基于高考试题情境的“主动运输”专项突破

贾 妮

(陕西省汉中中学)

1.课题背景

主动运输普遍存在于动植物和微生物细胞中,通过主动运输来选择吸收所需要的物质,排出代谢废物和对细胞有害的物质,从而保证细胞和个体生命活动的需要。教材以“甲状腺滤泡上皮细胞从血液中吸收碘,小肠上皮细胞从小肠液中吸收氨基酸、葡萄糖,人红细胞从血浆中吸收K+,轮藻细胞从周围水环境中吸收K+,Ca2+出细胞”等实例凸显了ATP直接供能的主动运输。

从2019—2023年高考卷考情概览中(表)可以看出,主动运输的命题以选择题为主,在考查过程中具有紧密联系科学探究情境、图文信息丰富、设问方式独特、考查角度创新等特点,常以特定细胞或细胞器中多种物质协同转运的文字或图例的科学探究情境为素材,主要考查结构与功能相适应的生命观念下各种物质跨膜运输方式的判断及特点,考查学生逻辑推理与论证、析图识图、图文转换等能力。

表 2019—2023年高考卷考情概览

笔者将近年科学探究情境下的“主动运输”真题进行分析和深度解读,在展望命题趋势、归纳信息要点、总结知识规律、拓展知识框架的过程中,帮助学生提升复习备考的效率。

2.专项突破

2.1 H+-ATPase参与的主动运输

例1.(2019·全国Ⅱ卷,3,6分)某种H+-ATPase是一种位于膜上的载体蛋白,具有ATP水解酶活性,能够利用水解ATP释放的能量逆浓度梯度跨膜转运H+。①将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外),置于暗中一段时间后,溶液的pH不变。②再将含有保卫细胞的该溶液分成两组,一组照射蓝光后溶液的pH明显降低;另一组先在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂(抑制ATP水解),再用蓝光照射,溶液的pH不变。根据上述实验结果,下列推测不合理的是

( )

A.H+-ATPase位于保卫细胞质膜上,蓝光能够引起细胞内的H+转运到细胞外

B.蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase发挥作用导致H+逆浓度梯度跨膜运输

C.H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量可由蓝光直接提供

D.溶液中的H+不能通过自由扩散的方式透过细胞质膜进入保卫细胞

【难点点拨】梳理题干实验过程,建立以下逻辑链条:

a.保卫细胞+一定pH的溶液+黑暗→溶液pH不变

b.保卫细胞+一定pH的溶液+蓝光→溶液pH降低

c.保卫细胞+一定pH的溶液+H+-ATPase的抑制剂+蓝光→溶液pH不变

通过分析可得:H+通过主动运输的方式实现逆浓度梯度的跨膜转运需要ATP水解直接供能,而蓝光可以为ATP合成提供能量。

【参考答案】C

2.2 ABC转运蛋白参与的主动运输

例2.(2020·海南卷,18,3分)ABC转运蛋白是一类跨膜转运蛋白,参与细胞吸收多种营养物质,每一种ABC转运蛋白对物质运输具有特异性。ABC转运蛋白的结构及转运过程如图1所示,下列有关叙述正确的是

图1

( )

A.ABC转运蛋白可提高O2的跨膜运输速度

B.ABC转运蛋白可协助葡萄糖顺浓度梯度进入细胞

C.Cl-和氨基酸依赖同一种ABC转运蛋白跨膜运输

D.若ATP水解受阻,ABC转运蛋白不能完成转运过程

【难点点拨】据图分析,ABC转运蛋白通过结合和水解ATP分子,就能完成小分子物质的跨膜转运。该过程需要ATP水解直接供能,若ATP水解受阻,ABC转运蛋白不能完成转运过程。

【参考答案】D

2.3 蔗糖-H+共运输载体参与的主动运输

例3.(2021·北京卷,19,12分)(节选)蔗糖自叶肉细胞至SE-CC的运输(图2)可以分为3个阶段:①叶肉细胞中的蔗糖通过胞间连丝运输到韧皮薄壁细胞;②韧皮薄壁细胞中的蔗糖由膜上的单向载体W顺浓度梯度转运到SE-CC附近的细胞外空间(包括细胞壁)中;③蔗糖从细胞外空间进入SE-CC中,如图3所示。SE-CC的质膜上有“蔗糖-H+共运输载体”(SU载体),SU载体与H+泵相伴存在。胞内H+通过H+泵运输到细胞外空间,在此形成较高的H+浓度,SU载体将H+和蔗糖同向转运进SE-CC中。采用该方式的植物,筛管中的蔗糖浓度远高于叶肉细胞。

