以“溫度與觸覺受體的發現”為情境的命題與思考

黃林軍

(廣東省惠州市綜合高級中學)

《中國高考評價體系》要求高考試題要依托真實的問題情境,考試內容要考查學生生物學學科核心素養。筆者在教學中以2021年諾貝爾生理學或醫學獎“溫度與觸覺受體的發現”作為問題情境進行試題命制,訓練的角度主要包括:細胞膜的成分及作用、物質跨膜運輸、基因指導蛋白質的合成、神經調節和體溫調節、實驗與探究拓展等,以促進學生學科核心素養的形成,提高解題能力。

1.細胞膜的成分及作用

溫度受體TRPV1和觸覺受體Piezo是一類存在于細胞膜表面,能夠接受外界刺激并介導離子進入細胞從而產生動作電位的蛋白質,以此為情境命制試題考查學生對細胞膜的成分及其功能的理解是非常好的素材。

例1.觸覺受體Piezo由三個相同的Piezo蛋白組成“螺旋槳狀”三聚體,能直接響應細胞膜上的機械力刺激并介導陽離子進入細胞,進而使細胞產生動作電位。Piezo的結構模式圖及作用機理如圖1所示,下列相關說法正確的是

圖1

( )

A.Piezo蛋白鑲嵌在磷脂雙分子層表面,參與物質運輸

B.Piezo受體“螺旋槳狀”三聚體屬于生物大分子

C.Piezo是位于細胞膜上的蛋白質,可以控制離子進出細胞,體現了細胞膜的流動性

D.當接受壓力時,Piezo受體結構發生變化,導致其失活

參考答案：B

試題分析：從題干信息及圖1可知觸覺受體Piezo蛋白存在于細胞膜上,貫穿磷脂雙分子層,具有離子通道蛋白的作用,A錯誤;受體Piezo本質是蛋白質,屬于生物大分子,B正確;Piezo控制物質進出細胞的過程,體現了細胞膜的選擇透過性的功能特點,C錯誤;受壓力刺激時,Piezo受體結構發生變化,離子通道打開,Na+等陽離子進入細胞從而使細胞產生動作電位,D錯誤。

2.物質跨膜運輸

溫度受體TRPV1和觸覺受體Piezo發揮作用的關鍵是其作為離子通道蛋白控制離子進出細胞,從而產生動作電位,與必備知識物質跨膜運輸的考查角度高度契合,考查的關鍵能力包括理解能力和獲取信息的能力,科學思維包括比較和分類、歸納與演繹、建立模型等。

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例2.TRPV1是一種熱敏受體,同時是一種通道蛋白,能被辣椒素和43 ℃以上的刺激激活引起Ca2+、Mg2+和Na+等陽離子內流,如圖2所示。下列說法錯誤的是

圖2

( )

A.Ca2+、Mg2+和Na+通過TRPV1內流都屬于協助擴散

B.當細胞發生Ca2+內流時,外界環境溫度高于43℃

C.辣椒素自由擴散進入細胞,猜測其為小分子或脂溶性物質

D.TRPV1既具有識別功能,還具有物質運輸的功能

參考答案：B

試題分析：TRPV1能被辣椒素和43 ℃以上的刺激激活引起Ca2+、Mg2+和Na+等陽離子內流,說明TRPV1具有識別功能,同時是一種離子通道,通過離子通道進行物質的運輸方式為協助擴散,即A與D正確,B錯誤;由圖2可知辣椒素穿過磷脂雙分子層進入細胞內側與TRPV1結合,其跨膜運輸方式為自由擴散,而通過自由擴散進行運輸的物質主要包括兩大類,一類是水或氣體(O2、CO2等)等小分子,一類是脂溶性物質(乙二醇、甘油等),C正確。

3.基因指導蛋白質的合成

溫度受體TRPV1和觸覺受體Piezo的本質是蛋白質,其合成由基因指導完成,可以通過基因沉默的方法發現并研究該受體的功能。在命題設置中,我們可以考查中心法則的相關知識和實驗與探究能力。

例3.大衛·朱莉葉斯及其團隊從大鼠能對疼痛、熱和觸覺產生反應的感覺神經元中提取了約16 000種mRNA,并利用這些mRNA逆轉錄形成雙鏈DNA片段,隨后將DNA導入受體細胞中,并檢測受體細胞對辣椒素的反應,最終發現辣椒中的辣椒素、胡椒中的胡椒堿以及43℃以上熱刺激可以激活神經細胞,引起疼痛感,這與存在于口腔和皮膚等區域細胞上的一種辣椒素受體(TRPV1)有關。下列說法正確的是

( )

