科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究教学评价实录

科学前沿“授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究”教学设计

课时：共1课时

1、教学目标

知识方面：说明物质跨膜运输的方式；简述通道蛋白的发现历程、研究意义；进行简单的实验设计。

能力方面：能从所给资料中获取关键信息；培养解决图表类问题的能力。

情感态度价值观：通过问题探讨、体验获得新知识的愉悦，感受生物学与生活的密切联系。

2、重点难点

（1）教学重点：

物质跨膜运输的方式；水通道蛋白、离子通道蛋白的发现历程；转录、翻译的过程。

（2）教学难点：

探究实验的设计。

解决方法：通过分组讨论，播放相关的多媒体动画，练习相关高考题。

3、教学过程 活动1【导入】复旧引新

上新课之前。老师先请同学们看一部动画大片。有没有兴趣啊？（有）好精彩马上呈现！（播放动画）这部动画片的剧情是什么呢？哪位同学看出来了给大家说一下。好XX同学。（物质跨膜运输的方式）都提到了哪些运输方式呢？（自主扩散、协助扩散、主动运输）其中协助扩散有几种？（２种）一种是载体蛋白协助的，一种是通道蛋白协助的。什么是通道蛋白？研究通道蛋白有什么重要意义呢？我们通过教材七十四页科学前沿的内容“授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究”的学习来回答这些问题。

活动2【讲授】讲解新知

2003年。瑞典皇家科学院宣布，把当年的诺贝尔化学奖授予彼得·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

雷得奖是因为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。这也正好是通道蛋白的两大类型。我们首先了解一下水通道蛋白的有关知识。什么是水通道蛋白呢蛋白呢？

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（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。水通道蛋白是专门运输水的跨膜蛋白，其基因结构、基因表达调控、染色体定位、蛋白质结构、组织分布和生理功能得到了较为深入的研究。

水通道蛋白种类多，到目前为止仅在人体细胞已发现11种水通道蛋白。第一种水通道蛋白是怎么样被发现的呢？我们来学习水通道蛋白的发现历程。水通道蛋白的发现者是（阿格雷）。

彼得·阿格雷（Peter Agre），1949年生于美国，1974年在巴尔的摩市的约翰·霍普金斯大学医学院获医学博士，之后在该学院担任生物化学教授和医学教授。2004年到杜克大学,担任医学院副院长。由于发现了细胞膜水通道蛋白，2003年获得诺贝尔化学奖。

我们知道包括人类在内的多数生物都是由细胞组成的。细胞如同一个城墙围起来的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物不断被运出去。早在100多年前,人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”,它们只允许特定的分子或离子出入。这个小城镇含量最多的是水所以控制水出入的城门应该是不可或缺的。通过水的进进出出可以实现细胞的很多功能。

20世纪50年代中期,许多科学家通过大量实验证实水分子能快速，大量通过红细胞，而其他分子或离子（H+）不能通过，这种现象同样存在于唾液腺，肾脏和膀胱等细胞中。有科学家提出水是通过某种蛋白质的介导而进入细胞的。但是很遗憾一直没有人发现这种蛋白质。

1988年，彼得·阿格雷在分离提纯兔子Rh血型抗原蛋白时,偶然发现了一种相对分子质量为28kDa的蛋白质分子。命名为CHIP28。

1991年测定了28KDa蛋白N端的35个氨基酸。同一年

，克隆了该蛋白的

全长cDNA序列。该基因编码269个氨基酸，蛋白具有6个跨膜结构域、2个位于膜外的N-糖基化位点，B环和E环相似度很高且都含有Asp-Pro-Ala的特殊结构（NPA序列）。但当时仍未知道此蛋白的具体功能。

1993年，彼得·阿格雷做了非洲爪蟾卵母细胞实验这个实验也证实了之前的猜想，这个蛋白就是水通道。但是依然有人提出质疑：CHIP28并非水通道蛋白本身，可能是调节水通道开闭的蛋白。

