科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究教学目标设计

“科学前沿

授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究”教学设计

四川省绵阳普明中学 梁华山

1教学目标

1.1知识目标

1.1.1了解研究通道蛋白的科学史。

1.1.2了解细胞膜中的水通道蛋白与离子通道蛋白。

1.1.3 了解通道蛋白研究的意义。

1.2 能力目标

通过学生在各种媒体上收集相关资料及阅读教材相关内容，培养学生文献查阅能力、资料收集能力及自主学习能力；通过教师引导学生讨论与交流，培养学生科学思辨能力，合作学习能力等。

1.3情感、态度与价值观目标

通过本课学习培养学生科学探究意识和创新精神；通过实验教学，培养学生严谨的科学态度。

2学情分析

学生已经初步掌握了细胞膜的结构和功能，物质跨膜运输的方式等相关知识，为本课的学习奠定了基础。高一学生具备了一定的自主学习、合作学习的能力，有较强的求知欲及探究欲。

3重点难点

重点：

水通道蛋白与离子通道蛋白的实质、作用、作用原理、作用特点。

难点：

水通道蛋白与离子通道蛋白的实质、作用、作用原理、作用特点。

4教学过程

4.1水通道蛋白的推测

4.1．1活动1 小组讨论，完成练习题1（设计意图：激发认知冲突，导入新课）

练习题1 比较生物膜和人工膜(双层磷脂)对多种物质的通透性，结果如下图。据此能得出的推论是( A )

A. 生物膜上存在着协助H2O通过的物质

＋＋－B. 生物膜对K、Na、Cl的通透不具有选择性

C. 离子以协助扩散方式通过人工膜

D. 分子的大小不会影响其通过人工膜的扩散速率

4.1．2活动2组间交流：1.说出选择A选项的理由

2.提出生物膜上存在着协助H2O通过的物质是什么的假说，并简要说明理由

3.交流大家从各种媒体上收集的关于水的跨膜运输的资料

4.2关于水的运输方式的假说

活动3 资料阅读

资料一

关于水的运输

严格来讲，水分子的跨膜运输没有协助扩散这一说法。介导水分子运输的通道蛋白与载体蛋白是不同的。水分子进出细胞应该是通道蛋白的易化扩散，而葡萄糖进入红细胞属于载体蛋白介导的易化扩散（即协助扩散）。

但是

具有极性的水分子容易穿膜可能是因为水分子非常小，可以通过由于膜脂运动而产生的间隙。（细胞生物学/翟中和，王喜忠，丁明孝主编。——北京：高等教育出版社，2002（2004重印） 108-109页）。

水分跨过细胞膜的途径：（两种同时存在）

a、单个水分子通过膜脂双分子层扩散。

b、水分集流通过水孔蛋白形成的水通道。补充图片进行理解：

4.3水通道蛋白的分离及验证

活动4 小组讨论与交流（设计意图：培养学生的探究意识与实验设计能力）

1 要证明细胞膜上存在水通道蛋白，首先要做什么？

首先要分离出这种蛋白质

2如何证明这种蛋白质可透过水分子？

用具有这种蛋白的细胞（或脂质体）与去除这种蛋白的细胞（或脂质体）做渗透吸水实验。

活动5 资料阅读

资料二

Peter Agre发现水通道蛋白

早在十九世纪中叶，人们就已经想到细胞膜上必须有开口才能允许水和盐通过。在1950以后，人们发现了细胞上只有水才能通过的通道。在接下来的30年里，这一通道被详细研究。

即使这一推论由来已久，但是直到1992年还没有一个人找到到底有哪个或哪些蛋白质组成了这一通道。Peter Agre 在20世纪80年代中期研究了各种来源于组织细胞的蛋白。终于在肾细胞中，他发现了一种蛋白，通过对它的氨基酸测序和相对的DNA测序后，他发现这就是在他之前许多人一直寻找的细胞水通道。

Peter Agre 通过一个很简单的实验验证了他的猜想（见图1），他比较了有这种蛋白和没有这种蛋白的细胞。当细胞被放置在水溶液中，那些细胞膜上含有这种蛋白的细胞通过渗透作用吸收水分而体积增大，而对那些缺少这种蛋白的细胞却没有任何影响。Agre 又在“人工细胞”（也就是脂质体，像包着水的肥皂泡）上重复了这个试验，结果他发现如果在脂质体的膜表面加入这种蛋白，就会使水可以透过脂质体膜。

图1：Peter Agre 在存在和缺少水通道的细胞上的试验。

由于汞离子能够阻止细胞吸取和放出水分，Peter Agre 在他的试验中证实了通过他发现的这种水通道的水分运输也可以以同样的方法被汞阻止。这一发现更确定了他的新发现就是水通道。Peter Agre 命名他发现的这种蛋白为“水通道蛋白”（aquaporin）。

4.3水通道蛋白的作用及作用原理

4.3．1水通道蛋白的定义及作用：

水通道蛋白(Aquaporin)，又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质，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。

4.4水通道蛋白的作用原理（了解）：

活动6 资料阅读

资料三

水通道蛋白工作原理

2000年，Agre 和他的同事们第一次报道了这一水通道的高分辨率三维结构图，通过它我们知道了水通道运行的细节。他是怎么样只允许水分子通过而不是其他分子或是离子呢？至今为止，我们所知道的是细胞膜不会透过氢离子（质子）。这一点对于细胞极其重要，因为细胞内外质子浓度差是细胞能量储备的基础。

