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谈谈以“生物膜”知识为背景的几个问题

江 苏 省 洪 泽 中 学(223100) 宋 扬 俞士娟

在生物界中，除了极少数的病毒、类病毒等以外，绝大多数的生物都是由细胞构成的。细胞作为生命活动的基本单位，它通过细胞膜彼此间及与环境间分隔开，使之成为一个独立的生命体系。在真核细胞结构中，除了极少数的细胞器，如中心体、核糖体外，其细胞膜、核膜及线粒体等诸多细胞器均由单层或双层膜构成，这些膜结构在化学成分、功能等方面既相互独立又紧密联系共同形成了一个有机的整体，即“生物的膜系统”；原核生物的细胞由于缺乏复杂的内膜系统，故其细胞尚不能形成复杂的生物膜系统。
“生物膜”知识的内涵与外延，在高中生物知识的学习与高考试题中，其呈现方式与考查要求是多角度、多层面的，必须仔细加以研习。下面结合多年的教学实践对有关“生物膜”知识的学习要点谈一些认识，望能教与学有所帮助。
1 与细胞或具“膜”细胞器结构特征相关的问题
例1. （原创）下列细胞结构中属于具双层膜结构和不具膜结构的分别是（ ）
①中心体 ②高尔基体 ③溶酶体 ④细胞核 ⑤线粒体 ⑥内质网 ⑦质粒 ⑧核糖体 ⑨叶绿体 ⑩运载体
A. ②⑤⑥和①③⑧ B. ④⑤⑨和①⑦⑧ C. ②③④⑨和①③⑩ D. ④⑤⑨和①⑧⑩
解析及答案：依据题意，在细胞结构中属于双层膜的结构只有“细胞核（因为其核膜为双层膜）、线粒体和叶绿体”，不具膜结构的有“中心体、核糖体、质粒（细菌等细胞中的小型环状DNA分子）和运载体”，但由于“运载体”可以是动植物病毒和噬菌体，他们不属于细胞结构，故符合题意的不具膜的结构只有“中心体、核糖体和质粒”。本题答案是B。
2 与“生物膜”的化学成分知识相关的问题
生物膜的化学成分主要是脂质、蛋白质和少量的糖类。其中磷脂分子有二层，构成膜结构的基本支架，蛋白质分子有的排布在磷脂双分子层的外侧、有的嵌插有磷脂双分子层中、有的贯穿在整个磷脂双分子层中。在不同的生物膜中，三种物质的含量是有差别的，从而使其能够表现出功能上的某些差异性，如细胞膜和核膜上的糖相对较多，其与某些蛋白质共同构成糖蛋白，便于质膜或核膜融合前的识别，线粒体内膜比外膜的蛋白质多是因为其内膜上附着许多有氧呼吸的酶。下表为几种生物膜化学成分的比较——
化学成分
生物膜类型
蛋白质
（质量分数/%）
脂质
（质量分数/%）
糖类
（质量分数/%）
人红细胞膜
49
43
8
大鼠肝细胞核膜
59
35
2.9
内质网膜
67
33
含量很少
线粒体外膜
52
48
含量很少
线粒体内膜
76
24
含量很少
例2. （原创）下列有关线粒体成分和结构的特点分析，其中正确的是（ ）。
①内膜比外膜具有更多的功能；②内膜与外膜的化学组成大致相同；
③内、外膜上含有许多与有氧呼吸有关的酶；④内膜的表面积大，导致蛋白质含量高；
⑤内膜比外膜更不易被胀破。
A. ①②⑤ B. ①②④⑤ C. ①②③④⑤ D. ②③④⑤
解析及答案：从化学组成上看，线粒体的内、外膜的成分几乎都是脂质和蛋白质，故其是一样的；内膜上由于附有许多与有氧呼吸有关的酶，故其比外膜具有更多的功能；内膜由于向内折叠形成许多嵴，故其面积增大，不易被胀破；而内膜表面积增大，不是导致蛋白质含量增高的原因。本题答案是A。
3 与“生物膜”的结构特点及不同膜结构间的关系知识相关的问题
各种生物膜结构中的磷脂分子和蛋白质分子大都是可以运动的，这体现了生物膜的结构特点——一定的流动性，这种结构特点是不同细胞的融合及细胞中膜结构的融合、大分子或颗粒性物质的吸收和分泌（如排泄）的基础。
