高中生物必修1科學(xué)前沿授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的通道蛋白研究教學(xué)設(shè)計(jì)

科學(xué)前沿“授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的通道蛋白研究”教學(xué)設(shè)計(jì)課時(shí)：共1課時(shí)1、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)方面：說(shuō)明物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞?；?jiǎn)述通道蛋白的發(fā)現(xiàn)歷程、研究意義；進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。能力方面：能從所給資料中獲取關(guān)鍵信息；培養(yǎng)解決圖表類(lèi)問(wèn)題的能力。情感態(tài)度價(jià)值觀：通過(guò)問(wèn)題探討、體驗(yàn)獲得新知識(shí)的愉悅，感受生物學(xué)與生活的密切聯(lián)系。2、重點(diǎn)難點(diǎn)（1）教學(xué)重點(diǎn)：物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞?；水通道蛋白、離子通道蛋白的發(fā)現(xiàn)歷程；轉(zhuǎn)錄、翻譯的過(guò)程。（2）教學(xué)難點(diǎn)：探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。解決方法：通過(guò)分組討論，播放相關(guān)的多媒體動(dòng)畫(huà)，練習(xí)相關(guān)高考題。3、教學(xué)過(guò)程活動(dòng)1【導(dǎo)入】復(fù)舊引新上新課之前。老師先請(qǐng)同學(xué)們看一部動(dòng)畫(huà)大片。有沒(méi)有興趣?。浚ㄓ校┖镁蜀R上呈現(xiàn)?。úシ艅?dòng)畫(huà)）這部動(dòng)畫(huà)片的劇情是什么呢？哪位同學(xué)看出來(lái)了給大家說(shuō)一下。好XX同學(xué)。（物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞剑┒继岬搅四男┻\(yùn)輸方式呢？（自主擴(kuò)散、協(xié)助擴(kuò)散、主動(dòng)運(yùn)輸）其中協(xié)助擴(kuò)散有幾種？（２種）一種是載體蛋白協(xié)助的，一種是通道蛋白協(xié)助的。什么是通道蛋白？研究通道蛋白有什么重要意義呢？我們通過(guò)教材七十四頁(yè)科學(xué)前沿的內(nèi)容“授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的通道蛋白研究”的學(xué)習(xí)來(lái)回答這些問(wèn)題?；顒?dòng)2【講授】講解新知2003年。瑞典皇家科學(xué)院宣布，把當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)。以表彰他們?cè)诩?xì)胞膜通道方面做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，阿格雷得獎(jiǎng)是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜水通道，而麥金農(nóng)的貢獻(xiàn)，主要是在細(xì)胞膜離子通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究方面。這也正好是通道蛋白的兩大類(lèi)型。我們首先了解一下水通道蛋白的有關(guān)知識(shí)。什么是水通道蛋白呢蛋白呢？水通道蛋白（Aquaporin），又名水孔蛋白，是一種位于細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)（內(nèi)在膜蛋白），在細(xì)胞膜上組成“孔道”，可控制水在細(xì)胞的進(jìn)出，就像是“細(xì)胞的水泵”一樣。水通道蛋白是專(zhuān)門(mén)運(yùn)輸水的跨膜蛋白，其基因結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)調(diào)控、染色體定位、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、組織分布和生理功能得到了較為深入的研究。水通道蛋白種類(lèi)多，到目前為止僅在人體細(xì)胞已發(fā)現(xiàn)11種水通道蛋白。第一種水通道蛋白是怎么樣被發(fā)現(xiàn)的呢？我們來(lái)學(xué)習(xí)水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)歷程。水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)者是（阿格雷）。