2013年諾貝爾生理學或醫學獎與高考猜想

張卓鵬

1 諾貝爾獎新聞鏈接

北京時間2013年10月7日晚，瑞典卡羅琳醫學院將2013年諾貝爾生理學或醫學獎授予兩位美國科學家與一位德國科學家：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胞內部囊泡運輸調控機制的神秘面紗展，示了一個基本的細胞生理過程的種種細節。這一發現有助于人們更清晰地認識疾病和生命。

2 高考命題猜想

近幾年生物高考特別重視對學生創新精神與實踐能力的考查，以能力立意為主導，考查考生對所學相關課程基礎知識、基本技能、基本思想、基本活動經驗的整體掌握程度和綜合運用所學知識發現問題、提出問題、分析、解決實際問題的能力。以諾貝爾獎為背景的試題在近幾年高考中已屢次出現，同樣突出對學生科學探究能力、科學過程與方法以及創新精神的考查。

這類試題的典型特征是：交代取材背景，情境新、知識活、起點高、落點低，現學現用，充分體現了當今高考以能力立意的命題思想?，F以2013年諾貝爾獎生理學或醫學獎為背景材料，作幾點高考命題猜想。

2.1 猜想1：考查囊泡轉運機制

細胞在新陳代謝過程中需要將大量的物質進行分揀、包裝并在正確的時間運送到正確的地點，胞內囊泡運輸系統正是細胞生命活動的支柱。囊泡轉運機制如圖1所示。

囊泡是由單層膜包裹的精細結構，從幾十納米到數百納米不等。囊泡運輸是細胞內部一種基本的和重要的物質運輸方式。目前發現，通過囊泡運輸的物質主要有兩類：一類是囊泡膜上的膜蛋白和脂類等，主要用于細胞活動過程中膜成分的新陳代謝和信號傳遞等；另一類是囊泡的內含物，包括神經遞質、激素、各種酶和細胞因子等，用于細胞內膜性細胞器之間物質的交流和實施特定的功能，或分泌到細胞外調節自身及其他細胞功能。

【例1】 2013年諾貝爾獎生理學或醫學獎獲獎成果是細胞運輸系統的囊泡轉運機制，這一突破性發現解釋了為什么胰島素釋入血液時會有變化、神經細胞之間的信息傳達以及病毒感染細胞的方式。圖2表示細胞內蛋白質合成及其去向。其中①～⑦表示細胞結構，甲～丁表示細胞結構中的物質。請據圖回答：

（1） 圖中不含有磷脂分子的結構是 （填序號）。

（2） 圖中合成的蛋白質進入⑤與進入⑥⑦的方式不同之處是 。

（3） 結構①中進行的過程是 ，甲表示的物質是 。

（4） 能進行DNA復制和轉錄的結構有 （填序號）。

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

答案：（1） ① （2） 進入⑤細胞核是通過核孔；進入⑥葉綠體或⑦線粒體是通過內吞作用，借助于膜的流動性 （3） 蛋白質的合成 多肽鏈 （4） ⑤、⑥、⑦ （5） 丁 有明確的分工，又有密切的聯系

解析：分析題圖可知，結構①～⑦分別為核糖體、內質網、高爾基體、細胞膜、細胞核、葉綠體、線粒體，其中核糖體不具有膜結構，即不含磷脂分子。蛋白質進入⑤細胞核是通過核孔，進入⑥葉綠體或⑦線粒體是通過內吞作用，借助于膜的流動性。細胞核、葉綠體和線粒體中都含有DNA，因此都可以發生DNA的復制和轉錄。胰島素為分泌蛋白，在核糖體上合成后，需經過內質網加工，由內質網腔膨大、出芽形成囊泡，囊泡包裹著蛋白質轉移到高爾基體，把蛋白質輸送到高爾基體腔內，做進一步的加工。接著，高爾基體邊緣突起形成囊泡，把蛋白質包裹在囊泡里，運輸到細胞膜，囊泡與細胞膜融合，把蛋白質釋放到細胞外，即胞吐出細胞。這一過程體現了細胞中各種生物膜在功能上既有明確的分工，又有密切的聯系。

