从溶酶体发现到自噬基因揭秘

河北 訾玉玲

从溶酶体发现到自噬基因揭秘

河北 訾玉玲

2016年10月3日，日本东京工业大学的科学家大隅良典被授予诺贝尔生理学或医学奖。在对酵母细胞的研究中大隅良典不仅看到了正在运行的自噬行为，还找出了导致无法运行自噬过程的突变细胞，并基于他发现的参与调控细胞自噬过程的多个关键基因阐明了细胞自噬过程的分子机制。关于细胞自噬机制的研究已经进行了50年，大隅良典在20世纪90年代完成的开拓性研究使人们广泛意识到该过程在生理学和医学中的重要性。

1.挖掘与高中教材的内在联系

这项诺贝尔奖与我们高中现行教材中很多内容具有相关性，在人教版必修1“细胞器—系统内的分工与合作”中简单介绍了溶酶体，表述为“溶酶体是消化车间，内部含有多种水解酶，能分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并杀死侵入细胞的病毒或病菌，被溶酶体分解后的产物，如果是对细胞有用的物质，细胞可以再利用，废物则被排出细胞外”。在“细胞的衰老和凋亡”一节中写到“在成熟的生物体中，细胞的自然更新、被病原体感染的细胞的清除，也是通过细胞凋亡完成的”。结合诺贝尔奖成果对有关内容进行适当整合，一起接触科技最前沿知识，让学习更具时代感。

与细胞自噬的相关研究可以追溯到20世纪50年代，笔者把与这一知识点相关的诺贝尔奖得主的研究成果进行了整理，力求将科技前沿知识与高中教材内容有机结合（见表1），以期扩宽同学们的视野。

与细胞自噬有关的诺贝尔奖分析

2.依托最新研究机理，创设情境进行创新训练

“细胞自噬”这一2016年最新诺贝尔生理学或医学奖成果，可以成为命题“高起点，低落点”的素材，很好地体现时代发展特色。基于相关的知识，笔者尝试创编了一些习题。

【原创试题】下图为“细胞自噬”过程示意图，当细胞质中的蛋白质、脂肪分子形成一片片的双层膜结构时，自噬过程就开始了。膜结构会自动卷曲，形成一个具有开口的小球，把周围的细胞质“吞”进去。之后，小球越长越大、开口逐渐封闭，成为一个封闭的自噬体。最后，自噬体与溶酶体融合，把包裹着的分子倒入溶酶体的“消化液”中。经过消化，尚可利用的分子碎片将被送回细胞质，循环利用，无法利用的废物被排出细胞外。依据下面的示意图，请回答：

（1）动物细胞是由________、________和________三部分组成的，大部分细胞器和生物分子都悬浮在________中，很多细胞活动都在这里进行。大量残渣致使细胞活动受到影响甚至停滞，自噬作用将淤积在其中的代谢残渣清除掉，恢复正常的细胞活动。

（2）溶酶体中的“消化液”是指内含多种________，能分解衰老、损伤的_______，吞噬并杀死侵入细胞的病毒或病菌，溶酶体中的杀菌物质的作用属于人体的________防线，属于________免疫。

（3）图中①→②→③→④的自噬体延伸过程中，小球的开口逐渐封闭，各种衰老、损伤的细胞器的膜可以成为自噬体的膜，原因是这些生物膜的________很相似，在________上紧密联系。

（4）图中的调节复合物、PI3K复合物等主要成分的化学本质是蛋白质，其基本组成单位是________，合成场所是________，有关基因的表达包括________和________两个过程。

（5）溶酶体通过膜上的氢离子泵使H+从细胞溶胶进入溶酶体内，保持pH为5左右，溶酶体内的酶如果侧漏而进入pH约为7的细胞溶胶中，则________（填“会”或“不会”）失去活性，是溶酶体合成和分泌了这些酶吗？________（填“是”或“否”）。

（6）为细胞自噬过程提供能量的细胞器是________，它是细胞进行________的主要场所。在人体衰老过程中，这一过程减慢，并伴随_______、___ ___、___ ___等变化。

（7）神经元的轴突末端的膨大被称为_______，内部的突触小泡中含有________，该物质以________方式释放，可以通过信号转变完成兴奋在神经细胞之间的传递。衰老的神经细胞自噬作用不完全，已无法有效清除细胞内的异常或受损蛋白，神经细胞无法消化那些本应该被分解的物质，造成轴突肿大，而影响神经系统正常功能，导致阿尔茨海默病发生。

（8）下列关于囊泡和生物膜的叙述，正确的是 （ ）

A.囊泡是双层膜，主要由磷脂分子和蛋白质合成

B.所有的酶都在生物膜上，没有生物膜，生物就无法进行各种代谢

C.内质网通过“出芽”形成的含分泌蛋白的囊泡，会移动到高尔基体，而不会移至核膜

D.大肠杆菌的囊泡由高尔基体形成，高尔基体的膜可转化为细胞膜

【试题来源】

参考《普通生物学》第三版（陈阅增）、《cell》杂志和《生物帮》相关资料。

【试题评价】

本试题利用2016年最新诺贝尔生理学或医学奖“细胞自噬”的机理图，创设新情境，紧密围绕教材中的有关知识，内容涉及细胞结构、溶酶体的作用、酶活性的影响因素、生物膜系统、蛋白质合成、基因表达、神经元的结构等知识，信息量较大，综合性较强。

【深入解析】

（1）本小题主要考查细胞的基本结构，强调细胞自噬作用的重要性。（2）人教版必修1细胞器的功能中指出溶酶体内含多种水解酶，能分解衰老损伤的细胞器，这一作用属于人体的第二道防线，属于非特异性免疫。（3）大隅良典的细胞自噬体膜的来源可以很好地考查生物膜系统的有关知识，它们在组成成分和结构上相似，在结构和功能上相互联系。（4）蛋白质的合成场所在核糖体，以氨基酸为基本单位，相应基因的表达需要经过转录和翻译两个阶段。（5）酶的作用需要适宜的pH，过酸或过碱都会破坏其空间结构，从而失去活性。溶酶体内含有水解酶，但合成这些酶的场所是在核糖体。（6）细胞自噬过程消耗的能量主要来自有氧呼吸，“动力工厂”是线粒体，细胞衰老的5大特征需要熟练掌握。（7）阿尔茨海默病发生与细胞自噬有关，这一与神经递质传递有关的疾病可以作为考查神经调节内容的知识载体。突触小体中的神经递质以胞吐的方式释放出突触前膜。（8）囊泡是单层膜，细胞质基质中也有酶可催化化学反应，大肠杆菌是原核生物，没有高尔基体。

【参考答案】

（1）细胞膜 细胞质 细胞核 细胞质（基质）

（2）水解酶 细胞器 第二道 非特异性

（3）组成成分和结构 结构和功能

（4）氨基酸 核糖体 转录 翻译

（5）会 否

（6）线粒体 有氧呼吸 水分减少 酶活性降低 细胞膜通透性改变 色素积累（答出三点即可）

（7）突触小体 神经递质 胞吐

（8）C

学生喜欢时代感强的课堂，把诺贝尔奖的内容与所学内容有机结合在一起，找到契合点，做深入的思考，可以极大地调动学生学习的积极性和主动性。

（作者单位：河北省石家庄市第二十七中学）