2025年大学《化学生物学》专业题库-生物体内的矿物元素代谢分析

2025年大学《化学生物学》专业题库——生物体内的矿物元素代谢分析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项前的字母填在答题纸上。）1.下列哪种元素在生物体内含量最多，且主要以结合状态存在？A.FeB.CaC.ZnD.Cu2.细胞内Na⁺浓度远高于胞外，而K⁺浓度远低于胞外，主要依靠哪种转运系统维持？A.易化扩散载体B.主动运输泵C.离子通道D.胞饮作用3.血红素合成过程中，铁元素的吸收和转运主要依赖于：A.转铁蛋白B.运铁蛋白C.铁调素D.铁硫蛋白4.骨骼作为钙的主要储存库，其钙离子浓度维持在较高水平，这主要得益于：A.甲状旁腺激素的抑制B.降钙素的促进作用C.维生素D缺乏D.钙三醇（活性维生素D）的调节5.下列哪项不是植物对镁离子的需求原因？A.镁是叶绿素分子中心的必需元素B.镁参与构成许多酶的辅基C.镁参与细胞膜的稳定性维持D.镁是植物主要的氮素载体6.锌指结构中锌离子的作用主要是：A.作为氧化还原催化剂B.稳定蛋白质的三级结构C.促进DNA的解旋D.介导蛋白质与脂质的结合7.某种元素的缺乏会导致植物失绿，生长矮小，而适量补充该元素则症状消失。该元素最可能是：A.FeB.MnC.CuD.Mo8.体内镁离子浓度过低时，会影响哪些酶的活性？A.磷酸化酶B.糖酵解途径中的某些脱氢酶C.蛋白激酶D.以上所有9.缺铁性贫血的主要原因是：A.铁的吸收障碍B.铁的储存过多C.造血器官功能衰竭D.铁的分布异常10.下列哪种情况会引起细胞内钙超载，可能触发细胞凋亡？A.IP₃和钙调蛋白结合受阻B.ryanodine受体失活C.内质网钙库耗竭后，钙从细胞外大量涌入D.钙泵活性增强二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在答题纸上。）1.生物体内必需的矿物元素根据其生理功能可分为______元素和______元素两大类。2.葡萄糖转运蛋白（GLUT）介导的糖转运属于______运输，不需要消耗能量。3.细胞外液中的钾离子浓度维持主要依赖于______泵的活动。4.铁在细胞内主要以______和______两种形式存在。5.维生素D在体内转化为______后，才能发挥调节钙磷代谢的作用。6.锰是多种______酶的重要辅因子，参与体内的氧化还原反应。7.植物吸收土壤中的矿物质元素主要是通过______方式进行的。8.某些重金属元素（如镉、铅）可以通过与______竞争结合位点，干扰必需元素的代谢。9.细胞内钙离子浓度的精确调控对于______、______等多种细胞过程至关重要。三、名词解释（每题3分，共12分。请将答案写在答题纸上。）1.协同运输2.必需矿物元素3.铁硫簇4.元素拮抗作用四、简答题（每题5分，共20分。请将答案写在答题纸上。）1.简述细胞膜上钠钾泵的结构特点和功能意义。2.比较主动运输和被动运输在转运方向、是否需要能量以及是否饱和方面的主要区别。3.简述活性维生素D如何调节血钙浓度。4.为什么说铁是生物体内一种既必需又具有潜在毒性的元素？五、论述题（每题10分，共20分。请将答案写在答题纸上。）1.详细阐述植物根系如何从土壤中吸收并转运矿物质元素（以磷为例）。2.结合具体实例，论述细胞内钙离子作为第二信使，在信号转导过程中发挥作用的机制。试卷答案一、选择题1.B2.B3.B4.D5.D6.B7.A8.D9.A10.C二、填空题1.必需,非必需2.被动3.钠钾4.氧化态,游离态5.