張卓鵬

摘要以2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎為例，進行高考熱點專題復習。通過相關(guān)生物學試題分析，以期幫助學生對溫覺、痛覺的產(chǎn)生以及相關(guān)受體的作用機理有個基本的理解，同時引導學生關(guān)注生物科技進展和社會熱點問題，實現(xiàn)從“解題”向“解決問題”的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞 熱點專題 溫度和觸覺受體 諾貝爾生理學或醫(yī)學獎

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

在高考生物復習中，方向比努力更為重要。高考命題每年都在與時俱進，堅持立德樹人，充分發(fā)揮生物學學科的育人功能。試題情境設(shè)置貼近生活及生產(chǎn)實踐，關(guān)注社會熱點問題，注重體育、美育、勞動精神的考查和引導。學科社會熱點常常成為命題重要的取材背景，以考查學生在新情境中獨立獲取、處理信息的能力，解釋生命現(xiàn)象，解決生物學問題的能力?，F(xiàn)以2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎“溫度與觸覺受體”為例。

2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予美國舊金山加州大學教授大衛(wèi)·朱利葉斯和Scripps研究所的阿登·帕塔普蒂安，獎勵他們對感知溫度與觸覺受體的發(fā)現(xiàn)所做的杰出貢獻。

1溫度和觸覺受體的發(fā)現(xiàn)

人體對熱、冷和觸覺的感知能力對人們的生存至關(guān)重要，并且支撐著人體與周圍世界的互動。在日常生活中，很多人認為這些感覺是理所當然的，但是神經(jīng)沖動是如何啟動的，人體又是如何可以感知溫度和壓力？2021年的諾貝爾獎獲得者已經(jīng)解決了這個問題。大衛(wèi)·朱利葉斯利用辣椒素（一種來自辣椒的刺激性化合物，可誘導灼燒感），來識別皮膚神經(jīng)末梢中對熱的傳感器。阿登·帕塔普蒂安使用壓敏細胞發(fā)現(xiàn)一類新型傳感器，它們對皮膚和內(nèi)臟器官的機械刺激作出反應。他們通過研究確定了人體的感官和環(huán)境之間復雜交互作用中缺失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些突破和發(fā)現(xiàn)可以幫助人們更加了解神經(jīng)系統(tǒng)是如何感知熱、冷和機械刺激。

20世紀90年代后期，人們已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神經(jīng)細胞。但這種化學物質(zhì)如何真正發(fā)揮功能在當時仍是一個未解之謎。大衛(wèi)·朱利葉斯和他的同事創(chuàng)建了一個包含數(shù)百萬個DNA片段的DNA庫，這些片段與感覺神經(jīng)元中表達的基因?qū)@些基因表達產(chǎn)物可以對疼痛、溫度和觸摸做出反應。他們假設(shè)與生成對辣椒素產(chǎn)生反應的蛋白質(zhì)所對應的DNA片段就包含在此DNA庫中。經(jīng)過艱苦的搜索，確定了一個能夠使細胞對辣椒素產(chǎn)生敏感的基因。由此，辣椒素的感應基因被成功地發(fā)現(xiàn)了！進一步的實驗表明，所鑒定出的這種基因編碼了一種新的離子通道蛋白，即辣椒素受體，后來被命名為TRPV1。

當時，雖然溫度感覺的機制正在展開，但機械刺激如何轉(zhuǎn)化為人體的觸覺和壓力感仍不清楚。阿登·帕塔普蒂安和他的合作者首先確定了一種細胞系，當用微量移液管戳單個細胞時，該細胞系會發(fā)出可測量的電信號。他假設(shè)被機械力激活的受體是離子通道，并且在下一步中鑒定了編碼可能受體的72個候選基因。72個基因被一一滅活，以發(fā)現(xiàn)負責研究細胞機械敏感性的基因。經(jīng)過艱苦的搜索，他們成功地確定了一個基因，該基因沉默后，細胞對微量移液器的戳刺不再敏感。由此，一種全新的、完全未知的機械敏感離子通道被發(fā)現(xiàn)，并以希臘語中表示壓力的詞（í；píesi）命名為Piezo1?；谂cPiezo1的相似性，繼而發(fā)現(xiàn)了第二個離子通道Piezo2。

兩位獲獎者的研究思路總體上是一致的，都是通過基因來尋找相應的蛋白質(zhì)，通過基因的缺失或滅活導致相應功能的缺失，來找到具體的生命活動的承擔者蛋白質(zhì)——溫度和觸覺受體。他們的科學研究方法也是一致的，都是應用了假說-演繹法，從觀察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題入手，科學合理地提出假說，運用假說進行演繹推理，再經(jīng)過艱辛的實驗探索，最終找到相對應的基因和蛋白質(zhì)。

