張卓鵬

在高考生物復習中，方向比努力更為重要.高考命題每年都在與時俱進，堅持立德樹人，充分發(fā)揮生物學學科的育人功能.試題情境設置貼近生活及生產實踐，關注社會熱點問題，注重體育、美育、勞動精神的考查和引導.學科社會熱點常常成為命題重要的取材背景，以考查學生在新情境中獨立獲取、處理信息的能力，解釋生命現(xiàn)象，解決生物學問題的能力，現(xiàn)以2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎“溫度與觸覺受體”為例：

2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予美國舊金山加州大學教授David Julius（大衛(wèi)·朱利葉斯）和Scripps研究所的Ardem Patapoutian（阿登·帕塔普蒂安），獎勵他們對感知溫度與觸覺受體的發(fā)現(xiàn)所做的杰出貢獻.

一、溫度和觸覺受體的發(fā)現(xiàn)

人體對熱、冷和觸覺的感知能力對我們的生存至關重要，并且支撐著我們與周圍世界的互動.在我們的日常生活中，我們認為這些感覺是理所當然的，但是神經沖動是如何啟動的，我們又是如何感知溫度和壓力的呢？2021年諾貝爾獎獲得者已經解決了這個問題.David Julius利用辣椒素（一種來自辣椒的刺激性化合物，可誘導灼燒感），來識別皮膚神經末梢中對熱的傳感器.Ardem Patapoutian使用壓敏細胞發(fā)現(xiàn)一類新型傳感器，可以對皮膚和內臟器官的機械刺激作出反應.這些突破和發(fā)現(xiàn)讓我們更加了解我們的神經系統(tǒng)是如何感知熱、冷和機械刺激的.獲獎者通過研究確定了我們的感官和環(huán)境之間復雜交互作用中缺失的關鍵環(huán)節(jié).

上世紀90年代后期，已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神經細胞，但這種化學物質如何真正發(fā)揮功能在當時仍是一個未解之謎.Julius和他的同事創(chuàng)建了一個包含數百萬個DNA片段的DNA庫，這些片段與感覺神經元中表達的基因對應，而這些基因表達產物可以對疼痛、溫度和觸摸做出反應.Julius及其同事假設與生成對辣椒素產生反應的蛋白質所對應的DNA片段就包含在此DNA庫中.經過艱苦的搜索，他們確定了一個能夠使細胞對辣椒素產生敏感的基因.由此，辣椒素的感應基因被成功地發(fā)現(xiàn)了！進一步的實驗表明，鑒定出的這種基因編碼了一種新的離子通道蛋白，即辣椒素受體，后來被命名為TRPV1.

當時，雖然溫度感覺的機制正在展開，但機械刺激如何轉化為我們的觸覺和壓力感仍不清楚.Pata-poutian和他的合作者首先確定了一種細胞系，當用微量移液管戳單個細胞時，該細胞系會發(fā)出可測量的電信號.他假設被機械力激活的受體是離子通道，并且在下一步中鑒定了編碼可能受體的72個候選基因.72個基因被一一滅活，以發(fā)現(xiàn)負責研究細胞機械敏感性的基因.經過艱苦的搜索，成功地確定了一個基因，該基因沉默后，細胞對微量移液器的戳刺不再敏感.由此，一種全新的、完全未知的機械敏感離子通道被發(fā)現(xiàn)，并以希臘語中表示壓力的詞（I;piesi）命名為Piezol.基于與Piezol的相似性，繼而發(fā)現(xiàn)了第二個離子通道Piez02.

兩位獲獎者的研究思路總體上是一致的，都是通過基因來尋找相應的蛋白質，通過基因的缺失或滅活導致相應功能的缺失，來找到具體的生命活動的承擔者蛋白質——溫度和觸覺受體.他們的科學研究方法也是一致的，都是應用了假說一演繹法，從觀察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題人手，科學合理地提出假說，運用假說進行演繹推理，再經過艱辛的實驗探索，最終找到相對應的基因和蛋白質.

二、相關試題研究

例1 于無聲處聽驚雷.2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者Ardem Patapoutian正是從人類最習以為常的感覺人手，發(fā)現(xiàn)了觸覺受體Piezo.它由三個相同的Piezo蛋白組成“螺旋槳狀”i聚體，能直接響應細胞膜上的機械力刺激并介導陽離子進入細胞.圖1為Piezo的結構模式圖及可能的使用機理基本示意圖，下列相關敘述正確的的是（

）.

