“物質(zhì)跨膜運輸”典例評析與備考難點突破

陳惠琴 謝麗開

細胞是一個開放的最基本的生命系統(tǒng)，時刻與環(huán)境進行著物質(zhì)交換。"物質(zhì)出入細胞的方式"是高考的高頻考點之一，考查角度多集中在物質(zhì)的跨膜運輸，當考題情景涉及膜結(jié)構(gòu)綜合考查控制物質(zhì)進出、能量轉(zhuǎn)換和信息交流等功能時，問題變得較為復(fù)雜，往往會成為考生作答的難點。在備考復(fù)習過程中，讀透教材準確理解相關(guān)概念，梳理概念之間的聯(lián)系構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，分析典型高考例題領(lǐng)會解題思路和技巧，歸納考查角度并適度訓(xùn)練，才能真正做到夯實基礎(chǔ)并突破疑難，真正地提升應(yīng)考的能力和效率。

一、典型高考試題評析

【例1】（2020·江蘇高考，5）如圖1所示中①-⑤表示物質(zhì)進出小腸上皮細胞的幾種方式，下列敘述正確的是

A. 葡萄糖進、出小腸上皮細胞方式不同

B. Na+主要以方式③運出小腸上皮細胞

C. 多肽以方式⑤進入細胞，以方式②離開細胞

D. 口服維生素D通過方式⑤被吸收

試題評析：本題考查5種常見物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞?，考查考生的理解能力和獲取信息的能力。細胞通過方式①吸收Na+ 和葡萄糖，雖然二者共用同一載體蛋白，實質(zhì)為兩種不同的運輸方式，Na+ 進入細胞是順濃度梯度，屬于協(xié)助擴散，葡萄糖進入細胞是逆濃度梯度，能量來自細胞內(nèi)外Na+ 濃度差的勢能，屬于主動運輸。而葡萄糖運出小腸上皮細胞是通過方式③，順濃度梯度，借助載體蛋白，屬于協(xié)助擴散，故A正確。Na+ 主要以方式②利用Na+ -K+ 泵主動運輸運出小腸上皮細胞，而方式③是協(xié)助擴散，故B錯誤。多肽是大分子物質(zhì)，以方式⑤即胞吞的方式進入細胞內(nèi)，不能以方式②主動運輸運出細胞，故C錯誤。維生素D屬于脂溶性小分子物質(zhì)，通過方式④即以自由擴散方式被吸收，故D錯誤。

解題方法啟示：本題是細胞膜控制物質(zhì)進出方式的典型題。此類題目解題的關(guān)鍵在于正確讀取圖中的信息，并打破慣性思維排除干擾項。本題的干擾點在A選項。因為在方式①中葡萄糖的吸收是逆濃度梯度的，但圖中有別于典型的主動運輸方式⑤并沒有標明ATP的供給，慣性思維可能會讓考生難以判斷此時逆濃度梯度運輸?shù)哪芰肯?，而只有把它與Na+ 的吸收共用同一蛋白載體聯(lián)系起來，聯(lián)系離子的濃度差存在勢能才能排除干擾。由此，對于主動運輸?shù)哪芰縼碓次覀儜?yīng)該有所拓展，即其能量來源除了ATP水解反應(yīng)釋放的化學(xué)能外，還包括物質(zhì)濃度差所產(chǎn)生的勢能等，而且需要進一步強化概念：凡逆濃度梯度運輸，需要消耗能量，屬主動運輸，凡順濃度梯度運輸為被動運輸，不消耗細胞化學(xué)反應(yīng)釋放的化學(xué)能。

