科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究教学设计(第二课时)

通道蛋白的教学设计

中卫一中 张志艳

【教学目标】

1、知识与技能目标

通过对细胞膜的流动镶嵌模型回顾复习，阐明结构中蛋白质的类型和功能，认识通道蛋白的类型和功能。

2、过程与方法目标

由自由扩散，协助扩散，主动运输回顾，区分载体蛋白和通道蛋白的异同，并掌握通道蛋白的类型和功能。

3、情感与价值观目标

尝试提出问题，做出假设，感受科学的严谨性；设计水通道蛋白发现的实验设计，体验探索的乐趣。

【教学重点】

1、水通道蛋白的认识，结构和功能。

2、离子通道蛋白的种类和应用。

【教学难点】

水通道蛋白与离子通道蛋白的结构和功能应用。

【引入新课】

通过对细胞膜流动镶嵌模型中蛋白质的分布（镶、嵌、贯穿）和种类（载体蛋白、受体蛋白）的回顾（PPt第一张），然后让同学们通过观察图片找到一种蛋白质——膜通道蛋白，并提问什么是通道蛋白，它与载体蛋白一样吗？从而引入通道蛋白的学习。

教师请同学试比较载体蛋白和通道蛋白。

教师介绍载体蛋白与通道蛋白的异同（PPt第二张）。

胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白和通道蛋白。载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器。能够与特异性溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧。载体蛋白有的需要能量驱动，如：各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，以协助扩散的方式运输物质。

通道蛋白与所转运物质之间的结合较弱，它能形成亲水的通道（可以想象为亲水的孔），当通道打开时能允许特定大小的溶质通过，特异性不如载体蛋白强。所有通道蛋白均以协助扩散的方式运输溶质，不消耗能量。通道蛋白是一类跨越细胞膜磷脂双分子层的蛋白质。根据其转运物质的不同，分为水通道蛋白和离子通道蛋白

。

【新课学习】

一、水通道蛋白的学习（PPt第三张）

1、概念：水通道蛋白，又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质(内在膜蛋白)，在细胞膜上组成"孔道"，可控制水在细胞的进出，就像是"细胞的水泵"一样（PPt图片认识水通道蛋白）。

2、水通道蛋白的发现

长期以来, 普遍认为细胞内外的水分子是以简单扩散的方式透过脂双层膜。后来发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难以简单扩散来解释。如将红细胞移入低渗溶液后，很快吸水膨胀而溶血，而水生动物的卵母细胞在低渗溶液不膨胀。因此，人们推测水的跨膜转运除了简单扩散外, 还存在某种特殊的机制, 并提出了水通道的概念。

1988年阿格雷在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28 KD 的疏水性跨膜蛋白， 1991年得到该蛋白的（CHIP28）克隆cDNA 序列，Agre将该蛋白（CHIP28）的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，并于5 分钟内破裂，纯化的该蛋白质（CHIP28）置入脂质体，即为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制，而这是已知的抑制水通透的处理措施。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能。这一发现揭示了细胞膜上确实存在水通道，彼得·阿格雷因此而与离子通道的研究者罗德里克·麦金农共享2003年的诺贝尔化学奖。

3、水通道蛋白的结构和功能特点

生物体的主要组成部分是水溶液，水溶液占人体重量的70%。生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多功能。

（1）、水通道蛋白的结构

目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（AQP），均具有选择性的让水分子通过的特性。

水通道蛋白能够让水分子自由通过（不必结合），但是不允许其它离子或是其它分子（包括蛋白质）通过。

AQP1在质膜上以四聚体形式存在。AQP1的四级结构是由4个对称排列、长5nm、直径3nm的圆筒状亚基包绕而成的四聚体。每个单体肽链跨越细胞膜6次，并围绕成腔型，中间可能即是水分子穿越的孔道。已经证明这4个亚基作为水通道的作用都是独立的，但四聚体的结构对于维持单个亚基的位置很重要。AQP1晶体的三维结构为沙漏模式，分子中的两个同向重复序列分别于细胞膜内外两侧组装，并在NPA处折叠形成只容许单一水分子通过的孔道。孔道内部带正电荷的氨基酸残基排斥带正电荷的质子通过。（PPt第四张水通道蛋白结构图）

