化學情境試題：人體的鈉鉀幫浦（Sodium-Potassium Pump in the Body）〔I〕

化學情境試題：人體的鈉鉀幫浦（Sodium-Potassium Pump in the Body）〔I〕
台中縣立大里高級中學化學科謝孟樺老師/國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

在回答問題之前，首先請你閱讀與本試題有關的情境描述，以增加你對本試題背景知識的瞭解；然後思考問題解決的策略，並且寫下你的答案；最後用我們提供的參考答案檢查你的答案是否正確。

情境描述

當你（妳）的手觸熱鍋而縮回、腳踩到尖物立刻縮回、看到情境試題先思考再寫答案、聞到花香（圖一）以及聽到鳥鳴，這些感覺和動作需透過神經系統指示身體作出適當的反應，而其上的神經細胞究竟如何運作呢？

圖一  聞到花香引發神經系統運作

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

當神經細胞處於休息狀態時，細胞膜內外存在恆定的電位差，稱為靜止膜電位（resting membrane potential）。為了維持細胞的靜止膜電位，細胞內必須保持低濃度的鈉離子和高濃度的鉀離子。膜電位是設定細胞外的電位為零，以相對的細胞內電位值表示，人體神經細胞的靜止膜電位約 -70至 -80 mV。

神經細胞從靜止膜電位開始到動作電位（action potential）的過程如下：（i）當興奮性刺激升高到閾值（threshold，人體約 -55 mV）後，會引發細胞膜上鈉離子通道（sodium channel）大量開啟，使細胞膜外的鈉離子湧入細胞膜內，造成細胞的膜電位上升（大多升到 +30~+40 mV，有時高到 +100 mV），此過程為去極化（depolarization）。（ii）然後，鈉離子通道開始關閉，細胞膜上鉀離子通道（potassium channel）打開，鉀離子從細胞內運輸到細胞外，使膜電位下降，此過程為再極化（repolarization）。（iii）接著，由於鉀離子通道開啟的時間很長，因此鉀離子流出細胞外的量過多，使得細胞內的電位降低（低於靜止膜電位），而形成了過極化（hyperpolarization）的現象。

最後，神經細胞必須回復到靜止電位而準備開始下一個動作電位，故鈉鉀幫浦（Na⁺/K⁺ pump, sodium-potassium pump）經由水解三磷酸腺苷（ATP）獲得能量以主動運輸的方式，將三個鈉離子送出細胞，同時將兩個鉀離子送進細胞，讓整個系統回復到初始「外正內負」的濃度狀態下，如圖二所示。

圖二  鈉鉀幫浦示意圖

圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-potassium_pump

〔圖示說明：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〕
鈉鉀幫浦的能量來源涉及葡萄糖酵解（glycolysis）和三磷酸腺苷水解（hydrolysis of ATP）兩個過程。在葡萄糖酵解的途徑中，一個葡萄糖分子（C₆H₁₂O₆）被分解為兩個丙酮酸分子（C₃H₄O₃），兩個二磷酸腺苷（ADP）生成兩個三磷酸腺苷（ATP），輔酶NAD⁺發生還原反應生成NADH，其反應式如下所示：

C₆H₁₂O₆ + 2NAD⁺ + 2ADP + 2H₃PO₄ → 2C₃H₄O₃ +2NADH + 2ATP + 2H₂O + 2H⁺
細胞藉由水解ATP而產生能量，ATP的三磷酸酐釋放出一個磷酸根，生成ADP，其反應如下所示：

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

情境試題

1. 下圖為細胞從靜止膜電位開始到動作電位的過程示意圖，配合「情境描述」的文字和圖示，回答下面問題。

圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential

(1) 靜止膜電位在哪一條直線或曲線？
(2) 動作電位的去極化在哪一條直線或曲線？
(3) 動作電位的再極化在哪一條直線或曲線？
(4) 動作電位的過極化在哪一條直線或曲線？
(5) C線需要用到哪一種離子通道？離子如何進出？需要用到ATP水解的能量嗎？
(6) E線需要用到哪一種離子通道？離子如何進出？需要用到ATP水解的能量嗎？
(7) G線需要用到哪一種離子通道？離子如何進出？需要用到ATP水解的能量嗎？

2. 根據「情境描述」，
(1) 鈉鉀幫浦的能量來源包含葡萄糖酵解和三磷酸腺苷水解的過程。此二過程涉及何種能量的轉換？
(2) 假若鈉鉀幫浦失去功效，在細胞內部會有大量無法分泌到細胞外的物質，而這些物質就是造成滲透壓的差距，如此一來，細胞的體積會有何變化？

3. 人體中ATP的總量只有大約0.10莫耳，但是每天的能量需要水解100~150莫耳的ATP。ATP不能被儲存，因為ATP的合成後必須在短時間內被消耗。請問：
(1) 100~150莫耳的ATP相當於多少克的ATP？（莫耳質量：ATP = 507.18 g mol⁻¹）
(2) 每個ATP分子每天必須被重複利用幾次？

4. 根據「情境描述」，正常人體的體溫37℃，由血液運送1.0莫耳鉀離子往肌肉的細胞內需作多少功？

5. 承上題，當1.0莫耳鉀離子由血液運往肌肉細胞時，是否有其他離子也必須被傳送？並解釋其原因。

6. 在體溫37℃時，運送鉀離子的平衡常數K = 1.7 x 10⁵。試問；運送1.0莫耳鉀離子需要水解幾莫耳ATP供其能量？（假設ATP水解反應在標準狀態下進行）

連結：人體的鈉鉀幫浦（Sodium-Potassium Pump in the Body）〔II〕

參考資料（以下網頁擷取日期：2010年4月）

1. Na⁺/K⁺ pump, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-potassium_pump.
2. 鈉鉀幫浦，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-hant/鈉鉀幫浦。
3. Membrane potential, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_potential.
4. 靜息電位，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/靜息電位。
5. Action potential, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential.
6. 動作電位，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/動作電位。
7. 科學，就是醬，http://tw.myblog.yahoo.com/clarinase-1/article?mid=3913。
8. 三磷酸腺苷，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/三磷酸腺苷。