“物质跨膜运输”典例评析与备考难点突破

陈惠琴 谢丽开

细胞是一个开放的最基本的生命系统，时刻与环境进行着物质交换。"物质出入细胞的方式"是高考的高频考点之一，考查角度多集中在物质的跨膜运输，当考题情景涉及膜结构综合考查控制物质进出、能量转换和信息交流等功能时，问题变得较为复杂，往往会成为考生作答的难点。在备考复习过程中，读透教材准确理解相关概念，梳理概念之间的联系构建知识网络，分析典型高考例题领会解题思路和技巧，归纳考查角度并适度训练，才能真正做到夯实基础并突破疑难，真正地提升应考的能力和效率。

一、典型高考试题评析

【例1】（2020·江苏高考，5）如图1所示中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

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

试题评析：本题考查5种常见物质跨膜运输的方式，考查考生的理解能力和获取信息的能力。细胞通过方式①吸收Na+ 和葡萄糖，虽然二者共用同一载体蛋白，实质为两种不同的运输方式，Na+ 进入细胞是顺浓度梯度，属于协助扩散，葡萄糖进入细胞是逆浓度梯度，能量来自细胞内外Na+ 浓度差的势能，属于主动运输。而葡萄糖运出小肠上皮细胞是通过方式③，顺浓度梯度，借助载体蛋白，属于协助扩散，故A正确。Na+ 主要以方式②利用Na+ -K+ 泵主动运输运出小肠上皮细胞，而方式③是协助扩散，故B错误。多肽是大分子物质，以方式⑤即胞吞的方式进入细胞内，不能以方式②主动运输运出细胞，故C错误。维生素D属于脂溶性小分子物质，通过方式④即以自由扩散方式被吸收，故D错误。

解题方法启示：本题是细胞膜控制物质进出方式的典型题。此类题目解题的关键在于正确读取图中的信息，并打破惯性思维排除干扰项。本题的干扰点在A选项。因为在方式①中葡萄糖的吸收是逆浓度梯度的，但图中有别于典型的主动运输方式⑤并没有标明ATP的供给，惯性思维可能会让考生难以判断此时逆浓度梯度运输的能量消耗，而只有把它与Na+ 的吸收共用同一蛋白载体联系起来，联系离子的浓度差存在势能才能排除干扰。由此，对于主动运输的能量来源我们应该有所拓展，即其能量来源除了ATP水解反应释放的化学能外，还包括物质浓度差所产生的势能等，而且需要进一步强化概念：凡逆浓度梯度运输，需要消耗能量，属主动运输，凡顺浓度梯度运输为被动运输，不消耗细胞化学反应释放的化学能。

参考答案：A

【例2】（2014·北京高考3）比较生物膜和人工双层磷脂膜对多种物质的通透性，结果如图2所示。据此不能得出的推论是

A. 生物膜上存在着协助H2O通过的物质

B. 生物膜对K+、Na+、Cl-的通透具有选择性

C. 离子以协助扩散方式通过人工膜

D. 分子的大小影响其通过人工膜的扩散速率

试题评析：本题以坐标图呈现数据创设情境考查对物质跨膜运输的方式的本质认识，涉及两种膜结构及多种物质通透性数据的比較分析来作出推论，考查理解能力、获取信息的能力、综合能力，难度较大。读图可知，CO2、O2和甘油的运输速度在生物膜和人工双层磷脂膜上是相同的，可推论：这三种物质的运输与二者共有的磷脂双分子层密切相关，为自由扩散，而这三种物质运输速度有差异，从而推论出分子的大小的差异影响所致，故D推论正确。读图可知，H2O在生物膜上的通透性要大于在人工膜上的速度，可推论在生物膜上有协助H2O运输的物质，实质水通道蛋白的存在导致水的跨膜方式还有协助扩散，故A推论可得出;K+、Na+、Cl- 的在生物膜上的通透性有差异，生物膜对这些离子具有选择性，故B推论正确;因为人工膜没有载体蛋白，离子不能以协助扩散方式通过人工膜，故C推论不能得出。