图2

图3

(1)在如图所示的运输方式中,蔗糖经W载体由韧皮薄壁细胞运输到细胞外空间的方式属于________。由H+泵形成的________有助于将蔗糖从细胞外空间转运进SE-CC中。

(2)下列实验结果支持某种植物存在题中文字描述运输方式的有________。

A.叶片吸收14CO2后,放射性蔗糖很快出现在SE-CC附近的细胞外空间中

B.用蔗糖跨膜运输抑制剂处理叶片,蔗糖进入SE-CC的速率降低

C.将不能通过细胞膜的荧光物质注射到叶肉细胞,SE-CC中出现荧光

D.与野生型相比,SU功能缺陷突变体的叶肉细胞中积累更多的蔗糖和淀粉

【难点点拨】本题图文信息较为复杂、信息量大,由“韧皮薄壁细胞中的蔗糖由膜上的单向载体W顺浓度梯度转运”可知该过程中蔗糖的运输方式为协助扩散(易化扩散);由“胞内H+通过H+泵运输到细胞外空间,在此形成较高的H+浓度,SU载体将H+和蔗糖同向转运进SE-CC中。采用该方式的植物,筛管中的蔗糖浓度远高于叶肉细胞”可知,蔗糖在H+电化学梯度的作用下,逆浓度梯度通过主动运输的方式进入SE-CC,而H+电化学梯度的形成离不开ATP直接供能的H+泵。故由H+泵形成的H+电化学梯度有助于将蔗糖从细胞外空间转运进SE-CC中。

【参考答案】(1)协助扩散(或易化扩散) (跨膜)H+浓度差 (2)ABD

【知识拓展】质子泵(H+-ATPase)将H+泵出细胞,建立和维持跨膜的H+电化学梯度,并用来驱动转运溶质进入细胞。由于H+电化学梯度的形成需要H+-ATPase水解ATP,因此协同转运是一种间接消耗能量的主动运输。

2.4 钙-氢反向转运体(CAX)参与的主动运输

例4.(2021·山东卷,2,2分)液泡是植物细胞中储存Ca2+的主要细胞器。液泡膜上的H+焦磷酸酶可利用水解无机焦磷酸释放的能量跨膜运输H+,建立液泡膜两侧的H+浓度梯度。该浓度梯度驱动H+通过液泡膜上的载体蛋白CAX完成跨膜运输,从而使Ca2+以与H+相反的方向同时通过CAX进入液泡并储存。下列说法错误的是

( )

A.Ca2+通过CAX的跨膜运输方式属于协助扩散

B.Ca2+通过CAX的运输有利于植物细胞保持坚挺

C.加入H+焦磷酸酶抑制剂,Ca2+通过CAX的运输速率变慢

D.H+从细胞质基质转运到液泡的跨膜运输方式属于主动运输

【难点点拨】提取并整合题干信息可得:H+在H+焦磷酸酶的作用下以主动运输的方式转运进液泡,构建液泡内H+的高浓度环境;该梯度驱动H+和Ca2+通过载体蛋白CAX的跨膜运输,其中Ca2+通过CAX进行的是逆浓度梯度的主动运输,而 H+电化学梯度的形成需要利用水解无机焦磷酸释放的能量。因此,该过程也是一种间接消耗能量的主动运输。

【参考答案】A

图4

( )

【参考答案】B

2.5 钠-葡萄糖同向转运体参与的主动运输

例5.(2020·江苏卷,5,2分)如图(图5)①～⑤表示物质进、出小肠上皮细胞的几种方式,下列叙述正确的是

图5

( )

A.葡萄糖进、出小肠上皮细胞方式不同

B.Na+主要以方式③运出小肠上皮细胞

C.多肽以方式⑤进入细胞,以方式②离开细胞

D.口服维生素D通过方式⑤被吸收

【难点点拨】由图可知,Na+-K+泵维持了膜外较高的Na+浓度梯度,葡萄糖通过钠-葡萄糖同向转运体转运进小肠上皮细胞时进行逆浓度梯度的主动运输,运输的动力来自Na+电化学梯度,而Na+电化学梯度的形成需要Na+-K+泵水解ATP,因此,协同转运是一种间接消耗能量的主动运输方式。