2.2 猜想2：考查細胞的動態結構和功能

在傳統細胞生物學中，對各種細胞器的描述往往以靜態結構為主。隨著近年來活細胞成像、超高分辨顯微成像等技術的發展，人們對細胞器的認識已上升到動態的層面，即各種類型的細胞器雖然分別局限在特定分區內完成細胞的某些生理功能，但細胞器之間也在發生不斷的物質交換，以保障細胞器的穩態和發揮其正常功能。由此，細胞生物學家所面臨的基本科學問題就是：細胞內經囊泡運輸的成千上萬種“貨物”，究竟是怎樣被標記和識別，再精確地運送到特定的地點，并“卸載”的呢？另外，一旦這個運輸過程發生紊亂，對細胞又將產生什么樣的后果？

【例2】 2013年諾貝爾獎生理學或醫學獎獎給美國科學家詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼、德國科學家托馬斯·祖德霍夫，他們的研究成果涉及到細胞運輸系統的膜融合。圖3是人體某組織細胞示意圖，請據圖回答：

（1） 結構②的主要生理功能是 。

（2） 若該圖表示胰島B細胞，則它分泌的信號分子1是 。該分子從開始合成到分泌出細胞，必須經過的結構依次是 。

（3） 外來的信號分子2作用于該細胞時，首先與細胞膜上的 結合，引起該細胞原有的生理活動發生改變，這一過程體現了細胞膜的哪一功能？ 。

（4） 該細胞中的生物膜系統包括 （填標號），在生物膜行使功能時起主要作用的物質是

。

答案：（1） 對來自內質網的蛋白質進行加工、分類、包裝 （2） 胰島素 核糖體、內質網（囊泡）、高爾基體、（囊泡）、細胞膜 （3） 信息分子 流動性 （4） 細胞膜、核膜和各種細胞器膜 蛋白質

解析：（1） 結構②是高爾基體，對來自內質網的蛋白質進行加工、分類、包裝。（2） 胰島B細胞分泌胰島素，則信號分子1為分泌蛋白——胰島素，從開始合成到分泌出細胞，經過的結構依次是核糖體、內質網、（囊泡）、高爾基體、（囊泡）、細胞膜。（3） 糖蛋白即受體可以與信息分子特異性結合，從而完成細胞間的信息交流。（4） 生物膜系統包括細胞膜、核膜和各種細胞器膜，這些膜的化學組成相似，主要由磷脂和蛋白質分子組成，其中蛋白質分子結構、功能多樣，在生物膜行使功能時起主要作用的是蛋白質分子。

2.3 猜想3：考查與生物大分子運輸錯誤有關的疾病

許多人類疾病從本質上講就是生物大分子運輸錯誤或不能被有效運輸排除掉造成的，如神經系統疾病、糖尿病及免疫系統的疾病等。針對細胞囊泡運輸機制的研究為新藥物的設計和研發提供了新途徑，預期將有針對生物大分子運輸錯誤的藥物產生。

【例3】 科學研究表明：精神因素（焦慮、緊張等的心理應激）會使T細胞活性下降，對病毒、真菌感染的抵抗能力和對腫瘤細胞的監控能力下降，還間接引起機體生成抗體的能力降低。圖4表示神經、免疫、內分泌三大系統相互調節的部分示意圖，請據圖回答下列問題。

（1） 由圖4可知，神經系統可通過突觸前膜

直接調節免疫器官或免疫細胞的活動，還可通過下丘腦分泌有關激素間接調節免疫器官或免疫細胞的活動。

（2） 精神因素使T細胞活性下降，為什么會引起機體生成抗體的能力降低？

。

（3） 維持機體穩態離不開細胞間的信息交流，動物細胞間進行信息交流的途徑有：一是

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

（4） 下列是人體的生理反應：① 流感病毒侵入人體時，有時可作用于紅細胞，使紅細胞成為靶細胞，導致體內產生抗紅細胞抗體，這種抗體也可以對正常紅細胞發生作用，引起紅細胞裂解，稱為溶血性貧血；② 美國有一免疫功能異常的兒童，不能接觸任何病原體，少量病菌亦可導致嚴重發病；③ 某人一吃海鮮就出現嚴重的腹瀉。上述三種生理反應依次屬于