参考答案：C

【例3】（2020·天津高考第14节选）神经细胞间的突触联系往往非常复杂。图3为大鼠视网膜局部神经细胞间的突触示意图。据图回答：

（1）当BC末梢有神经冲动传来时，甲膜内的_______释放谷氨酸，与乙膜上的谷氨酸受体结合，使GC兴奋，诱导其释放内源大麻素，内源性大麻素和甲膜上的大麻素受体结合，抑制Ca2+通道开放，使BC释放的谷氨酸__________（增加/减少）最终导致GC兴奋性降低。

（2）GC释放的内源性大麻素还能与丙膜上的大麻素受体结合，抑制AC中甘氨酸的释放，使甲膜上的甘氨酸受体活化程度________（升高/降低），进而导致Ca2+通道失去部分活性。AC与BC间突触的前膜为_____膜。

（3）上述为______调节机制，保证了神经调节的精准性。该调节过程与细胞膜________两种功能密切相关。

试题评析：本题以大鼠视网膜局部神经细胞间的突触联系为背景创设情境，在新情境中考查考生对物质的跨膜运输、细胞膜的功能、负反馈调节机制等知识的理解应用水平，考查考生的理解能力、获取信息的能力、综合能力。第（1）小题，当BC末梢有神经冲动传来时，甲膜通过胞吐方式释放谷氨酸增加，包裹谷氨酸的小囊泡是突触小泡;读图可知，Ca2+ 可促进突触小泡释放谷氨酸，而谷氨酸与乙膜的受体结合促进了大麻素释放增加，大麻素与甲膜的受体结合后，抑制了Ca2+ 通道开放，BC吸收Ca2+ 减少，因而谷氨酸的释放减少。从谷氨酸释放增加到释放减少，形成了一条调节环路，很显然，这是一种负反馈调节，这种机制的意义是保证了神经调节的精准性。第（2）小题，当BC末梢有神经冲动传来时，GC释放的内源性大麻素还能与丙膜上的大麻素受体结合后，抑制了丙膜甘氨酸的释放，致使甲膜上的甘氨酸受体活化程度降低，显然，这里也存在从谷氨酸释放增加到释放减少的调节环路，也是一种负反馈调节。对于丙膜和甲膜而言，丙膜释放神经递质甘氨酸，甲膜有甘氨酸的受体，所以丙膜为突触前膜。第（3）小题，在前两个小题的基础上进行综合，总结出细胞膜的两个功能。

解题启示：本题解题的关键从图中获取信息，图中的信息错综复杂且互为因果，要抓住突触结构的本质特征，即前膜释放神经递质，后膜具有特异性的受体;要掌握负反馈调节本质特征，在一个系统中，系统本身工作的效果，反过来又作为信息调节该系统的工作。

参考答案：（1）突触小泡 减少（2）降低丙（3）负反馈 控制物质的进出、进行细胞间的信息交流

【例4】（2014·江苏高考27）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4-5表示2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4表示的生理过程是________，其主要的生理意义在于______________。

（2）图5中ATP参与的主要生理过程是__________。

（3）叶肉细胞与人体肝脏细胞都具有图 _______（填图序号）中的膜结构。

（4）图4-6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___________。

（5）图6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___________。

（6）图4-6说明生物膜具有的功能有________________________________________________________（写出3项）。

试题分析：本题以叶绿体类囊体膜、线粒体内膜、细胞膜的亚显微镜结构及其发生的生理功能为背景创设情境，考查考生的光合作用、呼吸作用、细胞识别作用等知识的理解和应用，考查理解能力、获取信息能力和综合能力。

第（1）小题，图4发生了2H++1/2O2→H2O，并产生了ATP，可知发生在线粒体内膜的有氧呼吸第三阶段，合成的ATP为生命活动供能;

