用電化學(xué)梯度知識分析一道高考題

呂正余

細(xì)胞中能量的轉(zhuǎn)換是高中生物教材中的一個重要生理過程，與生物膜的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)。對這部分內(nèi)容，學(xué)生往往采用死記硬背的方式學(xué)習(xí)，學(xué)生也不清楚細(xì)胞中的能量到底如何轉(zhuǎn)換的，更談不上靈活應(yīng)用。

（2014·江蘇高考）生物膜系統(tǒng)在細(xì)胞的生命活動中發(fā)揮著極其重要的作用。圖a～c表示3種生物膜結(jié)構(gòu)及其所發(fā)生的部分生理過程。請回答下列問題：

（1） 圖1a表示的生理過程是 ，其主要的生理意義在于 。

（2） 圖1b中存在3種信號分子，但只有1種信號分子能與其受體蛋白結(jié)合，這說明 ；若與受體蛋白結(jié)合的是促甲狀腺激素釋放激素，那么靶器官是 。

（3） 圖1c中ATP參與的主要生理過程是

。

（4） 葉肉細(xì)胞與人體肝臟細(xì)胞都具有圖 （填圖序號）中的膜結(jié)構(gòu)。

（5） 圖1a～c中生物膜的功能不同，從生物膜的組成成分分析，其主要原因是 。

（6） 圖1a～c說明生物膜具有的功能有

（寫出3項）。

對于一個高中生來說，解讀試題中圖1中能量轉(zhuǎn)換的過程以及ATP合成的機(jī)制是十分困難的，這些過程和機(jī)制涉及高校教材中的電化學(xué)梯度知識。

圖1a和圖1c的共同點是生物膜的一側(cè)積累了大量H+，建立了質(zhì)子梯度。這種質(zhì)子梯度使生物膜兩側(cè)發(fā)生兩個顯著的變化：① 兩側(cè)形成一定的電位差，即電位梯度；② 兩側(cè)氫離子濃度的不同產(chǎn)生pH梯度，即濃度梯度。這兩種梯度合稱為電化學(xué)梯度。這種電化學(xué)梯度的建立能夠形成質(zhì)子運動力，在合適的條件下驅(qū)動ATP合成酶發(fā)揮作用，可以轉(zhuǎn)變成ATP中化學(xué)能儲存起來。

生物膜具有能量轉(zhuǎn)換的機(jī)制與現(xiàn)實生活中人們利用水力發(fā)電的原理相同，生物膜中的磷脂雙分子層酷似一個水壩，ATP合成酶就是一個旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)，電化學(xué)梯度就是高處的水（高低水位差形成勢能）驅(qū)動著發(fā)電機(jī)工作，源源不斷地合成的化學(xué)能儲存在ATP中。

這些知識的鋪墊將抽象的微觀知識變得生活化和趣味化，充分體現(xiàn)了生物學(xué)是身邊的科學(xué)。試題評講起來教師輕松，學(xué)生易懂，準(zhǔn)確掌握教材中光合作用、呼吸作用中的能量轉(zhuǎn)換過程。

變式題：圖2為腸道吸收葡萄糖的示意圖。腸黏膜上皮細(xì)胞上的Na+/K+-ATP酶維持著Na+的電化學(xué)梯度，然后驅(qū)動葡萄糖載體蛋白同向運輸葡萄糖。圖3為神經(jīng)細(xì)胞膜上的Na+離子通道受體與相應(yīng)的信號分子結(jié)合后，離子通道由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)入開放狀態(tài)，產(chǎn)生一種電效應(yīng)。請分析作答：

（1） 圖2細(xì)胞吸水膨脹時，[a] 的厚度變小，這說明細(xì)胞膜具有 。

（2） 圖2中葡萄糖跨膜運輸?shù)姆绞绞?。

（3） 圖3中的信號分子可能是 ，Na+跨膜運輸?shù)姆绞绞?。

（4） 圖3體現(xiàn)細(xì)胞膜的功能是 。

（5） 從功能上看，細(xì)胞膜是一層 膜，這一特性主要與膜上的 有關(guān)。

圖2中腸黏膜上皮細(xì)胞通過消耗ATP將細(xì)胞內(nèi)的鈉離子（Na+）運至細(xì)胞外，使生物膜的外側(cè)積累了大量Na+，建立了Na+的電化學(xué)梯度。這種Na+的電化學(xué)梯度驅(qū)動著葡萄糖的載體蛋白工作，將生物膜外側(cè)的葡萄糖源源不斷地運輸至生物膜內(nèi)側(cè)，從而完成腸道吸收葡萄糖的過程。這樣，學(xué)生很容易理解圖2中葡萄糖跨膜運輸?shù)姆绞绞侵鲃舆\輸，洞穿了命題者設(shè)計的意圖。