【参考答案】A

【知识拓展】同向协同转运过程中偶联物的运输方向相同,如小肠上皮细胞和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物,就是伴随Na+从细胞外流入细胞内而完成的。与ATP驱动泵直接利用水解ATP提供的能量不同,协同转运蛋白所利用的能量储存在其中一种溶质的电化学梯度中。在动物细胞的质膜上,Na+是常用的协同转运离子,它的电化学梯度为另一种分子的主动运输提供了驱动力。由于Na+电化学梯度的形成需要Na+-K+泵水解ATP,因此,协同转运是一种间接消耗能量的主动运输方式。

【对点训练】葡萄糖转运体是一类镶嵌在细胞膜上转运葡萄糖的载体蛋白,广泛存在于体内各种组织细胞中。它分为两类:一类是钠依赖的葡萄糖转运体(SGLT),逆浓度梯度转运葡萄糖;另一类是非钠依赖的葡萄糖转运体(GLUT),顺浓度梯度转运葡萄糖,其转运过程不消耗能量。SGLT和GLUT均有多种类型,其中SGLT1主要存在于小肠上皮细胞的纹状缘,吸收肠腔中葡萄糖的同时伴有Na+的转运,具体过程如图6所示。请据图分析并回答下列问题:

图6

(1)小肠上皮细胞膜上的SGLT1逆浓度梯度转运葡萄糖时没有直接消耗ATP,其转运葡萄糖时需要的动力来自。

非钠依赖的葡萄糖转运体(GLUT)顺浓度梯度转运葡萄糖的运输方式是________。

【参考答案】细胞内外Na+的浓度差 协助扩散

2.6 钠-碘同向转运体参与的主动运输

例6.(2020·山东卷,8,2分)碘是甲状腺激素合成的重要原料。甲状腺滤泡上皮细胞膜上的钠-钾泵可维持细胞内外的Na+浓度梯度,钠-碘同向转运体借助Na+的浓度梯度将碘转运进甲状腺滤泡上皮细胞,碘被甲状腺过氧化物酶活化后,进入滤泡腔参与甲状腺激素的合成。下列说法正确的是

( )

A.长期缺碘可导致机体的促甲状腺激素分泌减少

B.用钠-钾泵抑制剂处理甲状腺滤泡上皮细胞,会使其摄碘能力减弱

C.抑制甲状腺过氧化物酶的活性,可使甲状腺激素合成增加

D.使用促甲状腺激素受体阻断剂可导致甲状腺激素分泌增加

【难点点拨】Na+-K+泵的作用维持了甲状腺滤泡上皮细胞膜外高浓度的Na+浓度梯度,碘通过钠-葡萄糖同向转运体转运进小肠上皮细胞时进行的是逆浓度梯度的主动运输,运输的动力来自Na+电化学梯度,而Na+电化学梯度的形成需要Na+-K+泵水解ATP。因此,钠-碘同向转运体是一种间接消耗能量的主动运输。Na+-K+泵抑制剂通过直接抑制Na+-K+泵的生理功能间接影响钠-钾同向转运体的功能,结果使甲状腺滤泡上皮细胞摄碘能力减弱。

【参考答案】B

3.规律总结

在复习备考中,笔者基于科学探究情境的高考真题,将“主动运输”的相关知识进行拓展和深化,帮助学生透过现象解读知识的本质,进而提升学生解决新情境、新问题的创新能力。

主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆电化学梯度或浓度梯度进行跨膜转运的方式,普遍存在于动、植物细胞和微生物细胞。根据能量来源的不同,可将主动运输分为由ATP直接提供能量(ATP驱动泵)、间接提供能量(协同转运或偶联转运蛋白)以及光驱动泵3种基本类型。其中,ATP直接供能是高中生物学教材中主要呈现的方式,包括Na+-K+泵、钙泵、质子泵、ABC超家族等;ATP间接供能,根据运输方向分为同向协同转运、逆向协同转运,转运的能量来自Na+、H+等离子的电化学梯度,而该化学梯度的构建需要ATP供能。还有一类就是光驱动泵的运输,常发生在光合作用的类囊体薄膜上。知识框架如图7所示。

图7

4.备考反思

在新高考形势之下,紧密联系科学探究情境,融基础性、应用性、综合性与创新性为一体的试题频频出现。基于考查现状,教师可以借助高考题素材丰富教学情境、在专项练习中提升学生的应用能力、在规律总结中引导学生构建知识网络,通过微专题对知识点进行总结归纳和深度拓展。在扩增知识储备、扩展知识框架的学习活动中,学生的深度思维和创新能力将会进一步提升。