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人类对通道蛋白的探索历程
成年人每天产生的原尿大约是150L，但只有1.5L的终尿排出体外，大部分的水都被肾小管和集合管重吸收回血液循环。
请思考：水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
学习目标及任务
1 通过实验探究，总结出水跨膜运输的方式，归纳出水通道蛋白特点。
人类对通道蛋白的探索历程
2 通过视频学习，深入解读钾离子立体结构，总结出钾离子通道的特点
3 通过视频学习，归纳出通道蛋白的种类与特性，尝试解决生活中的实际问题
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
任务二：探究离子运输是否也需要通道蛋白？
任务三：总结通道蛋白的特点，应用到生命健康中。
资料1：
1950年后科学家多次对水分子等进行了细胞膜与人工膜的
运输速率比较实验，图示结果显示：
（1）相同点：甘油、O2、CO2在通过人工膜和细胞膜时的
运输速率相同。
（2）不同点：水分子通过细胞膜时的运输速率高于人工膜。
请大家参考资料2对该实验现象进行解释。
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
资料2
1895年欧文顿发现：溶于脂质的物质容易通过细胞膜，不溶
于脂质的物质不容易通过细胞膜，后来证实是因为细胞膜的基
本骨架为磷脂双分子层。磷脂双分子层内部的疏水端形成屏障
，让水溶性物质不易通过，但磷脂分子通过侧向自由移动、翻
转运动、旋转运动产生的空隙可以使比较小的分子部分通过，
即便如此水分子穿过磷脂双分子层的速率也比较缓慢，水分子
通过人工膜的速率只有细胞膜的1/10。
亲水“头部”
疏水“尾部”
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
问题聚焦
推测：细胞膜上存在运输水分子的蛋白质通道。
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
资料3：
1988年美国科学家阿格雷成功地从吸水能力很强的红细胞和肾小管细胞中分离出一种未知功能的膜蛋白CHIP28 ，推测：这就是“水通道蛋白”。
实验设计1： 探究CHIP28是否可以帮助水分进入爪蟾卵母细胞？
实验材料：爪蟾卵母细胞（细胞膜上不含CHIP28 ），含有 CHIP28的爪蟾卵母细胞（注入CHIP28的mRNA使 CHIP28表达的非洲爪蟾卵母细胞）、低渗溶液等
实验材料 实验措施 实验结果
对照组
实验组
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
实验结论： CHIP28可以帮助水分进入爪蟾卵母细胞
实验材料 实验措施 实验结果
对照组 爪蟾卵母细胞 低渗溶液 不膨胀
实验组 含CHIP28的爪蟾卵母细胞 低渗溶液 吸水膨胀
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
实验设计2：探究CHIP28单独存在是否能帮助水分子进入脂质体？
实验材料：人工脂质体 CHIP28 低渗溶液
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
实验材料 实验措施 实验结果
对照组
实验组
实验设计2：探究CHIP28单独存在是否能帮助水分子进入脂质体
实验材料：人工脂质体 CHIP28 低渗溶液
实验材料 实验措施 实验结果
对照组 脂质体 低渗溶液 不膨胀
实验组 插入CHIP28的脂质体 低渗溶液 吸水膨胀
实验结论： CHIP28单独存在能帮助水分子进入脂质体
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
实验设计3：用Hg+（水通道抑制剂）处理含CHIP28的爪蟾卵母细胞和脂质体
实验结论： CHIP28是水通道蛋白
