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化学情境试题:人体的钠钾帮浦(Sodium-Potassiu

时间:2020-06-19  作者:



在回答问题之前,首先请你阅读与本试题有关的情境描述,以增加你对本试题背景知识的了解;然后思考问题解决的策略,并且写下你的答案;最后用我们提供的参考答案检查你的答案是否正确。

情境描述

当你(妳)的手触热锅而缩回、脚踩到尖物立刻缩回、看到情境试题先思考再写答案、闻到花香(图一)以及听到鸟鸣,这些感觉和动作需透过神经系统指示身体作出适当的反应,而其上的神经细胞究竟如何运作呢?

化学情境试题:人体的钠钾帮浦(Sodium-Potassiu

图一  闻到花香引发神经系统运作

照片来源:Dennis Wong, http://www.flickr.com/photos/denniswong/3309276218/sizes/m/

当神经细胞处于休息状态时,细胞膜内外存在恆定的电位差,称为静止膜电位(resting membrane potential)。为了维持细胞的静止膜电位,细胞内必须保持低浓度的钠离子和高浓度的钾离子。膜电位是设定细胞外的电位为零,以相对的细胞内电位值表示,人体神经细胞的静止膜电位约 -70至 -80 mV。

神经细胞从静止膜电位开始到动作电位(action potential)的过程如下:(i)当兴奋性刺激升高到阈值(threshold,人体约 -55 mV)后,会引发细胞膜上钠离子通道(sodium channel)大量开启,使细胞膜外的钠离子涌入细胞膜内,造成细胞的膜电位上升(大多升到 +30~+40 mV,有时高到 +100 mV),此过程为去极化(depolarization)。(ii)然后,钠离子通道开始关闭,细胞膜上钾离子通道(potassium channel)打开,钾离子从细胞内运输到细胞外,使膜电位下降,此过程为再极化(repolarization)。(iii)接着,由于钾离子通道开启的时间很长,因此钾离子流出细胞外的量过多,使得细胞内的电位降低(低于静止膜电位),而形成了过极化(hyperpolarization)的现象。

最后,神经细胞必须回复到静止电位而準备开始下一个动作电位,故钠钾帮浦(Na+/K+ pump, sodium-potassium pump)经由水解三磷酸腺苷(ATP)获得能量以主动运输的方式,将三个钠离子送出细胞,同时将两个钾离子送进细胞,让整个系统回复到初始「外正内负」的浓度状态下,如图二所示。

化学情境试题:人体的钠钾帮浦(Sodium-Potassiu
图二  钠钾帮浦示意图

图片来源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-potassium_pump

〔图示说明:ATP表示Adenosine triphosphate,三磷酸腺苷;ADP表示Adenosine diphosphate,二磷酸腺苷;Pi表示phosphate ion,磷酸根〕
钠钾帮浦的能量来源涉及葡萄糖酵解(glycolysis)和三磷酸腺苷水解(hydrolysis of ATP)两个过程。在葡萄糖酵解的途径中,一个葡萄糖分子(C6H12O6)被分解为两个丙酮酸分子(C3H4O3),两个二磷酸腺苷(ADP)生成两个三磷酸腺苷(ATP),辅酶NAD+发生还原反应生成NADH,其反应式如下所示:

C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2H3PO4 → 2C3H4O3 +2NADH + 2ATP + 2H2O + 2H+
细胞藉由水解ATP而产生能量,ATP的三磷酸酐释放出一个磷酸根,生成ADP,其反应如下所示:

ATP(aq) + H2O(l) → ADP(aq) + H2PO4–(aq)

情境试题

1. 下图为细胞从静止膜电位开始到动作电位的过程示意图,配合「情境描述」的文字和图示,回答下面问题。

化学情境试题:人体的钠钾帮浦(Sodium-Potassiu

图片来源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential

(1) 静止膜电位在哪一条直线或曲线?
(2) 动作电位的去极化在哪一条直线或曲线?
(3) 动作电位的再极化在哪一条直线或曲线?
(4) 动作电位的过极化在哪一条直线或曲线?
(5) C线需要用到哪一种离子通道?离子如何进出?需要用到ATP水解的能量吗?
(6) E线需要用到哪一种离子通道?离子如何进出?需要用到ATP水解的能量吗?
(7) G线需要用到哪一种离子通道?离子如何进出?需要用到ATP水解的能量吗?

2. 根据「情境描述」,
(1) 钠钾帮浦的能量来源包含葡萄糖酵解和三磷酸腺苷水解的过程。此二过程涉及何种能量的转换?
(2) 假若钠钾帮浦失去功效,在细胞内部会有大量无法分泌到细胞外的物质,而这些物质就是造成渗透压的差距,如此一来,细胞的体积会有何变化?

3. 人体中ATP的总量只有大约0.10莫耳,但是每天的能量需要水解100~150莫耳的ATP。ATP不能被储存,因为ATP的合成后必须在短时间内被消耗。请问:
(1) 100~150莫耳的ATP相当于多少克的ATP?(莫耳质量:ATP = 507.18 g mol−1)
(2) 每个ATP分子每天必须被重複利用几次?

4. 根据「情境描述」,正常人体的体温37℃,由血液运送1.0莫耳钾离子往肌肉的细胞内需作多少功?

5. 承上题,当1.0莫耳钾离子由血液运往肌肉细胞时,是否有其他离子也必须被传送?并解释其原因。

6. 在体温37℃时,运送钾离子的平衡常数K = 1.7 x 105。试问;运送1.0莫耳钾离子需要水解几莫耳ATP供其能量?(假设ATP水解反应在标準状态下进行)

连结:人体的钠钾帮浦(Sodium-Potassium Pump in the Body)〔II〕

参考资料(以下网页撷取日期:2010年4月)


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