2相關(guān)試題研究

【例1】（多選）2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者阿登·帕塔普蒂安正是從人類最習以為常的感覺入手，發(fā)現(xiàn)了觸覺受體Piezo。它由3個相同的Piezo蛋白組成“螺旋槳狀”三聚體，能直接響應細胞膜上的機械力刺激并介導陽離子進人細胞。圖1為Piezo的結(jié)構(gòu)模式圖及可能的使用機理基本示意圖，下列相關(guān)敘述正確的是（）

A. Piezo蛋白是一種跨膜蛋白，一定含有元素C、H、O、N

B. Piezo蛋白在核糖體上合成，不需要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的加工

C.機械力刺激導致Piezo蛋白構(gòu)像改變、中央孔打開，離子內(nèi)流

D.開發(fā)抑制Piezo功能的藥物有望用來治療機械超敏痛（觸摸痛）

參考答案：ACD。

解析：本題創(chuàng)設(shè)2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎新情境背景，側(cè)重于考查知識與觀念和科學思維。Piezo蛋白是一種跨膜蛋白，其形成過程中需要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體的加工，通過囊泡轉(zhuǎn)運與細胞膜融合，成為細胞膜上的離子通道蛋白。機械力刺激導致Piezo蛋白構(gòu)像改變、中央孔打開，離子內(nèi)流，導致細胞膜電位變化，產(chǎn)生興奮。開發(fā)抑制Piezo功能的藥物，便可抑制Na+離子內(nèi)流，對治療機械超敏痛（觸摸痛）有一定的療效。

【例2】TRPs通道是主要位于神經(jīng)細胞膜上的離子通道。細胞內(nèi)的脂質(zhì)PIP2可以活化感覺神經(jīng)元上的TRPs通道，使其開放后引起Ca2+內(nèi)流（圖2），參與疼痛的信號傳遞。TRPs通道介導疼痛產(chǎn)生的機制有兩種假說。假說一：TRPs通道開放后，內(nèi)流的Ca2+引起細胞膜電位變化，并以電信號形式在細胞間直接傳遞，直至神經(jīng)中樞產(chǎn)生痛覺。假說二：TRPs通道開放后，內(nèi)流的Ca2+引起神經(jīng)遞質(zhì)釋放，產(chǎn)生興奮并傳遞，直至神經(jīng)中樞產(chǎn)生痛覺。研究PIP2對TRPs通道活性調(diào)節(jié)機制，可為臨床上緩解病人疼痛提供新思路。下列對材料的分析敘述不合理的是（）

A. TRPs通道蛋白介導的疼痛產(chǎn)生過程不屬于反射

B.兩種假說都認為興奮在神經(jīng)元之間的傳遞需要神經(jīng)遞質(zhì)的作用

C.兩種假說都認為TRPs通道開放會引起下一個細胞的膜電位變化

D.可通過調(diào)節(jié)PIP2降低TRPs通道的活性，起到緩解疼痛感受的作用

參考答案：B。

解析：本題介紹TRPs通道介導疼痛產(chǎn)生機制的兩種假說，考查學生尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度。反射需要完整的反射弧參與，TRPs通道蛋白介導的疼痛產(chǎn)生過程并沒有涉及完整的反射弧，缺少傳出神經(jīng)和效應器，因此疼痛產(chǎn)生過程不屬于反射。假說一中TRPs通道開放后，內(nèi)流的Ca2+引起細胞膜電位變化，并以電信號形式在細胞間直接傳遞，并未發(fā)生電信號→化學信號→電信號的轉(zhuǎn)換，故B選項錯誤。細胞內(nèi)的脂質(zhì)PIP2可以活化感覺神經(jīng)元上的TRPs通道，使其開放后引起Ca2+內(nèi)流，內(nèi)流的Ca2+引起神經(jīng)遞質(zhì)釋放，產(chǎn)生興奮并傳遞至大腦皮層神經(jīng)中樞產(chǎn)生痛覺，因此降低細胞內(nèi)的脂質(zhì)PIP2含量可起到緩解疼痛感受的作用。

【例3】γ-氨基丁酸和某種局部麻醉藥在神經(jīng)興奮傳遞過程中的作用機理如圖3所示。此種局麻藥單獨使用時不能通過細胞膜，如與辣椒素同時注射才會發(fā)生圖4所示效果。下列分析不正確的是（）

