科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究教学设计实例

科学前沿：细胞膜上的通道蛋白质

教学目的：通过本节课的讲述，使学生们明确细胞膜上蛋白质的多样性；同时也明白细胞膜的多样性取决于其上蛋白质的多样性。

一、通道蛋白

通道蛋白是衡跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。有些通道蛋白形成的通道通常处于开放状态，如钾泄漏通道，允许钾离子不断外流。有些通道蛋白平时处于关闭状态，即“门”不是连续开放的，仅在特定刺激下才打开，而且是瞬时开放瞬时关闭，在几毫秒的时间里，一些离子、代谢物或其他溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜，这类通道蛋白又称为门通道。

通道蛋白是一类横跨细胞膜,能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动, 从质膜的一侧转运到另一侧的蛋白质。

分类：水通道蛋白和离子通道蛋白

通道蛋白可以是单体蛋白,也可以是多亚基组成的蛋白,它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排,形成水性通道。通道蛋白本身并不直接与小的带电荷的分子相互作用, 这些小的带电荷的分子可以自由的扩散通过由脂双层中膜蛋白带电荷的亲水区所形成的水性通道。通道蛋

白的运输作用具有选择性,所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被运输的分子结合,也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运输,所以运输时不消耗能量。

1、水通道蛋白质：水通道与人体体液平衡的维持密切相关，例如，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有直接关系。

2、离子通道是由蛋白质复合物构成的。一种离子通道只允许一种离子通过，并且只有在对特定刺激发生时才瞬间开放。离子通道与神经信息的传递、神经系统和肌肉方面的疾病密切相关。直到1998年，美国科学家麦金农才测出了钾离子通道的立体结构。

通道蛋白的特点:1介导被动运输。2对离子有高度选择性。3转运速率高4不持续开放，受“阀门”控制。

二、和其它蛋白质的区别：

（一）、离子通道蛋白和载体蛋白（离子泵）的异同

相同点：化学本质均为蛋白质、分布均在细胞的膜结构中、都有控制特定物质跨膜运输的功能

不同点：

1.通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被运输的分子结合,也不会移动,并且是从高浓度向低浓度运输,所以运输时不消耗能量。

2.载体蛋白参与的有主动运输和协助扩散，在运输过程中与相应的分子结合，并且会移动。在主动运输过程中由低浓度侧向高浓度运动，且消耗代谢能量；在协助扩散过程中，由高浓度侧向低浓度侧运动，不消耗代谢能。（注;协助扩散也属于被动运输）

相关资料：

1、被动运输的通路称离子通道，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。

离子通道依据其活化的方式不同，可分两类：一类是电压活化的通道，即通道的开放受膜电位的控制,如Na+、Ca+、Cl-和一些类型的K+通道；另一类是化学物活化的通道，即靠化学物与膜上受体相互作用而活化的通道，如

Ach受体通道、氨基酸受体通道、Ca+活化的K+通道等。

2、细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，以自由扩散的方式运输物质，如：缬氨酶素。这里要注意，之所以称为通透酶，是因为它与所运输物质之间有对应关系，特意性强。

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。所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质，不消耗能量。

3、协助扩散是小分子物质经膜转运蛋白顺浓度梯度或电化学梯度跨膜的转运。膜转运蛋白可分为两类:一类是通道蛋白,另一类是载体蛋白。

（1）.离子通道

离子通道被认为是细胞膜中一类内在蛋白构成的孔道。可为化学方式或电学方式激活，控制离子通过细胞膜顺电化学势流动。

（2）载体

载体也是一类内部蛋白,由载体转运的物质首先与载体蛋白的活性部位结合,结合后载体蛋白产生构象变化,将被转运物质暴露于膜的另一侧,并释放出去。由载体进行的转运可以是被动的(顺电化学势梯度)，也可以是主动的(逆电化学势梯度)

（二）、通道蛋白质和受体蛋白质

受体蛋白质

化学传递物质和引起嗅觉、味觉的化学物质以及多种药物等，通过与细胞膜上的各相应物质进行特异结合后，才会引起其作用。这类细胞膜上的物质多为蛋白质，而称为受体蛋白质。目前对受体蛋白质已能进行分离提纯，并对其特性进行研究。例如乙酰胆碱的受体是从富于该种蛋白质的电鱼放电器官中以单纯蛋白质成分而提取获得的。对其分子量及分子结构，以及其与阻断乙酰胆碱的结合力等方面的特性，现在正在研究中。

类受体蛋白质

这些科学家正在研究。

结语：可以想象，当人类把细胞膜上的蛋白质研究透彻之后，人类就可以根据生物细胞膜上的蛋白质的功能原理，根据人类的意愿来人工合成具有特定功能的人造膜。