泡運往細胞膜。下列說法錯誤的是 （ ）

A.M6P 標志的形成過程體現(xiàn)了S 酶的專一性

B.附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體參與溶酶體酶的合成

C.S 酶功能喪失的細胞中，衰老和損傷的細胞器會在細胞內(nèi)積累

D.M6P 受體基因缺陷的細胞中，帶有M6P 標志的蛋白質(zhì)會聚集在高爾基體內(nèi)

【答案】D

【解析】S 酶的專一性體現(xiàn)在S 酶只催化將M6P 添加到相應(yīng)蛋白質(zhì)上的反應(yīng)，A 項正確；溶酶體酶進入高爾基體后，包裝入囊泡類似教材中的分泌蛋白的運輸和加工過程，因此需要附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體參與合成，B 項正確；S 酶的功能是形成M6P 標志，喪失功能會使得某些蛋白質(zhì)無相應(yīng)標志，也就不能被高爾基體上的受體識別，并包裹進入溶酶體，造成溶酶體酶缺失，同時此選項也考查了溶酶體的作用是分解衰老損傷的細胞器這一內(nèi)容，因此S 酶功能喪失有可能使衰老和損傷的細胞器不能被及時清除而在細胞內(nèi)積累，C 項正確；缺失M6P 的結(jié)果是溶酶體酶的前體不能進入溶酶體，不能識別的蛋白質(zhì)經(jīng)囊泡運往細胞膜，因此這些蛋白質(zhì)會隨著囊泡分泌出細胞，D 項錯誤。

相比A、B 兩項比較直接地考查基本概念，C、D 兩項難度較大，需要結(jié)合題干信息和教材知識進行作答，更加充分落實了《評價體系》中“發(fā)展學生學科素養(yǎng)需要創(chuàng)設(shè)情境”的要求，這也充分印證了國家對高考命題工作所提出的更高要求，包括打破傳統(tǒng)命題的局限性，豐富題目中情境的創(chuàng)設(shè)與體現(xiàn)題目的科學性等等。本文結(jié)合大學細胞生物學課程，參考師范及醫(yī)學方向?qū)I(yè)的不同教材，對“細胞中不同蛋白質(zhì)的合成、加工與運輸過程”進行以下的歸納整理。

3.歸納整理

除線粒體和植物細胞中葉綠體能合成少量蛋白質(zhì)外，絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)均在細胞質(zhì)基質(zhì)中的核糖體上開始合成，然后轉(zhuǎn)運至細胞的特定部位，也只有轉(zhuǎn)運至正確的部位并被裝配成結(jié)構(gòu)與功能的復合體，才能參與細胞的生命活動，這一過程稱為蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運或分選。這是一個涉及多種信號調(diào)控的復雜而重要的細胞生物學問題，過程本身煩瑣難懂，其中“信號學說”的提出獲得了1999 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，可見其過程的深度。筆者綜合接觸到的考查此內(nèi)容的題目，兼顧一線教學過程和對學生理解能力的評估，參照大學教材將此過程的具體內(nèi)容進行優(yōu)化處理并呈現(xiàn)出來。

蛋白質(zhì)分選的途徑

游離的核糖體與附著的核糖體合成的蛋白質(zhì)功能與轉(zhuǎn)運方向均有所不同，分泌蛋白的合成、運輸途徑師生已經(jīng)熟悉，除此之外還有哪些結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)與此相類似呢？

蛋白質(zhì)的分選大體可分為兩條途徑：一條是在細胞質(zhì)基質(zhì)中完成多肽鏈的合成，然后轉(zhuǎn)運至膜圍繞的細胞結(jié)構(gòu)，如線粒體、細胞核及細胞質(zhì)基質(zhì)的特定部位；另一條途徑是蛋白質(zhì)合成起始后轉(zhuǎn)移至粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，新生肽邊合成邊轉(zhuǎn)入粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，隨后經(jīng)高爾基體運至溶酶體、細胞膜或分泌到細胞外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體本身的蛋白質(zhì)也是通過這一途徑分選的?？梢?，溶酶體、細胞膜上的蛋白質(zhì)有著與分泌蛋白相類似的分選途徑。

（1）途徑之一：共轉(zhuǎn)移

粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的多肽鏈N 端有一段特殊序列，稱為信號序列。蛋白質(zhì)合成大致包括以下三個階段（如圖）。

第一階段：“信號序列-SRP-核糖體復合體”的形成

信號識別顆粒（SRP）是細胞質(zhì)基質(zhì)中由六個多肽亞基和一些其他相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的核糖體蛋白復合體，SRP 一端可識別信號序列并與之結(jié)合，另一端與核糖體結(jié)合形成“信號序列-SRP-核糖體復合體”。

第二階段：核糖體結(jié)合到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上含有SRP 受體以及轉(zhuǎn)運體（轉(zhuǎn)運體也稱易位子，為粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的多蛋白復合體）。“信號序列-SRP-核糖體復合體”中的SRP 與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的SRP 受體結(jié)合并介導核糖體錨泊于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的轉(zhuǎn)運體上，隨后SRP 返回細胞質(zhì)基質(zhì)中重復利用。轉(zhuǎn)運體與信號序列結(jié)合時處于開放狀態(tài)，通道打開，多肽鏈繼續(xù)合成。

第三階段：多肽鏈合成與加工

多肽鏈通過轉(zhuǎn)運體通道進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，其上連接的信號序列即被肽酶切除，多肽鏈繼續(xù)延伸直至合成完成。

信號序列引導的蛋白質(zhì)合成過程模式圖

（2）途徑之二：后轉(zhuǎn)移

此途徑一般用于轉(zhuǎn)運至膜圍繞的細胞器及細胞質(zhì)基質(zhì)的特定部位。相對于途徑一的“共轉(zhuǎn)移”，這種途徑比較簡單、直接。以線粒體蛋白的合成與運輸為例，在游離核糖體上先形成前體蛋白（由成熟形式的蛋白和N 端的一段成為導肽的序列共同組成），其中導肽內(nèi)不僅含有識別線粒體的信息，還有牽引蛋白質(zhì)通過線粒體膜進行運輸?shù)墓δ?，可以比喻為“火車頭”，被牽引的蛋白質(zhì)猶如“車廂”。不同片段的導肽有不同的導向信息，可使不同線粒體蛋白質(zhì)運送至線粒體基質(zhì)中或定位于內(nèi)膜或膜間隙。如定位于線粒體基質(zhì)中的蛋白，其導肽的N 端帶正電荷，可與膜受體結(jié)合，并在接觸點處通過線粒體膜進入基質(zhì)，導肽即被水解酶水解，成為成熟蛋白。

4.結(jié)語

高中教材對生物學的研究面比較廣，這就造成其對每個知識概念一般只介紹最基礎(chǔ)的原理，而高考的選拔功能決定了其考查水平不可能只在“皮毛”。材料題就是為了豐富題目情境、達成考查學科素養(yǎng)與關(guān)鍵能力的要求。材料題命題的關(guān)鍵在于材料的選擇，材料的選擇有兩個最可靠的來源，一是大學教材，二是科技論文。大學教材也是高中教材的延續(xù)，往往與高中內(nèi)容銜接緊密，是提供題目情境的第一大來源。它是生命科學百年發(fā)展的積淀，科學性有所保障，而科技論文往往適用情境較窄，與高中生物學內(nèi)容相差甚遠，因此，作為高中生物教師應(yīng)不斷提升專業(yè)水平，注重用大學課本補充中學教材，不斷完善自身的知識體系，同時也為中學與大學的有效銜接奠定基礎(chǔ)。