张卓鹏

摘要以2021年诺贝尔生理学或医学奖为例，进行高考热点专题复习。通过相关生物学试题分析，以期帮助学生对温觉、痛觉的产生以及相关受体的作用机理有个基本的理解，同时引导学生关注生物科技进展和社会热点问题，实现从“解题”向“解决问题”的转变。

关键词 热点专题 温度和触觉受体 诺贝尔生理学或医学奖

中图分类号G633. 91文献标志码B

在高考生物复习中，方向比努力更为重要。高考命题每年都在与时俱进，坚持立德树人，充分发挥生物学学科的育人功能。试题情境设置贴近生活及生产实践，关注社会热点问题，注重体育、美育、劳动精神的考查和引导。学科社会热点常常成为命题重要的取材背景，以考查学生在新情境中独立获取、处理信息的能力，解释生命现象，解决生物学问题的能力。现以2021年诺贝尔生理学或医学奖“温度与触觉受体”为例。

2021年诺贝尔生理学或医学奖授予美国旧金山加州大学教授大卫·朱利叶斯和Scripps研究所的阿登·帕塔普蒂安，奖勵他们对感知温度与触觉受体的发现所做的杰出贡献。

1温度和触觉受体的发现

人体对热、冷和触觉的感知能力对人们的生存至关重要，并且支撑着人体与周围世界的互动。在日常生活中，很多人认为这些感觉是理所当然的，但是神经冲动是如何启动的，人体又是如何可以感知温度和压力？2021年的诺贝尔奖获得者已经解决了这个问题。大卫·朱利叶斯利用辣椒素（一种来自辣椒的刺激性化合物，可诱导灼烧感），来识别皮肤神经末梢中对热的传感器。阿登·帕塔普蒂安使用压敏细胞发现一类新型传感器，它们对皮肤和内脏器官的机械刺激作出反应。他们通过研究确定了人体的感官和环境之间复杂交互作用中缺失的关键环节。这些突破和发现可以帮助人们更加了解神经系统是如何感知热、冷和机械刺激。

20世纪90年代后期，人们已知辣椒素可以激活引起疼痛感的神经细胞。但这种化学物质如何真正发挥功能在当时仍是一个未解之谜。大卫·朱利叶斯和他的同事创建了一个包含数百万个DNA片段的DNA库，这些片段与感觉神经元中表达的基因对应，而这些基因表达产物可以对疼痛、温度和触摸做出反应。他们假设与生成对辣椒素产生反应的蛋白质所对应的DNA片段就包含在此DNA库中。经过艰苦的搜索，确定了一个能够使细胞对辣椒素产生敏感的基因。由此，辣椒素的感应基因被成功地发现了！进一步的实验表明，所鉴定出的这种基因编码了一种新的离子通道蛋白，即辣椒素受体，后来被命名为TRPV1。

当时，虽然温度感觉的机制正在展开，但机械刺激如何转化为人体的触觉和压力感仍不清楚。阿登·帕塔普蒂安和他的合作者首先确定了一种细胞系，当用微量移液管戳单个细胞时，该细胞系会发出可测量的电信号。他假设被机械力激活的受体是离子通道，并且在下一步中鉴定了编码可能受体的72个候选基因。72个基因被一一灭活，以发现负责研究细胞机械敏感性的基因。经过艰苦的搜索，他们成功地确定了一个基因，该基因沉默后，细胞对微量移液器的戳刺不再敏感。由此，一种全新的、完全未知的机械敏感离子通道被发现，并以希腊语中表示压力的词（í；píesi）命名为Piezo1。基于与Piezo1的相似性，继而发现了第二个离子通道Piezo2。

两位获奖者的研究思路总体上是一致的，都是通过基因来寻找相应的蛋白质，通过基因的缺失或灭活导致相应功能的缺失，来找到具体的生命活动的承担者蛋白质——温度和触觉受体。他们的科学研究方法也是一致的，都是应用了假说-演绎法，从观察现象发现问题入手，科学合理地提出假说，运用假说进行演绎推理，再经过艰辛的实验探索，最终找到相对应的基因和蛋白质。

2相关试题研究

【例1】（多选）2021年诺贝尔生理学或医学奖获得者阿登·帕塔普蒂安正是从人类最习以为常的感觉入手，发现了触觉受体Piezo。它由3个相同的Piezo蛋白组成“螺旋桨状”三聚体，能直接响应细胞膜上的机械力刺激并介导阳离子进人细胞。图1为Piezo的结构模式图及可能的使用机理基本示意图，下列相关叙述正确的是（）