（A.過敏反應；B.自身免疫?。籆.免疫缺陷??；D.遺傳病）。

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

解析：正常機體通過調節作用，使各個器官、系統協調活動，共同維持內環境的相對穩定?！吧窠洝w液—免疫”調節網絡是機體維持穩態的主要調節機制，其中神經調節處于主導地位。神經系統可通過突觸前膜釋放神經遞質直接調節免疫器官或免疫細胞的活動，還可通過下丘腦分泌有關激素間接調節免疫器官或免疫細胞的活動。精神因素使T細胞活性下降，T細胞呈遞抗原以及釋放淋巴因子能力就會下降，B細胞增殖分化成的漿細胞就減少，故機體生成抗體的能力會降低。

從圖中還可以看出，動物細胞間進行信息交流的途徑主要有兩種：一是神經遞質、激素、免疫活性物質等信息分子通過體液運輸并作用于靶細胞來實現；二是通過細胞間的相互接觸來實現信息交流，如吞噬細胞將抗原呈遞給T細胞。

當機體免疫功能失調時，可引起過敏反應、自身免疫病以及免疫缺陷病。過敏反應是指已免疫機體在再次接受相同物質刺激時所發生的反應；自身免疫病是指自身免疫反應對自身的組織和器官造成損傷并出現癥狀；免疫缺陷病是指機體免疫功能不足或缺乏引起的疾病。

2.4 猜想4：考查神經遞質釋放的機制

20世紀90年代，諾貝爾獎得主托馬斯·祖德霍夫聚焦于神經細胞中的鈣離子敏感蛋白，描摹出鈣離子流動的分子機制，并發現了突觸囊泡感受外界信號的關鍵因子和關鍵蛋白——鈣離子和鈣結合蛋白，通過它們，突觸小泡接受信號，快速準確地釋放，完成神經信號的傳遞。

【例4】 圖5左側是神經-肌肉接頭，其結構和功能與突觸類似。當興奮傳導至突觸小體時，突觸間隙中的Ca2+通過突觸前膜上的Ca2+通道內流，導致突觸小泡與突觸前膜融合，釋放神經遞質。血鈣正常值約為9～11 mg/100 mL血漿。低于7 mg/100 mL血漿時屬低血鈣，低血鈣即細胞外鈣濃度降低，對鈣離子內流的抑制屏障作用減弱，使神經細胞興奮性增高。請回答下列問題：

（1） 傳出神經末梢及其支配的肌肉在反射弧中稱為 ?？茖W家研究發現，刺激大腦皮層的中央前回，也會引起肌肉的收縮，此時接受刺激的是反射弧中的 。

（2） 神經遞質盡管是小分子物質，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遞質，當乙酰膽堿與肌細胞膜上相應受體結合后，引起肌肉收縮。α-銀環蛇毒能與乙酰膽堿受體結合，α-銀環蛇毒中毒時，肌肉表現是 。

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

。

（5） 動態皺紋又稱動力性皺紋，它是由于面部表情肌長期收縮牽拉皮膚而形成的。“肉毒毒素美容”已經成為時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毒素，能特異地與突觸前膜上Ca2+通道結合。結合圖解分析“肉毒毒素美容”的原理：

。

答案：（1） 效應器 神經中樞 （2） 短時間內使神經遞質大量釋放 （3） 松弛（或不能收縮、或舒張） （4） 神經細胞興奮性 （5） 肉毒毒素能特異地與突觸前膜上Ca2+通道結合，阻止了Ca2+內流，從而影響突觸前膜釋放乙酰膽堿，導致面部表情肌松弛

解析：神經遞質盡管是小分子物質，但仍是通過胞吐方式釋放到突觸間隙，其意義在于短時間內使神經遞質大量釋放，從而有效實現神經興奮的快速傳遞。α-銀環蛇毒能與乙酰膽堿受體結合，α-銀環蛇毒中毒時，則導致乙酰膽堿不能與相應的受體結合，肌肉則表現為松弛（或不能收縮、或舒張）。