选择性是通道的重要特性。通道壁上的原子会形成微小的电场，由此形成了一条狭窄的通道，水分子就是通过这条弯弯曲曲的狭缝通过通道的，而质子却因为它自身的正电荷被排斥。

图 2. 水分子通过水通道 AQP1 4.5水通道蛋白的作用特点

水通道蛋白具有选择性，只允许水分子跨膜运输而不允许带电质子或其他离子通过。

4.6离子通道

活动7 资料阅读

4.6．1 阅读资料四

离子通道的发现及意义

早在１８９０年，威廉·奥斯特瓦尔德（１９０９年诺贝尔化学奖获得者）就推测离子进出细胞会传递信息。２０世纪２０年代，科学家证实存在一些供离子出入的细胞膜通道。５０年代初，阿兰·霍奇金和安德鲁·哈克斯利发现，离子从一个神经细胞中出来进入另一个神经细胞可以传递信息。为此，他们获得了１９６３年诺贝尔生理学或医学奖。不过，那时科学家并不知道离子通道的结构和工作原理。

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。

对水通道和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。中药的一个重要功能是调节人体体液的成分和不同成分的浓度，这些成分可以通过不同细胞膜通道调节细胞的功能。有专家认为，对细胞膜通道的研究可以为揭示中医药的科学原理提供重要的途径。

4.6．2阅读必修一教材P74页

4.6．3活动8思考与讨论

（1）．离子通道的化学本质是什么？

离子通道(ion channels of biomembrane)是作为各种无机离子跨膜被动运输通路的蛋白质

（2）．离子通道运输与主动运输的区别？

前者是顺离子浓度梯度运输，不耗能；后者是逆离子浓度梯度运输，要耗能。

（3）．离子通道运输有哪些特点？

①属于被动运输

②具有选择性。一种离子通道只允许一种离子通过

③只有在对特定刺激发生反应时才瞬时开放

（4）．对水通道和离子通道的研究意义有哪些？

①对于研究体液调节的机制有重要意义

②对于一些疾病的病理研究有重要意义

③为揭示中医药的科学原理提供重要的途径

5.本课小结 科学史

种类 通道蛋白 作用及作用原理

作用特点

意义

6.巩固练习

(1).抗利尿激索（ADH）促进肾小管和集合管重吸收水分的过程如图，对其理解错误的是（

D ）

A. 抗利尿激素增加管腔膜上的水通道蛋白，从而增加水的通透性

B. 抗利尿激素缺乏时，管腔膜上的水通道蛋白形成吞饮小泡进入胞浆

C. 含水通道蛋白的小泡可调节管腔膜对水的通透性

D. 机体缺水时会引起肾小管管腔膜上水通道蛋白减少

(2). 2003年的诺贝尔化学奖授予了研究细胞膜通道蛋白的科学家，其之前发现的AQP2水通道蛋白存在于集合管细胞膜上．某科研小组对蛋白AQP2进行了相关实验：选细胞膜中缺乏水通道蛋白AQP2的肾集合管细胞放在等渗溶液中进行相应处理，一段时间后，再放在低渗溶液中测定水通透速率，处理及结果如下．下列相关叙述正确的是（

D ）

实验

在等渗溶液中进行的处理

组号

Ⅰ

向集合管细胞注入微量水（对照）

Ⅱ

向集合管细胞注入适量控制AQP2合成的mRNA Ⅲ

将部分Ⅱ组细胞放人含HgCl的等渗溶液中

2

Ⅳ

将部分Ⅱ组细胞放入含抗利尿激素的等渗溶液

A、Ⅱ组与Ⅰ组对比说明蛋白AQP2能通过主动运输提高水的通透速率

B、Ⅱ、Ⅲ组对比说明HgCl能降低水通透速率，因为HgCl阻止了蛋白AQP2的合成

C、集合管细胞在内质网合成AQP2，经高尔基体加工后再运送到细胞膜

D、抗利尿激素能调节肾集合管对水的重吸收，可能与调节细胞膜上蛋白AQP2的数量有关

22(3).

瑞典皇家科学院宣布，将2003 年诺贝尔化学奖授予美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，以表彰他们在细胞膜通道方面做出的开创性贡献。阿格雷得奖是由于发现了细胞膜水通道，而麦金农的贡献主要是在细胞膜离子通道的结构和机理研究方面。他们的发现阐明了盐分和水如何进出活细胞。比如，肾脏怎么从原尿中重新吸收水分，以及电信号怎么在细胞中产生并传递等等，这对人类探索肾脏、心脏、肌肉和神经系统等方面的诸多疾病具有极其重要的意义。请分析回答。

①高中教材中水分子通过细胞膜的方式是___________________。

②如果用胰蛋白酶处理细胞表面，发现水分子和离子均不能通过细胞膜了，说明了细胞膜上的水通道和离子通道的化学本质都是___________________。

③如果神经元在受到刺激后，细胞膜上的电位发生变化，由题干中信息可知这种电位变化可能和细胞膜表面的___________________有密切关系。

④最新研究发现，如果去掉细胞膜上的某种物质，把该细胞置于7％的NaCl 溶液中，细胞形态没有明显变化；在人体内，抗利尿激素通过调节肾小管、集合管壁细胞膜上该种蛋白质来维持体内此物质的平衡。由此说明该蛋白质参与运输的物质是_________。

参考答案：

①

自由扩散（或渗透作用）

②蛋白质

③离子通道

④水