钙三醇6.氧化还原7.被动吸收8.运输蛋白9.信号转导,细胞运动三、名词解释1.协同运输：指两种或多种溶质同时通过同一种膜蛋白转运的过程。一种溶质的转运驱使另一种溶质顺浓度梯度或逆浓度梯度转运，后者通常需要消耗能量（如钠离子梯度驱动的转运）。2.必需矿物元素：指生物体生长发育、维持正常生理功能和繁殖所必需，但自身又不能合成或合成量不足，必须从外界环境（如食物、水）中获取的矿物元素。3.铁硫簇：由一个铁离子和一个硫原子组成的简单金属簇，或由铁和硫原子组成的更复杂的簇（如[Fe-S]簇），作为辅因子存在于多种蛋白质（特别是铁硫蛋白和黄素腺嘌呤二核苷酸酶）中，参与电子传递。4.元素拮抗作用：指一种必需矿物元素的存在会抑制另一种必需矿物元素的吸收、转运或代谢利用的现象。四、简答题1.钠钾泵的结构特点和功能意义：结构特点：钠钾泵是镶嵌在细胞膜上的一个蛋白质复合物（通常为ATP酶），由α和β两个亚基组成。α亚基具有ATPase活性，负责水解ATP提供能量，并具有转运功能；β亚基是糖蛋白，不直接参与转运，但参与泵的组装和调节。功能意义：钠钾泵通过消耗ATP，将细胞内的Na⁺逆浓度梯度泵出，同时将细胞外的K⁺逆浓度梯度泵入。这维持了细胞内外Na⁺和K⁺离子浓度的高度差异，形成了重要的离子梯度。该离子梯度不仅是维持细胞静息电位的基础，也为多种主动运输过程提供了驱动力，对细胞的体积调节、营养物质的吸收、神经冲动的传导等至关重要。2.主动运输和被动运输的主要区别：方向：被动运输顺浓度梯度（高浓度到低浓度），不消耗能量；主动运输可逆浓度梯度（低浓度到高浓度或高浓度到低浓度），需要消耗能量。能量：被动运输不需要消耗细胞代谢产生的能量；主动运输需要消耗能量（如ATP水解或利用离子梯度）。饱和：被动运输中的简单扩散和易化扩散（载体蛋白）存在饱和现象；被动运输中的通道蛋白通常没有饱和现象，但受离子浓度和电压影响。主动运输的载体蛋白和泵也存在饱和现象。载体：被动运输的易化扩散需要载体蛋白，但简单扩散不需要；主动运输必定需要载体蛋白（载体或泵）。被动运输的通道蛋白是开放的孔道。3.活性维生素D如何调节血钙浓度：活性维生素D（钙三醇）通过作用于靶器官（主要是肠道、肾脏和骨骼）的细胞，调节血钙水平。在肠道，钙三醇促进小肠上皮细胞合成和分泌钙结合蛋白（如钙结合蛋白-9K），增加肠道对钙和磷的主动吸收。在肾脏，钙三醇增加肾小管对钙和磷的重吸收，减少尿钙和尿磷的排泄。在骨骼，钙三醇（通过甲状旁腺激素的协同作用）促进破骨细胞活性，加速骨钙溶出进入血液，同时间接刺激成骨细胞活动，影响骨钙沉积。这些作用共同提高了血钙和血磷水平。4.铁是生物体内一种既必需又具有潜在毒性的元素的原因：铁的必需性：铁是血红素（血红蛋白、肌红蛋白）的核心成分，负责氧气的运输和储存。它也是多种酶（如细胞色素系酶、铁硫蛋白、过氧化物酶）的辅因子，参与关键的氧化还原反应、DNA合成、能量代谢等过程，对生命活动至关重要。铁的潜在毒性：游离的铁离子（Fe²⁺或Fe³⁺）具有强氧化性，容易与生物分子（如DNA、蛋白质）发生反应，产生氧化应激，损伤细胞结构和功能。体内铁的总量很大，且转运和储存机制相对有限，一旦平衡失调，过量的铁容易在肝脏、心脏等器官沉积，导致脂质过氧化和细胞损伤，引发铁过载症，损害器官功能，甚至导致疾病（如血色病、肝纤维化、心力衰竭等）。因此，生物体需要精密的机制来调控铁的吸收、转运、利用和储存，防止铁过载。五、论述题1.详细阐述植物根系如何从土壤中吸收并转运矿物质元素（以磷为例）：植物根系吸收矿物质元素是一个多步骤的过程。