彼得·阿格雷（PeterAgre），1949年生于美國(guó)，1974年在巴爾的摩市的約翰·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院獲醫(yī)學(xué)博士，之后在該學(xué)院擔(dān)任生物化學(xué)教授和醫(yī)學(xué)教授。2004年到杜克大學(xué),擔(dān)任醫(yī)學(xué)院副院長(zhǎng)。由于發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜水通道蛋白，2003年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。我們知道包括人類(lèi)在內(nèi)的多數(shù)生物都是由細(xì)胞組成的。細(xì)胞如同一個(gè)城墻圍起來(lái)的微小城鎮(zhèn)，有用的物質(zhì)不斷被運(yùn)進(jìn)來(lái)，廢物不斷被運(yùn)出去。早在100多年前,人們就猜測(cè)細(xì)胞這一微小城鎮(zhèn)的城墻中存在著很多“城門(mén)”,它們只允許特定的分子或離子出入。這個(gè)小城鎮(zhèn)含量最多的是水所以控制水出入的城門(mén)應(yīng)該是不可或缺的。通過(guò)水的進(jìn)進(jìn)出出可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的很多功能。20世紀(jì)50年代中期,許多科學(xué)家通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)水分子能快速，大量通過(guò)紅細(xì)胞，而其他分子或離子（H+）不能通過(guò)，這種現(xiàn)象同樣存在于唾液腺，腎臟和膀胱等細(xì)胞中。有科學(xué)家提出水是通過(guò)某種蛋白質(zhì)的介導(dǎo)而進(jìn)入細(xì)胞的。但是很遺憾一直沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)這種蛋白質(zhì)。1988年，彼得·阿格雷在分離提純兔子Rh血型抗原蛋白時(shí),偶然發(fā)現(xiàn)了一種相對(duì)分子質(zhì)量為28kDa的蛋白質(zhì)分子。命名為CHIP28。1991年測(cè)定了28KDa蛋白N端的35個(gè)氨基酸。同一年，克隆了該蛋白的蛋白介導(dǎo)水分子快速的進(jìn)入細(xì)胞中從而使細(xì)胞吸水漲破。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了阿格雷的假設(shè)，chip28蛋白是一種水通道蛋白。阿格雷研究發(fā)現(xiàn)CHIP28實(shí)際上由四個(gè)亞基構(gòu)成，每個(gè)亞基單獨(dú)的形成一個(gè)供水分子出入的孔道。對(duì)亞基進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，水通道直徑為0.28nm,無(wú)法通過(guò)比水分子大的物質(zhì)。中心最窄處帶正電荷,有效阻止帶電離子通過(guò)。我們現(xiàn)在知道了細(xì)胞可以通過(guò)自由擴(kuò)散的方式緩慢的運(yùn)輸水分，也可以通過(guò)水通道蛋白快速運(yùn)輸水分。兩種運(yùn)輸方式共同作用使細(xì)胞維持正常的生命活動(dòng)。這兩者的區(qū)別，我們可以用這兩幅圖來(lái)形象地說(shuō)明。（課件展示圖片）那么研究水通道蛋白有什么意義呢？請(qǐng)同學(xué)們看一則報(bào)道。據(jù)外媒報(bào)道，科學(xué)家們創(chuàng)造出可以非常有效地過(guò)濾水的微型碳納米管，有一天可以幫助將海水轉(zhuǎn)化成飲用水。根據(jù)《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究，這種納米管與用于過(guò)濾活細(xì)胞中水分的某些生物蛋白質(zhì)類(lèi)似，但效率高出六倍。雖然納米管目前尚不能用于實(shí)際的海水脫鹽，但研究人員表示，他們可以成功地過(guò)濾含鹽的水。活動(dòng)4【講授】離子通道：通過(guò)以上的學(xué)習(xí)，我們對(duì)水通道蛋白的知識(shí)已經(jīng)有了一個(gè)大致的了解。離子通道蛋白的研究情況又是怎么樣的呢？發(fā)現(xiàn)者麥金農(nóng)。麥金農(nóng)１９５６年出生，在美國(guó)波士頓附近的小鎮(zhèn)伯靈頓長(zhǎng)大，１９８２年在塔夫茨醫(yī)學(xué)院獲醫(yī)學(xué)博士，現(xiàn)為洛克菲勒大學(xué)分子神經(jīng)生物學(xué)和生物物理學(xué)教授。1998年，羅德里克·麥金農(nóng)利用Ｘ射線(xiàn)晶體成像技術(shù)獲得了世界第一張離子通道的高清晰度照片，并第一次從原子層次揭示了離子通道的工作原理。這張照片上的離子通道取自青鏈霉菌，也是一種蛋白。麥金農(nóng)的方法是革命性的，它可以讓科學(xué)家觀測(cè)離子在進(jìn)入離子通道前的狀態(tài)，在通道中的狀態(tài)，以及穿過(guò)通道后的狀態(tài)。離子通道是由蛋白質(zhì)復(fù)合物構(gòu)成的。一種離子通道只允許一種離子通過(guò)，并且只有在對(duì)特定刺激發(fā)生反應(yīng)時(shí)才瞬時(shí)開(kāi)放。圖片展示通道