A.HIV首次侵入細胞時,逆轉錄所需的逆轉錄酶源自該細胞的核糖體

B.將該基因導入細胞中引起的變異類型屬于基因重組,基因型為Aa的豌豆自交產生aa后代的變異也是基因重組

C.從該感覺神經元提取出的mRNA,逆轉錄形成的DNA片段,與該細胞的對應DNA片段相同

D.若提取的16 000種mRNA是該細胞內所有的mRNA,那么有些mRNA可能不是染色質基因轉錄而來

參考答案：D

試題解析：HIV是逆轉錄病毒,感染宿主細胞后用自身所攜帶的逆轉錄酶將RNA逆轉錄成DNA后整合進入宿主細胞的DNA中,再開始進行子代病毒的增殖,自身所攜帶的逆轉錄酶來自上一任宿主細胞,A錯誤;基因型為Aa的豌豆自交產生aa的基因型子代只涉及一對等位基因,無基因重組,B錯誤;從該感覺神經元提取出的mRNA,逆轉錄形成的DNA片段稱為cDNA,與原DNA片段相比少了內含子序列,C錯誤;若提取的16 000種mRNA是該細胞內所有的mRNA,那么有些mRNA可能是由細胞質DNA轉錄而來,D正確。

4.神經調節和體溫調節

溫度與觸覺受體作為感受器的一部分參與神經調節和體溫調節,本素材可作為考查神經調節和體溫調節的信息載體。

例4.2021年諾貝爾生理學或醫學獎授予了發現溫度與觸覺受體的大衛·朱莉葉斯教授和阿德姆·帕塔普蒂安教授,溫度受體TRPV1是一種熱敏受體,同時是一種通道蛋白,能被辣椒素或43℃以上的刺激激活而產生動作電位,進而產生痛覺。下列相關說法錯誤的是

( )

A.TRPV1被激活時,可能是受到了43℃以上的熱刺激

B.食用辣椒之后,在口腔的灼熱感未消失之前,喝下50℃的水,可以增強灼熱感

C.使用藥物使TRPV1蛋白暫時失活,能在手術麻醉上有重要作用

D.在室溫下,吃冰凍過的辣椒不會產生疼痛感

參考答案：D

試題解析：辣椒素和43℃以上刺激均能激活TRPV1受體,兩種刺激同時刺激可以加強動作電位,因此會加強灼熱感,A和B正確;TRPV1是痛覺受體,使用藥物使其失活后會使感受器無法產生興奮,從而可以應用于手術麻醉,C正確;室溫下吃冰凍的辣椒依然存在辣椒素的刺激,同樣會產生疼痛感,D錯誤。

5.實驗探究與拓展

實驗探究及其拓展可以從發現溫度和觸覺受體的科學史實驗中探究命題素材,如“發現溫度受體的實驗過程中控制變量” “觸覺受體發現的實驗中篩選基因的過程中某些基因作為無關變量的操作” “溫度受體TRPV1發現的過程使用的假說—演繹法”等,也可以基于溫度與觸覺受體相關知識而設計實驗探究活動。

例5.(武漢模擬,節選)2021年諾貝爾生理學或醫學獎頒給了發現溫度和觸覺感受器的兩位科學家。研究表明,TRPV1是一種陽離子通道蛋白,辣椒素和43 ℃以上的高溫都能激活TRPV1,激活后引起細胞內Ca2+濃度升高,從而產生辣或燙的感覺。(已知在靜息狀態下,細胞外Ca2+濃度高于細胞內,此狀態會抑制Na+內流)。

研究表明,炎癥因子IL-6也會使TRPV1通透性增強,引起痛覺。為驗證鎮痛藥枸杞多糖(LBP)能通過抑制IL-6的釋放發揮藥效,將離體神經元和能釋放IL-6的膠質細胞共同培養。對照組和LBP組均用辣椒素處理,檢測神經元內Ca2+信號變化,結果如圖3。該實驗還不足以驗證假設,原因是對照組在加入辣椒素后胞內Ca2+明顯增加,LBP組幾乎無變化,僅能說明________。完善實驗還需要補充檢測________。

圖3

參考答案：LBP可降低(抑制)TRPV1的功能 兩組培養液中IL-6的含量

試題分析：根據實驗目的和對照實驗分析,該實驗結果顯示,對照組在加入辣椒素后胞內Ca2+明顯增加,而LBP組幾乎無變化,僅能說明LBP可降低(抑制)TRPV1的功能,不能說明LBP通過抑制IL-6的釋放發揮藥效;應該補充檢測兩組培養液中IL-6的含量,以判斷LBP對IL-6釋放的影響;該實驗是驗證性實驗,其結果應該是LBP組(實驗組)IL-6的含量明顯低于對照組。

6.總結

教學中使用新的情境素材、新的科研成果和觀點,有利于學生對學科前沿進展有一定的了解,以此為契機教師可鼓勵學生形成關注學科進展、關注時事熱點的習慣和意識。如歷屆諾貝爾生理學與醫學獎(2021年溫度和觸覺受體的發現、2020年新型基因編輯技術、2019年細胞感知并適應氧氣變化的作用機制)等。這些都是常用的命題情境,分析其命題視角,在實踐和探索中完善命題角度,參考優秀的命題作品,提升對試題命制過程和命題思路的理解,命制一系列考查角度的試題,達到幫助學生了解高考試題命題規律,提高解題思維的目標。