教材中与钙离子有关的四个疑问？

 

来源公众号：生物清风岭　作者：吴汝彬

【问题提出】人教版高中生物必修1《分子与细胞》P22描述到：“哺乳动物的血液中必须含有一定量的钙离子，如果钙离子的含量太低，动物会出现抽搐等症状。”很多学生产生疑惑：“为什么人体内血钙太低会引起抽搐症状呢？如果血钙过高又会出现什么症状呢？”

P27描述到：“维生素D能有效地促进人和动物肠道对钙和磷的吸收。”很多学生产生疑惑：“如何正确补钙才有利于人体吸收呢？”

人教版高中生物选择性必修1《稳态与调节》P28描述了“兴奋在神经元之间的传递”。很多学生产生疑惑：“钙离子在此过程中发挥了什么作用？”

人教版高中生物选择性必修3《生物技术与工程》P82描述了“研究人员一般先用钙离子处理大肠杆菌细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中。”很多学生产生疑惑：“为什么用钙离子处理大肠杆菌易使其处于感受态（新教材已经没有这样的说法）？”

【疑问1】人体血液中钙离子含量与肌肉收缩有何关系？

【释疑】肌肉的兴奋-收缩耦联是一个复杂过程，它包含以膜电位变化为特征的兴奋过程和以肌丝滑行为基础的收缩过程，具体可分为以下三个步骤：

电兴奋传导：电兴奋借助横管系统传导至肌细胞深处。

钙离子调节：肌质网负责钙离子的释放和再摄取。

肌肉收缩舒张：实现肌肉的收缩和舒张。

在骨骼肌的兴奋过程中，钙离子起着核心作用，其浓度变化能够调节骨骼肌的收缩与舒张。肌浆网是肌肉中钙离子的主要储存场所。当骨骼肌受到刺激时，肌浆网会释放大量钙离子，同时细胞外的钙离子也会进入细胞内，导致细胞内钙离子浓度升高，进而引发肌肉收缩。随后，在钙泵的作用下，肌肉细胞内的钙离子被排出到细胞外，促使肌肉舒张，整个过程时间间隔极短。

此外，钙离子和钠离子在肌肉细胞中存在竞争性抑制关系。当细胞外液中钙离子含量过高时，会抑制钠离子内流，使细胞的兴奋性下降，从而出现肌无力症状。相反，当细胞外液中钙离子含量过低时，一方面钙离子对钠离子的竞争性抑制作用减弱，细胞兴奋性增强；另一方面，肌浆网内钙离子能够迅速释放，兴奋-收缩耦联不受影响，即肌浆内钙离子不会因细胞外钙离子浓度降低而减少，这会导致肌细胞持续兴奋，出现抽搐症状。

【疑问2】如何正确补钙才有利于人体吸收？

【释疑】人体内的钙主要以两种形式存在：大部分以CaCO₃的形式存在于骨骼和牙齿中；少数以钙离子的形式存在于各种软组织中，包括细胞内钙离子和细胞外钙离子。

人体获取钙的方式通常是通过食物、钙剂等进行补充。然而，人体对钙的吸收离不开维生素D的协助，因为维生素D能够有效促进人和动物肠道对钙和磷的吸收。人体内维生素D的来源主要有三个方面：一是食物；二是维生素D滴剂；三是人体自身合成，即人体在阳光下，皮肤中的7-脱氢胆固醇经肝脏和肾脏两次羟化后形成维生素D。

由此可见，为了使人体更好地吸收钙，在补钙时不仅要选择优质的钙源，还要同时补充促进钙吸收的维生素D等物质。

【疑问3】兴奋在神经元之间的传递过程中钙离子发挥了什么作用？

【释疑】当神经末梢有神经冲动传来时，会引起突触前膜去极化。当去极化达到一定程度时，突触前膜对钙离子的通透性增加，钙离子进入突触前膜，进而激活第二信使。

钙离子激活第二信使后会产生两方面作用：一方面，降低轴浆的黏度，有利于突触小泡向前移动；另一方面，消除突触前膜内侧的负电位，促进突触小泡与突触前膜接触、融合并破裂，从而将神经递质释放到突触间隙中。释放到突触间隙的神经递质会与突触后膜上的特异性受体结合，引发突触后膜上的电位变化，这样兴奋就能够从一个神经元通过突触传递给另一个神经元。

【疑问4】为什么用钙离子处理大肠杆菌易使其处于感受态？

【释疑】用钙离子处理大肠杆菌使其处于感受态的主要原理在于，钙离子能够增加细胞的通透性。经过钙离子处理后，大肠杆菌极易与外源DNA黏附，并在细胞表面形成脱氧核糖核酸酶的羟基-磷酸钙复合物。这种复合物会诱导细胞进入一种特殊生理状态，即感受态细胞。在感受态下，细胞能够吸收周围环境中的DNA分子，并且所吸收的DNA分子不易被细胞内的限制酶分解。

除以上教材描述的与钙离子相关的知识点外，钙离子还可以参与凝血过程，调节某些酶的活性，调控生殖细胞的成熟和受精等高中生物学未涉及的知识点。教师要注重引导学生将相似和相关的知识点以专题的形式进行归纳总结，并进行横向和纵向的比较，使知识网络整体化、系统化，从而提高复习效果。

【参考文献】高中生物教学中与钙离子相关的知识点释疑。吴汝彬《中学生物教学》2017年

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