A.局麻藥作用于突觸后膜通道，阻礙Na+外流，抑制突觸后膜產(chǎn)生興奮

B.局麻藥和γ-氨基丁酸的作用機理不一致，前者不屬于神經(jīng)遞質(zhì)

C.γ-氨基丁酸與突觸后膜的受體結(jié)合，促進Cl-內(nèi)流，抑制突觸后膜產(chǎn)生興奮

D.膜內(nèi)外鈉離子的濃度差會影響神經(jīng)細胞興奮的產(chǎn)生

參考答案：A。

解析：本題創(chuàng)設(shè)某種局部麻醉藥在神經(jīng)興奮傳遞過程中的作用機理背景，側(cè)重于考查知識與觀念和科學思維。動作電位的產(chǎn)生與Na+內(nèi)流有關(guān)，局麻藥作用于突觸后膜通道，阻礙Na+內(nèi)流，抑制突觸后膜產(chǎn)生興奮，A選項錯誤。膜內(nèi)外鈉離子的濃度差會影響神經(jīng)細胞興奮的產(chǎn)生，鈉離子的濃度差減小，興奮性則降低。γ-氨基丁酸是一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，與突觸后膜上的受體結(jié)合，促進Cl-內(nèi)流，抑制突觸后膜產(chǎn)生興奮。

【例4】因為存在痛覺信號的二級放大，即便是輕微的觸摸或溫水刺激也會感到疼痛，相關(guān)神經(jīng)元之間的相互作用如圖5所示。

（1）TRPV受體位于感覺神經(jīng)末梢的膜上，是一種最可能讓________離子進入細胞的通道，引起神經(jīng)沖動的產(chǎn)生，而痛覺是在________中形成。

（2）圖中的結(jié)構(gòu)在生物學上稱為____________。紅腫處的細胞會分泌組織胺、前列腺素等物質(zhì)，加上感覺神經(jīng)元分泌的肽類神經(jīng)遞質(zhì)，會使位于________（填序號）上的靜默狀態(tài)的TRPV活化，放大了痛覺效果；阿司匹林能____________（填“促進”或“抑制”）前列腺素的生成，從而具有能緩減疼痛的作用。

（3）在圖示神經(jīng)細胞A和神經(jīng)細胞B中添加某種藥物，刺激M，發(fā)現(xiàn)R的指針只發(fā)生了1次偏轉(zhuǎn)，原因可能是藥物______________。

參考答案：（1）Na+大腦皮層（2）突觸②抑制（3）阻止了突觸前膜遞質(zhì)的釋放或阻止了突觸前膜釋放的遞質(zhì)與突觸后膜受體的結(jié)合

解析：本題創(chuàng)設(shè)痛覺信號的二級放大背景，側(cè)重于考查知識與觀念和科學思維。紅腫處的細胞會分泌組織胺、前列腺素等物質(zhì)，加上感覺神經(jīng)元分泌的肽類神經(jīng)遞質(zhì)，會使位于突觸后膜②上處于靜默狀態(tài)的TRPV被活化，從而放大痛覺效果；阿司匹林具有能緩減疼痛的作用，可推測出阿司匹林能抑制前列腺素的生成，從而使位于突觸后膜②上的TRPV被活化的程度降低。

在圖示神經(jīng)細胞A和神經(jīng)細胞B中，即突觸間隙添加某種藥物，刺激M，發(fā)現(xiàn)R的指針只發(fā)生了1次偏轉(zhuǎn)，說明神經(jīng)細胞B始終未能發(fā)生興奮。該藥物能阻止興奮在神經(jīng)元細胞間的傳遞，原因可能是阻止了突觸前膜遞質(zhì)的釋放，也可能是阻止了突觸前膜釋放的遞質(zhì)與突觸后膜受體的結(jié)合，結(jié)果神經(jīng)細胞B未能產(chǎn)生興奮，神經(jīng)纖維膜電位未發(fā)生變化。

【例5】閱讀下面的文章，回答有關(guān)問題。

疼痛是一種復雜的生理和心理活動，它包括傷害性刺激作用于機體所引起的痛感覺——“痛覺”及機體對該刺激產(chǎn)生的一系列“痛反應”。與疼痛有關(guān)的分子、細胞及相關(guān)機制的研究是鎮(zhèn)痛藥物開發(fā)的基礎(chǔ)。

研究表明，TRPV1是位于感覺神經(jīng)末梢的非選擇性陽離子通道蛋白，廣泛分布于哺乳動物和人體不同組織中，它可以通過開合控制相關(guān)離子跨越細胞膜，而離子通道不斷開合，電信號不斷“跑位”，使神經(jīng)細胞膜產(chǎn)生快速的電位變化，電信號就會沿著神經(jīng)細胞傳送到大腦。實驗證明，辣椒素和43℃以上的高溫都可以激活TRPV1，并打開其通道。