A.Piezo蛋白是一種跨膜蛋白，一定含有元素C、H、O、N

B.Piezo蛋白在核糖體上合成，不需要內質網和高爾基體的加工

C.機械力刺激導致Piezo蛋白構像改變、中央孔打開，離子內流

D.開發(fā)抑制Piezo功能的藥物有望用來治療機械超敏痛（觸摸痛）

答案：ACD

解析本題創(chuàng)設2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎新情境背景，側重于考查知識與觀念和科學思維.Piezo蛋白是一種跨膜蛋白，其形成過程需要內質網、高爾基體的加工，通過囊泡轉運與細胞膜融合，成為細胞膜上的離子通道蛋白，機械力刺激導致Piezo蛋白構像改變、中央孑L打開，離子內流，導致細胞膜電位變化，產生興奮.開發(fā)抑制Piezo功能的藥物，便可抑制Na+離子內流，對治療機械超敏痛（觸摸痛）有一定的療效.

例2 TRPs通道是主要位于神經細胞膜上的離子通道.細胞內的脂質PIP2可以活化感覺神經元上的TRPs通道，使其開放后引起Ca：+內流（如圖2），參與疼痛的信號傳遞.TRPs通道介導疼痛產生的機制有兩種假說，假說一：TRPs通道開放后，內流的Ca“引起細胞膜電位變化，并以電信號形式在細胞間直接傳遞，直至神經中樞產生痛覺;假說二：TRPs通道開放后，內流的Ca“引起神經遞質釋放，產生興奮并傳遞，直至神經中樞產生痛覺.研究PIP2對TRPs通道活性調節(jié)機制，可為臨床上緩解病人疼痛提供新思路.下列對材料的分析敘述不合理的是（

）。

A.TRPs通道蛋白介導的疼痛產生過程不屬于反射

B.兩種假說都認為興奮在神經元之間的傳遞需要神經遞質的作用

C.兩種假說都認為TRPs通道開放會引起下一個細胞的膜電位變化

D.可通過調節(jié)PIP2降低TRPs通道的活性，起到緩解疼痛感受的作用

答案：B

解析本題介紹TRPs通道介導疼痛產生機制的兩種假說，考查學生尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度.反射需要完整的反射弧參與.TRPs通道蛋白介導的疼痛產生過程并沒有涉及完整的反射弧，缺少傳出神經和效應器，因此疼痛產生過程不屬于反射.假說一中TRPs通道開放后，內流的Ca“引起細胞膜電位變化，并以電信號形式在細胞間直接傳遞，并未發(fā)生電信號一化學信號_+電信號的轉換，故選項B錯誤，細胞內的脂質PIP，可以活化感覺神經元上的TRPs通道，使其開放后引起Ca“內流，內流的Ca“引起神經遞質釋放，產生興奮并傳遞至大腦皮層神經中樞產生痛覺，因此降低細胞內的脂質PIP2含量可起到緩解疼痛感受的作用，

例3 γ -氨基丁酸和某種局部麻醉藥在神經興奮傳遞過程中的作用機理如圖3所示，此種局麻藥單獨使用時不能通過細胞膜，如與辣椒素同時注射才會發(fā)生如圖4所示效果.下列分析不正確的是（

）.

A.局麻藥作用于突觸后膜通道，阻礙Na+外流，抑制突觸后膜產生興奮

B.局麻藥和γ -氨基丁酸的作用機理不一致.前者不屬于神經遞質

c.γ -氨基丁酸與突觸后膜的受體結合，促進CI-內流，抑制突觸后膜產生興奮

D.膜內外鈉離子的濃度差會影響神經細胞興奮的產生

答案：A

解析本題創(chuàng)設某種局部麻醉藥在神經興奮傳遞過程中的作用機理背景，側重于考查知識與觀念和科學思維.動作電位的產生與Na+內流有關，局麻藥作用于突觸后膜通道，阻礙Na+內流，抑制突觸后膜產生興奮，A選項錯誤.膜內外鈉離子的濃度差會影響神經細胞興奮的產生，鈉離子的濃度差減小，興奮性則降低.γ一氨基丁酸是一種抑制性神經遞質，與突觸后膜上的受體結合，促進Cl-內流，抑制突觸后膜產生興奮.

例4 因為存在痛覺信號的二級放大，即便是輕微的觸摸或溫水刺激也會感到疼痛，相關神經元之間的相互作用如圖5.

（1）TRPV受體位于感覺神經末梢的膜上，是一種最可能讓 離子進入細胞的通道，引起神經沖動的產生，而痛覺是在_____中形成.

