2013年诺贝尔生理学或医学奖与高考猜想

张卓鹏

1 诺贝尔奖新闻链接

北京时间2013年10月7日晚，瑞典卡罗琳医学院将2013年诺贝尔生理学或医学奖授予两位美国科学家与一位德国科学家：詹姆斯·罗斯曼、兰迪·谢克曼和托马斯·祖德霍夫。正是他们的研究共同揭开了细胞内部囊泡运输调控机制的神秘面纱展，示了一个基本的细胞生理过程的种种细节。这一发现有助于人们更清晰地认识疾病和生命。

2 高考命题猜想

近几年生物高考特别重视对学生创新精神与实践能力的考查，以能力立意为主导，考查考生对所学相关课程基础知识、基本技能、基本思想、基本活动经验的整体掌握程度和综合运用所学知识发现问题、提出问题、分析、解决实际问题的能力。以诺贝尔奖为背景的试题在近几年高考中已屡次出现，同样突出对学生科学探究能力、科学过程与方法以及创新精神的考查。

这类试题的典型特征是：交代取材背景，情境新、知识活、起点高、落点低，现学现用，充分体现了当今高考以能力立意的命题思想。现以2013年诺贝尔奖生理学或医学奖为背景材料，作几点高考命题猜想。

2.1 猜想1：考查囊泡转运机制

细胞在新陈代谢过程中需要将大量的物质进行分拣、包装并在正确的时间运送到正确的地点，胞内囊泡运输系统正是细胞生命活动的支柱。囊泡转运机制如图1所示。

囊泡是由单层膜包裹的精细结构，从几十纳米到数百纳米不等。囊泡运输是细胞内部一种基本的和重要的物质运输方式。目前发现，通过囊泡运输的物质主要有两类：一类是囊泡膜上的膜蛋白和脂类等，主要用于细胞活动过程中膜成分的新陈代谢和信号传递等；另一类是囊泡的内含物，包括神经递质、激素、各种酶和细胞因子等，用于细胞内膜性细胞器之间物质的交流和实施特定的功能，或分泌到细胞外调节自身及其他细胞功能。

【例1】 2013年诺贝尔奖生理学或医学奖获奖成果是细胞运输系统的囊泡转运机制，这一突破性发现解释了为什么胰岛素释入血液时会有变化、神经细胞之间的信息传达以及病毒感染细胞的方式。图2表示细胞内蛋白质合成及其去向。其中①～⑦表示细胞结构，甲～丁表示细胞结构中的物质。请据图回答：

（1） 图中不含有磷脂分子的结构是 （填序号）。

（2） 图中合成的蛋白质进入⑤与进入⑥⑦的方式不同之处是 。

（3） 结构①中进行的过程是 ，甲表示的物质是 。

（4） 能进行DNA复制和转录的结构有 （填序号）。

（5） 若图左侧表示胰岛B细胞合成、分泌胰岛素的过程，则乙、丙、丁三种物质中最可能有降血糖作用的是 。这一过程体现了细胞中各种生物膜在功能上的关系是 。

答案：（1） ① （2） 进入⑤细胞核是通过核孔；进入⑥叶绿体或⑦线粒体是通过内吞作用，借助于膜的流动性 （3） 蛋白质的合成 多肽链 （4） ⑤、⑥、⑦ （5） 丁 有明确的分工，又有密切的联系

解析：分析题图可知，结构①～⑦分别为核糖体、内质网、高尔基体、细胞膜、细胞核、叶绿体、线粒体，其中核糖体不具有膜结构，即不含磷脂分子。蛋白质进入⑤细胞核是通过核孔，进入⑥叶绿体或⑦线粒体是通过内吞作用，借助于膜的流动性。细胞核、叶绿体和线粒体中都含有DNA，因此都可以发生DNA的复制和转录。胰岛素为分泌蛋白，在核糖体上合成后，需经过内质网加工，由内质网腔膨大、出芽形成囊泡，囊泡包裹着蛋白质转移到高尔基体，把蛋白质输送到高尔基体腔内，做进一步的加工。接着，高尔基体边缘突起形成囊泡，把蛋白质包裹在囊泡里，运输到细胞膜，囊泡与细胞膜融合，把蛋白质释放到细胞外，即胞吐出细胞。这一过程体现了细胞中各种生物膜在功能上既有明确的分工，又有密切的联系。