实验材料 实验措施 实验结果
1 含CHIP28的爪蟾卵母细胞 低渗溶液，加入Hg+ 不膨胀
2 插入CHIP28的脂质体 低渗溶液，加入Hg+ 不膨胀
3 含CHIP28的爪蟾卵母细胞 低渗溶液 吸水膨胀
4 插入CHIP28的脂质体 低渗溶液 吸水膨胀
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
水通道蛋白（CHIP28蛋白命名为AQP1）：
水通道为连续开放的通道，只允许水分子通过，是由4个相同的亚基组成的四聚体，每个亚基单独形成一个供水分子运动的中央孔，所以水通道又被称为水孔。
阿格雷
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
水分子
主要：协助扩散（水通道蛋白）
自由扩散
任务一：探究水如何快速大量被肾小管和集合管重吸收？
K+、Na+、CI-通过细胞膜的运输速率也比人工膜快。
推测：细胞膜上也存在运输离子的通道蛋白。
任务二：探究离子运输是否也需要通道蛋白？
K+通道的发现历程
提出假说：20世纪60年代科学家提出植物细胞中存在K+通道
有效研究工具的创造：1976年德国科学家内尔和萨德曼创造了膜片钳法（1991年的诺贝尔生理学或医学奖）
内尔
萨德曼
任务二：探究离子运输是否也需要通道蛋白？
K+通道的发现历程
检测出K+通道蛋白：20世纪80年代，科学家检测出钾离子通道
解析出K+通道蛋白的立体结构：1998年美国科学家麦金农首次利用X射线晶体衍射技术解析出一种钾离子通道蛋白的立体结构（2003年诺贝尔化学奖）
麦金农
阿格雷
任务二：探究离子运输是否也需要通道蛋白？
钾离子通道俯视图
钾离子通道蛋白：是由细胞膜中蛋白质复合物组成的孔道，通过大小和电荷等因素相适配来选择运输钾离子。
钾离子通道平面图
任务二：探究离子运输是否也需要通道蛋白？
通道蛋白研究的其他进展
离子通道结构和功能的研究需综合应用各种技术，包括：膜片钳法、通道蛋白分离、纯化、重建技术、通道药物学、基因重组技术等。
通道蛋白广泛存在于动物、植物及微生物细胞膜上，种类繁多。仅水通道蛋白在人体就有13种，在拟南芥细胞中已发现35种。
近年来解析了一些新型离子通道，如钙离子通道、钠离子通道等。
任务三：总结通道蛋白的特点，应用到生命健康中。
分类 开关性 选择性
通道蛋白： 水通道
离子通道
任务三：总结通道蛋白的特点，应用到生命健康中。
分类 开关性 选择性
通道蛋白： 分子中的多肽链折叠成横跨细胞膜的通道，通道内带电荷并充满水，允许水分子、小的水溶性分子、带电离子通过。 水通道 连续开放 只允许水分子通过
离子通道 少数开放 多数是门控通道（平时关闭，只在受刺激时开放） 只允许与自身通道直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过
任务三：总结通道蛋白的特点，应用到生命健康中。
门控通道
开放
关闭
任务三：总结通道蛋白的特点，应用到生命健康中。
通道病类型 部位 病名
钙离子通道病 冠状动脉、肾小动脉等全身血管 高血压
钾离子通道病 心脏、神经系统 房颤、癫痫
钠离子通道病 神经系统 阿尔兹海默病
氯离子通道病 骨骼肌 先天性肌强直
下面的文字摘自治疗某高血压药物说明书：“本品为二氢吡啶类钙通道阻滞剂，抑制血管平滑肌和心肌细胞的跨膜钙离子内流，但以血管作用为主。本品引起冠状动脉、肾小动脉等全身血管的扩张，产生降压作用。
任务三：总结通道蛋白的特点，应用到生命健康中。
尿崩症是由于抗利尿激素（ADH）缺乏或肾脏对ADH敏感性缺陷导致肾小管重吸收水的功能障碍的疾病。其临床症状为多尿、口渴等。
请同学们根据本节所学知识，尝试提出治疗方案。
任务三：总结通道蛋白的特点，应用到生命健康中。
本节探索总结：
通道蛋白的探索历程
水通道蛋白的探索历程
钾离子通道蛋白的探索历程
通道蛋白的总结与应用
科学的大胆的活动是没有止境的，也不应该有止境。

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