以“溫度與觸覺受體的發(fā)現(xiàn)”為情境的命題與思考

黃林軍

(廣東省惠州市綜合高級中學(xué))

《中國高考評價體系》要求高考試題要依托真實(shí)的問題情境,考試內(nèi)容要考查學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者在教學(xué)中以2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎“溫度與觸覺受體的發(fā)現(xiàn)”作為問題情境進(jìn)行試題命制,訓(xùn)練的角度主要包括:細(xì)胞膜的成分及作用、物質(zhì)跨膜運(yùn)輸、基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成、神經(jīng)調(diào)節(jié)和體溫調(diào)節(jié)、實(shí)驗(yàn)與探究拓展等,以促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的形成,提高解題能力。

1.細(xì)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(xì)胞膜表面,能夠接受外界刺激并介導(dǎo)離子進(jìn)入細(xì)胞從而產(chǎn)生動作電位的蛋白質(zhì),以此為情境命制試題考查學(xué)生對細(xì)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(yīng)細(xì)胞膜上的機(jī)械力刺激并介導(dǎo)陽離子進(jìn)入細(xì)胞,進(jìn)而使細(xì)胞產(chǎn)生動作電位。Piezo的結(jié)構(gòu)模式圖及作用機(jī)理如圖1所示,下列相關(guān)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(zhì)運(yùn)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(xì)胞膜上的蛋白質(zhì),可以控制離子進(jìn)出細(xì)胞,體現(xiàn)了細(xì)胞膜的流動性

D.當(dāng)接受壓力時,Piezo受體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)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(xì)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(zhì)是蛋白質(zhì),屬于生物大分子,B正確;Piezo控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的過程,體現(xiàn)了細(xì)胞膜的選擇透過性的功能特點(diǎn),C錯誤;受壓力刺激時,Piezo受體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,離子通道打開,Na+等陽離子進(jìn)入細(xì)胞從而使細(xì)胞產(chǎn)生動作電位,D錯誤。

2.物質(zhì)跨膜運(yùn)輸

溫度受體TRPV1和觸覺受體Piezo發(fā)揮作用的關(guān)鍵是其作為離子通道蛋白控制離子進(jìn)出細(xì)胞,從而產(chǎn)生動作電位,與必備知識物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)目疾榻嵌雀叨绕鹾?考查的關(guān)鍵能力包括理解能力和獲取信息的能力,科學(xué)思維包括比較和分類、歸納與演繹、建立模型等。

陳小華：任何一個行業(yè)都是這樣，開始時萬眾矚目，視頻網(wǎng)站、分類信息、O2O、團(tuán)購，包括現(xiàn)在的人工智能都曾經(jīng)成為浪潮，從業(yè)者前赴后繼紛紛關(guān)注；然后行業(yè)進(jìn)入洗牌探索期，很多人開始唱衰這個行業(yè)，行業(yè)內(nèi)也開始沉默，比如團(tuán)購行業(yè)當(dāng)年在這個階段也都在唱衰美團(tuán)和大眾點(diǎn)評；在第三個階段，開始有人發(fā)現(xiàn)，這個行業(yè)原來還有存活的企業(yè)在慢慢崛起。

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(nèi)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(nèi)流都屬于協(xié)助擴(kuò)散

B.當(dāng)細(xì)胞發(fā)生Ca2+內(nèi)流時,外界環(huán)境溫度高于43℃

C.辣椒素自由擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞,猜測其為小分子或脂溶性物質(zhì)

D.TRPV1既具有識別功能,還具有物質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓δ?/p>

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(nèi)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(jìn)行物質(zhì)的運(yùn)輸方式為協(xié)助擴(kuò)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(jìn)入細(xì)胞內(nèi)側(cè)與TRPV1結(jié)合,其跨膜運(yùn)輸方式為自由擴(kuò)散,而通過自由擴(kuò)散進(jìn)行運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)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(zhì)(乙二醇、甘油等),C正確。

3.基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成

溫度受體TRPV1和觸覺受體Piezo的本質(zhì)是蛋白質(zhì),其合成由基因指導(dǎo)完成,可以通過基因沉默的方法發(fā)現(xiàn)并研究該受體的功能。在命題設(shè)置中,我們可以考查中心法則的相關(guān)知識和實(shí)驗(yàn)與探究能力。

例3.大衛(wèi)·朱莉葉斯及其團(tuán)隊(duì)從大鼠能對疼痛、熱和觸覺產(chǎn)生反應(yīng)的感覺神經(jīng)元中提取了約16 000種mRNA,并利用這些mRNA逆轉(zhuǎn)錄形成雙鏈DNA片段,隨后將DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞中,并檢測受體細(xì)胞對辣椒素的反應(yīng),最終發(fā)現(xiàn)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(jīng)細(xì)胞,引起疼痛感,這與存在于口腔和皮膚等區(qū)域細(xì)胞上的一種辣椒素受體(TRPV1)有關(guān)。下列說法正確的是