為研究辣椒素對TRPV1通道的作用機制，科學家對神經(jīng)元首先進行熒光染劑處理，然后加入物質(zhì)量濃度為1μmol/L辣椒素，利用共聚焦顯微成像法對細胞進行動態(tài)觀察，并同步記錄細胞內(nèi)熒光值的變化，結(jié)果如圖6所示（說明：靜息狀態(tài)下，細胞外Ca2+濃度高于細胞內(nèi)，此狀態(tài)會抑制Na+內(nèi)流。細胞內(nèi)Ca2+濃度增加可導致熒光強度增加）。

研究還發(fā)現(xiàn)，TRPV1通道與關(guān)節(jié)炎引起的慢性炎癥痛也有密切關(guān)系。圖7表示白介素IL-6（由多種細胞分泌的一種炎癥因子）引發(fā)炎癥疼痛時的分子機制（注：GP130-JAK、P13K、AKT是參與細胞信號轉(zhuǎn)導過程中的重要物質(zhì)）。

TRP通道蛋白家族種類較多，TRPV1是結(jié)構(gòu)、功能研究最清楚的家族成員之一，此外，科學家還發(fā)現(xiàn)了與感覺相關(guān)的其他離子通道，如TRPM8則可識別低溫刺激和被薄荷醇激活，與冰爽的刺痛感產(chǎn)生有關(guān)?？梢?，不同的離子通道產(chǎn)生的電信號不完全相同，對于大腦來說，不同電信號代表著不一樣的危機。請根據(jù)上述信息，結(jié)合所學知識，回答相關(guān)問題。

（1）痛覺及痛反應產(chǎn)生的主要調(diào)節(jié)方式是。痛覺中樞位于中。

（2）上述關(guān)于“研究辣椒素對TRPV1通道的作用機制”的實驗，若要證明“辣椒素可激活并打開TRPV1”，還需要做一個實驗：用熒光染劑處理神經(jīng)元，不加入，利用共聚焦顯微成像法對細胞進行動態(tài)觀察，同步記錄的變化，并將結(jié)果與實驗組作對比。

（3）請綜合上述圖文信息，結(jié)合所學知識，以文字和箭頭方式，從細胞水平和分子水平層面闡述辣椒素刺激引起機體產(chǎn)生痛覺的一系列興奮的產(chǎn)生、傳導、傳遞過程。辣椒素刺激→→產(chǎn)生痛覺。

（4）基于IL-6炎癥因子引發(fā)疼痛的分子機制，請為研制緩解慢性炎癥痛的藥物提供兩條思路（簡要闡明即可）。

思路一：；

思路二：。

（5）請運用進化觀點分別從個體和種群層面分析：痛覺會給動物帶來痛苦，為什么在漫長的進化歷程中，依然保留了對痛覺的感知？

個體層面：，

種群層面：。

參考答案：（1）神經(jīng)調(diào)節(jié)大腦（或大腦皮層）（2）對照辣椒素細胞內(nèi)的熒光值（3）感覺神經(jīng)末梢膜上TRPV1被激活，通道開啟→Ca2+內(nèi)流顯著增強→胞外Ca2+濃度減小→對Na+內(nèi)流的抑制作用減弱→Na+內(nèi)流→感覺神經(jīng)末梢產(chǎn)生外負內(nèi)正的動作電位（產(chǎn)生興奮）→興奮通過傳入神經(jīng)，最終傳至大腦皮層的感（痛）覺中樞（4）降低IL-6等炎癥因子的含量或信號通路中物質(zhì)含量（如制備IL-6等炎癥因子的抗體或制備信號通路分子的抗體等）抑制TRPV1通道在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運途徑（5）疼痛可使動物個體對來自外界和身體內(nèi)部的危機及疾病做出相應的判斷，并采取保護措施減輕傷害，增加個體生存的機會個體的生存有助于維持種群數(shù)量的穩(wěn)定，利于種群的繁衍

