生物体内物质的跨膜运输有用

生物体内物质的跨膜运输生物体内物质的跨膜运输 物质跨膜数量的计算问题，在近年的高考试题中经常出现。在高中生物教材，该知识点属于再 生性知识；但由于学生对解剖结构知识了解甚少，不理解相关的生理过程，要想准确解答这类问题， 仍有一定难度。它需要诸多知识点的支持，特别是要正确理解相关生理过程和生理过程所经过的细 胞结构的生物膜的数量。鉴于该知识在教材中的隐蔽性，下文主要以图示法，较为直观的谈谈如何 解决物质跨膜数量问题。 一、绿色植物体内物质的运输问题一、绿色植物体内物质的运输问题 例 1：(1999 上海高考题)一分子二氧化碳从叶肉细胞的线粒体基质中扩散出来， 进入一个相邻细胞的叶绿体基质内，共穿过生物膜的层数是：（ ） A5 B6 C7 D8 解析：本例考查一个简单的生理过程和不同细胞结构膜的数量问题。解答此题，首先要了解本 题的生理过程(图 1 所示)：此生理过程是线粒体通过呼吸作用产生的 CO2，可用于光合作用的暗反应。 图 1 中的箭头方向，表示的就是一分子二氧化碳从叶肉细胞的线粒体基质，进入到一个相邻细胞的 叶绿体基质内，物质所经过的细胞结构。其通过的生物膜依次为：线粒体膜(2 层生物膜)、细胞膜(1 层 生物膜)2、叶绿体膜(2 层生物膜)，共计 6 层生物膜。将该题进行变式训练，比如一分子二氧化碳从 叶肉细胞的线粒体基质中扩散出来，进入同一个细胞中的叶绿体基质内，共穿过生物膜层数是多少? 图 2 便直观的将答案显示出来，即 4 层。 图 1 图 2 变式题 1：在光照充足的条件下，绿色植物叶肉细胞内参与光合作用的二氧化碳分子，共穿过 生物膜的层数是：（ ） A2 B3 C4 D6 变式题 2：一分子氧气从叶肉细胞的叶绿体基质中扩散出来，进入同一细胞的线立粒体基质内 参与有氧呼吸，共穿过生物膜的层数是：（ ） A2 B4 C6 D8 二、高等动物体内氧气的吸收和运输过程中的跨膜运输二、高等动物体内氧气的吸收和运输过程中的跨膜运输 了解氧气的吸收和运输，首先要知道肺泡膜也是由单层细胞构成的；其次要知道氧进入血液后， 要进入红细胞内与血红蛋白结合并运输；三是氧进入组织细胞后，还要再进入线粒体才能被利用， 因为有氧呼吸的第二阶段需要氧，而该阶段是在线粒体基质中完成的。图 3 中的-一 描述的就是这一比较复杂的过程：出肺泡(2 层膜)-进血管(2 层膜)-进红细胞(1 层膜)- 运输到组织器官-出红细胞(1 层膜)-出血管(2 层膜)-进组织细胞(1 层膜)-进线粒体(2 层 膜)，共计 11 层生物膜。 2 图 3 （一）（一） 、肺泡内气体交换中的跨膜运输、肺泡内气体交换中的跨膜运输 例 2：外界空气中的氧气，通过肺部气体交换，进入到血液中与血液中的血红蛋白结合成氧合 血红蛋白，共穿过了几层膜？ 图 4 A、3 B、4 C、5 D、6 解析：这是另一种形式的物质跨膜计算。有些同学受到图 4 的干扰，形成了错误的思维：简单思 考了事。认为据图所示，肺泡就是一层膜，毛细血管也是一层膜，总共两层，加上血红蛋白位于红细 胞中，所以就是三层膜了，从而选择得出错误答案 A。 其实，在动物体中，外界的物质 02进入血管中并与血红蛋白结合，必须要考虑到三点：一是 02从 外界环境进入到肺泡中来，经过的是呼吸道，并未穿过任何生物膜。二是 02从肺泡进入毛细血管中 来，肺泡为一层扁平的上皮细胞，02在穿过时，必须是先进细胞膜。再出细胞膜，总共两层细胞膜。同 样，毛细血管壁也是一层扁平的上皮细胞，02在穿过时，也是要穿过两层细胞膜。三是一定要切记：血 红蛋白是位于血液中的红细胞中，故 02要与血红蛋白结合，还得再穿过红细胞膜这一层膜方可，综 合上述三点，总共要通过 5 层膜。 （二）（二） 、氧气的血液中运输的跨膜运输、氧气的血液中运输的跨膜运输 例 3：人体心肌细胞有氧呼吸时需要的 02从外界进入该细胞参与呼吸作用，至少需要通过多少 层生物膜（） A4 B5 C 9 D 11 解析：外界 O2进入人体的组织细胞的过程是： 呼吸运动 自由扩散 运输 自 由扩散 外界 O2肺泡肺部毛细血管组织处毛细血管组织细胞 肺泡壁和毛细血管壁非常薄，都是由一层上皮细胞组成，所以通过肺泡壁和毛细血管 壁应都为 2 层膜。