參考答案：A

【例2】（2014·北京高考3）比較生物膜和人工雙層磷脂膜對多種物質(zhì)的通透性，結(jié)果如圖2所示。據(jù)此不能得出的推論是

A. 生物膜上存在著協(xié)助H2O通過的物質(zhì)

B. 生物膜對K+、Na+、Cl-的通透具有選擇性

C. 離子以協(xié)助擴散方式通過人工膜

D. 分子的大小影響其通過人工膜的擴散速率

試題評析：本題以坐標圖呈現(xiàn)數(shù)據(jù)創(chuàng)設(shè)情境考查對物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞降谋举|(zhì)認識，涉及兩種膜結(jié)構(gòu)及多種物質(zhì)通透性數(shù)據(jù)的比較分析來作出推論，考查理解能力、獲取信息的能力、綜合能力，難度較大。讀圖可知，CO2、O2和甘油的運輸速度在生物膜和人工雙層磷脂膜上是相同的，可推論：這三種物質(zhì)的運輸與二者共有的磷脂雙分子層密切相關(guān)，為自由擴散，而這三種物質(zhì)運輸速度有差異，從而推論出分子的大小的差異影響所致，故D推論正確。讀圖可知，H2O在生物膜上的通透性要大于在人工膜上的速度，可推論在生物膜上有協(xié)助H2O運輸?shù)奈镔|(zhì)，實質(zhì)水通道蛋白的存在導(dǎo)致水的跨膜方式還有協(xié)助擴散，故A推論可得出;K+、Na+、Cl- 的在生物膜上的通透性有差異，生物膜對這些離子具有選擇性，故B推論正確;因為人工膜沒有載體蛋白，離子不能以協(xié)助擴散方式通過人工膜，故C推論不能得出。

參考答案：C

【例3】（2020·天津高考第14節(jié)選）神經(jīng)細胞間的突觸聯(lián)系往往非常復(fù)雜。圖3為大鼠視網(wǎng)膜局部神經(jīng)細胞間的突觸示意圖。據(jù)圖回答：

（1）當BC末梢有神經(jīng)沖動傳來時，甲膜內(nèi)的_______釋放谷氨酸，與乙膜上的谷氨酸受體結(jié)合，使GC興奮，誘導(dǎo)其釋放內(nèi)源大麻素，內(nèi)源性大麻素和甲膜上的大麻素受體結(jié)合，抑制Ca2+通道開放，使BC釋放的谷氨酸__________（增加/減少）最終導(dǎo)致GC興奮性降低。

（2）GC釋放的內(nèi)源性大麻素還能與丙膜上的大麻素受體結(jié)合，抑制AC中甘氨酸的釋放，使甲膜上的甘氨酸受體活化程度________（升高/降低），進而導(dǎo)致Ca2+通道失去部分活性。AC與BC間突觸的前膜為_____膜。

（3）上述為______調(diào)節(jié)機制，保證了神經(jīng)調(diào)節(jié)的精準性。該調(diào)節(jié)過程與細胞膜________兩種功能密切相關(guān)。

試題評析：本題以大鼠視網(wǎng)膜局部神經(jīng)細胞間的突觸聯(lián)系為背景創(chuàng)設(shè)情境，在新情境中考查考生對物質(zhì)的跨膜運輸、細胞膜的功能、負反饋調(diào)節(jié)機制等知識的理解應(yīng)用水平，考查考生的理解能力、獲取信息的能力、綜合能力。第（1）小題，當BC末梢有神經(jīng)沖動傳來時，甲膜通過胞吐方式釋放谷氨酸增加，包裹谷氨酸的小囊泡是突觸小泡;讀圖可知，Ca2+ 可促進突觸小泡釋放谷氨酸，而谷氨酸與乙膜的受體結(jié)合促進了大麻素釋放增加，大麻素與甲膜的受體結(jié)合后，抑制了Ca2+ 通道開放，BC吸收Ca2+ 減少，因而谷氨酸的釋放減少。從谷氨酸釋放增加到釋放減少，形成了一條調(diào)節(jié)環(huán)路，很顯然，這是一種負反饋調(diào)節(jié)，這種機制的意義是保證了神經(jīng)調(diào)節(jié)的精準性。第（2）小題，當BC末梢有神經(jīng)沖動傳來時，GC釋放的內(nèi)源性大麻素還能與丙膜上的大麻素受體結(jié)合后，抑制了丙膜甘氨酸的釋放，致使甲膜上的甘氨酸受體活化程度降低，顯然，這里也存在從谷氨酸釋放增加到釋放減少的調(diào)節(jié)環(huán)路，也是一種負反饋調(diào)節(jié)。對于丙膜和甲膜而言，丙膜釋放神經(jīng)遞質(zhì)甘氨酸，甲膜有甘氨酸的受體，所以丙膜為突觸前膜。第（3）小題，在前兩個小題的基礎(chǔ)上進行綜合，總結(jié)出細胞膜的兩個功能。

