第一章细胞的基本功能 【习题】 一、名词解释 1.易化扩散 2.阈强度 3.阈电位 4.局部反应 二、填空题 1.物质跨越细胞膜被动转运的主要方式有_______和_______。 2.一些无机盐离子在细胞膜上_______的帮助下，顺电化学梯度进行跨膜转动。 3.单纯扩散时，随浓度差增加，扩散速度_______。 4.通过单纯扩散方式进行转动的物质可溶于_______。 5.影响离子通过细胞膜进行被动转运的因素有_______，_______和_______。 6.协同转运的特点是伴随_______的转运而转运其他物质，两者共同用同一个_______。 7.易化扩散必须依靠一个中间物即_______的帮助，它与主动转运的不同在于它只能浓度梯度扩散。 8.蛋白质、脂肪等大分子物质进出细胞的转动方式是_______和_______。 9.O2和CO2通过红细胞膜的方式是_______；神经末梢释放递质的过程属于。 10.正常状态下细胞内K＋浓度_______细胞外，细胞外Na＋浓度_______细胞内。 11.刺激作用可兴奋细胞，如神经纤维，使之细胞膜去极化达_______水平，继而出现细胞膜上_______的爆发性开放，形成动作电位的_______。 12.人为减少可兴奋细胞外液中_______的浓度，将导致动作电位上升幅度减少。 13.可兴奋细胞安静时细胞膜对_______的通透性较大，此时细胞膜上相关的_______处于开放状态。 14.单一细胞上动作电位的特点表现为_______和_______。 15.衡量组织兴奋性常用的指标是阈值，阈值越高则表示兴奋性_______。 16.细胞膜上的钠离子通道蛋白具有三种功能状态，即_______，_______和_______。 17.神经纤维上动作电位扩布的机制是通过_______实现的。 18.骨骼肌进行收缩和舒张的基本功能单位是_______。当骨骼肌细胞收缩时，暗带长度，明带长度_______，H带_______。 19.横桥与_______结合是引起肌丝滑行的必要条件。 20.骨骼肌肌管系统包括_______和_______，其中_______具有摄取、贮存、释放钙离子 的作用。 21.有时开放，有时关闭是细胞膜物质转动方式中_______的功能特征。 22.阈下刺激引_______扩布。 三、判断题 1.钠泵的作用是逆电化学梯度将Na＋运出细胞，并将K＋运入细胞。 ( ) 2.抑制细胞膜上钠-钾依赖式ATP酶的活性，对可兴奋细胞的静息电位无任何影响。 ( ) 3.载体介导的易化扩散与通道介导的易化扩散都属被动转运，因而转运速率随细胞内外被转运物质的电化学梯度的增大而增大。 ( ) 4.用电刺激可兴奋组织时，一般所用的刺激越强，则引起组织兴奋所需的时间越短，因此当刺激强度无限增大，无论刺激时间多么短，这种刺激都是有效的。 ( ) 5.只要是阈下刺激就不能引起兴奋细胞的任何变化。 ( ) 6.有髓神经纤维与无髓神经纤维都是通过局部电流的机制传导动作电位的，因此二者兴奋的传导速度相同。 ( ) 7.阈下刺激可引起可兴奋细胞生产局部反应，局部反应具有“全或无”的特性。 ( ) 8.局部反应就是细胞膜上出现的较局限的动作电位。 ( ) 9.局部去极化电紧张电位可以叠加而增大，一旦达到阈电位水平则产生扩布性兴奋。( ) 10.单一神经纤维动作电位的幅度，在一定范围内随刺激强度的增大而增大。 ( ) 11.骨骼肌的收缩过程需要消耗ATP，而舒张过程是一种弹性复原，无需消耗ATP。 ( ) 12.在骨骼肌兴奋收缩过程中，横桥与Ca2＋结合，牵动细肌丝向M线滑行。 ( ) 13.肌肉不完全强直收缩的特点是，每次新收缩的收缩期都出现在前一次收缩的舒张过程中。( )
