科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究课堂实录【3】

科学前沿

授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究

介绍水通道和离子通道

本章主要探讨物质的输入和输出，介绍了水分子跨膜运输的实例，生物膜的流动镶嵌模型，以及各种常见物质跨膜运输的方式，力图让学生了解到物质进出细胞是一个复杂的过程，本小节实际上是一部分扩展性的知识点，试图打破学生学习的思维定式，扩展学生的视野，同时这个部分的内容和高三的知识有所联系，应该放到高三来上学生才更有兴趣。

二、三维教学目标

知识与技能

1.让学生了解水通道蛋白的发现过程，水通道蛋白的空间结构知识及与高中阶段的联系。

2.让学生了解离子通道蛋白，并展示离子通道蛋白和高中阶段的联系。

过程与方法

1.

在讲授水通道蛋白时主要是以引导学生实验探究法为主，讲授法为辅。

2.

在讲授离子通道蛋白时主要是以讲授法为主

情感、态度、价值观

1.让学生体验科学知识获得和形成的过程与方法，体会成功的获得知识的乐趣。

三、教学重点与难点

教学重点

1.

水通道蛋白发现的过程以及四级空间结构

2.

离子通道蛋白的类型和其中两种通道的介绍

教学难点

引导学生设计实验来验证水通道蛋白

四、教学过程

五、【引入】通道蛋白对于大家来说好像是个陌生的名词，但是在高中阶段我们不止一次接触过它们，我先提一个问题：

水分子跨膜运输的方式？

【一起回答】自由扩散，实际上除了自由扩散，还有水通道蛋白介导的协助扩散。

在发现水通道蛋白以前，人们一直认为自由扩散水分子透过质膜的唯一方式。但是人们早就发现，肾近端小管

,集合管具有强烈的吸水功能，平均每天吸收水分大约150 L;血液中的红细胞在低于0.45 %的NaCI低渗溶液中会快速吸水膨胀破裂。如果仅通过简单扩散，细胞吸收水分不可能如此快捷。

一．水通道蛋白

【引入】1．水通道蛋白的发现历史

1987年，美国血液病学家Agre分离纯化人Rh血型红细胞时发现一种28x106的蛋白，这种在红细胞以及肾近端小管中该蛋白含量非常丰富，当时被称为被称为CHIP28。

【提问】如果你是一位科学家，你将会怎么验证CHIP28和水的运输有关，请同学作答

非洲爪蟾卵母细胞几乎对水不通透，因此非常适合进行水通道蛋白的研究。1990年，Agre研究组将CHIP28的mRNA注人非洲爪蟾卵母细胞。72 h后CHIP28蛋白大量表达。卵母细胞移到低渗溶液中，显微观察发现卵母细胞立即吸水膨胀，细胞体积迅速增加，5 min内因吸水过度而破裂。水通道蛋白终于被找到。

【提问】当时的科学界有人认为这种蛋白只是水的调控蛋白，有请同学设计实验验证它直接和水的进出有关

为进一步证实CHIP28为水通道蛋白，排除其为水通道调控蛋白的可能性确定CHIP28的功能，将提纯的CHIP28构建在蛋白磷脂体中，构建后的蛋白磷脂体对水的通透性增长了50倍，但对尿素却不具备通透性。这些研究使A-gre获得了2003年的诺贝尔化学奖。

1993年水通道蛋白被重新命名为Aquaporin ,CHIP28是第1个被鉴定的水通道蛋白，因而称为Aquaporin 1，简称AQP1 ，自从AQP1被发现并克隆以来，已经发现并克隆了13种哺乳动物水通道蛋白。

【引入】大家都知道高级蛋白质一般有几级结构？

【一起回答】四级结构

接下来我们就以AQP1为例来谈谈水通道蛋白的四级结构

2..水通道蛋白的结构（以AQP1的结构为例）

2.1

水通道蛋白的一级结构是由两个同向重复部分组成的单肽链。

各自拥有的天冬酰胺一脯氨酸一丙氨酸(Asn - Pro - Ala, NPA)序列(图1)，为水通道家族的高度保守序列，这两个NPA高度保守位点是水通道蛋白通透水分子的结构基础。

2.2二级结构

水通道蛋白的二级结构含6个跨膜结构域(图2中的6个灰色柱体),6个跨膜结构域之间由5个环形结构相连(图2中LoopA一E)，其中B环和D环位于细胞膜内侧，A环、C环和E环则位于细胞膜外侧。B环和E环含有NPA的部分，形成三级结构时向脂质双分子层中折叠。所以，其显著疏水;A环、C环和D环则为亲水环。