真核细胞内各种膜结构间有的是直接联系、有的是间接联系。直接联系表现为不同的生物膜结构间直接相连，间接联系表现为不同的膜结构间以出芽形成小泡，然后通过小泡融入其他膜结构的方式实现联系。在这些联系中，内质网膜在各种膜结构的联系中处于中心地位，其关系如右图，其中的①与②、③与④、⑤与⑥之间可实现“直接转化”，⑦与⑧、⑨与⑩之间通过出芽形成小泡“间接转化”。
例3.在细胞的各种膜结构中，功能全，联系广的细胞器是（ ）。
A．细胞膜 B.内质网 C.核膜 D.线粒体
解析及答案：内质网膜与核膜、细胞膜、线粒体膜直接联系，与高尔基体膜等间接联系，但细胞膜与核膜不属于细胞器。本题答案是B。
4 与生物的具“膜”结构的功能知识相关的问题
生物膜的功能是多方面的，主要表现为：细胞膜使细胞具有一个相对稳定的胞内环境，同时在细胞与环境之间的物质运输（即跨膜运输）、能量交换和信息传递（如：免疫、识别等）的过程中起着决定性的作用；生物膜为细胞中的许多化学反应提供反应场所；细胞内的生物膜把细胞分隔成一个个小室，从而使得细胞内能够同时进行多种化学反应而不相互干扰，保证了生命活动的高效有序进行。
例4. 用放射性同位素标记的某种氨基酸培养胰腺细胞，得到带有放射性的胰岛素。如果用仪器测试放射性在细胞中出现的顺序，这个顺序最可能是 ( )
①线粒体 ②核糖体 ③内质网 ④染色体 ⑤高尔基体 ⑥细胞膜 ⑦细胞核
A.①③④⑦⑥　　 B.⑥②③⑤⑥　 C.②③⑤①⑥ 　D.⑥②⑦④⑤
解析及答案：本题以膜结构的功能知识为背景，体现了生命活动的相对独立性和有序性。氨基酸首先通过细胞膜进入细胞，然后在核糖体上是合成蛋白质，接着再依次进入肉质网和高尔基体中加工，最后再一次通过细胞膜分泌到细胞外，在此过程中线粒体作为主要供能结构参与。本题答案是B。
5 以“生物膜”知识为背景的计算
5.1 同一细胞中与生物膜结构有关的计算
例5.植物一个叶肉细胞中的O2从产生处到被消耗处，至少要经过（ ）层膜。
A.1 B.2 C.4 D.6
解析及答案：O2在植物细胞的叶绿体中产生，在线粒体中被利用，而二者都是双层膜结构，故在同一细胞中O2从产生处到被消耗处，至少要经过4层膜。本题答案是C。
5.2 不同的细胞间与生物膜结构有关的计算
5.2.1 同一组织（或器官）中，与不同细胞的生物膜结构有关的计算
例6. （原创）在人体内，分泌抗体时要消耗的能量主要由一种膜结构提供，血红蛋白运载O2到达该结构需经过的磷脂分子层数为（ ）。
A.6层 B.12层 C.8层 D.4层
解析及答案：依据题意，血红蛋白在红细胞中，抗体由效应B细胞分泌，二类细胞均在血液（属于结缔组织）中；分泌抗体时消耗的能量主要来自线粒体，其二层膜构成，而每层膜均包含二层磷脂分子层，故O2分子从红细胞中出来进入效应B细胞的线粒体共要经过4层膜（一层红细胞膜、一层效应B细胞膜、二层线粒体膜）8层磷脂分子层。本题答案是C。
例7.一分子CO2从叶肉细胞的线粒体基质中扩散出来，进入一个相邻细胞的叶绿体基质中共穿过的生物膜层数有（ ）。
A.5层 B.6层 C.7层 D.8层
解析及答案：叶绿体和线粒体二者都是双层膜结构，故一分子CO2从叶肉细胞的线粒体基质中扩散出来，进入一个相邻细胞的叶绿体基质中共穿过的生物膜层数应包括这4 层膜和二个细胞的细胞膜，共6层。本题答案是B。
5.2.2 不同组织、器官和系统间与生物膜结构有关的计算
例8.外界空气中的O2进入人体组织细胞中被利用至少要通过（　　）层生物膜。
A.5 B.7 C.9 D.11
解析及答案：外界空气中的O2进入人体组织细胞需要经过循环系统和呼吸系统，被利用时还要进入线粒体。其需要经过的途径至少是：O2→肺泡壁一层细胞→肺部毛细血管壁一层细胞→进红细胞一次→出红细胞一次→组织处毛细血管壁一层细胞→组织细胞→线粒体，而每过一层细胞就要通过两层膜（进出各一次）。故需经过的总膜层数为：1×2+1×2+1+1+1×2+1+2=11。本题答案是D。