A. Piezo蛋白是一种跨膜蛋白，一定含有元素C、H、O、N

B. Piezo蛋白在核糖体上合成，不需要内质网和高尔基体的加工

C.机械力刺激导致Piezo蛋白构像改变、中央孔打开，离子内流

D.开发抑制Piezo功能的药物有望用来治疗机械超敏痛（触摸痛）

参考答案：ACD。

解析：本题创设2021年诺贝尔生理学或医学奖新情境背景，侧重于考查知识与观念和科学思维。Piezo蛋白是一种跨膜蛋白，其形成过程中需要内质网、高尔基体的加工，通过囊泡转运与细胞膜融合，成为细胞膜上的离子通道蛋白。机械力刺激导致Piezo蛋白构像改变、中央孔打开，离子内流，导致细胞膜电位变化，产生兴奋。开发抑制Piezo功能的药物，便可抑制Na+离子内流，对治疗机械超敏痛（触摸痛）有一定的疗效。

【例2】TRPs通道是主要位于神经细胞膜上的离子通道。细胞内的脂质PIP2可以活化感觉神经元上的TRPs通道，使其开放后引起Ca2+内流（图2），参与疼痛的信号传递。TRPs通道介导疼痛产生的机制有两种假说。假说一：TRPs通道开放后，内流的Ca2+引起细胞膜电位变化，并以电信号形式在细胞间直接传递，直至神经中枢产生痛觉。假说二：TRPs通道开放后，内流的Ca2+引起神经递质释放，产生兴奋并传递，直至神经中枢产生痛觉。研究PIP2对TRPs通道活性调节机制，可为临床上缓解病人疼痛提供新思路。下列对材料的分析叙述不合理的是（）

A. TRPs通道蛋白介导的疼痛产生过程不属于反射

B.两种假说都认为兴奋在神经元之间的传递需要神经递质的作用

C.两种假说都认为TRPs通道开放会引起下一个细胞的膜电位变化

D.可通过调节PIP2降低TRPs通道的活性，起到缓解疼痛感受的作用

参考答案：B。

解析：本题介绍TRPs通道介导疼痛产生机制的两种假说，考查学生尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度。反射需要完整的反射弧参与，TRPs通道蛋白介导的疼痛产生过程并没有涉及完整的反射弧，缺少传出神经和效应器，因此疼痛产生过程不属于反射。假说一中TRPs通道开放后，内流的Ca2+引起细胞膜电位变化，并以电信号形式在细胞间直接传递，并未发生電信号→化学信号→电信号的转换，故B选项错误。细胞内的脂质PIP2可以活化感觉神经元上的TRPs通道，使其开放后引起Ca2+内流，内流的Ca2+引起神经递质释放，产生兴奋并传递至大脑皮层神经中枢产生痛觉，因此降低细胞内的脂质PIP2含量可起到缓解疼痛感受的作用。

【例3】γ-氨基丁酸和某种局部麻醉药在神经兴奋传递过程中的作用机理如图3所示。此种局麻药单独使用时不能通过细胞膜，如与辣椒素同时注射才会发生图4所示效果。下列分析不正确的是（）

A.局麻药作用于突触后膜通道，阻碍Na+外流，抑制突触后膜产生兴奋

B.局麻药和γ-氨基丁酸的作用机理不一致，前者不属于神经递质

C.γ-氨基丁酸与突触后膜的受体结合，促进Cl-内流，抑制突触后膜产生兴奋

D.膜内外钠离子的浓度差会影响神经细胞兴奋的产生

参考答案：A。

解析：本题创设某种局部麻醉药在神经兴奋传递过程中的作用机理背景，侧重于考查知识与观念和科学思维。动作电位的产生与Na+内流有关，局麻药作用于突触后膜通道，阻碍Na+内流，抑制突触后膜产生兴奋，A选项错误。膜内外钠离子的浓度差会影响神经细胞兴奋的产生，钠离子的浓度差减小，兴奋性则降低。γ-氨基丁酸是一种抑制性神经递质，与突触后膜上的受体结合，促进Cl-内流，抑制突触后膜产生兴奋。

【例4】因为存在痛觉信号的二级放大，即便是轻微的触摸或温水刺激也会感到疼痛，相关神经元之间的相互作用如图5所示。

（1）TRPV受体位于感觉神经末梢的膜上，是一种最可能让________离子进入细胞的通道，引起神经冲动的产生，而痛觉是在________中形成。

（2）图中的结构在生物学上称为____________。红肿处的细胞会分泌组织胺、前列腺素等物质，加上感觉神经元分泌的肽类神经递质，会使位于________（填序号）上的静默状态的TRPV活化，放大了痛觉效果；阿司匹林能____________（填“促进”或“抑制”）前列腺素的生成，从而具有能缓减疼痛的作用。