首先，在土壤溶液中，矿物质元素通常以离子或络合物的形式存在，浓度远低于根细胞内液。根系通过两种主要方式吸收：跨膜扩散（被动吸收，顺浓度梯度，不耗能）和质子驱动的主动吸收（逆浓度梯度，耗能，利用质子泵建立的H⁺浓度梯度）。磷（通常以H₂PO₄⁻或HPO₄²⁻形式）主要通过后者的方式吸收。吸收机制：根系细胞膜上的磷酸转运蛋白（如PHO）介导磷的主动吸收。这些转运蛋白通常属于ABC转运蛋白超家族，其活性依赖于跨膜的质子梯度（由细胞质膜上的质子泵提供）。质子泵将H⁺泵出细胞，使细胞内维持高H⁺浓度，当细胞外HPO₄²⁻/H₂PO₄⁻与细胞内PHO转运蛋白结合时，质子通过转运蛋白内腔流回细胞内，驱动磷离子进入细胞，实现逆浓度梯度吸收。根内转运：进入根细胞质后的磷，需要通过胞间连丝（通过质外体途径，经由细胞间隙和木质部薄壁细胞）或共质体途径（通过胞间连丝和韧皮部薄壁细胞）运往根尖分生组织。磷在木质部中主要通过木质部薄壁细胞的扩散和质外体途径向上运输。韧皮部中磷的运输机制相对复杂，涉及质外体和共质体途径的转换，可能通过装载蛋白（如PT3）将磷装载到韧皮部装载蛋白（如SUTs）上，再转运到筛管。运往地上部：磷从根尖向上运输到茎和叶的过程，主要依赖于韧皮部装载和运输机制。到达叶肉细胞后，磷可用于光合作用（如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶复合体）、能量代谢（如ATP、ADP）或储存（如植酸）。植物通过复杂的基因调控网络（如PHOregulon）来协调根系的磷吸收和地上部的磷利用，以适应土壤中磷的有效性。2.结合具体实例，论述细胞内钙离子作为第二信使，在信号转导过程中发挥作用的机制：钙离子（Ca²⁺）作为细胞内重要的第二信使，其浓度在细胞质和细胞器（尤其是内质网、线粒体）中的变化幅度虽然不大（pM至μM级别），但能够精确地传递和放大外界信号（如激素、神经递质、生长因子等）引起的细胞应答。其作用机制主要通过以下途径实现：信号触发与钙释放：当细胞接收到外源性信号后，信号分子通过一系列膜受体和细胞内信号转导分子（如G蛋白、腺苷酸环化酶、磷脂酶C等）的作用，最终触发内质网（或肌质网）上的钙释放通道（如IP₃受体、Ryanodine受体）开放。IP₃受体被细胞质中的IP₃（由磷脂酶C产生）结合而激活，导致内质网内储存的Ca²⁺释放到细胞质。Ryanodine受体则通常与细胞外的Ca²⁺信号或肌肉收缩相关。细胞质钙信号的变化：钙释放导致细胞质Ca²⁺浓度迅速升高，形成钙信号峰值。随后，细胞质中的钙泵（如PMCA）和钙结合蛋白（如Calbindin,Calmodulin）将Ca²⁺泵回内质网或结合起来，使细胞质Ca²⁺浓度迅速回落到基础水平，形成“钙波”或“钙火花”。Ca²⁺-钙调蛋白复合物的形成：细胞质中升高的Ca²⁺浓度会与钙结合蛋白钙调蛋白（CaM）结合，导致CaM构象改变，使其成为高效的酶激活剂。酶活性的调控：Ca²⁺-CaM复合物能够激活多种依赖于钙的酶。例如：*蛋白激酶C(PKC):Ca²⁺-CaM激活PKC，而活化的PKC通过磷酸化特定蛋白底物，改变其活性或定位，从而传递信号。*Ca²⁺/CaM依赖性磷酸酶(如PP2A):Ca²⁺-CaM激活PP2A，该磷酸酶能去除靶蛋白上的磷酸基团，降低其活性，发挥抑制作用。*核酸酶:如Ca²⁺-CaM激活的核酸内切酶，参与DNA断裂过程。*其他效应蛋白:Ca²⁺-CaM还可以直接或间接激活其他效应蛋白，如肌球蛋白轻链激酶（MLCK，调控平滑肌收缩）、神经酰胺合成酶（参与炎症反应）等。