科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究优秀教案

科学前沿：授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究

一、教学目标

【知识与技能】：①举例细胞膜上与物质转运有关的蛋白

②简述水通道蛋白的发现及其在人体中的作用

③说出离子通道的特点及主要功能

④说明物质跨膜运输的方式

【过程与方法】：①运用类比和对比的方法进行学习，抓住关键，掌握本质

②运用讨论、探究法分析水、离子的跨膜运输方式

【情感态度与价值观】：独立思考，学会质疑。

二、学情分析

“物质跨膜运输的方式”中的“膜”指是生物膜（这里主要是指细胞膜），前面已经学习了物质跨膜运输的方式，知道自由扩散、协助扩散、主动运输的特点。但学生仍存许多疑问：水分子和氧气、二氧化碳、脂溶性物质进入细胞方式一样吗？离子进出细胞都是主动运输吗？载体蛋白和通道蛋白有何区别？教师根据学生这样的知识背景很容易把学生带进课堂。

三、重点难点

1.教学重点：①水通道蛋白的发现及发展前景

②离子通道蛋白的特点及功能

2.教学难点：对水、离子跨膜运输方式的辨析

四、教学过程

引言：

物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的15~30%，你们知道的有哪些？

学生回忆：通道蛋白是一类跨越细胞膜磷脂双分子层的蛋白质，它包含两大类，水通道蛋白和离子通道蛋白 活动一：水通道蛋白的发现及应用

1.观察PPT，水通道概念的提出的过程：长期以来人们普遍认为细胞内外的水分子是以自由扩散的方式透过磷脂双分子层的。

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, 这就很难用自由扩散来解释。因此，人们推测水的跨膜转运除了自由扩散外, 还存在某种特殊的机制, 并提出了水通道的概念。

教师提问：为什么发现某些细胞在低渗溶液中对水的通透性很高, 这就很难用自由扩散来解释？（因为细胞膜的基本骨架是磷脂双分子层，中间是疏水的，水分子无法快速通过。在低渗溶液中，细胞膜对水的通透性高说明很可能有专门的水通道。）

2.观看PPT：什么是水通道蛋白？

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即蛋白质在膜内，形成专门输送水的穿膜通道，存在于红细胞和肾组织中，由4个相同的亚基组成，每个亚基(28 kDa)含6个穿膜α螺旋，极大地增加膜的水通透性。

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水通道是快速跨膜运输水的专用通路。

教师活动：介绍水通道的发现历程：彼得·阿格雷（Peter Agre），科学家。1949年生于美国，1974年在巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学医学院获医学博士，现为该学院生物化学教授和医学教授。1988年发现了细胞膜水通道蛋白，2003年获得诺贝尔化学奖。

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1988年Agre（阿格雷）等在分离纯化红细胞膜上的Rh多肽时，发现了一个28 kD的疏水性跨膜蛋白，称为形成通道的整合膜蛋白28（CHIP28），他们很快分离得到了这

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种蛋白质，并测出了氨基酸序列，1991年完成了其cDNA克隆，并发现这种蛋白质在吸水能力很强的肾脏和红细胞中含量特别高。

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Agre将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CHIP28置入脂质体，也会得到同样的结果。

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为进一步确定其功能，又将其构于蛋白磷脂体内，通过活化能及渗透系数的测定及后来的抑制剂敏感性等研究，证实其为水通道蛋白。从此确定了细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，并称CHIP28为Aquaporinl（AQPl）。

分析探讨：要证明Agre分离出的CHIP28的作用。仅做纯化的CHIP28置入脂质体的实验够吗？需设对照组。

3.阅读了解常见的水通道蛋白及其在人体的分布和作用

活动二：探究离子通道蛋白的特点及功能

1.教师活动：和阿格雷一起获得2003年获得诺贝尔化学奖的还有发现离子通道的麦金农。

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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年测出了钾通道的立体结构。2003年获得诺贝尔化学奖。

2.教师介绍兴奋在神经纤维上的传导过程中，钾离子外流、钠离子内流都是通过它们专门的离子通道进行的。请同学讨论分析离子通道的特点：

（1）通道的选择性：离子通道特异性地选择离子的能力很强，它对其允许通过的离子的通透能力是其他离子的100倍。

选择性主要取决于两个因素：

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通道最小直径和离子直径的相对大小，只有通道最小直径大于某离子直径时，该离子才能通过。 •

通道中亲水性孔道的带电基团和电荷的性质，组成亲水性孔道的氨基酸若带较多的正电荷，则阳离子不易通过，反之阴离子不易通过。

（2）通道的门控性

通道在多数时间是关闭的，只有在对特定刺激发生反应时才瞬时开放。如神经纤维上产生兴奋时，钠离子通道就打开。

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3.阅读资料：离子通道的主要功能：

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（1）提高细胞内钙浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、腺体分泌、钙依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一系列生理效应。

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（2）在神经、肌肉等兴奋性细胞, 钠和钙通道主要调控去极化, 钾主要调控复极化和维持静息电位, 从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性。

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（3）调节血管平滑肌舒缩活动, 其中有钾、钙、氯通道和某些非选择性阳离子通道的参与。

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（4）参与突触传递，其中有K+、Ca2+、Cl-通道和某些非选择性阳离子通道参与。

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（5）维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使钠、氯和水分进入细胞内而调节细胞体积增大。在低渗环境中，钠、氯和水分流出细胞而调节细胞体积减少。

活动三：通过以上通道蛋白的学习，请同学们讨论下，你对物质跨膜运输有何新的认识？找出有疑惑的问题。

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1、通过通道蛋白的运输究竟是自由扩散还是协助扩散？

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2、载体蛋白和通道蛋白究竟有何异同？

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3、水分子、离子的跨膜运输方式究竟是什么？

教师答疑：

第一个问题是生物学互动平台上讨论多次的。大多数人都支持协助扩散的观点，因为国内主流的高校教材大都持此观点，但也有个别教材认为是自由扩散。而美国教材中多数认为是自由扩散，但也有一些英文版认为是协助扩散。

所以我们不用去纠结这一问题，只要知道一定是被动运输就成了。

第二个问题

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；对被运输的物质具有高度的特异性或选择性。

不同点：

①、通道蛋白参与的只是被动运输（协助扩散）,在运输过程中并不与被运输的分子或离子相结合,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。

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特异性结合（具有类似于酶和底物结合的饱和效应），自身的构型会发生变化，并且会移动。在主动运输过程中被运输物质由低浓度侧向高浓度移动，需要消耗代谢能量；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。

②、通道蛋白转运速率与物质浓度成比例，且比载体蛋白介导的转运速度更快（1000倍以上）。

③、通道蛋白其结构和功能状态在细胞内外理化因子作用下，能在数毫秒至数十毫秒的时间内迅速激活开放，随后迅速失活或关闭，载体蛋白无此特性。

第三个问题：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）。

结论：就我们现行高中学习中，认定水的跨膜运输方式是自由扩散，离子有通过载体蛋白的协助，有通过离子通道的。高中教材中通过离子通道的就是钾离子外流和钠离子内流，属于协助扩散。通过载体蛋白的，若是顺浓度梯度，不消耗能量，为协助扩散。逆浓度梯度，消耗能量为主动运输。

课后讨论：

为什么近些年来，诺贝尔化学奖屡屡授予生物科学领域的科学家

？

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