分泌蛋白合成和运输实验的模拟*

王海霞 梁 强

（1 山东省聊城市高中教学研究室 山东聊城 252000 2 山东省阳谷县第一中学 山东聊城 252300）

帕拉德及其同事设计的分泌蛋白的合成和运输实验，将对细胞结构和功能的静态描述引向动态研究，是生物学史上最精彩的实验之一。人教版教材以资料分析的形式对该实验进行了介绍，旨在以分泌蛋白的合成和运输为例说明细胞器之间的协调配合。因此以分泌蛋白为背景，考查不同细胞器的结构和功能也就成为高考的重要考点，近10年高考中全国或部分省市几乎每年都对这一内容进行考查，2007年全国新课标I 卷第5 题，以曲线图的形式很好地考查了学生的理性思维。原题如下：

图1 表示用3H－亮氨酸标记细胞内的分泌蛋白，追踪不同时间具有放射性的分泌蛋白颗粒在细胞内分布情况和运输过程。 其中正确的是（C）。

图1

然而本题的正答率却很低，学生出错原因主要是：1）不能正确理解纵坐标放射性颗粒数百分比的含义。 2）对分泌小泡的误解，将内质网产生的囊泡也误认为是分泌小泡，结果错选A。因为人教版教材没有明确界定分泌小泡的概念，因此很多教师对此题持有异议，甚至对这部分知识的教学也产生了疑问。此外，在学习分泌蛋白合成和运输内容时，教师经常会用动画演示细胞内的微观变化，无形之中使学生产生错觉，认为实验中观察到的细胞仍然是活细胞，为了更好地理解本部分内容，笔者设计了帕拉德经典实验的简单模拟实验，在教学中取得了很好效果。

首先补充帕拉德经典实验的具体过程：

1）将豚鼠的胰腺腺泡细胞放入含3H－亮氨酸的培养液中短期培养3 min，从中取少量的细胞固定（使细胞迅速死亡，但仍保持原有形态结构的一种技术）后，通过一定的技术（制成超薄切片，使用对射线敏感的感光乳剂曝光，显影后，在显微镜下观察）可以检测到放射性蛋白质的位置。

2）将培养3 min 的细胞转入不含3H－亮氨酸的培养液中继续培养。 定时取少量细胞进行检测即可追踪蛋白质的运输路径。

然后进行模拟实验： 假定每个学生代表一个胰腺腺泡细胞，假设在3H－亮氨酸的培养液中培养3 min，此时发给学生每人一张图片（图2）。

第3 min 时胰腺腺泡细胞即图2 状态，教师任选一位学生收回他的图片，表示他代表的胰腺腺泡细胞被固定并用作检测放射性蛋白质的位置，检测结果为：放射性蛋白质（图中●）全部分布在内质网中。然后据图介绍分泌小泡：分泌小泡是按照功能命名的名词，细胞在合成分泌蛋白时，高尔基体产生的向细胞膜运动的囊泡是分泌小泡（摘自百度百科），内质网产生的囊泡由于未把产物运输分泌到细胞外所以不是分泌小泡。

接着假设： 将其余学生代表的胰腺腺泡细胞转入不含3H－亮氨酸的培养液中继续培养到第10 min，此时发给学生第2 张图片（见图3）：

图3

第10 min 时胰腺腺泡细胞即图3 状态，教师再选一位学生收回他的图片，表示他代表的胰腺腺泡细胞被固定并用作检测，检测结果为：放射性蛋白质已转运到囊泡和高尔基体，核糖体新合成的蛋白质无放射性,原因是培养液中的亮氨酸没有放射性。

与上相同，第20 min、30 min、40 min 时，教师从第3、4、5 位学生手中收回另3 张图片（见图4、图5、图6，最好让学生自己将图中放射性蛋白质涂黑）。

将图2～图6 放在一起连续观察，即可发现放射性蛋白质的运输路径： 附着核糖体的内质网→囊泡→高尔基体→分泌小泡→细胞外。 因为观察到的细胞已被固定杀死，这一结论是连续观察不同细胞而得出的。

图4

图5

随后对实验结果进行定量分析： 放射性强度可以用放射性颗粒数（图中●）的百分比表示：放射性颗粒数的百分比=某细胞结构中的放射性颗粒数/整个细胞中的放射性颗粒数×100%。

要求学生分别计算内质网、高尔基体、分泌小泡在第3 min、10 min、20 min、30 min、40 min 时的放射性颗粒数百分比，填入下表:

表1

根据数据，在坐标中画出平滑曲线，结果如图7。

图7

要求学生进一步思考： 如果其他条件保持不变，增加模型中内质网、高尔基体囊腔及核糖体的数量（图8，摘自网络）。那么，曲线降为零的时间是不变还是延后?

图8

答案：因蛋白质的运输路径变长，在内质网、高尔基体停留的时间也就延长，曲线降为零的时间要延后。

接着提供实验的实际结果，见图9（摘自网络，略改动）。

图9

由图可以看出: 在前3min 的放射性培养中，内质网中放射性蛋白质的数量逐渐增多，但是它们没有释放到内质网之外，所以内质网的放射性颗粒数的百分比一直是100%。 17 min 时放射性蛋白质主要集中在高尔基体，117 min 时主要分布在细胞膜内、外两侧，这就是教材实验结果的由来。

通过上述模拟实验，学生亲身体验了分泌蛋白的合成和运输过程，对教材实验有了更深的理解，真正做到了知其然，而且做到了知其所以然；同时训练了学生采集、 处理数据并用曲线表达实验结果的技能，有效地提升了生物学科核心素养。