离子泵、离子通道与细胞膜电位变化机理专题分析

河北 刘晓菊

离子泵、离子通道与细胞膜电位变化机理专题分析

河北 刘晓菊

2016年全国新课标卷Ⅰ的理综选择题第2题就涉及了“离子泵”问题，该题看似考查物质跨膜方式，实际又与“钠-钾泵”等实例的学习不无关系，学生如果没接触过“钠-钾泵”等实例，对该题的判断就可能出现障碍，导致选错失分；2016年全国新课标卷Ⅰ的理综选择题第4题涉及了神经细胞的生理知识，神经细胞兴奋后恢复为静息状态的过程与钠离子通道、钾离子通道及“钠-钾泵”对钠离子、钾离子的转运有关。

【例1】（2016年全国新课标卷Ⅰ第2题）离子泵是一种具有ATP水解酶活性的载体蛋白，能利用水解ATP释放的能量跨膜运输离子。下列叙述正确的是 （ ）

A. 离子通过离子泵的跨膜运输属于协助扩散

B. 离子通过离子泵的跨膜运输是顺着浓度梯度进行的

C. 动物一氧化碳中毒会降低离子泵跨膜运输离子的速率

D. 加入蛋白质变性剂会提高离子泵跨膜运输离子的速率

【答案解析】选C，题干中信息“离子泵是一种具有ATP水解酶活性的载体蛋白”，说明离子通过离子泵的跨膜运输属于耗能的主动运输，A项错误；主动运输一般是逆浓度梯度进行的，B项错误；动物一氧化碳中毒会导致细胞缺氧，细胞有氧呼吸受阻，细胞提供的ATP变少，因此降低离子泵跨膜运输离子的速率，C正确；离子泵是细胞膜上的蛋白质载体，加入蛋白质变性剂会使离子泵作为蛋白质变性失活，失去原有功能，不能再跨膜运输离子，D项错误。

【例2】（2016年全国新课标卷Ⅰ第4题）下列与神经细胞有关的叙述，错误的是 （ ）

A. ATP能在神经元线粒体的内膜上产生

B. 神经递质在突触间隙中的移动消耗ATP

C. 膜上受体蛋白的合成需要消耗ATP

D. 细胞兴奋后恢复为静息状态消耗ATP

【答案解析】选B，神经元细胞可进行有氧呼吸，其中第三阶段在线粒体内膜上完成，并产生大量ATP，故A项正确；神经递质经物理扩散通过突触间隙，不消耗ATP，故B项错误；细胞内蛋白质的生物合成均需消耗ATP，故C项正确；神经细胞兴奋后恢复为静息状态过程中，将Na+排出细胞，同时将K+摄入细胞，靠钠-钾泵运输，且此过程为逆浓度梯度进行的主动运输，消耗ATP，故D项正确。

一、静息电位形成与钾离子渗漏通道

细胞膜上存在K+渗漏性通道，神经细胞处于静息状态时，K+渗漏性通道长期开放，因此膜主要表现为对K+通透性较强，造成K+外流，K+的外流使细胞内外电位差加大，向内的电场力会阻止K+外流，当向外的化学驱动力（K+浓度差）和向内的电场驱动力达到平衡时，K+停止外流，细胞膜内外电位差稳定在-70 mV左右，膜电位表现为外正内负。可见，静息电位的形成与K+平衡电位有关。K+渗漏性通道是细胞膜上的特异性通道蛋白，该通道蛋白只允许K+通过，就像细胞膜上的门一样，能够通过关闭和开放来控制K+通过细胞膜，此时K+通过膜的动力是膜两侧K+的浓度差，不直接消耗ATP形式的能量。离子通过膜上开放的通道蛋白，顺浓度梯度过膜，不耗ATP，可认为是协助扩散。

【例3】（2014年江苏卷第11题）下列关于神经兴奋的叙述，正确的是 （ ）

A. 神经元受到刺激时，贮存于突触小泡内的神经递质就会释放出来

B. 神经递质与突触后膜上的受体结合，也可能抑制下一神经元

C. 兴奋在反射弧中的传导是双向的

D. 神经元细胞膜外Na+的内流是形成静息电位的基础

【答案解析】选B，本题考查神经元上静息电位的形成原因和兴奋在神经元间的传递特点。神经元受到刺激时，若该刺激很弱，没有达到阈刺激，则不能引起神经元兴奋，那么贮存于突触小泡内的神经递质就不会被释放出来，A项错误；神经递质与突触后膜上的受体结合，可能引起下一神经元的兴奋或抑制，故B项正确；兴奋只能从突触前膜传到突触后膜，故兴奋在反射弧中的传导是单向的，C项错误；神经元细胞膜外Na+的内流是形成动作电位的基础，形成静息电位的基础是K+的外流。