（2）圖中的結構在生物學上稱為_____ .紅腫處的細胞會分泌組織胺、前列腺素等物質，加上感覺神經元分泌的肽類神經遞質，會使位于______（填序號）上靜默狀態(tài)的TRPV活化，放大了痛覺效果：阿司匹林能 _____（填“促進”或“抑制”）前列腺素的生成，從而具有能緩減疼痛的作用.

（3）在圖示神經細胞，A和神經細胞B中添加某種藥物，刺激M，發(fā)現(xiàn)R的指針只發(fā)生了1次偏轉，原因可能是藥物 ______，

答案：（1）Na+ 大腦皮層（2）突觸②抑制（3）阻止了突觸前膜遞質的釋放或阻止了突觸前膜釋放的遞質與突觸后膜受體的結合

解析 本題創(chuàng)設痛覺信號的二級放大背景，側重于考查知識與觀念和科學思維.紅腫處的細胞會分泌組織胺、前列腺素等物質，加上感覺神經元分泌的肽類神經遞質，會使位于突觸后膜②上處于靜默狀態(tài)的TRPV活化，從而放大了痛覺效果：阿司匹林具有緩減疼痛的作用，可推測出阿司匹林能抑制前列腺素的生成，從而使位于突觸后膜②上的TRPV活化的程度降低.

在圖示神經細胞A和神經細胞B中，即突觸間隙添加某種藥物，刺激M，發(fā)現(xiàn)R的指針只發(fā)生了1次偏轉，說明神經細胞B始終未能發(fā)生興奮.該藥物能阻止興奮在神經元細胞間的傳遞，原因可能是阻止了突觸前膜遞質的釋放，也可能是阻止了突觸前膜釋放的遞質與突觸后膜受體的結合，導致神經細胞B未能產生興奮，神經纖維膜電位未發(fā)生變化.

例5 閱讀下面的文章，回答有關問題，

疼痛是一種復雜的生理和心理活動，它包括傷害性刺激作用于機體所引起的痛感覺——“痛覺”及機體對該刺激產生的一系列“痛反應”.與疼痛有關的分子、細胞及相關機制的研究是鎮(zhèn)痛藥物開發(fā)的基礎，

研究表明，TRPVl是位于感覺神經末梢的非選擇性陽離子通道蛋白，廣泛分布于哺乳動物和人體不同組織中，它可以通過開合控制相關離子跨越細胞膜，而離子通道不斷開合，電信號不斷“跑位”，使神經細胞膜產生快速的電位變化，電信號就會沿著神經細胞傳送到大腦.實驗證明.辣椒素和43℃以上的高溫都可以激活TRPVI，并打開其通道.

為研究辣椒素對TRPVI通道的作用機制，科學家對神經元首先進行熒光染劑處理，然后加入濃度為1 μmol/L辣椒素，利用共聚焦顯微成像法對細胞進行動態(tài)觀察，并同步記錄細胞內熒光值的變化，結果如圖6.（說明：靜息狀態(tài)下，細胞外Caz濃度高于細胞內，此狀態(tài)會抑制Na+內流.細胞內Ca2濃度增加可導致熒光強度增加.）

研究還發(fā)現(xiàn)，TRPVI通道與關節(jié)炎引起的慢性炎癥痛也有密切關系.圖7表示白介素IL -6（由多種細胞分泌的一種炎癥因子）引發(fā)炎癥疼痛時的分子機制.（注：CP130 - JAK、P13K、AKT是參與細胞信號轉導過程中的重要物質.）

TRP通道蛋白家族種類較多.TRPVI是結構、功能研究最清楚的家族成員之一，此外，科學家還發(fā)現(xiàn)了與感覺相關的其他離子通道，如TRPM8則可識別低溫刺激和被薄荷醇激活，與冰爽的刺痛感產生有關，可見，不同的離子通道產生的電信號不完全相同，對于大腦來說，不同電信號代表著不一樣的危機，請根據上述信息，結合所學知識，回答相關問題.

（1）痛覺及痛反應產生的主要調節(jié)方式是_____.痛覺中樞位于______中.

（2）本文關于“研究辣椒素對TRPVI通道的作用機制”的實驗，若要證明“辣椒素可激活并打開TRPVI”，還需要做一個_____實驗：用熒光染劑處理神經元，不加入_____ ，利用共聚焦顯微成像法對細胞進行動態(tài)觀察，同步記錄_____的變化，并將結果與實驗組作對比.

（3）請綜合上述圖文信息，結合所學知識，以文字和箭頭方式，從細胞水平和分子水平層面闡述辣椒素刺激引起機體產生痛覺的一系列興奮的產生、傳導、傳遞過程.辣椒素刺激→_____→產生痛覺.