第（2）小题，图5表示色素吸收光能合成ATP的光合作用的光反应阶段，合成的ATP参与暗反应中的CO2的还原。

第（3）小题，光合作用是叶肉细胞特有的，有氧呼吸第三阶段和生物膜的信息传递是叶肉细胞和人体肝脏细胞共有的，所以叶肉细胞与肝细胞都有的膜结构是图4、5。

第（4）小题，生物膜主要由蛋白质和磷脂组成，而生物膜主要的功能活动由蛋白质来参与完成，所以生物膜功能不同是含有的蛋白质不同。

第（5）小题，一种受体只能与特定的信号分子相结合，说明了受体蛋白具有特异性，促甲状腺激素释放激素作用的靶器官为垂体。

第（6）小题，通过图4、图5可看出生物膜具有跨膜运输功能和能量转换功能，图6可以看出生物膜具有信息交流功能。

解题启示：本题是物质跨膜运输的能量转换功能的典型题。生物膜的基本结构是基本相同的，但生理功能有不同，本题的解题的关键是根据图中的关键信息来判断生物膜的结构及其生理功能。无论是光合作用还是呼吸作用都涉及到了H+ 的跨膜运输，涉及了两类膜蛋白的协助，包括H+ 质子泵和ATP合成酶，理解这一点，有助于理解跨膜运输的能量转换功能。

参考答案：（1）有氧呼吸第三阶段 为生命活动供能 （2）暗反应（3）4、6（4）含有的蛋白质不同（5）受体蛋白具有特异性垂体（6）跨膜运输、能量转换信息交流等。

从上述高考典型试题分析来看，在新情境中考查知识和关键能力，重视考查基础知识，呈现一定的综合性、创新性，能力素养立意是今后命题的总趋势。跨膜运输的物质种类繁多，不同物质跨膜运输的方式也有所不同，同一种物质进出细胞的方式也可能不同。在这个版块的复习备考过程中，应该立足于夯实基础，循序渐进突破难点和疑点，逐步提高生物学科素养。针对物质跨膜运输命题特点，多运用图表法和比较法较为合适，需要综合生物膜结构、渗透压的调节、神经信息传递、生物膜上的能量转换等内容，下面提出从不同层面或不同角度展开全面系统的复习策略来突破。

二、难点突破复习策略

（一）读透教材，比较归纳几种物质跨膜运输方式的概念和特点并举例（见图7）

理解掌握几个重要的观点：

1. 细胞膜的功能特点是什么？有何意义？细胞膜的功能特点选择透过性。保证了细胞内相对稳定的微环境。

2. 自由扩散和协助扩散统称为被动运输。被动运输能否体现细胞膜的选择透过性？依据是什么？被动运输能体现细胞膜的选择透过性，因为协助扩散需要转运蛋白，转运蛋白的种类和数量表现出细胞膜的选择透过性;自由扩散中也会受到物质的大小和性质的影响，表现出选择透过性。

3. 主动运输的意义是什么？保证活细胞能够按照生命活动的需要，主动选择吸收所需要的营养物质，排出代谢废物和对细胞有害的物质。

4. 核膜是双层膜，核内外的物质交换是如何进行的？核膜上有核孔，核孔具有选择性，与物质的分子大小无关，小分子一般不通过核孔运输，核内的DNA不能进入细胞质。mRNA只能通过核孔进入细胞质，而氨基酸、葡萄糖、离子和小分子等可通过核膜进出细胞核。