2.3三级结构

水通道蛋白的三级结构是Jung等人提出的“沙漏”模型图，由二级结构形成对称的跨膜通道结构，6个跨膜区域倾斜排列，2个含有NPA序列的半环在折叠中形成一个可以运输水分子的孔道圈。

【引导】大家注意二级和三级结构是不同的，三级结构中126在一起，345在一起，而二级结构中给我们的感觉是有序排列的，实际上是让两个NPA环在一起。

2.4四级结构

水通道蛋白的四级结构大部分以四聚体的形式存在，由4个亚基组成，每个亚基都由6个跨膜螺旋组成。每个水孔蛋白亚基单独形成一个供水分子运动的中央孔，孔的直径稍大于水分子的直径，约0. 28 nm。

【和高中阶段的联系】3.谈谈抗利尿激素和水通道蛋白的关系

ADH对肾集合管主细胞管腔膜AQP2水通道蛋白数量的调节及其细胞内机制

（1）ADH：抗利尿激素; （2）G蛋白：GTP结合蛋白Gs; （3）A

C：腺苷环化酶;

ATP：三磷酸腺苷;

cAMP：环腺苷酸; （4）AQP2：水通道蛋自

【引导】先给学生一些时间看一看，然后再进行讲解，上面的出胞作用可以联系到高尔基体，让学生有一种豁然开朗的感觉

【提问】离子跨膜运输的方式？

【学生一起回答】主动运输

协助扩散（告诉学生这也是离子通道介导的）

二．离子通道蛋白

【引入】

1.离子通道有两个显著的特征: a、选择性：指一种通道优先让某种离子通过，而另一些离子则不容易通过该种通道的特性。例如钠通道开放时，钠离子可通过，而钾离子则不能通过。

b、开关性：离子通道存在两种状态，即开放和关闭状态。多数情况时，离子通道是关闭的，只在一定的条件下开放。通道由关闭状态转为开放的过程称为激活，由开放转为关闭状态的过程称为失活。通道的开放与激活过程有一定的速率，通常很快，以毫秒（ms) 计算。

2..离子通道的分类

⑴电压门控性: 又称电压依赖性或电压敏感性离子通道：

因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名, 如钾、钠、钙、氯通道四种主要类型，各型又分若干亚型

【引导】电压门控性通道可以联系神经元上静息电位和动作电位的产生和恢复的过程来进行讲解，让学生对去极化，复极化，反极化有更深入的了解。

①阶段代表静息状态时，只有非门控K+通道开放，K+通透性远大于Na+通透性。

②阶段代表外界刺激导致膜去极化至阈电位，使电压门控Na+通道激活开放，Na+通透性超过K+通透性，发生快速的去极化与反极化。

③阶段电压门控Na+通道失活，电压门控K+通道激活，K+通透性超过Na+通透性，此时即复极化时期。

④阶段电压门控K+通道关闭，电压门控Na+通道恢复到备用状态，离子通透性恢复到与①阶段相同。

⑵配体门控性(化学门控性)离子通道

实际上是离子通道型受体，这类通道在其细胞内或外的特定配体（ligand）与膜受体结合时发生反应, 引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化, 结果使“门”打开。因此这类通道被称为配体-门控通道，它分为细胞内配体和细胞外配体两种类型。

【提问】这让大家想到了什么结构？

【学生一起回答】突触后膜上的受体

有些同学可能没有注意到，神经递质作用受体以后神经递质是不会进入细胞的，进入细胞的是一些离子

⑶机械门控性(压力激活型) 又称机械敏感性离子通道：是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道，高中阶段没有涉及到，在此就不再赘述了

【提问】X,Y,Z各是什么通道？

三.最后来谈谈载体和通道蛋白的区别

1.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。

2.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。

（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特异性结合，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侧移动，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，不消耗代谢能量

（3）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(1 000倍以上)。

通道蛋白其结构和功能状态在细胞内外理化因子的作用下，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，而载体蛋白无此特性。

【提问】这个部分可以找学生提问来完成，但是时间所限，就没有提问了

【小结】本节课很好的展示了通道蛋白的一些知识，并揭示它和必修本上正规章节知识的联系，在讲述水通道蛋白时让学生又一次感受到科学不是直接告诉你知识点，而是一个探究的过程，离子通道蛋白和必修三的神经调节联系紧密，让学生神经调节认识加深