2.2 猜想2：考查细胞的动态结构和功能

在传统细胞生物学中，对各种细胞器的描述往往以静态结构为主。随着近年来活细胞成像、超高分辨显微成像等技术的发展，人们对细胞器的认识已上升到动态的层面，即各种类型的细胞器虽然分别局限在特定分区内完成细胞的某些生理功能，但细胞器之间也在发生不断的物质交换，以保障细胞器的稳态和发挥其正常功能。由此，细胞生物学家所面临的基本科学问题就是：细胞内经囊泡运输的成千上万种“货物”，究竟是怎样被标记和识别，再精确地运送到特定的地点，并“卸载”的呢？另外，一旦这个运输过程发生紊乱，对细胞又将产生什么样的后果？

【例2】 2013年诺贝尔奖生理学或医学奖奖给美国科学家詹姆斯·罗斯曼、兰迪·谢克曼、德国科学家托马斯·祖德霍夫，他们的研究成果涉及到细胞运输系统的膜融合。图3是人体某组织细胞示意图，请据图回答：

（1） 结构②的主要生理功能是 。

（2） 若该图表示胰岛B细胞，则它分泌的信号分子1是 。该分子从开始合成到分泌出细胞，必须经过的结构依次是 。

（3） 外来的信号分子2作用于该细胞时，首先与细胞膜上的 结合，引起该细胞原有的生理活动发生改变，这一过程体现了细胞膜的哪一功能？ 。

（4） 该细胞中的生物膜系统包括 （填标号），在生物膜行使功能时起主要作用的物质是

。

答案：（1） 对来自内质网的蛋白质进行加工、分类、包装 （2） 胰岛素 核糖体、内质网（囊泡）、高尔基体、（囊泡）、细胞膜 （3） 信息分子 流动性 （4） 细胞膜、核膜和各种细胞器膜 蛋白质

解析：（1） 结构②是高尔基体，对来自内质网的蛋白质进行加工、分类、包装。（2） 胰岛B细胞分泌胰岛素，则信号分子1为分泌蛋白——胰岛素，从开始合成到分泌出细胞，经过的结构依次是核糖体、内质网、（囊泡）、高尔基体、（囊泡）、细胞膜。（3） 糖蛋白即受体可以与信息分子特异性结合，从而完成细胞间的信息交流。（4） 生物膜系统包括细胞膜、核膜和各种细胞器膜，这些膜的化学组成相似，主要由磷脂和蛋白质分子组成，其中蛋白质分子结构、功能多样，在生物膜行使功能时起主要作用的是蛋白质分子。

2.3 猜想3：考查与生物大分子运输错误有关的疾病

许多人类疾病从本质上讲就是生物大分子运输错误或不能被有效运输排除掉造成的，如神经系统疾病、糖尿病及免疫系统的疾病等。针对细胞囊泡运输机制的研究为新药物的设计和研发提供了新途径，预期将有针对生物大分子运输错误的药物产生。

【例3】 科学研究表明：精神因素（焦虑、紧张等的心理应激）会使T细胞活性下降，对病毒、真菌感染的抵抗能力和对肿瘤细胞的监控能力下降，还间接引起机体生成抗体的能力降低。图4表示神经、免疫、内分泌三大系统相互调节的部分示意图，请据图回答下列问题。

（1） 由图4可知，神经系统可通过突触前膜

直接调节免疫器官或免疫细胞的活动，还可通过下丘脑分泌有关激素间接调节免疫器官或免疫细胞的活动。

（2） 精神因素使T细胞活性下降，为什么会引起机体生成抗体的能力降低？

。

（3） 维持机体稳态离不开细胞间的信息交流，动物细胞间进行信息交流的途径有：一是

（填三种）等信息分子通过体液运输并作用于靶细胞来实现；二是通过细胞的相互接触实现信息交流。吞噬细胞将抗原呈递给T细胞是通过哪种途径实现的？ 。

（4） 下列是人体的生理反应：① 流感病毒侵入人体时，有时可作用于红细胞，使红细胞成为靶细胞，导致体内产生抗红细胞抗体，这种抗体也可以对正常红细胞发生作用，引起红细胞裂解，称为溶血性贫血；② 美国有一免疫功能异常的儿童，不能接触任何病原体，少量病菌亦可导致严重发病；③ 某人一吃海鲜就出现严重的腹泻。上述三种生理反应依次属于