在血液运输过程中，首先要进入红细胞与血红蛋白结合，然后在组 织处毛细血管要释放，必然出红细胞，因而在运输过程中要通过 2 层膜。进入组织细胞 3 后还要穿过线粒体的双层膜，所以外界 02进入组织细胞参与呼吸作用至少要通过 11 层 膜。 变式题 1：外界空气中的氧气，经过内环境，最终到达某组织细胞中，并参与该组织细胞中线 粒体中呼吸作用。问氧气由外界环境到达该组织线粒体基质中，共穿过了几层膜? （ ） A、5 B、7 C、9 D、11 变式题 2：某组织细胞中线粒体由于呼吸作用所产生的 C02，从线粒体中出来，经过人体内环 境，最终通过人的呼吸系统排出体外。C02由线粒体基质中到达外界环境中，共穿过几层膜? （ ） A、5 B、7 C、9 D、11 三、哺乳动物体内泌尿系统中离子跨膜运输的问题三、哺乳动物体内泌尿系统中离子跨膜运输的问题 在人的泌尿系统中，也常考查到有关离子跨膜计算的问题，图 5 是哺乳动物泌尿系统的重要器 官肾中的一个肾单位的示意图解。 当血液经入球小动脉流经肾小球时，除血细胞和分子量比血红蛋白大的蛋白质外，所有物质 都随水分滤至肾小囊腔内，称为原尿。剩下的部分血浆则携带着血细胞从出球小动脉中出来。出球 小动脉在汇集了滤过后的血液后，即围绕着肾小管、集合管周围成为毛细血管网，通过肾小管、集 合管重吸收回原尿中的营养物质和水进入毛细血管，最终汇集于肾静脉。 肾小球的过滤量很大，正常人一天通过肾小球过滤的原尿达到 180L 左右，如果原尿就这样白 白以尿液的形式流失，损失非常巨大，于是原尿就由肾小囊流经肾小管，到集合管最终到达肾盂中 形成终尿时，肾小管、集合管源源不断地进行了重吸收作用，各类物质又被选择性重吸收回血液， 其余形成尿液。其中对机体有用的物质，如葡萄糖全部被重吸收，水、钠、钾、氯等大部分被重吸 收；对机体无用或有害的物质，如尿素、碳酸氢根、磷酸根等只少量被重吸收或不吸收，肌酸酐全 部不吸收。除重吸收外，肾小管和集合管还有分泌与排泄的功能，如尿中的氨，绝大部分由肾小管 和集合管所分泌，故虽然一昼夜内从肾小球滤过的原尿总量可达 100200 升；但每天排尿量只有 12 升，而且其成分通过了重吸收后，与血浆成分有了很大的差别。 例 4：血浆中的某个葡萄糖分子，流经肾小球过滤至肾小囊成为原尿，然后再通过肾小管重吸收 回血浆，共通过了几层膜? （ ） A、4 层 B、6 层 C、8 层 D、10 层 解析：葡萄糖分子由血浆中进入肾小囊，穿过了肾小球毛细血管壁。还有肾小囊腔壁。肾小球毛 4 细血管壁为单层扁平细胞，肾小囊腔也是单层扁平细胞，两层细胞四层膜；原尿中的葡萄糖分子重吸 收回血浆，通过了肾小管壁和毛细血管壁，又是两层细胞四层膜，总计：8 层。 变式题：血浆中的某个用同位素标记的葡萄糖分子，流经肾小球后，最终发现于肾静脉中，请 问：它总共穿过了几层膜? （ ） A、4 B、6 C、8 层 D、10 层 E、8 层或 0 层 四、高等动物小肠上皮细胞吸收营养物质过程中的跨膜运输四、高等动物小肠上皮细胞吸收营养物质过程中的跨膜运输 例 5：（2003 年上海高考题）葡萄糖经小肠黏膜上皮进入毛细血管。需透过的磷脂分子层数是 （ ） A4 层 B6 层 C8 层 D 10 层 解析：解答此题，首先要知道小肠粘膜上皮及其周围的毛细血管，都是由单层细胞构成的；其次 要知道其生理过程是图 6 中的；葡萄糖经小肠进入毛细血管需经过两层细胞：小肠粘膜上皮 细胞和毛细血管壁上皮细胞，所以葡萄糖从小肠进入毛细血管要经过 4 层细胞膜。最后还要知道，每 层细胞膜由双层磷脂分子层和蛋白质构成；故共穿过 8 层磷脂分子层。 图 6 变式题：人体组织细胞(如骨骼肌细胞)有氧呼吸时需要的 C6H1206和 02从外界进入该细胞参与 反应，各自至少需要通过多少层生物膜。 （ ） A3 和 4 B4 和 5 C7 和 9 D7 和 11 解析：这个物质跨膜数量问题就比较复杂，我们还是用图示加以说明。先看葡萄糖(C6H12O6)，机 体吸收葡萄糖主要是用于组织细胞的氧化供能。