科学前沿　授予诺贝尔化学奖的通道蛋白研究 (2) 4页

《水通道的发现与应用》学案第一部分【阅读教材74页的内容，完成下列内容】1通道蛋白是一类细胞膜磷脂双分子层的蛋白质,包含和两大类。2肾小球的作用和肾小管的作用都与水通道的结构和功能直接相关。3一种离子通道只允许通过，并且只有在特定的刺激发生反应时才瞬时开放。如：静息电位形成的原因是：，动作电位形成的原因是：，某些抑制类递质会开启突触后膜上的通道，引发内流，使突触后神经元更加静息。第二部分【科学故事】美国约翰·霍普金斯大学教授彼得·阿格雷在上世纪80年代一直是从事血液学方面的研究，他最初的课题是要从红细胞中分离出RH血型多肽（抗原），这是一个分子量为32千道尔顿的蛋白质，1988年阿格雷精制了大量的RH血型多肽（抗原），可是研究结果表明，这种蛋白质的纯度并不是100%，其中还掺杂了5%-10%的32千道尔顿之外的蛋白质，是被“污染”了的蛋白质。这种“污染蛋白质”的质量是28千道尔顿，比抗原小一些，最初，他把这第二种蛋白质当做污染源除去了，在确定该种蛋白质与RH血型研究无关后，他又继续进行了研究。阿格雷在2009年诺贝尔获奖者的聚会上这样说道：“如果是聪明的科学家，也许会无视这个问题了”，但阿格雷并不聪明，他花了4年的时间重复这个新的蛋白质的实验，终于慢慢的兴奋起来。结果，阿格雷发现这个质量为28千道尔顿的蛋白质竟然是大量存在的。他是红细胞膜含有的三四种最丰富的蛋白质的一种，因为对通常的蛋白质着色剂不反应而一直没被发现。1991年随着进一步的研究，阿格雷发现质量为28千道尔顿的蛋白质特别丰富的存在于肾脏细胞里。这个蛋白质是由四要素构成，组成被称为“四聚体”的结构，分布在细胞膜全体。这个立体的空间结构表明了这个分子具有孔状的通道。将其命名为“通道样28kDa整合蛋白”，简称CHIP28。到底这种蛋白质有哪些功能呢？如果不知道它的功能的话，没有人会对这种新的蛋白质感兴趣，阿格雷回想当时的情形时说：“我们停滞不前了。”他向很多研究血液的研究者们征求了关于这个蛋白质的意见，可是没有一个人提出了有可能的想法。给阿格雷提出了决定性意见的是曾经的临床医学的顾问约翰帕卡。他向阿格雷指出，红细胞和肾脏尿细管的水透过性非常高，“你有没有想过这可能是大家长时间探索寻找的水通道？”同年，阿格雷完成了CHIP28的cDNA的克隆。1992年，阿格雷在非洲爪蟾卵母细胞表达系统中完成了CHIP28功能的研究。但是仍有人提出质疑：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，阿格雷为了进一步证明CHIP28就是水通道蛋白，排除其为水通道调控蛋白的猜测。他们做了脂质体实验，最终证明这种蛋白的确为专一性水通道蛋白。至此，阿格雷将CHIP28重新命名为AQP1（第一个被鉴定的水通道蛋白）。水通道的发现迎来了对这种存在于各种生物的蛋白质进行生化、生理学和遗传学研究的黄金时代,对于它的研究可以更好地揭示生命现象,使科学家能够研发出一些治疗因水通道异常而引发的疾病。阿格雷因此荣获2003年的诺贝尔化学奖。 请完成1992年阿格雷的实验设计实验目的：实验材料：自变量：因变量：无关变量：实验结果：实验结论：第三部分【习题检测】1（2012年北京高考题）科学家为了研究蛋白A的功能，选用细胞膜中缺乏此蛋白的非洲爪蟾卵母细胞进行实验，处理及结果见下表。实验组号在等渗溶液中进行的处理在低渗溶液中测定卵细胞的水通透速率（cm/s×10-4）Ⅰ向卵母细胞注入微量水（对照）27.9Ⅱ向卵母细胞注入蛋白A的mRNA210.0Ⅲ将部分Ⅱ细胞放入含HgCl2的等渗溶液中80.7Ⅳ将部分Ⅲ细胞放入含试剂M的等渗溶液中188.0（1）将I组卵母细胞放入低渗溶液后，水分子经自由扩散（渗透）穿过膜的____________进入卵母细胞。（2）将蛋白A的mRNA注入卵母细胞一定时间后，该mRNA____________的蛋白质进入细胞膜，使细胞在低渗溶液中体积__________。（3）与II组细胞相比，III组细胞对水的通透性____________，说明HgC12对蛋白A的功能有________作用。