1994年，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。

此类蛋白质被重新命名为Aquaporin,CHIP28是第1个被鉴定的水通道蛋白，因而称为Aquaporin1，简称AQP1。

这一系列实验中。非洲爪蟾卵母细胞实验是非常关键的一个实验，那么这个实验是怎样的一个实验呢？从这个高考题中我们可以得到一定的启示。

为什么要向卵母细胞注射蛋白A的mRNA我们再看一个动画片。之所以注射蛋白A的mRNA。就是让mRNA翻译出蛋白A，坚决地把蛋白A插入到卵母细胞膜上。

依据高考题给出的信息。我们可以模仿阿格雷设计一个探究实验，对于探究实验最重要的是实验目的，同学们分组讨论一下本实验的实验目的、自变量、因变量分别是什么呢？

活动3【讨论】设计实验：

讨论后汇报讨论结果：

探究目的：CHIP28蛋白是否与水运输有关

自变量：细胞中是否注入CHIP28蛋白的mRNA 因变量：观察细胞的吸水情况

对照组：向细胞注射微量水

实验组：向细胞注射CHIP28蛋白的mRNA 在这个基础上，讨论得出实验中所选细胞必须具备的特点。

1、细胞体积变化容易观察

2、细胞膜上不含有CHIP28蛋白

阿格雷选的实验材料是非洲爪蟾卵母细胞，该细胞内盐离子浓度与其它动物细胞相当，但置于低浓度溶液中，短时间内却不会发生吸水涨破。

一切具备，实验开始。

注射了CHIP28蛋白mRNA一组。在低浓度溶液中，卵母细胞迅速膨胀并于3分钟左右涨破。而对照组在相同条件下没有出现相应现象。通过这个实验我们知道chip28蛋白的mRNA在卵母细胞中。翻译形成了chip28蛋白。chip28

蛋白介导水分子快速的进入细胞中从而使细胞吸水涨破。这样的实验结果证实了阿格雷的假设，chip28蛋白是一种水通道蛋白。

阿格雷研究发现CHIP28实际上由四个亚基构成，每个亚基单独的形成一个供水分子出入的孔道。对亚基进一步研究发现，水通道直径为0.28nm,无法通过比水分子大的物质。

中心最窄处带正电荷,有效阻止带电离子通过。

我们现在知道了细胞可以通过自由扩散的方式缓慢的运输水分，也可以通过水通道蛋白快速运输水分。两种运输方式共同作用使细胞维持正常的生命活动。这两者的区别，我们可以用这两幅图来形象地说明。（课件展示图片）

那么研究水通道蛋白有什么意义呢？请同学们看一则报道。

据外媒报道，科学家们创造出可以非常有效地过滤水的微型碳纳米管，有一天可以帮助将海水转化成饮用水。根据《科学》杂志上发表的一项研究，这种纳米管与用于过滤活细胞中水分的某些生物蛋白质类似，但效率高出六倍。虽然纳米管目前尚不能用于实际的海水脱盐，但研究人员表示，他们可以成功地过滤含盐的水。

活动4【讲授】离子通道：

通过以上的学习，我们对水通道蛋白的知识已经有了一个大致的了解。离子通道蛋白的研究情况又是怎么样的呢？发现者麦金农。

麦金农１９５６年出生，在美国波士顿附近的小镇伯灵顿长大，１９８２年在塔夫茨医学院获医学博士，现为洛克菲勒大学分子神经生物学和生物物理学教授。 1998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。

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反应时才瞬时开放。

图片展示通道蛋白和载体蛋白的区别。

研究离子通道蛋白的意义：举例说明，铁离子通道的研究情况。

结语：生物界还有很多未知，等着你去探索。

活动5【布置作业】课外作业：

近些年来诺贝尔化学奖，屡屡授予生物科学领域的科学家，你怎样看待这一事实呢？