教师请同学观察PPt中的水通道蛋白结构图片，试概述水通道蛋白的结构特点。

水通道蛋白结构：水通道蛋白由四个亚基组成，每个亚基单独形成，共同构成一个供水分子快速、大量进出的孔道。

❶通道直径为0.28nm，无法通过比水分子大的物质。 ❷中心最窄处带正电荷，有效的阻止带电粒子的通过。

特定的结构决定着特定的功能，那么水通道蛋白有怎样的功能特点？

（2）、水通道蛋白的功能特点

❶超高的水通过率，每秒钟可以通过30亿个水分子；

❷它对水质外其他的物质，包括糖、盐、甘油等物质和重金属具有超强的拦截能力

（3）、水通道的应用

水通道蛋白具有十分重要的功能，水通道与人体体液平衡的维持密切相关，如肾小球的滤过作用和肾小管的重吸收作用，都与水通道的结构和功能直接相关。通常一个成年人每天要产生170升的原尿，这些原尿经肾脏肾小球中的水通道蛋白的过滤，其中大部分水分被人体循环利用，最终只有约1升的尿液排出人体。

水通道蛋白可用于先天性肾源性尿崩症的治疗，及某些与水代谢有关的临床疾病的治疗和水通道蛋白净水器的发明。

教师引导学生观看PPt第五张的相关视屏认识水通道蛋白的结构和功能，并增强学生保护环境、珍惜水资源的意识。

4、相关高考题型的解析

让同学们通过水通道蛋白的学习来练习解决以下相关高考题型。

科学家为了研究蛋白A的功能，选用细胞膜中缺乏此蛋白的非洲爪蟾卵母细胞进行实验，处理及结果见下表。

在低渗溶液中测定卵细胞实验组号

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

在等渗溶液中进行的处理

向卵母细胞注入微量水（对照）

向卵母细胞注入蛋白A的mRNA 将部分Ⅱ细胞放入含HgCl2的等渗溶液中

将部分Ⅲ细胞放入含试剂M的等渗溶液中

的

水通透速率（cm/s×10-4）

27.9 210.0 80.7 188.0 （1）将I组卵母细胞放入低渗溶液后，水分子经自由扩散（渗透）穿过膜的____________进入卵母细胞。

（2）将蛋白A的mRNA注入卵母细胞一定时间后，该mRNA____________的蛋白质进入细胞膜，使细胞在低渗溶液中体积____________。

（3）与II组细胞相比，III组细胞对水的通透性____________，说明HgC12对蛋白A的功能有________作用。比较III、IV组的结果，表明试剂M能够使蛋白A的功能____________。推测HgC12没有改变蛋白A的氨基酸序列，而是破坏了蛋白A的____________。

（4）已知抗利尿激素通过与细胞膜上的____________结合，可促进蛋白A插入肾小管上皮细胞膜中，从而加快肾小管上皮细胞对原尿中水分子的____________。

（5）综合上述结果，可以得出____________的推论。

【答案】（1）磷脂双分子层

（2）翻译

迅速增大

（3）明显降低

抑制

部分恢复

空间结构

（4）受体

重吸收

（5）蛋白A是水通道蛋白

水通道蛋白质允许水分子通过，那么钾离子、钠离子等离子也应该由相应的通道允许通过。下面我们一起来学习离子通道。

二、离子通道蛋白的学习

1、离子通道蛋白的概念和结构

生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式。被动运输的通道称离子通道，主动运输的离子载体称为离子泵。生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关。例如，感受器电位的发生，神经兴奋与传导和中枢神经系统的调控功能，心脏搏动，平滑肌蠕动，骨骼肌收缩，激素分泌，光合作用和氧化磷酸化过程中跨膜质子梯度的形成等。

生物膜离子通道蛋白是各种无机离子跨膜被动运输的通路。

离子通道蛋白是存在于膜结构中的一种复合蛋白质，对于某一种离子选择性通透，且通透速度快。 1988年，罗德里克·麦金农利用X射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。这张照片上的离子通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。

根据转运离子的机理和种类，我们主要学习一下几种离子通道蛋白。

2、离子通道蛋白的类型

离子通道，根据其开放或关闭的机制可分为三类：电压门控离子通道、配体门控离子通道、机械门控离子通道。 教师引导学生：试比较钠通道、钙通道和钾通道的结构。

教师概述三种离子通道蛋白的结构和机理（观看PPt第九张，认识三种离子通道蛋白，并观看相关视屏认识其相关机理）。

电压门控离子通道又称电压依赖性或电压敏感性离子通道，因膜电位变化而开启和关闭，膜两侧的跨膜电位的改变，是控制此类通道开放与关闭的直接因素。电压门控通道一般包括钠通道、钙通道、钾通道和氯通道型，各型又分若干亚型。

