用电化学梯度知识分析一道高考题

吕正余

细胞中能量的转换是高中生物教材中的一个重要生理过程，与生物膜的结构和功能密切相关。对这部分内容，学生往往采用死记硬背的方式学习，学生也不清楚细胞中的能量到底如何转换的，更谈不上灵活应用。

（2014·江苏高考）生物膜系统在细胞的生命活动中发挥着极其重要的作用。图a～c表示3种生物膜结构及其所发生的部分生理过程。请回答下列问题：

（1） 图1a表示的生理过程是 ，其主要的生理意义在于 。

（2） 图1b中存在3种信号分子，但只有1种信号分子能与其受体蛋白结合，这说明 ；若与受体蛋白结合的是促甲状腺激素释放激素，那么靶器官是 。

（3） 图1c中ATP参与的主要生理过程是

。

（4） 叶肉细胞与人体肝脏细胞都具有图 （填图序号）中的膜结构。

（5） 图1a～c中生物膜的功能不同，从生物膜的组成成分分析，其主要原因是 。

（6） 图1a～c说明生物膜具有的功能有

（写出3项）。

对于一个高中生来说，解读试题中图1中能量转换的过程以及ATP合成的机制是十分困难的，这些过程和机制涉及高校教材中的电化学梯度知识。

图1a和图1c的共同点是生物膜的一侧积累了大量H+，建立了质子梯度。这种质子梯度使生物膜两侧发生两个显著的变化：① 两侧形成一定的电位差，即电位梯度；② 两侧氢离子浓度的不同产生pH梯度，即浓度梯度。这两种梯度合称为电化学梯度。这种电化学梯度的建立能够形成质子运动力，在合适的条件下驱动ATP合成酶发挥作用，可以转变成ATP中化学能储存起来。

生物膜具有能量转换的机制与现实生活中人们利用水力发电的原理相同，生物膜中的磷脂双分子层酷似一个水坝，ATP合成酶就是一个旋转的发电机，电化学梯度就是高处的水（高低水位差形成势能）驱动着发电机工作，源源不断地合成的化学能储存在ATP中。

这些知识的铺垫将抽象的微观知识变得生活化和趣味化，充分体现了生物学是身边的科学。试题评讲起来教师轻松，学生易懂，准确掌握教材中光合作用、呼吸作用中的能量转换过程。

变式题：图2为肠道吸收葡萄糖的示意图。肠黏膜上皮细胞上的Na+/K+-ATP酶维持着Na+的电化学梯度，然后驱动葡萄糖载体蛋白同向运输葡萄糖。图3为神经细胞膜上的Na+离子通道受体与相应的信号分子结合后，离子通道由关闭状态转入开放状态，产生一种电效应。请分析作答：

（1） 图2细胞吸水膨胀时，[a] 的厚度变小，这说明细胞膜具有 。

（2） 图2中葡萄糖跨膜运输的方式是 。

（3） 图3中的信号分子可能是 ，Na+跨膜运输的方式是 。

（4） 图3体现细胞膜的功能是 。

（5） 从功能上看，细胞膜是一层 膜，这一特性主要与膜上的 有关。

图2中肠黏膜上皮细胞通过消耗ATP将细胞内的钠离子（Na+）运至细胞外，使生物膜的外侧积累了大量Na+，建立了Na+的电化学梯度。这种Na+的电化学梯度驱动着葡萄糖的载体蛋白工作，将生物膜外侧的葡萄糖源源不断地运输至生物膜内侧，从而完成肠道吸收葡萄糖的过程。这样，学生很容易理解图2中葡萄糖跨膜运输的方式是主动运输，洞穿了命题者设计的意图。