( )

A.HIV首次侵入細(xì)胞時,逆轉(zhuǎn)錄所需的逆轉(zhuǎn)錄酶源自該細(xì)胞的核糖體

B.將該基因?qū)爰?xì)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(chǎn)生aa后代的變異也是基因重組

C.從該感覺神經(jīng)元提取出的mRNA,逆轉(zhuǎn)錄形成的DNA片段,與該細(xì)胞的對應(yīng)DNA片段相同

D.若提取的16 000種mRNA是該細(xì)胞內(nèi)所有的mRNA,那么有些mRNA可能不是染色質(zhì)基因轉(zhuǎn)錄而來

參考答案：D

試題解析：HIV是逆轉(zhuǎn)錄病毒,感染宿主細(xì)胞后用自身所攜帶的逆轉(zhuǎn)錄酶將RNA逆轉(zhuǎn)錄成DNA后整合進(jìn)入宿主細(xì)胞的DNA中,再開始進(jìn)行子代病毒的增殖,自身所攜帶的逆轉(zhuǎn)錄酶來自上一任宿主細(xì)胞,A錯誤;基因型為Aa的豌豆自交產(chǎn)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(jīng)元提取出的mRNA,逆轉(zhuǎn)錄形成的DNA片段稱為cDNA,與原DNA片段相比少了內(nèi)含子序列,C錯誤;若提取的16 000種mRNA是該細(xì)胞內(nèi)所有的mRNA,那么有些mRNA可能是由細(xì)胞質(zhì)DNA轉(zhuǎn)錄而來,D正確。

4.神經(jīng)調(diào)節(jié)和體溫調(diào)節(jié)

溫度與觸覺受體作為感受器的一部分參與神經(jīng)調(diào)節(jié)和體溫調(diào)節(jié),本素材可作為考查神經(jīng)調(diào)節(jié)和體溫調(diào)節(jié)的信息載體。

例4.2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了發(fā)現(xiàn)溫度與觸覺受體的大衛(wèi)·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(chǎn)生動作電位,進(jìn)而產(chǎn)生痛覺。下列相關(guān)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(qiáng)灼熱感

C.使用藥物使TRPV1蛋白暫時失活,能在手術(shù)麻醉上有重要作用

D.在室溫下,吃冰凍過的辣椒不會產(chǎn)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(qiáng)動作電位,因此會加強(qiáng)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(chǎn)生興奮,從而可以應(yīng)用于手術(shù)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(chǎn)生疼痛感,D錯誤。

5.實(shí)驗(yàn)探究與拓展

實(shí)驗(yàn)探究及其拓展可以從發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺受體的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)中探究命題素材,如“發(fā)現(xiàn)溫度受體的實(shí)驗(yàn)過程中控制變量” “觸覺受體發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)中篩選基因的過程中某些基因作為無關(guān)變量的操作” “溫度受體TRPV1發(fā)現(xiàn)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(guān)知識而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動。

例5.(武漢模擬,節(jié)選)2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺感受器的兩位科學(xué)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(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高,從而產(chǎn)生辣或燙的感覺。(已知在靜息狀態(tài)下,細(xì)胞外Ca2+濃度高于細(xì)胞內(nèi),此狀態(tài)會抑制Na+內(nèi)流)。

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

圖3

參考答案：LBP可降低(抑制)TRPV1的功能 兩組培養(yǎng)液中IL-6的含量

試題分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯φ諏?shí)驗(yàn)分析,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,對照組在加入辣椒素后胞內(nèi)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(fā)揮藥效;應(yīng)該補(bǔ)充檢測兩組培養(yǎng)液中IL-6的含量,以判斷LBP對IL-6釋放的影響;該實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),其結(jié)果應(yīng)該是LBP組(實(shí)驗(yàn)組)IL-6的含量明顯低于對照組。

6.總結(jié)

教學(xué)中使用新的情境素材、新的科研成果和觀點(diǎn),有利于學(xué)生對學(xué)科前沿進(jìn)展有一定的了解,以此為契機(jī)教師可鼓勵學(xué)生形成關(guān)注學(xué)科進(jìn)展、關(guān)注時事熱點(diǎn)的習(xí)慣和意識。如歷屆諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(2021年溫度和觸覺受體的發(fā)現(xiàn)、2020年新型基因編輯技術(shù)、2019年細(xì)胞感知并適應(yīng)氧氣變化的作用機(jī)制)等。這些都是常用的命題情境,分析其命題視角,在實(shí)踐和探索中完善命題角度,參考優(yōu)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(dá)到幫助學(xué)生了解高考試題命題規(guī)律,提高解題思維的目標(biāo)。