基于高考試題情境的“主動運輸”專項突破

賈 妮

(陜西省漢中中學)

1.課題背景

主動運輸普遍存在于動植物和微生物細胞中,通過主動運輸來選擇吸收所需要的物質(zhì),排出代謝廢物和對細胞有害的物質(zhì),從而保證細胞和個體生命活動的需要。教材以“甲狀腺濾泡上皮細胞從血液中吸收碘,小腸上皮細胞從小腸液中吸收氨基酸、葡萄糖,人紅細胞從血漿中吸收K+,輪藻細胞從周圍水環(huán)境中吸收K+,Ca2+出細胞”等實例凸顯了ATP直接供能的主動運輸。

從2019—2023年高考卷考情概覽中(表)可以看出,主動運輸?shù)拿}以選擇題為主,在考查過程中具有緊密聯(lián)系科學探究情境、圖文信息豐富、設問方式獨特、考查角度創(chuàng)新等特點,常以特定細胞或細胞器中多種物質(zhì)協(xié)同轉(zhuǎn)運的文字或圖例的科學探究情境為素材,主要考查結構與功能相適應的生命觀念下各種物質(zhì)跨膜運輸方式的判斷及特點,考查學生邏輯推理與論證、析圖識圖、圖文轉(zhuǎn)換等能力。

表 2019—2023年高考卷考情概覽

筆者將近年科學探究情境下的“主動運輸”真題進行分析和深度解讀,在展望命題趨勢、歸納信息要點、總結知識規(guī)律、拓展知識框架的過程中,幫助學生提升復習備考的效率。

2.專項突破

2.1 H+-ATPase參與的主動運輸

例1.(2019·全國Ⅱ卷,3,6分)某種H+-ATPase是一種位于膜上的載體蛋白,具有ATP水解酶活性,能夠利用水解ATP釋放的能量逆濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運H+。①將某植物氣孔的保衛(wèi)細胞懸浮在一定pH的溶液中(假設細胞內(nèi)的pH高于細胞外),置于暗中一段時間后,溶液的pH不變。②再將含有保衛(wèi)細胞的該溶液分成兩組,一組照射藍光后溶液的pH明顯降低;另一組先在溶液中加入H+-ATPase的抑制劑(抑制ATP水解),再用藍光照射,溶液的pH不變。根據(jù)上述實驗結果,下列推測不合理的是

( )

A.H+-ATPase位于保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上,藍光能夠引起細胞內(nèi)的H+轉(zhuǎn)運到細胞外

B.藍光通過保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上的H+-ATPase發(fā)揮作用導致H+逆濃度梯度跨膜運輸

C.H+-ATPase逆濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運H+所需的能量可由藍光直接提供

D.溶液中的H+不能通過自由擴散的方式透過細胞質(zhì)膜進入保衛(wèi)細胞

【難點點撥】梳理題干實驗過程,建立以下邏輯鏈條:

a.保衛(wèi)細胞+一定pH的溶液+黑暗→溶液pH不變

b.保衛(wèi)細胞+一定pH的溶液+藍光→溶液pH降低

c.保衛(wèi)細胞+一定pH的溶液+H+-ATPase的抑制劑+藍光→溶液pH不變

通過分析可得:H+通過主動運輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)逆濃度梯度的跨膜轉(zhuǎn)運需要ATP水解直接供能,而藍光可以為ATP合成提供能量。

【參考答案】C

2.2 ABC轉(zhuǎn)運蛋白參與的主動運輸

例2.(2020·海南卷,18,3分)ABC轉(zhuǎn)運蛋白是一類跨膜轉(zhuǎn)運蛋白,參與細胞吸收多種營養(yǎng)物質(zhì),每一種ABC轉(zhuǎn)運蛋白對物質(zhì)運輸具有特異性。ABC轉(zhuǎn)運蛋白的結構及轉(zhuǎn)運過程如圖1所示,下列有關敘述正確的是

圖1

( )