（3）在图示神经细胞A和神经细胞B中添加某种药物，刺激M，发现R的指针只发生了1次偏转，原因可能是药物______________。

参考答案：（1）Na+大脑皮层（2）突触②抑制（3）阻止了突触前膜递质的释放或阻止了突触前膜释放的递质与突触后膜受体的结合

解析：本题创设痛觉信号的二级放大背景，侧重于考查知识与观念和科学思维。红肿处的细胞会分泌组织胺、前列腺素等物质，加上感觉神经元分泌的肽类神经递质，会使位于突触后膜②上处于静默状态的TRPV被活化，从而放大痛觉效果；阿司匹林具有能缓减疼痛的作用，可推测出阿司匹林能抑制前列腺素的生成，从而使位于突触后膜②上的TRPV被活化的程度降低。

在图示神经细胞A和神经细胞B中，即突触间隙添加某种药物，刺激M，发现R的指针只发生了1次偏转，说明神经细胞B始终未能发生兴奋。该药物能阻止兴奋在神经元细胞间的传递，原因可能是阻止了突触前膜递质的释放，也可能是阻止了突触前膜释放的递质与突触后膜受体的结合，结果神经细胞B未能产生兴奋，神经纤维膜电位未发生变化。

【例5】阅读下面的文章，回答有关问题。

疼痛是一种复杂的生理和心理活动，它包括伤害性刺激作用于机体所引起的痛感觉——“痛觉”及机体对该刺激产生的一系列“痛反应”。与疼痛有关的分子、细胞及相关机制的研究是镇痛药物开发的基础。

研究表明，TRPV1是位于感觉神经末梢的非选择性阳离子通道蛋白，广泛分布于哺乳动物和人体不同组织中，它可以通过开合控制相关离子跨越细胞膜，而离子通道不断开合，电信号不断“跑位”，使神经细胞膜产生快速的电位变化，电信号就会沿着神经细胞传送到大脑。实验证明，辣椒素和43℃以上的高温都可以激活TRPV1，并打开其通道。

为研究辣椒素对TRPV1通道的作用机制，科学家对神经元首先进行荧光染剂处理，然后加入物质量浓度为1μmol/L辣椒素，利用共聚焦显微成像法对细胞进行动态观察，并同步记录细胞内荧光值的变化，结果如图6所示（说明：静息状态下，细胞外Ca2+浓度高于细胞内，此状态会抑制Na+内流。细胞内Ca2+浓度增加可导致荧光强度增加）。

研究還发现，TRPV1通道与关节炎引起的慢性炎症痛也有密切关系。图7表示白介素IL-6（由多种细胞分泌的一种炎症因子）引发炎症疼痛时的分子机制（注：GP130-JAK、P13K、AKT是参与细胞信号转导过程中的重要物质）。

TRP通道蛋白家族种类较多，TRPV1是结构、功能研究最清楚的家族成员之一，此外，科学家还发现了与感觉相关的其他离子通道，如TRPM8则可识别低温刺激和被薄荷醇激活，与冰爽的刺痛感产生有关。可见，不同的离子通道产生的电信号不完全相同，对于大脑来说，不同电信号代表着不一样的危机。请根据上述信息，结合所学知识，回答相关问题。

（1）痛觉及痛反应产生的主要调节方式是。痛觉中枢位于中。

（2）上述关于“研究辣椒素对TRPV1通道的作用机制”的实验，若要证明“辣椒素可激活并打开TRPV1”，还需要做一个实验：用荧光染剂处理神经元，不加入，利用共聚焦显微成像法对细胞进行动态观察，同步记录的变化，并将结果与实验组作对比。

（3）请综合上述图文信息，结合所学知识，以文字和箭头方式，从细胞水平和分子水平层面阐述辣椒素刺激引起机体产生痛觉的一系列兴奋的产生、传导、传递过程。辣椒素刺激→→产生痛觉。

（4）基于IL-6炎症因子引发疼痛的分子机制，请为研制缓解慢性炎症痛的药物提供两条思路（简要阐明即可）。

思路一：；

思路二：。

（5）请运用进化观点分别从个体和种群层面分析：痛觉会给动物带来痛苦，为什么在漫长的进化历程中，依然保留了对痛觉的感知？

个体层面：，

种群层面：。

参考答案：（1）神经调节大脑（或大脑皮层）（2）对照辣椒素细胞内的荧光值（3）感觉神经末梢膜上TRPV1被激活，通道开启→Ca2+内流显著增强→胞外Ca2+浓度减小→对Na+内流的抑制作用减弱→Na+内流→感觉神经末梢产生外负内正的动作电位（产生兴奋）→兴奋通过传入神经，最终传至大脑皮层的感（痛）觉中枢（4）降低IL-6等炎症因子的含量或信号通路中物质含量（如制备IL-6等炎症因子的抗体或制备信号通路分子的抗体等）抑制TRPV1通道在细胞内的转运途径（5）疼痛可使动物个体对来自外界和身体内部的危机及疾病做出相应的判断，并采取保护措施减轻伤害，增加个体生存的机会个体的生存有助于维持种群数量的稳定，利于种群的繁衍