（4）基于IL -6炎癥因子引發(fā)疼痛的分子機制，請為研制緩解慢性炎癥痛的藥物提供兩條思路（簡要闡明即可）.思路一：____;思路二：_____.

（5）請運用進化觀點分別從個體和種群層面分析：痛覺會給動物帶來痛苦，為什么在漫長的進化歷程中，依然保留了對痛覺的感知？

個體層面：____，種群層面：_____.

答案：（1）神經調節(jié) 大腦（或大腦皮層）（2）對照 辣椒素細胞內的熒光值 （3）感覺神經末梢膜上TRPVI被激活，通道開啟→Caz+內流顯著增強→胞外Ca2濃度減小→對Na+內流的抑制作用減弱→Na+內流一感覺神經末梢產生外負內正的動作電位（產生興奮）→興奮通過傳人神經，最終傳至大腦皮層的感（痛）覺中樞 （4）降低IL -6等炎癥因子的含量或信號通路中物質含量（如制備IL -6等炎癥因子的抗體或制備信號通路分子的抗體等） 抑制TRPV1通道在細胞內的轉運途徑（5）疼痛可使動物個體對來自外界和身體內部的危機及疾病做出相應的判斷，并采取保護措施減輕傷害，增加個體生存的機會 個體的生存有助于維持種群數量的穩(wěn)定，利于種群的繁衍.

解析本題以“痛覺”的形成為基礎，研究鎮(zhèn)痛藥物的開發(fā)，側重于考查知識與觀念、科學思維、探究與創(chuàng)新.在“研究辣椒素對TRPVI通道的作用機制”實驗中，若要證明“辣椒素可激活并打開TRPVI”，還需要做一個對照實驗：對照組除不加入辣椒素之外，其余處理均與實驗組相同，即用熒光染劑處理神經元，不加入辣椒素，同樣利用共聚焦顯微成像法對細胞進行動態(tài)觀察，同步記錄細胞內熒光值的變化，并將結果與實驗組進行對比，細胞內熒光值的變化可反映細胞內Ca2濃度的變化.Ca2濃度增加可導致熒光強度增加.若實驗結果實驗組細胞內的熒光值高于對照組，便可證明辣椒素可激活并打開TRPVI，導致Ca2+內流顯著增強.

單因子對照實驗步驟通常分四步：第一步，同等取材，分組、編號;第二步，設置一個自變量，控制無關變量（相同且適宜）;第三步，相同條件下培養(yǎng)一段時間;第四步，檢測并記錄因變量，分析實驗結果得出結論.上述實驗要研究辣椒素的作用機制，必須要有一個空白對照.

靜息狀態(tài)下，細胞外Ca2濃度高于細胞內，此狀態(tài)會抑制Na+內流.當加入辣椒素時，辣椒素可激活并打開TRPVI→Ca2內流顯著增強→胞外Ca2濃度減小一對Na+內流的抑制作用減弱-}Na+內流→感覺神經末梢產生外負內正的動作電位（產生興奮）→興奮通過傳人神經，最終傳至大腦皮層的感（痛）覺中樞，產生痛覺.上述流程圖的書寫能較好地考查學生嚴謹的邏輯思維，部分學生寫到：Ca2內流顯著增強一感覺神經末梢產生外負內正的動作電位（產生興奮），這與Na+內流一感覺神經末梢產生外負內正的動作電位（產生興奮）不符，

利用流程圖，同樣有利于從圖7中找出IL -6炎癥因子引發(fā)疼痛的分子機制：當加入白介素IL -6時.IL -6和IL -6受體結合→被細胞膜上受體GP130 - JAK識別→P13K→AKT→TRPVI基因表達（增加）→ TRPVI經囊泡轉運→細胞膜上TRPVl增加→Ca2內流顯著增強→胞外Ca2+濃度減小→對Na+內流的抑制作用減弱→Na+內流→感覺神經末梢產生外負內正的動作電位（產生興奮）→興奮通過傳人神經，最終傳至大腦皮層的感（痛）覺中樞，產生痛覺.基于上述分子機制，研制緩解慢性炎癥痛的藥物可從兩個方面進行考慮，思路一：制備1L -6等炎癥因子的抗體或制備信號通路分子的抗體等，以降低IL -6等炎癥因子的含量或信號通路中物質含量，從而減少TRPVI基因的表達：思路二：抑制TRPV1通道在細胞內的轉運途徑，從而減少細胞膜上TRPVI通道數量，

痛覺雖給動物帶來痛苦，但可使動物個體對來自外界和身體內部的危機及疾病做出相應的判斷，以便采取保護措施減輕傷害，從而增加個體生存的機會，個體生存機會的增加有助于維持種群數量