A.ABC轉(zhuǎn)運蛋白可提高O2的跨膜運輸速度

B.ABC轉(zhuǎn)運蛋白可協(xié)助葡萄糖順濃度梯度進入細胞

C.Cl-和氨基酸依賴同一種ABC轉(zhuǎn)運蛋白跨膜運輸

D.若ATP水解受阻,ABC轉(zhuǎn)運蛋白不能完成轉(zhuǎn)運過程

【難點點撥】據(jù)圖分析,ABC轉(zhuǎn)運蛋白通過結合和水解ATP分子,就能完成小分子物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運。該過程需要ATP水解直接供能,若ATP水解受阻,ABC轉(zhuǎn)運蛋白不能完成轉(zhuǎn)運過程。

【參考答案】D

2.3 蔗糖-H+共運輸載體參與的主動運輸

例3.(2021·北京卷,19,12分)(節(jié)選)蔗糖自葉肉細胞至SE-CC的運輸(圖2)可以分為3個階段:①葉肉細胞中的蔗糖通過胞間連絲運輸?shù)巾g皮薄壁細胞;②韌皮薄壁細胞中的蔗糖由膜上的單向載體W順濃度梯度轉(zhuǎn)運到SE-CC附近的細胞外空間(包括細胞壁)中;③蔗糖從細胞外空間進入SE-CC中,如圖3所示。SE-CC的質(zhì)膜上有“蔗糖-H+共運輸載體”(SU載體),SU載體與H+泵相伴存在。胞內(nèi)H+通過H+泵運輸?shù)郊毎饪臻g,在此形成較高的H+濃度,SU載體將H+和蔗糖同向轉(zhuǎn)運進SE-CC中。采用該方式的植物,篩管中的蔗糖濃度遠高于葉肉細胞。

圖2

圖3

(1)在如圖所示的運輸方式中,蔗糖經(jīng)W載體由韌皮薄壁細胞運輸?shù)郊毎饪臻g的方式屬于________。由H+泵形成的________有助于將蔗糖從細胞外空間轉(zhuǎn)運進SE-CC中。

(2)下列實驗結果支持某種植物存在題中文字描述運輸方式的有________。

A.葉片吸收14CO2后,放射性蔗糖很快出現(xiàn)在SE-CC附近的細胞外空間中

B.用蔗糖跨膜運輸抑制劑處理葉片,蔗糖進入SE-CC的速率降低

C.將不能通過細胞膜的熒光物質(zhì)注射到葉肉細胞,SE-CC中出現(xiàn)熒光

D.與野生型相比,SU功能缺陷突變體的葉肉細胞中積累更多的蔗糖和淀粉

【難點點撥】本題圖文信息較為復雜、信息量大,由“韌皮薄壁細胞中的蔗糖由膜上的單向載體W順濃度梯度轉(zhuǎn)運”可知該過程中蔗糖的運輸方式為協(xié)助擴散(易化擴散);由“胞內(nèi)H+通過H+泵運輸?shù)郊毎饪臻g,在此形成較高的H+濃度,SU載體將H+和蔗糖同向轉(zhuǎn)運進SE-CC中。采用該方式的植物,篩管中的蔗糖濃度遠高于葉肉細胞”可知,蔗糖在H+電化學梯度的作用下,逆濃度梯度通過主動運輸?shù)姆绞竭M入SE-CC,而H+電化學梯度的形成離不開ATP直接供能的H+泵。故由H+泵形成的H+電化學梯度有助于將蔗糖從細胞外空間轉(zhuǎn)運進SE-CC中。

【參考答案】(1)協(xié)助擴散(或易化擴散) (跨膜)H+濃度差 (2)ABD

【知識拓展】質(zhì)子泵(H+-ATPase)將H+泵出細胞,建立和維持跨膜的H+電化學梯度,并用來驅(qū)動轉(zhuǎn)運溶質(zhì)進入細胞。由于H+電化學梯度的形成需要H+-ATPase水解ATP,因此協(xié)同轉(zhuǎn)運是一種間接消耗能量的主動運輸。