解析：本题以“痛觉”的形成为基础，研究镇痛药物的开发，侧重于考查知识与观念、科学思维和探究与创新。在“研究辣椒素对TRPV1通道的作用机制”实验中，若要证明“辣椒素可激活并打开TRPV1”，还需要做一个对照实验：对照组除不加入辣椒素之外，其余处理均与实验组相同，即用荧光染剂处理神经元，不加入辣椒素，同样利用共聚焦显微成像法对细胞进行动态观察，同步记录细胞内的荧光值的变化，并将结果与实验组进行对比。细胞内的荧光值的变化可反映细胞内Ca2+浓度的变化，Ca2+浓度增加可导致荧光强度增加。若实验结果显示实验组细胞内的荧光值高于对照组，便可证明辣椒素可激活并打开TRPV1，导致Ca2+内流显著增强。

单因子对照实验步骤通常分四步：①同等取材，分组、编号；②设置一个自变量，控制无关变量（相同且适宜）；③相同条件下培养一段时间；④检测并记录因变量，分析实验结果得出结论。上述实验要研究辣椒素的作用机制，必须要有一个空白对照。

静息状态下，细胞外Ca2+浓度高于细胞内，此状态会抑制Na+内流。当加入辣椒素时，辣椒素可激活并打开TRPV1→Ca2+内流显著增强→胞外Ca2+浓度减小→对Na+内流的抑制作用减弱→Na+内流→感觉神经末梢产生外负内正的动作电位（产生兴奋）→兴奋通过传入神经，最终传至大脑皮层的感（痛）觉中枢，产生痛觉。上述流程图的书写能较好地考查学生严谨的逻辑思维。部分学生写到：Ca2+内流显著增强→感觉神经末梢产生外负内正的动作电位（产生兴奋），这与Na+内流→感觉神经末梢产生外负内正的动作电位（产生兴奋）不符。

利用流程图，同样有利于从图7中找出IL-6炎症因子引发疼痛的分子机制：当加入白介素IL-6时，IL-6和IL-6受体结合→被细胞膜上受体GP130-JAK识别→P13K→AKT→TRPV1基因表达（增加）→TRPV1经囊泡转运→细胞膜上TRPV1增加→Ca2+内流显著增强→胞外Ca2+浓度减小→对Na+内流的抑制作用减弱→Na+内流→感觉神经末梢产生外负内正的动作电位（产生兴奋）→兴奋通过传入神经，最终传至大脑皮层的感（痛）觉中枢，产生痛觉。基于上述分子机制，研制缓解慢性炎症痛的药物可从两个方面进行考虑。思路一：制备IL-6等炎症因子的抗体或制备信号通路分子的抗体等，以降低IL-6等炎症因子的含量或信号通路中物质含量，从而减少TRPV1基因的表达。思路二：抑制TRPV1通道在细胞内的转运途径，从而减少细胞膜上TRPV1通道数量。

痛觉虽给动物带来痛苦，但可使动物个体对来自外界和身体内部的危机及疾病做出相应的判断，以便采取保护措施减轻伤害，从而增加个体生存的机会。个体生存机会的增加有助于维持种群数量的稳定，也利于种群的繁衍。故在漫长的进化历程中，通过长期自然选择，动物依然保留了对痛觉的感知。

3总结与反思

2021年诺贝尔生理学或医学奖、新型冠状病毒核酸检测与免疫预防、生态文明、低碳经济、碳中和、长江十年禁渔计划、“三胎”政策等，都可成为生物高考命题的热点。这类试题的典型特征是：交代取材背景，情境新、知识活，起点高、落点低，具有较强的开放性和灵活性，需现学现用。学生通过考前学科热点的集中训练，可化生为熟，聚焦思维，缩短审题所需的时间，快速穿过情境设置的“迷雾”，找到知识迁移的“通道”，进行科学的表达，从而实现从“解题”向“解决问题”的转变。教师精选学科热点专题，还可充分发挥高考命题的育人功能和积极导向作用，落实“双减”政策，减少学生死记硬背和“机械刷题”现象，为学生学科核心素养的培养和创新实践能力的提升，开启新的征程。