解題啟示：本題解題的關(guān)鍵從圖中獲取信息，圖中的信息錯綜復(fù)雜且互為因果，要抓住突觸結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征，即前膜釋放神經(jīng)遞質(zhì)，后膜具有特異性的受體;要掌握負反饋調(diào)節(jié)本質(zhì)特征，在一個系統(tǒng)中，系統(tǒng)本身工作的效果，反過來又作為信息調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的工作。

參考答案：（1）突觸小泡 減少（2）降低丙（3）負反饋 控制物質(zhì)的進出、進行細胞間的信息交流

【例4】（2014·江蘇高考27）生物膜系統(tǒng)在細胞的生命活動中發(fā)揮著極其重要的作用。圖4-5表示2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4表示的生理過程是________，其主要的生理意義在于______________。

（2）圖5中ATP參與的主要生理過程是__________。

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

（4）圖4-6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___________。

（5）圖6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___________。

（6）圖4-6說明生物膜具有的功能有________________________________________________________（寫出3項）。

試題分析：本題以葉綠體類囊體膜、線粒體內(nèi)膜、細胞膜的亞顯微鏡結(jié)構(gòu)及其發(fā)生的生理功能為背景創(chuàng)設(shè)情境，考查考生的光合作用、呼吸作用、細胞識別作用等知識的理解和應(yīng)用，考查理解能力、獲取信息能力和綜合能力。

第（1）小題，圖4發(fā)生了2H++1/2O2→H2O，并產(chǎn)生了ATP，可知發(fā)生在線粒體內(nèi)膜的有氧呼吸第三階段，合成的ATP為生命活動供能;

第（2）小題，圖5表示色素吸收光能合成ATP的光合作用的光反應(yīng)階段，合成的ATP參與暗反應(yīng)中的CO2的還原。

第（3）小題，光合作用是葉肉細胞特有的，有氧呼吸第三階段和生物膜的信息傳遞是葉肉細胞和人體肝臟細胞共有的，所以葉肉細胞與肝細胞都有的膜結(jié)構(gòu)是圖4、5。

第（4）小題，生物膜主要由蛋白質(zhì)和磷脂組成，而生物膜主要的功能活動由蛋白質(zhì)來參與完成，所以生物膜功能不同是含有的蛋白質(zhì)不同。

第（5）小題，一種受體只能與特定的信號分子相結(jié)合，說明了受體蛋白具有特異性，促甲狀腺激素釋放激素作用的靶器官為垂體。

第（6）小題，通過圖4、圖5可看出生物膜具有跨膜運輸功能和能量轉(zhuǎn)換功能，圖6可以看出生物膜具有信息交流功能。

解題啟示：本題是物質(zhì)跨膜運輸?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換功能的典型題。生物膜的基本結(jié)構(gòu)是基本相同的，但生理功能有不同，本題的解題的關(guān)鍵是根據(jù)圖中的關(guān)鍵信息來判斷生物膜的結(jié)構(gòu)及其生理功能。無論是光合作用還是呼吸作用都涉及到了H+ 的跨膜運輸，涉及了兩類膜蛋白的協(xié)助，包括H+ 質(zhì)子泵和ATP合成酶，理解這一點，有助于理解跨膜運輸?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換功能。

參考答案：（1）有氧呼吸第三階段 為生命活動供能 （2）暗反應(yīng)（3）4、6（4）含有的蛋白質(zhì)不同（5）受體蛋白具有特異性垂體（6）跨膜運輸、能量轉(zhuǎn)換信息交流等。