2.4 鈣-氫反向轉(zhuǎn)運體(CAX)參與的主動運輸

例4.(2021·山東卷,2,2分)液泡是植物細胞中儲存Ca2+的主要細胞器。液泡膜上的H+焦磷酸酶可利用水解無機焦磷酸釋放的能量跨膜運輸H+,建立液泡膜兩側的H+濃度梯度。該濃度梯度驅(qū)動H+通過液泡膜上的載體蛋白CAX完成跨膜運輸,從而使Ca2+以與H+相反的方向同時通過CAX進入液泡并儲存。下列說法錯誤的是

( )

A.Ca2+通過CAX的跨膜運輸方式屬于協(xié)助擴散

B.Ca2+通過CAX的運輸有利于植物細胞保持堅挺

C.加入H+焦磷酸酶抑制劑,Ca2+通過CAX的運輸速率變慢

D.H+從細胞質(zhì)基質(zhì)轉(zhuǎn)運到液泡的跨膜運輸方式屬于主動運輸

【難點點撥】提取并整合題干信息可得:H+在H+焦磷酸酶的作用下以主動運輸?shù)姆绞睫D(zhuǎn)運進液泡,構建液泡內(nèi)H+的高濃度環(huán)境;該梯度驅(qū)動H+和Ca2+通過載體蛋白CAX的跨膜運輸,其中Ca2+通過CAX進行的是逆濃度梯度的主動運輸,而 H+電化學梯度的形成需要利用水解無機焦磷酸釋放的能量。因此,該過程也是一種間接消耗能量的主動運輸。

【參考答案】A

圖4

( )

【參考答案】B

2.5 鈉-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體參與的主動運輸

例5.(2020·江蘇卷,5,2分)如圖(圖5)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

圖5

( )

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

【難點點撥】由圖可知,Na+-K+泵維持了膜外較高的Na+濃度梯度,葡萄糖通過鈉-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運進小腸上皮細胞時進行逆濃度梯度的主動運輸,運輸?shù)膭恿碜訬a+電化學梯度,而Na+電化學梯度的形成需要Na+-K+泵水解ATP,因此,協(xié)同轉(zhuǎn)運是一種間接消耗能量的主動運輸方式。

【參考答案】A

【知識拓展】同向協(xié)同轉(zhuǎn)運過程中偶聯(lián)物的運輸方向相同,如小腸上皮細胞和腎小管上皮細胞吸收葡萄糖或氨基酸等有機物,就是伴隨Na+從細胞外流入細胞內(nèi)而完成的。與ATP驅(qū)動泵直接利用水解ATP提供的能量不同,協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白所利用的能量儲存在其中一種溶質(zhì)的電化學梯度中。在動物細胞的質(zhì)膜上,Na+是常用的協(xié)同轉(zhuǎn)運離子,它的電化學梯度為另一種分子的主動運輸提供了驅(qū)動力。由于Na+電化學梯度的形成需要Na+-K+泵水解ATP,因此,協(xié)同轉(zhuǎn)運是一種間接消耗能量的主動運輸方式。

【對點訓練】葡萄糖轉(zhuǎn)運體是一類鑲嵌在細胞膜上轉(zhuǎn)運葡萄糖的載體蛋白,廣泛存在于體內(nèi)各種組織細胞中。它分為兩類:一類是鈉依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運體(SGLT),逆濃度梯度轉(zhuǎn)運葡萄糖;另一類是非鈉依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運體(GLUT),順濃度梯度轉(zhuǎn)運葡萄糖,其轉(zhuǎn)運過程不消耗能量。SGLT和GLUT均有多種類型,其中SGLT1主要存在于小腸上皮細胞的紋狀緣,吸收腸腔中葡萄糖的同時伴有Na+的轉(zhuǎn)運,具體過程如圖6所示。請據(jù)圖分析并回答下列問題:

圖6

(1)小腸上皮細胞膜上的SGLT1逆濃度梯度轉(zhuǎn)運葡萄糖時沒有直接消耗ATP,其轉(zhuǎn)運葡萄糖時需要的動力來自。

非鈉依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運體(GLUT)順濃度梯度轉(zhuǎn)運葡萄糖的運輸方式是________。

【參考答案】細胞內(nèi)外Na+的濃度差 協(xié)助擴散

2.6 鈉-碘同向轉(zhuǎn)運體參與的主動運輸

例6.(2020·山東卷,8,2分)碘是甲狀腺激素合成的重要原料。甲狀腺濾泡上皮細胞膜上的鈉-鉀泵可維持細胞內(nèi)外的Na+濃度梯度,鈉-碘同向轉(zhuǎn)運體借助Na+的濃度梯度將碘轉(zhuǎn)運進甲狀腺濾泡上皮細胞,碘被甲狀腺過氧化物酶活化后,進入濾泡腔參與甲狀腺激素的合成。下列說法正確的是

( )

A.長期缺碘可導致機體的促甲狀腺激素分泌減少

B.用鈉-鉀泵抑制劑處理甲狀腺濾泡上皮細胞,會使其攝碘能力減弱

C.抑制甲狀腺過氧化物酶的活性,可使甲狀腺激素合成增加

D.使用促甲狀腺激素受體阻斷劑可導致甲狀腺激素分泌增加

【難點點撥】Na+-K+泵的作用維持了甲狀腺濾泡上皮細胞膜外高濃度的Na+濃度梯度,碘通過鈉-葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運進小腸上皮細胞時進行的是逆濃度梯度的主動運輸,運輸?shù)膭恿碜訬a+電化學梯度,而Na+電化學梯度的形成需要Na+-K+泵水解ATP。因此,鈉-碘同向轉(zhuǎn)運體是一種間接消耗能量的主動運輸。Na+-K+泵抑制劑通過直接抑制Na+-K+泵的生理功能間接影響鈉-鉀同向轉(zhuǎn)運體的功能,結果使甲狀腺濾泡上皮細胞攝碘能力減弱。

【參考答案】B

3.規(guī)律總結

在復習備考中,筆者基于科學探究情境的高考真題,將“主動運輸”的相關知識進行拓展和深化,幫助學生透過現(xiàn)象解讀知識的本質(zhì),進而提升學生解決新情境、新問題的創(chuàng)新能力。

主動運輸是由載體蛋白所介導的物質(zhì)逆電化學梯度或濃度梯度進行跨膜轉(zhuǎn)運的方式,普遍存在于動、植物細胞和微生物細胞。根據(jù)能量來源的不同,可將主動運輸分為由ATP直接提供能量(ATP驅(qū)動泵)、間接提供能量(協(xié)同轉(zhuǎn)運或偶聯(lián)轉(zhuǎn)運蛋白)以及光驅(qū)動泵3種基本類型。其中,ATP直接供能是高中生物學教材中主要呈現(xiàn)的方式,包括Na+-K+泵、鈣泵、質(zhì)子泵、ABC超家族等;ATP間接供能,根據(jù)運輸方向分為同向協(xié)同轉(zhuǎn)運、逆向協(xié)同轉(zhuǎn)運,轉(zhuǎn)運的能量來自Na+、H+等離子的電化學梯度,而該化學梯度的構建需要ATP供能。還有一類就是光驅(qū)動泵的運輸,常發(fā)生在光合作用的類囊體薄膜上。知識框架如圖7所示。

圖7

4.備考反思

在新高考形勢之下,緊密聯(lián)系科學探究情境,融基礎性、應用性、綜合性與創(chuàng)新性為一體的試題頻頻出現(xiàn)?；诳疾楝F(xiàn)狀,教師可以借助高考題素材豐富教學情境、在專項練習中提升學生的應用能力、在規(guī)律總結中引導學生構建知識網(wǎng)絡,通過微專題對知識點進行總結歸納和深度拓展。在擴增知識儲備、擴展知識框架的學習活動中,學生的深度思維和創(chuàng)新能力將會進一步提升。