科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究优秀教案范文

授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究

一、教学目标

1、知识与技能

（1）理解通道蛋白的概念；

（2）说出通道蛋白的发现历程；

（3）了解水通道蛋白的种类和作用；

2、过程与方法

（1）让学生体会到实验在生物学研究中的作用和地位；

（2）体会科学、技术、社会之间相互促进的关系，进而体会研究生命科学的价值。

3、情感态度与价值观

通过对通道蛋白发现过程的研究，激励学生学习科学家实事求是的科学态度和勇于探索的科学精神。

二、教学过程

1、温故知新

细胞是构成生物的基本单位，细胞与细胞之间则是通过细胞膜来沟通和实现基本的生命活动。细胞膜的主要成分为磷脂和蛋白质，其结构为磷脂双分子层，磷脂双分子层上有糖蛋白，糖蛋白所在一侧为细胞外侧。物质跨膜运输可分为自

图1 细胞膜的立体结构

由扩散（不需能量、载体），协助扩散（不需要能量、需载体），主动运输（要能量、需载体）三种。还有一些大分子物质是通过胞吞、胞吐方式通过细胞膜，它们需要能量、不要载体。

2、提出问题，作出假设

长期以来对于水的运输方式研究者普遍认为主要有两种：即简单的扩散方式和借助离子通道通过磷脂双分子层。

近些年研究者发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难用简单扩散来解释。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。

3、探索奥秘，验证假设

长期以来对于水的运输方式研究者普遍认为主要有两种：即简单的扩散方式和借助离子通道通过磷脂双分子层。

近些年研究者发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 很难用简单扩散来解释。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。

20世纪80年代中期，美国科学家彼得·阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。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。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道（图2）。

图2细胞膜上的跨膜通道

图3水分子通过水通道蛋白AQP1

那么水通道蛋白为什么只允许水分子而禁止其它的分子和离子通过？

水通道蛋白AQP1的立体空间结构于2000年被解出后（图3），科学家得以解释水通道对水分子的高度选择性——水分子在通道上半与下半部具有相反方向的偶极矩，故可防止质子的通过。从而揭示了水通道蛋白（Aquaporin，AQP）均具有选择性的让水分子通过的特性。已知与AQP1相似的水通道在人体内至少有十一种。尤其是AQP1及AQP2两种水通道蛋白对每天对尿液吸收一百五十至两百公升水的肾脏最为重要。

由此，我们知道水通过两种机制穿过膜：一种是通过脂双层的扩散。因为脂双层虽是疏水的，其中并非没有空间，水分子可以通过氢键在其中形成类似冰的结构，从而穿过膜；第二种机制是通过专一的水通道蛋白（AQP），它是一类膜蛋白，相对分子质量不大。植物细胞的质膜和液泡膜中各有不同的水通道蛋白。根据来自动物的水通道蛋白的研究，这类蛋白质分布很广泛，意义重大。

4、深入研究

（1）水通道蛋白的概念

水通道蛋白(aquaporin，AQP) 是一种对水专一的通道蛋白。具有介导水的跨膜转运和调节体内水代谢平衡的功能。水通道蛋白调节失控与水平衡紊乱等一系列疾病密切相关。

（2）水通道蛋白在哺乳动物体内的分布

泌尿系统已经有AQP1, AQP2, AQP3, AQP4, AQP6,AQP7, AQP8等7种水通道蛋白亚型在肾脏内被发现；呼吸系统中共发现4种水通道蛋白亚型:AQP1, AQP3, AQP4, AQPs；

消化系统至少有8种水通道蛋白(AQP1、AQP3、AQP4、AQPs、AQPg、AQP10、AQP12)在消化道上皮表达；

神经系统中的脑内水通道蛋白主要是AQP3、AQPs、AQP8等存在于神经元内，AQP3、AQP4、AQPs和AQPg则存在于星形胶质细胞中。

（3）水通道蛋白的功能

AQP与眼

眼组织是人体含水最丰富的器官，其多项生理功能的完成依赖于快速、高效的细胞水转运。而水通道蛋白是遍布于机体内与水的转运有关的通道蛋白，在眼组织亦有多种类型的水通道蛋白分布。

AQP与肾

梗阻性黄疸是胆道外科常见疾病,临床上约8%的患者在手术期出现急性肾功能不全。人

们发现水通道蛋白之后,就可以利用其特点在分子水平研究肾损伤。AQP 3是肾脏集合管自由水代谢调节的主要蛋白质。梗阻性黄疸肾集合管损伤的研究对于指导临床早期治疗具有重要意义。

AQP与肺

肺分布于肺组织的AQP有6种(AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8及AQP9),分别表达于肺组织的不同部位,其中AQP1、AQP3、AQP4及AQP5在肺泡毛细血管间水的转运中发挥重要的作用,可能参与了出生时肺泡液体的吸收、气道的湿化、肺水容量的调节及肺水肿的形成。

AQP与心

AQP2是1993年被克隆确认的水通道蛋白家族中的一种,位于肾脏集合管主细胞管腔侧和靠近管腔侧的囊泡内,是血管加压素依赖性水通道,是调节肾脏集合管对水通透性的关键蛋白,在调节肾脏水平衡中起重要作用,并被认为是维持体内水平衡的必需物质;

AQP与脑

脑组织中的水通道蛋白主要的AQP4和AQP1，其分子结构与功能在基因水平存在动态调节。深入研究它们在脑内的分布与功能，尤其与脑水肿之间的关系，对指导脑水肿治疗和开发新药均具有重要意义。

（4）水通道蛋白的发展前景

水通道蛋白作为细胞膜上的重要水通道之一有着特殊的意义。研究者们通过对水通道蛋白的深入研究，尤其是对人体细胞AQP的功能和作用的全面揭晓，对人类的某些疾病治疗有着非常重要的作用。对于目前很难根治的一些疾病或许从水通道蛋白处能够找到理想答案。

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。

5、小结

三、板书设计

授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究

一、物质跨膜运输的方式

二、阿格雷的研究

三、麦金农的研究

四、水通道蛋白

1、概念

2、种类

3、分布

4、功能

AQP与眼 AQP与肾 AQP5、发展前景

与肺与脑与心 AQP AQP