從上述高考典型試題分析來看，在新情境中考查知識和關(guān)鍵能力，重視考查基礎(chǔ)知識，呈現(xiàn)一定的綜合性、創(chuàng)新性，能力素養(yǎng)立意是今后命題的總趨勢。跨膜運輸?shù)奈镔|(zhì)種類繁多，不同物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞揭灿兴煌?，同一種物質(zhì)進出細胞的方式也可能不同。在這個版塊的復(fù)習備考過程中，應(yīng)該立足于夯實基礎(chǔ)，循序漸進突破難點和疑點，逐步提高生物學(xué)科素養(yǎng)。針對物質(zhì)跨膜運輸命題特點，多運用圖表法和比較法較為合適，需要綜合生物膜結(jié)構(gòu)、滲透壓的調(diào)節(jié)、神經(jīng)信息傳遞、生物膜上的能量轉(zhuǎn)換等內(nèi)容，下面提出從不同層面或不同角度展開全面系統(tǒng)的復(fù)習策略來突破。

二、難點突破復(fù)習策略

（一）讀透教材，比較歸納幾種物質(zhì)跨膜運輸方式的概念和特點并舉例（見圖7）

理解掌握幾個重要的觀點：

1. 細胞膜的功能特點是什么？有何意義？細胞膜的功能特點選擇透過性。保證了細胞內(nèi)相對穩(wěn)定的微環(huán)境。

2. 自由擴散和協(xié)助擴散統(tǒng)稱為被動運輸。被動運輸能否體現(xiàn)細胞膜的選擇透過性？依據(jù)是什么？被動運輸能體現(xiàn)細胞膜的選擇透過性，因為協(xié)助擴散需要轉(zhuǎn)運蛋白，轉(zhuǎn)運蛋白的種類和數(shù)量表現(xiàn)出細胞膜的選擇透過性;自由擴散中也會受到物質(zhì)的大小和性質(zhì)的影響，表現(xiàn)出選擇透過性。

3. 主動運輸?shù)囊饬x是什么？保證活細胞能夠按照生命活動的需要，主動選擇吸收所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，排出代謝廢物和對細胞有害的物質(zhì)。

4. 核膜是雙層膜，核內(nèi)外的物質(zhì)交換是如何進行的？核膜上有核孔，核孔具有選擇性，與物質(zhì)的分子大小無關(guān)，小分子一般不通過核孔運輸，核內(nèi)的DNA不能進入細胞質(zhì)。mRNA只能通過核孔進入細胞質(zhì)，而氨基酸、葡萄糖、離子和小分子等可通過核膜進出細胞核。

（二）圖文轉(zhuǎn)換，辨析圖中跨膜運輸?shù)姆绞讲⒈容^分析其影響因素。

（1）內(nèi)在影響因素。

物質(zhì)跨膜運輸與膜的流動性和選擇透過性有關(guān)，選擇透過性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是膜上載體蛋白的種類和數(shù)量。

（2）外在影響因素（見表1）。

比較總結(jié)影響物質(zhì)跨膜運輸速率的因素：

1. 自由擴散：主要受細胞膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差和溫度影響，不受O2濃度變化影響。

2. 協(xié)助擴散：主要受細胞膜內(nèi)外物質(zhì)的濃度差和溫度影響，不受O2濃度影響。受細胞膜上轉(zhuǎn)運蛋白的數(shù)量和種類影響，有載體飽和現(xiàn)象。

3. 主動運輸：凡能影響細胞內(nèi)產(chǎn)生能量的因素，都能影響主動運輸，如氧氣濃度、溫度等。載體蛋白有特異性，載體蛋白有飽和現(xiàn)象。

（三）突破難點，歸納幾種?？嫉哪さ鞍准捌渑c跨膜運輸方式的關(guān)系

1. 生物膜不只是有物質(zhì)轉(zhuǎn)運的功能，還有信息傳遞和能量轉(zhuǎn)換的功能。所以膜蛋白的種類也比較多。運用圖解幫助記憶和理解。（見圖8）