解析：本題以“痛覺”的形成為基礎(chǔ)，研究鎮(zhèn)痛藥物的開發(fā)，側(cè)重于考查知識與觀念、科學思維和探究與創(chuàng)新。在“研究辣椒素對TRPV1通道的作用機制”實驗中，若要證明“辣椒素可激活并打開TRPV1”，還需要做一個對照實驗：對照組除不加入辣椒素之外，其余處理均與實驗組相同，即用熒光染劑處理神經(jīng)元，不加入辣椒素，同樣利用共聚焦顯微成像法對細胞進行動態(tài)觀察，同步記錄細胞內(nèi)的熒光值的變化，并將結(jié)果與實驗組進行對比。細胞內(nèi)的熒光值的變化可反映細胞內(nèi)Ca2+濃度的變化，Ca2+濃度增加可導致熒光強度增加。若實驗結(jié)果顯示實驗組細胞內(nèi)的熒光值高于對照組，便可證明辣椒素可激活并打開TRPV1，導致Ca2+內(nèi)流顯著增強。

單因子對照實驗步驟通常分四步：①同等取材，分組、編號；②設(shè)置一個自變量，控制無關(guān)變量（相同且適宜）；③相同條件下培養(yǎng)一段時間；④檢測并記錄因變量，分析實驗結(jié)果得出結(jié)論。上述實驗要研究辣椒素的作用機制，必須要有一個空白對照。

靜息狀態(tài)下，細胞外Ca2+濃度高于細胞內(nèi)，此狀態(tài)會抑制Na+內(nèi)流。當加入辣椒素時，辣椒素可激活并打開TRPV1→Ca2+內(nèi)流顯著增強→胞外Ca2+濃度減小→對Na+內(nèi)流的抑制作用減弱→Na+內(nèi)流→感覺神經(jīng)末梢產(chǎn)生外負內(nèi)正的動作電位（產(chǎn)生興奮）→興奮通過傳入神經(jīng)，最終傳至大腦皮層的感（痛）覺中樞，產(chǎn)生痛覺。上述流程圖的書寫能較好地考查學生嚴謹?shù)倪壿嬎季S。部分學生寫到：Ca2+內(nèi)流顯著增強→感覺神經(jīng)末梢產(chǎn)生外負內(nèi)正的動作電位（產(chǎn)生興奮），這與Na+內(nèi)流→感覺神經(jīng)末梢產(chǎn)生外負內(nèi)正的動作電位（產(chǎn)生興奮）不符。

利用流程圖，同樣有利于從圖7中找出IL-6炎癥因子引發(fā)疼痛的分子機制：當加入白介素IL-6時，IL-6和IL-6受體結(jié)合→被細胞膜上受體GP130-JAK識別→P13K→AKT→TRPV1基因表達（增加）→TRPV1經(jīng)囊泡轉(zhuǎn)運→細胞膜上TRPV1增加→Ca2+內(nèi)流顯著增強→胞外Ca2+濃度減小→對Na+內(nèi)流的抑制作用減弱→Na+內(nèi)流→感覺神經(jīng)末梢產(chǎn)生外負內(nèi)正的動作電位（產(chǎn)生興奮）→興奮通過傳入神經(jīng)，最終傳至大腦皮層的感（痛）覺中樞，產(chǎn)生痛覺。基于上述分子機制，研制緩解慢性炎癥痛的藥物可從兩個方面進行考慮。思路一：制備IL-6等炎癥因子的抗體或制備信號通路分子的抗體等，以降低IL-6等炎癥因子的含量或信號通路中物質(zhì)含量，從而減少TRPV1基因的表達。思路二：抑制TRPV1通道在細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運途徑，從而減少細胞膜上TRPV1通道數(shù)量。

痛覺雖給動物帶來痛苦，但可使動物個體對來自外界和身體內(nèi)部的危機及疾病做出相應的判斷，以便采取保護措施減輕傷害，從而增加個體生存的機會。個體生存機會的增加有助于維持種群數(shù)量的穩(wěn)定，也利于種群的繁衍。故在漫長的進化歷程中，通過長期自然選擇，動物依然保留了對痛覺的感知。

3總結(jié)與反思

2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎、新型冠狀病毒核酸檢測與免疫預防、生態(tài)文明、低碳經(jīng)濟、碳中和、長江十年禁漁計劃、“三胎”政策等，都可成為生物高考命題的熱點。這類試題的典型特征是：交代取材背景，情境新、知識活，起點高、落點低，具有較強的開放性和靈活性，需現(xiàn)學現(xiàn)用。學生通過考前學科熱點的集中訓練，可化生為熟，聚焦思維，縮短審題所需的時間，快速穿過情境設(shè)置的“迷霧”，找到知識遷移的“通道”，進行科學的表達，從而實現(xiàn)從“解題”向“解決問題”的轉(zhuǎn)變。教師精選學科熱點專題，還可充分發(fā)揮高考命題的育人功能和積極導向作用，落實“雙減”政策，減少學生死記硬背和“機械刷題”現(xiàn)象，為學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力的提升，開啟新的征程。