科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究课程导入

获2003年诺贝尔化学奖的通道蛋白的研究教学设计

益阳市第六中学熊燕

一、教学目标

1.知识与技能 1.1列举通道蛋白的种类。

1.2说出水分子进出细胞的方式。

1.3说明离子通道在静息电位、动作电位产生中的作用。

2.过程与方法

2.1通过自主、互动、讨论等教学过程，培养学生自主学习、勇于思考、善于表达等能力。

2.2通过学生模拟静息电位、动作电位形成的过程，理解钠、钾离子通道在兴奋传导中的作用。

3.情感、态度与价值观 3.1尝试进行水通道蛋白功能的验证实验。

3.2认同人们对物质进出细胞的方式是一个开拓、继承、修正和发展的过程。

二、重点和难点

1.尝试进行水通道蛋白功能的验证实验。

2.说明离子通道在静息电位、动作电位产生中的作用。

三、教学过程

（1）导入：以2003年的诺贝尔化学奖直接引入

PPT展示2003年诺贝尔化学奖得主和他们的发现成果——水通

道蛋白、钾离子通道。

师：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，分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。

（二）水通道蛋白

提问：通过物质跨膜运输的方式已经知道水分子是以自由扩散的方式进出细胞的，水分子是不是只能以自由扩散的方式进出细胞呢？

生：应该还有其他方式。列举尿液形成过程中，肾小管的重吸收作用很快，这是自由扩散所达不到的速度。

师：同学们很善于思考。那还有什么方式呢？

师：简介阿格雷研究小组发现水通道蛋白的过程。

阿格雷研究小组研究红细胞膜上的各种蛋白质时，通过测定氨基酸序列及其相应的DNA序列，发现了一种细胞水通道蛋白，并推测此通道蛋白能协助水分子进出细胞。

提问：如何通过实验来验证水通道的功能呢？

师：对于探究实验最重要的是实验目的，其次是分清楚自变量与因变量，实验结果的检测。请同学们完成学案上的实验设计，并派代表展示结果。

生：分组讨论完成学案上的实验设计并展示结果。

师：阿格雷的实验成功地验证了水通道蛋白能协助水分子进出细胞。

（三）离子通道

师：与阿格雷一起分享2003年诺贝尔化学奖的是麦金农，因其用X

射线晶体成像技术发现了钾离子通道的结构及作用机理。离子通道与兴奋在神经上的传导密切相关。静息电位和动作电位的形成以钠、钾离子通道的开闭和钠、钾离子的主动运输为基础。

师：请学生完成学案上离子通道的知识梳理。

生：自主完成导学案上的知识梳理。

PPT动画播放钠、钾离子主动运输的过程。并展示兴奋在神经纤维上传导所形成的静息电位和动作电位的示意图。

3.1钠钾泵

师：当钠、钾离子以主动运输的形式进出神经细胞时，需要载体蛋白的协助，此时细胞每转出3个钠离子，就会转进2个钾离子。就使得神经细胞内钾离子浓度明显高于膜外，而钠离子浓度比膜外低。这种载体蛋白就是钠钾泵，具有吸K+排Na+作用。

3.2静息电位形成的原因

师：在未受到刺激时，钾离子通道打开，钾离子外流，使膜外阳离子浓度高于膜内，表现出外正内负的静息电位。

3.3动作电位形成的原因

师：当神经纤维某一部位受到刺激时，钠离子通道打开，钠离子内流，受刺激部位膜电位表现为内正外负的动作电位。

刺激

3.4静息电位的恢复

师：出现动作电位后，在很短的时间内Na+通道重新关闭，K+通道又重新开放，钾离子又很快涌出膜外，恢复到原来外正内负的静息电位状态。

生：演示静息电位和动作电位的形成。

3.5 图像表示神经纤维静息电位和动作电位

a线段——静息电位、外正内负，K+通道开放；

b点——0电位，动作电位形成过程中，Na+通道开放；

bc段——动作电位，外负内正,Na+通道继续开放；

cd段——静息电位恢复形成过程中；

de段——静息电位。

3.6 Na+通道对兴奋在神经元之间的传递的作用

PPT展示神经元之间通过突触传递信息的图解

师：神经递质由突触前膜内的突触小泡释放，经突触间隙与突触后膜上的特异性受体结合，引发突触后膜电位变化。突触后膜的受体没有与神经递质结合时，表现为外正内负的静息电位，当神经递质与受体结合后，Na+通道开放，Na+内流，表现为内正外负的动作电位。

总结：水分子进出细胞除了可以采取自由扩散外，还可以通过水通道蛋白。生物膜上的钠、钾离子通道是实现兴奋在神经上传导的基础。

（四）练习讲解

1.如下图是物质出入细胞的示意图，图2中曲线甲、乙分别代表物质进出细胞的两种方式。

(1)①已知某海洋生物的细胞中物质X、物质Y浓度分别为0.60

和0.14，而海水中物质X、物质Y浓度分别为0.29和0.38(浓度单位均为mol/L)，由此可知，该细胞能主动地________(吸收/排出)物质X，可用图1中的 ________(a、b、c……)表示。

②细胞膜中水通道、离子通道是普遍存在的。若肾集合管管壁细胞膜受刺激后发生兴奋时，水通道开放，大量水被肾集合管管壁细胞重吸收，则代表此过程中水的流动可用________。(a、b、c……)表示。

2.离子通道是细胞膜上仅能使无机盐离子选择性被动通过的一类通道蛋白。在离子通道上常具有门，因此又称为门通道。根据门开关条件的不同，大体分为电压门通道、配体门通道和压力激活通道（如图一）。电压门通道由膜电位控制门的开关；配体门通道门的开关取决于细胞内外特定的物质（配体）与相应的通道蛋白（受体）结合，从而影响离子进出细胞；压力激活通道门的开关取决于机械力的作用。图二是神经肌肉接头处传递神经冲动、刺激肌肉收缩过程中相关离子通道先后开放和关闭的示意图（各门通道开放顺序以数字标注）。请分析回答。

（1）乙酰胆碱的释放体现了细胞膜在结构上具有一定的

性。

（2）神经肌肉接头处的离子通道X、Y、Z中属于配体门通道的是

。

（3）进入突触小体中的Ca2+的作用是

信号类型发生的转变是

。

，从而使兴奋传导（4）图二中，Na+和Ca2+跨膜运输过程

“不需要”）消耗能量。

（填“需要”或（5）突触前膜和突触后膜都属于细胞的

系统，但它们

执行不同的功能，从其组成成分上分析，原因是

不同。