（1）“酶”蛋白：如ATP水解酶，好養(yǎng)性細菌細胞膜上附著與有氧呼吸相關(guān)的酶。

（2）受體蛋白：信號分子（如激素、神經(jīng)遞質(zhì)、淋巴因子）與之特異性結(jié)合，傳遞信息。

（3）載體蛋白：參與協(xié)助擴散和主動運輸，協(xié)助物質(zhì)的跨膜運輸。載體蛋白具有專一性，只容許與自身結(jié)合部位相適應(yīng)的分子或離子通過，每次轉(zhuǎn)運時都會發(fā)生自身構(gòu)象的改變。

（4）通道蛋白：通過打開或關(guān)閉通道（改變蛋白質(zhì)構(gòu)象）控制物質(zhì)跨膜運輸，屬于協(xié)助擴散。只容許與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子通過，物質(zhì)不需要與通道蛋白結(jié)合。如水通道蛋白、神經(jīng)傳導(dǎo)時，Ca2+離子通道、Na+、K+ 通道蛋白。

（5）離子泵：是一種具有ATP水解酶活性的載體蛋白，能利用水解ATP釋放的能量跨膜運輸離子，屬于主動運輸。如Na+-K+ 泵實際是由一種能分解ATP的酶，即Na+-K+ ATP酶，利用ATP供能，使Na+-K+ 泵的蛋白質(zhì)分子發(fā)生構(gòu)象變化，將Na+ 從細胞內(nèi)逆濃度運出，將K+ 從細胞外逆濃度梯度運入。

（6）質(zhì)子泵：在線粒體內(nèi)膜和葉綠體的類囊體膜等一些膜結(jié)構(gòu)上存在著質(zhì)子泵。可以利用質(zhì)子動力勢將ADP轉(zhuǎn)化成ATP，也可以利用水解ATP釋放的能量轉(zhuǎn)移質(zhì)子，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。例如：呼吸作用過程中在線粒體的內(nèi)膜上NADH將有機物降解得到的高能電子傳遞給質(zhì)子泵，后者利用這一能量將H+ 泵到線粒體基質(zhì)外，使得線粒體內(nèi)外膜間隙中H+ 濃度提髙，大部分H+ 通過特殊的結(jié)構(gòu)①回流至線粒體基質(zhì)，同時驅(qū)動ATP合成，如圖9所示：

分析：分析這一過程中物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞剑航Y(jié)構(gòu)①是一種具有ATP合成酶活性的通道蛋白，H+ 由膜間隙向線粒體基質(zhì)的跨膜運輸屬于協(xié)助擴散，通過質(zhì)子泵將H+ 由線粒體基質(zhì)向膜間隙的跨膜運輸屬于主動運輸，其中伴隨能量轉(zhuǎn)換：有機物中穩(wěn)定化學(xué)能→電能→ATP中活躍化學(xué)能。

（四）突破疑點，綜合分析幾種特定細胞的物質(zhì)跨膜運輸方式

如圖10所示為一種溶質(zhì)分子跨膜運輸?shù)氖疽鈭D。先比較分析細胞中三種膜蛋白及其轉(zhuǎn)運方式，再以腎小管上皮細胞和小腸上皮細胞中發(fā)生的一些物質(zhì)運輸實例進一步內(nèi)化。

1. 腎小管上皮細胞。如圖11所示為氨基酸和Na+進出腎小管上皮細胞的示意圖。上皮細胞中氨基酸進入組織液需要載體協(xié)助，不需要消耗能量，屬于協(xié)助擴散;官腔中氨基酸進入上皮細胞是依靠Na+的濃度差化學(xué)勢能，方式為主動運輸。

2. 小腸上皮細胞。如圖12所示為小腸上皮細胞吸收葡萄糖的示意圖。其吸收腸腔中低濃度的葡萄糖時與Na+使用同一載體，方式是主動運輸，而吸收Na+方式是協(xié)助擴散，K+以主動運輸方式從組織液進入小腸上皮細胞。

結(jié)語：對于物質(zhì)的跨膜運輸，教材的表達比較簡單，本文在備考策略方面，歸納、增補、重組了一些教材未曾出現(xiàn)的圖表、情境和案例，目的是加深學(xué)生對教材知識的理解，促進學(xué)生多角度思考問題，提升思維品質(zhì)，更加自信、有效、輕松自如地應(yīng)對高考。

責任編輯? ?李平安