配体门控离子通道，实际上是离子通道型受体，这类通道在其细胞内或外的特定配体与膜受体结合时发生反应, 引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化,结果使"门"打开。因此这类通道被称为配体-门控通道，它分为细胞内配体和细胞外配体两种类型。如五羟色胺受体，γ-氨基丁酸受体，乙酰胆碱受体、ATP受体、NMDA受体等。其中ATP受体调节Ca2﹢通道，是Ca2+进入平滑肌的通道，NMDA受体是Ca2+进入神经细胞的通道。

教师引导学生谈谈配体门控性和特异性的结构基础。即信号分子与相应的受体特异性结合以实现信息的交流。

机械门控离子通道，细胞感受摩擦力、压力、牵拉力、重力、剪切力等，并将机械刺激的信号转化为电化学信号，而引起阳离子通透的离子通道，引起细胞反应的过程称为机械信号传导。

高中阶段常见的离子通道有以下几种（并观看动作电位、静息电位的形成与通道蛋白的运输的视屏）： （1）钠离子通道蛋白：对钠离子选择透过性高。 （2）钾离子通道蛋白：对钾离子选择透过性高。 （3）钙离子通道蛋白：对钙离子选择透过性高。 （4）氯离子同代蛋白：对氯离子选择透过性高。 3、离子通道运输的特点

通道蛋白介导的物质转运其特点是：

（1）选择性

大多数离子通道对离子具有选择性，所以在细胞膜上存在有各种不同的通道蛋白，一种离子通道往往只允许一种或少数几种离子通过，已经发现，钙通道也允许镁、锰和钡离子通过，钾通道则允许少量钠离子通过；

（2）饱和性

离子通道开放后，运输速度在一定范围内随离子浓度提高、内外离子浓度梯度的加大而不断加快，但是超过一定浓度后，速率不再增加。

（3）可控制性

离子通道的开放和关闭受到严格的控制。

（4）通道蛋白参与的只是被动运输（协助扩散）。

（5）选择透过的离子量大，且速度快；通道蛋白的运输速度很快，每秒钟可有10 000 000个离子通过。

4、离子通道在病理学中的应用

提出问题：离子通道主要与哪些疾病有关？

离子通道的研究意义重大。很多疾病，比如一些神经系统疾病和心血管疾病就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的，对细胞膜通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因，并研制相应药物。另外，利用不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，从而达到治疗疾病的目的。

（1）钠离子通道阻滞药：抗心律失常药、局部麻醉药和抗癫痫药。 （2）钾离子通道阻滞药：抗心律失常药，延长动作电位时程药。 （3）钙离子通道阻滞药：抗高血压药，抗心律失常药，抗心绞痛、心肌梗死药。 5、相关高考题型解析 （1）．下图为突触结构和功能的模式图，下列有关叙述不恰当的是(

) A．瞬间增大轴突末端细胞膜对Ca2＋的通透性会加速神经递质的释放

B．过程①体现了细胞膜具有流动性

C．过程②表示神经递质进入突触后膜所在的神经元

D．过程③可避免突触后膜持续兴奋

解析：瞬间增大细胞膜对Ca2＋的通透性，会加速神经递质的释放，A正确；由于神经递质的释放方式是胞吐，故神经递质的释放体现了细胞膜的流动性，B正确；过程②只能说明神经递质能促进钠离子进入突触后膜，神经递质并没有进入突触后膜所在的神经元，C错误；过程③表示神经递质重吸收进入突触前膜所在的神经元，可避免突触后膜持续兴奋，D正确。

答案：C （2）．河豚毒素是一种Na＋通道蛋白抑制剂，误食河豚中毒后致死率非常高。河豚毒素中毒后可引起(

) A．神经兴奋无法传递，肌肉瘫痪 B．兴奋传递加快，肌肉痉挛

C．突触后神经元膜外电位由正变负 D．突触后神经元长时间兴奋

解析：动作电位产生的原因是Na＋内流，而河豚毒素是一种Na＋通道蛋白抑制剂，可导致Na＋不能内流，故河豚毒素能使神经兴奋无法传递，使突触后神经元不能兴奋，A正确。