比较III和IV组的结果，表明试剂M能够使蛋白A的功能____________。推测HgC12没有改变蛋白A的氨基酸序列，而是破坏了蛋白A的____________。（4）已知抗利尿激素通过与细胞膜上的____________结合，可促进蛋白A插入肾小管上皮细胞膜中，从而加快肾小管上皮细胞对原尿中水分子的____________。（5）综合上述结果，可以得出的推论。 2下图为抗利尿激素调节肾小管上皮细胞的水通透性变化示意图，图中A、B、C代表不同的结构或物质。a、b代表含水通道蛋白囊泡的不同转运过程。请据图回答：（1）肾小管上皮细胞之间通过结构A紧密连接而封闭了细胞间隙，能防止B________（填名称）和原尿混合，维持二者的渗透压梯度。（2）肾小管上皮细胞中水通道蛋白在__________中合成，最终经过___________加工、包装并转移至囊泡膜上。（3）抗利尿激素与肾小管上皮细胞膜上C___________（名称）结合后，启动a过程，使囊泡膜与管腔侧细胞膜融合，增加膜上的水通道蛋白数量，从而使细胞膜_____________（4）当正常人一次饮用100mL清水，约过半小时后，尿量就开始增加。其调节过程是①→②→③。请完善：①_____________________________________________________________________，②管腔侧细胞膜上的水通道蛋白在细胞膜的凹陷处集中，然后形成内陷囊泡，b过程增强，③_____________________________________________________________________。第四部分【资料阅读1】某品牌水动力精粹系列的产品故事（该系列产品独家应用了诺贝尔科技水通道蛋白技术）2003年：动力水润，持久保湿微灌技术。2003年，彼得·阿格雷教授因发现水通道蛋白被授予诺贝尔化学奖。在与阿格雷教授团队的合作中，某品牌美妍科学中心揭示了肌肤中3型水通道蛋白的存在，这种水通道蛋白可以确保水分由一个细胞输送至另一个细胞。2005年：深层水润，营养物质传播媒介。延续某品牌美妍科学中心在表皮下层发现3型水通道蛋白这一系列的研究，水动力系列以萃取更纯净、更浓缩的骨草臻萃实现肌肤持久保湿与深层水润功效。2010年：活力水润，卓效抗氧化防护。某品牌美妍科学中心全新突破发现了位于肌肤表皮层的9型水通道蛋白。它不仅能运输水分至肌肤表层，更能运送对于巩固细胞结合结构至关重要的甘油糖原，全方位重建肌肤防御体系。 【资料阅读2】水通道蛋白净水器的优势(一)水通道蛋白膜净水器拥有700加仑的超大通量，比市面上一般的400加仑净水器通量提升75%以上。比如同样用10秒中接水，400加仑半杯水，700加仑一杯水，是用肉眼就可以分辨的大流量。而大通量并不会牺牲截留率，在过滤效果上打折扣。搭载水通道蛋白膜的净水器不仅能保留反渗透膜的过滤性能，而且对硼、砷具有99.99%的极高截留率，这种特质也使过滤出的水口感更加清爽。（二）在相同的使用条件下，水通道蛋白膜的回收率是常规的反渗透膜回收率的两倍。水通道蛋白净水器的纯废比达到2:1，远远超过传统净水器的1:1，节水提升100%。而另一个众所周知的矛盾是废水少一定程度上决定了膜的寿命也会缩短。但水通道蛋白膜的抗污堵能力强于一般反渗透膜，使其在低废水的情况下，依然保持了过滤膜的良好性能，能达到3年的超长寿命。【资料阅读3】2015年9月，丹麦ESA宇航员在ISS(国际空间站)上进行了第一个初步的水通道蛋白膜实验，并取得了非常好的试验结果。第二阶段测试将提供更详细的报告关于在微重力作用下水通道蛋白膜的有效性,从而开发出更自然、轻巧、简便的可应用于太空领域的水过滤系统。最终目标是使用水通道蛋白膜用于国际空间站的水过滤系统,在那里它们可以替换现有的多重过滤层设备，多重过滤层设备非常重，需要频繁更换。水通道蛋白膜的应用潜力巨大,可大幅节省上载质量，从而将未来载人航天器上的水源再利用到空间站或火星运输车辆上。水通道蛋白膜连同测试设置已于2016年10月17日(丹麦时间4时03分)，发射到国际空间站(ISS)，并通过新型运载火箭放入到Cygnus运输车上。发射地点在美国弗吉尼亚中部大西洋地区航天局Wa11ops岛上完成。