（A.过敏反应；B.自身免疫病；C.免疫缺陷病；D.遗传病）。

答案：（1） 神经递质 （2） 精神因素使T细胞活性下降，T细胞呈递抗原以及释放淋巴因子能力就会下降，B细胞增殖分化成的浆细胞就减少，故机体生成抗体的能力会降低 （3） 神经递质、激素、免疫活性物质 途径二 （4） BCA

解析：正常机体通过调节作用，使各个器官、系统协调活动，共同维持内环境的相对稳定。“神经—体液—免疫”调节网络是机体维持稳态的主要调节机制，其中神经调节处于主导地位。神经系统可通过突触前膜释放神经递质直接调节免疫器官或免疫细胞的活动，还可通过下丘脑分泌有关激素间接调节免疫器官或免疫细胞的活动。精神因素使T细胞活性下降，T细胞呈递抗原以及释放淋巴因子能力就会下降，B细胞增殖分化成的浆细胞就减少，故机体生成抗体的能力会降低。

从图中还可以看出，动物细胞间进行信息交流的途径主要有两种：一是神经递质、激素、免疫活性物质等信息分子通过体液运输并作用于靶细胞来实现；二是通过细胞间的相互接触来实现信息交流，如吞噬细胞将抗原呈递给T细胞。

当机体免疫功能失调时，可引起过敏反应、自身免疫病以及免疫缺陷病。过敏反应是指已免疫机体在再次接受相同物质刺激时所发生的反应；自身免疫病是指自身免疫反应对自身的组织和器官造成损伤并出现症状；免疫缺陷病是指机体免疫功能不足或缺乏引起的疾病。

2.4 猜想4：考查神经递质释放的机制

20世纪90年代，诺贝尔奖得主托马斯·祖德霍夫聚焦于神经细胞中的钙离子敏感蛋白，描摹出钙离子流动的分子机制，并发现了突触囊泡感受外界信号的关键因子和关键蛋白——钙离子和钙结合蛋白，通过它们，突触小泡接受信号，快速准确地释放，完成神经信号的传递。

【例4】 图5左侧是神经-肌肉接头，其结构和功能与突触类似。当兴奋传导至突触小体时，突触间隙中的Ca2+通过突触前膜上的Ca2+通道内流，导致突触小泡与突触前膜融合，释放神经递质。血钙正常值约为9～11 mg/100 mL血浆。低于7 mg/100 mL血浆时属低血钙，低血钙即细胞外钙浓度降低，对钙离子内流的抑制屏障作用减弱，使神经细胞兴奋性增高。请回答下列问题：

（1） 传出神经末梢及其支配的肌肉在反射弧中称为 。科学家研究发现，刺激大脑皮层的中央前回，也会引起肌肉的收缩，此时接受刺激的是反射弧中的 。

（2） 神经递质尽管是小分子物质，但仍是通过胞吐方式释放到突触间隙，其意义在于 。

（3） 乙酰胆碱属于一种兴奋性神经递质，当乙酰胆碱与肌细胞膜上相应受体结合后，引起肌肉收缩。α-银环蛇毒能与乙酰胆碱受体结合，α-银环蛇毒中毒时，肌肉表现是 。

（4） 由题中信息可知，肌肉收缩需要钙离子，但是血钙过高却会引起肌无力，原因是血钙过高降低了

。

（5） 动态皱纹又称动力性皱纹，它是由于面部表情肌长期收缩牵拉皮肤而形成的。“肉毒毒素美容”已经成为时下普遍接受的面部除皱方式。肉毒毒素是肉毒杆菌分泌的一种神经毒素，能特异地与突触前膜上Ca2+通道结合。结合图解分析“肉毒毒素美容”的原理：

。

答案：（1） 效应器 神经中枢 （2） 短时间内使神经递质大量释放 （3） 松弛（或不能收缩、或舒张） （4） 神经细胞兴奋性 （5） 肉毒毒素能特异地与突触前膜上Ca2+通道结合，阻止了Ca2+内流，从而影响突触前膜释放乙酰胆碱，导致面部表情肌松弛

解析：神经递质尽管是小分子物质，但仍是通过胞吐方式释放到突触间隙，其意义在于短时间内使神经递质大量释放，从而有效实现神经兴奋的快速传递。α-银环蛇毒能与乙酰胆碱受体结合，α-银环蛇毒中毒时，则导致乙酰胆碱不能与相应的受体结合，肌肉则表现为松弛（或不能收缩、或舒张）。