图丙中的-便是其运输的途径：葡萄糖 从小肠进入毛细血管经过 4 层细胞膜后，还要穿过一层毛细血管壁上皮细胞(2 层膜)进入组织液，再 穿过 1 层组织细胞膜进入组织细胞。共通过 7 层生物膜。这里特别提醒注意两点，一是葡萄糖是在血 浆中运输，而不是进入红细胞内被运输；二是葡萄糖是细胞质基质中被分解，而不是直接进入线粒体。 五、特殊方式的跨膜运输问题五、特殊方式的跨膜运输问题 高等动物细胞分泌蛋白从合成、运输到排出细胞外通过膜的层数应为 0 层，因为大分子物质 进出细胞是通过内吞和外排作用，不穿过膜。 细胞核内外的大分子如蛋白质、酶、信使 RNA 可通过核孔进出细胞核，这种方式也并未通过 膜结构。 植物叶肉细胞间隙中的水分的蒸腾作用和氧气、二氧化碳从气孔的进出穿过 0 层生物膜。 单细胞动物如变形虫的捕食和代谢产物的排出是内吞、胞饮作用和外排作用，通过细胞膜结 5 构的改变而完成的，穿过的生物膜为 0 层。 高等动物在免疫过程中，体内的吞噬细胞处理抗原和消灭病原体的过程，效应 B 细胞向外分 泌抗体，消化腺分泌消化酶，内分泌腺分泌蛋白类激素的外排作用，都可看作是通过零层生物膜 (参看教材中的图解)。 高等动物突触传递过程中神经递质的跨膜运输 例 6：图 7 是动物突触结构模式图，当神经兴奋时，突触小泡 C 中的神经递质由前膜释放经过 间隙，再和突触后膜上的特异性受体结合的过程中共穿过几层生物膜？ （ ） A、0 层 B、1 层 C、2 层 D、3 层 图 7 解析：突触小泡中的神经递质是在突触小体中的高尔基体里形成的，小泡的膜是由一层细胞构 成的，突触前膜也是一层细胞构成，但是当小泡中的神经递质在前膜释放的时候，是突触小泡的膜和 突触小体的膜融合后断裂释放出来的，没有穿过膜的结构，同样在突触后膜上只是发生神经递质和 受体的结合，也没有发生跨膜运输的问题，即穿过了 0 层膜。 以上总结了物质出入细胞通过膜的层数的几种情况，同学们在解题过程中最好自己草拟一个模 式图显示通过的结构，而不要只是抽象的想象，用图示法可直观、简单、明了的解决物质跨膜数量 问题，不妨一试。 六、综合检测：六、综合检测： 1、在适宜光照情况下和在黑暗条件下植物叶肉细胞中线粒体进行有氧呼吸所需 O2通过的膜结 构的最少层数分别为 （ ） A4 和 3 B6 和 4 C4 和 2 D2 和 3 2、在缺氧条件下，某高等植物叶肉细胞中产生的 CO2，用于相邻的光合作用，至少通过几层磷 脂分子( ) A4 B6 C8 D12 3、外界 02进入组织细胞内被利用应至少穿过几层磷脂分子? （ ） A8 B12 C18 D22 4、下列各处 02浓度最低的是 ( ) 5、空气中的氧气要与人的血红蛋白结合，需要穿过几层磷脂分子 ( ) 6 图 8 A3 B5 C6 D10 6、葡萄糖经小肠黏膜上皮进入毛细血管，需通过的磷脂分子层数是 ( ) A4 层 B6 层 C8 层 D10 层 其中 1小肠黏膜上皮细胞围成的肠腔； 2毛细血管腔； 3肠黏膜上皮细胞； 4毛细血管上皮细胞 图 9 7、组织细胞产生 C02排出体外至少通过几层膜 （ ） A4 层 B6 层 C8 层 D9 层 8、细胞中的 RNA 分子从产生部位到作用场所需要穿过多少层磷脂双分子层 （ ） A0 B4 C5 D6 9、ATP 是细胞内的能量物质，医疗上用 ATP 注射液可治疗心肌炎。若人体静脉滴注 ATP 药物， ATP 到达心肌细胞内最少要经过多少层细胞膜 （ ） A、1 层 B、2 层 C、3 层 D、4 层 10、在条件适宜的情况下，空气中的一分子二氧化碳进入植物叶肉细胞参与光合作用，共穿过 生物膜的层数是：（ ） A1 B3 C5 D7 11、土壤中的NO3-，被植物吸收进入成熟区细胞共穿过的磷脂分子层数是 （ ） A2 B3 C4 D6 12、人体组织细胞(如骨骼肌细胞)有氧呼吸时需要的 02 从外界进入体内运输过程，至少需要通过多 少层生物膜。 （ ） A 4 B 5 C 9 D 11 13、02 从外界环境进入动物细胞内至少需要通过多少层生物膜。 （ ） A3 B7 C