二、动作电位形成过程与钠离子门控通道及钾离子门控通道、钠-钾泵

通道蛋白是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾离子渗漏通道，允许钾离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为门控通道。细胞膜上存在Na+门控通道和K+门控通道，但二者不能同时开放，动作电位的形成过程与这两种门控通道有密切的关系。

当处于静息状态的神经纤维膜受到足够大的刺激而发生兴奋时，膜上Na+门控通道迅速开放，此时膜外浓度较高的Na+顺浓度梯度大量内流，使膜内正电荷增加，膜电位改变，由静息状态（极化状态）逆转为外负内正状态（反极化状态），这个过程称为去极化，如图1所示；携带正电荷的Na+内流使膜进一步去极化，越来越多的Na+通道开放，导致越来越多的Na+内流，形成一个正反馈。在动作电位达到峰值时，Na+门控通道关闭，K+门控通道开放，Na+停止内流，K+外流开始，导致动作电位从峰值返回静息状态的极化水平，此过程称为复极化；此时K+门控通道缓慢关闭，稍微过量的K+外流使细胞内电位比静息状态更负，形成了超极化电位，如图2所示。

图1

图2

K+门控通道关闭，只有少数K+渗漏通道开放，一次兴奋完成后，通过钠—钾泵主动运输，把外流的K+运入膜内，把内流的Na+运出膜外，恢复到静息膜电位水平，如图3所示。钠-钾泵实际上就是Na+-K+ATP酶，一般认为是由4个亚基组成的4聚体蛋白质分子，该蛋白通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。

图3

【例4】（2013年海南卷第19题）关于细胞内外K+、Na+和Cl-的叙述，错误的是 （ ）

A. Na+与神经细胞膜上兴奋传导有关

B. 人体血浆中K+的浓度比红细胞中的高

C. 神经细胞静息电位形成的主要原因是K+外流

D. Na+和Cl-是形成哺乳动物血浆渗透压的主要物质

【答案解析】选B，本题考查兴奋在神经纤维上的传导和膜电位产生的原理。神经细胞内K+浓度明显高于膜外，而Na+浓度比膜外低。受到刺激发生兴奋时，细胞膜上Na+通道开放，细胞膜对Na+的通透性增加，Na+内流，表现为内正外负，故A项正确；血浆属于细胞外液，Na+浓度高于细胞内，K+浓度低于红细胞内，故B项错误；静息时，由于膜K+渗漏通道开放，膜主要对K+有通透性，造成K+外流，维持静息电位，故C项正确；细胞外液渗透压90%来源于Na+和Cl-，故D项正确。

【例5】（2016·杭州一模）图甲表示受到刺激时神经纤维上的电位变化，图乙表示突触，有关叙述错误的是 （ ）

A. 轴突膜处于②状态时钠离子内流

B. 轴突膜处于④和⑤状态时钾离子外流

C. 在a处能完成电信号→化学信号的转变

D. a神经冲动一定会使b产生图甲所示的变化

【答案解析】选D，甲图中①②是动作电位的上升支，是由于膜受有效刺激后，Na+通道开放，细胞膜对Na+的通透性增加，Na+内流，③处动作电位达到峰值，此时Na+门控通道关闭，K+门控通道开放，Na+停止内流，K+外流开始，④⑤为动作电位下降支，动作电位从峰值返回静息状态的极化水平，属于复极化过程，且有超极化部分。轴突膜处于②状态时是形成动作电位时，因此钠离子内流，A项正确；轴突膜处于④和⑤状态时是恢复静息电位的复极化过程，因此钾离子外流，B项正确；在a突触小体处能完成电信号→化学信号的转变，C项正确；a神经冲动如果释放兴奋性递质，会使b产生图甲所示的变化，如果释放抑制性递质，则不能使b产生图甲所示的变化，D项错误。

（作者单位：河北省卢龙县中学）