（二）图文转换，辨析图中跨膜运输的方式并比较分析其影响因素。

（1）内在影响因素。

物質跨膜运输与膜的流动性和选择透过性有关，选择透过性的结构基础是膜上载体蛋白的种类和数量。

（2）外在影响因素（见表1）。

比较总结影响物质跨膜运输速率的因素：

1. 自由扩散：主要受细胞膜内外物质的浓度差和温度影响，不受O2浓度变化影响。

2. 协助扩散：主要受细胞膜内外物质的浓度差和温度影响，不受O2浓度影响。受细胞膜上转运蛋白的数量和种类影响，有载体饱和现象。

3. 主动运输：凡能影响细胞内产生能量的因素，都能影响主动运输，如氧气浓度、温度等。载体蛋白有特异性，载体蛋白有饱和现象。

（三）突破难点，归纳几种常考的膜蛋白及其与跨膜运输方式的关系

1. 生物膜不只是有物质转运的功能，还有信息传递和能量转换的功能。所以膜蛋白的种类也比较多。运用图解帮助记忆和理解。（见图8）

（1）“酶”蛋白：如ATP水解酶，好养性细菌细胞膜上附着与有氧呼吸相关的酶。

（2）受体蛋白：信号分子（如激素、神经递质、淋巴因子）与之特异性结合，传递信息。

（3）载体蛋白：参与协助扩散和主动运输，协助物质的跨膜运输。载体蛋白具有专一性，只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过，每次转运时都会发生自身构象的改变。

（4）通道蛋白：通过打开或关闭通道（改变蛋白质构象）控制物质跨膜运输，属于协助扩散。只容许与自身通道的直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过，物质不需要与通道蛋白结合。如水通道蛋白、神经传导时，Ca2+离子通道、Na+、K+ 通道蛋白。

（5）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，属于主动运输。如Na+-K+ 泵实际是由一种能分解ATP的酶，即Na+-K+ ATP酶，利用ATP供能，使Na+-K+ 泵的蛋白质分子发生构象变化，将Na+ 从细胞内逆浓度运出，将K+ 从细胞外逆浓度梯度运入。

（6）质子泵：在线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜等一些膜结构上存在着质子泵。可以利用质子动力势将ADP转化成ATP，也可以利用水解ATP释放的能量转移质子，实现能量转换。例如：呼吸作用过程中在线粒体的内膜上NADH将有机物降解得到的高能电子传递给质子泵，后者利用这一能量将H+ 泵到线粒体基质外，使得线粒体内外膜间隙中H+ 浓度提髙，大部分H+ 通过特殊的结构①回流至线粒体基质，同时驱动ATP合成，如图9所示：

分析：分析这一过程中物质跨膜运输的方式：结构①是一种具有ATP合成酶活性的通道蛋白，H+ 由膜间隙向线粒体基质的跨膜运输属于协助扩散，通过质子泵将H+ 由线粒体基质向膜间隙的跨膜运输属于主动运输，其中伴随能量转换：有机物中稳定化学能→电能→ATP中活跃化学能。

（四）突破疑点，综合分析几种特定细胞的物质跨膜运输方式

如图10所示为一种溶质分子跨膜运输的示意图。先比较分析细胞中三种膜蛋白及其转运方式，再以肾小管上皮细胞和小肠上皮細胞中发生的一些物质运输实例进一步内化。

1. 肾小管上皮细胞。如图11所示为氨基酸和Na+进出肾小管上皮细胞的示意图。上皮细胞中氨基酸进入组织液需要载体协助，不需要消耗能量，属于协助扩散;官腔中氨基酸进入上皮细胞是依靠Na+的浓度差化学势能，方式为主动运输。

2. 小肠上皮细胞。如图12所示为小肠上皮细胞吸收葡萄糖的示意图。其吸收肠腔中低浓度的葡萄糖时与Na+使用同一载体，方式是主动运输，而吸收Na+方式是协助扩散，K+以主动运输方式从组织液进入小肠上皮细胞。

结语：对于物质的跨膜运输，教材的表达比较简单，本文在备考策略方面，归纳、增补、重组了一些教材未曾出现的图表、情境和案例，目的是加深学生对教材知识的理解，促进学生多角度思考问题，提升思维品质，更加自信、有效、轻松自如地应对高考。

责任编辑   李平安