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化学情境试题:人体的钠钾帮浦(Sodium-Potassium Pump in the Body)〔I〕? 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? 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。 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;P i 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(C 6 H 12 O 6 )被分解为两个丙酮酸分子(C 3 H 4 O 3 ),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: C 6 H 12 O 6 + 2NAD + + 2ADP + 2H 3 PO 4 → 2C 3 H 4 O 3 +2NADH + 2ATP + 2H 2 O + 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 ) + H 2 O( l ) → ADP( aq ) + H 2 PO 4 - ( 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。 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 10 5 。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) Na + /K + pump, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-potassium_pump. 钠钾帮浦,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-hant/钠钾帮浦。 Membrane potential, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_potential. 静息电位,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/静息电位。 Action potential, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential. 动作电位,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/动作电位。 科学,就是酱,http://tw.myblog.yahoo.com/clarinase-1/article?mid=3913。 三磷酸腺苷,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/三磷酸腺苷。 查看更多
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简介
职业:东莞市智高化学原料有限公司 - 安装预算工程师
学校:西华大学 - 机械工程与自动化学院
地区:湖南省
个人简介:人生并不像火车要通过每个站似的经过每一个生活阶段。人生总是直向前行走,从不留下什么。查看更多
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