5.3 与“生物膜”知识相关的几种特殊计算
跨膜运输的特殊性是指有些物质的运输看似经过膜了，但由于膜上有小孔（如核膜）或由于膜的融合开裂以及细胞的死亡导致膜的消失等因素存在，实际上这些物质的运输在特定的背景下并未经过膜。如下面三个例子——
例9.（原创）植物根成熟区的表皮细胞有氧呼吸产生的一个H2O分子进入成熟区相邻的另一个表皮细胞的大液泡中和导管中分别至少要经过( )膜。
A.5层和3层 B.3 层和3层 C.10层和4层 D.6 层和4层
解析及答案：细胞有氧呼吸在线粒中产生水分子，线粒体为双层膜细胞器，液泡是单层膜细胞器，故一个水分子从成熟区的表皮细胞的线粒体中产生到另一个表皮细胞的大液泡中至少需经过膜的层数为：2（线粒体膜）+1（细胞膜）+1（细胞膜）+1（液泡膜）=5；由于导管是死细胞，故其不存在生物膜结构，所以，一个水分子从其产生部位到之实际上只是经过其自身细胞时需过的膜的层数，即3层。本题答案是A。
例10.（原创）在红绿色盲病基因（Xb）的表达过程中，mRNA从合成部位出来，到与蛋白质的装配机器结合要经过的膜的层数为（ ）。
A. 0层 B. 2层 C.3层 D. 4 层
解析及答案：mRNA是在细胞核合成的，其是穿过核孔从合成部位出来的，故此时其穿过0层膜；蛋白质的装配机器是核糖体，其是非膜结构，故mRNA从合成部位出来与蛋白质的装配机器结合经过膜的层数也是0层。本题答案是A。
例11.（原创）经内质网糖基化加工后的蛋白质分泌到细胞外需要经过的膜结构及穿过的膜层数分别是（　 　）。
A.内质网→细胞膜、2层 B. 内质网→高尔基体→细胞膜、3层
C. 内质网→高尔基体→线粒体→细胞膜、4层 D. 内质网→高尔基体→细胞膜、0层
解析及答案：细胞内物质分泌到细胞外的结构基础是生物膜的流动性，分泌物通过膜结构的开裂使膜内物质排到膜外，实际上物质本身并未穿过膜结构。本题中经内质网糖基化加工后的分泌蛋白先通过内质网出芽形成小泡融入高尔基体，接着高尔基体再出芽形成小泡融入细胞膜，最后由细胞膜排出细胞外，而分泌蛋白始终未穿过“膜”，故本题答案是D。
6 以“生物膜”知识为背景的现代生物科技研究及应用
“生物膜”的结构与功能的研究成果应用主要体现在工农业生产和医学实践，并且有的方面已经取得了成功，如在医学上尝试用人工合成的膜材料，代替人体的病变器官行使正常的生理功能。
例12. （改编）下图是人工肾脏，它是由人工生物膜构成膜性管道，将管道浸浴在透析箱中，血液流经膜性管道后，血液中的代谢废物进入透析箱中，使血液变的清洁后再流入人体血管。请就图示回答有关问题：
(1)膜性管道、透析箱分别类似于肾脏的 、 ；人工肾脏利用的相关原理中与生物学有关的是 。
(2)膜性管道和透析箱中结构或物质的成分上的不同点主要表现在 。
(3)流入箱中的透析液与流出箱后的透析液在成分上的区别主要是 。
(4)向透析液中加压空气并加热的原因是什么? 。
(5)下表是人的血浆、原尿、尿的成分比较：

此人的肾功能是否正常? ，原因是 ；如果患病，则可能患有 。
解析及答案：(1)肾小球 肾小囊 生物膜的选择透过性 (2)透析液中无血细胞和大分子蛋白质 (3)流出箱后的透析液中含废物比流入的多 (4)使血细胞保持正常生命活动能力，维持血细胞及人体的正常体温 (5)不正常，①尿液中含有葡萄糖②原尿中含有少量的蛋白质。糖尿病或肾炎。

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