以下为陆江新编著的书稿《延命水》笫三章的1.2节 三：细胞膜水通道、糖脂病与微循环的奥秘 1、膜通道的科学发现对祛除糖脂病的重大意义 各种生物包括人类在内都是由细胞组成的。一个人体上的细胞数目至少一千亿个，不同的细胞联合运作形成一个精密的系统。细胞通过膜通道将有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在一百多年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特定的分子或离子出入。生物的主要组成成分是水溶液，水占人体重量约70%。生物体内的水溶液主要由水分子和各种离子组成。它们在细胞膜通道中的进进出出可以实现细胞的很多生物性功能。生物的细胞以双层脂质膜与外界隔离。此双层脂质膜通常阻断水、离子与其它极性分子之间的通透，这些分子需要迅速且选择性地通过细胞膜上水通道、糖通道、脂通道和离子通道。这些通道与人体患糖脂病有什么关系呢？ 什么是糖脂病？糖脂病是世界卫生组织对三高四病的统称。三高即高血脂、高血黏、高血糖，四病是高血压病、冠心病、脑中风、糖尿病。据世界卫生组织统计，全世界约十亿人患糖脂病，中老年人约50%死于糖脂病。而我国60%以上的中老年人死于糖脂病。糖脂病危害巨大，病因是长期较多地摄入主食肉食，超过了自身的需要，患者可能数病并发。糖脂病患者首先病在细胞内糖类脂类过多，不能正常地代谢，所以医学上也称代谢紊乱征。 美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农经过研究证明，代谢紊乱的患
者是由于细胞的糖脂通道和闸门受到损伤，糖类脂类物质不能正常地进出细胞，才使糖脂代谢发生紊乱，从而形成糖脂病。这两位科学家荣获2003年诺贝尔化学奖。糖脂病引起血液和血管病变，动脉中易沉积脂质，形成动脉粥样硬化，动脉内腔逐渐狭窄，血难流通，使器官供血不足。 美国科学家彼得·阿格雷罗德里克·麦金农 细胞糖脂通道的发现，揭示了糖脂病的致病根源，破译了根治糖脂病的关键密码，开辟了防治糖脂病的新纪元。人们可能为科学防治糖脂病找到新方法，开辟新途径，使糖脂病的根治成为可能。这个重大发现开启了细菌与植物和哺乳动物水通道的生物化学、生理学和遗传学研究之门。据最新消息，目前有的国家正在研究开发药物，以求打开细胞的糖脂通道，从根源上防治糖脂病，让人类免受心脑血管病之害。对细胞膜的研究不仅有助于理解基本的生命进程，而且对我们了解许多疾病具有重要意义。[注9] [注10]
细胞膜的结构和功能教案(教学设计)
细胞膜的结构和功能 教材分析：本节课是高中生物新课改生物学必修1分子与细胞第三章第一节的教学内容,本节课的教学内容是在学习了生物的物质基础和细胞的种类的基础上进行的，所以学好本节内容既能帮助学生巩固前面的知识，又能为学生学习动物和植物的代谢作好铺垫，它在教材中起着承上启下的桥梁作用。本节体现了结构决定功能的生物学观点，因此本节课在教学中起着至关重要的作用。本节包括三大部分内容：细胞膜的功能、科学家对细胞膜结构的探究历程和细胞膜的流动镶嵌模型的基本内容。本节着重用生活事例，将课本知识与生活实际联系起来，建立科学与生活之间的关系。 学情分析：基于必修1前两章的学习和初中相关的知识基础，学生已知道细胞的基本结构、组成细胞的成分和各成分的功能、细胞成分鉴定的一般方法，为本节知识的学习奠定了基础。学生虽然具备了一定的观察和分析能力，思维的连续性和逻辑性也已初步建立，但还不是很严密，对探索事物的过程与方法及结论的形成缺乏理性的思考，故此节课积极引导学生观察分析实验现象，大胆提出实验假设，让学生宛如亲历科学家探索科学历程，切身感受科学魅力。 教学目标： 【知识目标】 1．阐述细胞膜的成分和功能。 2．描述生物膜的结构。 3．举例说明生物膜具有流动性特点。 【能力目标】 1．通过分析科学家建立生物膜模型的过程，尝试提出问题，作出假设。 2．通过生物膜模型建立过程的一系列实验，培养学生根据实验现象进行分析推理的能力 【情感态度与价值观】 1．通过各实验的资料分析，使学生体验科学工作的方法和过程，增强学生探索新知识的欲望和创新意识。 2．探讨建立生物膜模型的过程中如何体现结构和功能相适应的关系。 教学重难点:
细胞膜上的水通道蛋白 作者：Marokko 摘要： 物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。主要分为被动运输，主动运输，胞吞作用及胞吐作用。但是事实上细胞的物质转运过程中，透过脂双层的简单扩散现象很少，绝大多数情况下，物质是通过载体或者通道来转运的。离子、葡萄糖、核苷酸等物质有的是通过质膜上的运输蛋白的协助，按浓度梯度扩散进入质膜的，有的则是通过主动运输的方式进行转运。而维持细胞之间的跨膜运输的膜转运蛋白则主要分为载体蛋白与通道蛋白。其中通道蛋白(channel protein)是跨膜的亲水性通道,允许适当大小的离子顺浓度梯度通过,故又称离子通道。有些通道蛋白长期开放,如钾泄漏通道;有些通道蛋白平时处于关闭状态,仅在特定刺激下才打开,又称为门通道(gated channel).而水扩散通过人工膜的速率很低,所以人们推测膜上有水通道.1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 (28 KD )，目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种,被命名为水通道蛋白（Aquaporin,AQP)。水通道蛋白广泛存在于生物体中的各组织部位，影响着生物机体水代谢的过程。随着分子生物学技术的进步，对水通道蛋白的基础研究已经比较深入和成熟。目的可以利用水通道蛋白研究的基础成果，阐释临床水代谢障碍类疾病的发病机理提供可能的解决思路。 关键词： 跨膜运输，通道蛋白，水通道蛋白 正文： 包括人类在内的大多数生物都是由细胞组成的。单个细胞就像一个由城墙围起来的微小城镇，有用的物质不断被运进来，废物被不断运出去。早在100多年前，人们就猜测细胞这一微小城镇的城墙中存在着很多“城门”，它们只允许特
生物膜离子通道 生物膜离子通道示意图 生物膜离子通道（ion channels of biomembrane）是各种无机离子跨膜被动运输的通路。生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输（顺离子浓度梯度）和主动运输（逆离子浓度梯度）两种方式。被动运输的通路称离子通道，主动运输的离子载体称为离子泵。生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关。例如，感受器电位的发生，神经兴奋与传导和中枢神经系统的调控功能，心脏搏动，平滑肌蠕动，骨骼肌收缩，激素分泌，光合作用和氧化磷酸化过程中跨膜质子梯度的形成等。
细胞膜离子通道 细胞膜上离子通道的功能，除了可以调节细胞内外的渗透压，也是维持细胞膜电位的重要分子，而神经细胞要进行讯号传导，便是靠离子的进出以造成膜电位的变化。虽然科学家对于细胞膜上离子通道已有相当程度的了解，对于离子通道所具有的特殊选择性，也从能蛋白质的结构大略获得解释，但是一直缺乏一套完整详细的分子作用机制。原因是，要做出膜蛋白三维结构的高解析度影像，非常不容易。1998年，麦金农做出了链霉菌的离子通道蛋白质KcsA的高解析三维结构影像，并首度从原子层次去了解离子通道的作用方式。KcsA离子通道中有一种“滤嘴”，能让钾离子（K+）通过，却不允许同族元素中体积更小的钠离子（Na+）通过，这令科学家百思不得其解。但是麦金农根据KcsA的立体结构，发现离子通道中“滤嘴”边上的四个氧原子的位置，恰好跟钾离子在水溶液中的情况一样，亦即滤嘴边上的氧与水分子的氧距离相同，所以钾离子能够安然通过通道，一如在水中一样；但钠离子尺寸较小，无法顺利接上滤嘴边上的四个氧原子，因此只能留在水溶液，而无法轻易穿过通道。而离子通道的开关会受到细胞的控制，麦金农发现，离子通道的底部有个闸门，当离子通道接收到特定的讯号，离子通道蛋白质结构便会发生改变，因此造成闸门的开关。麦金农对于钾离子通道的结构与作用机制的研究，是生物化学、生物物理等领域的一大突破，也为神经疾病、肌肉与心脏疾病的新药物开发，指引了新的方向。 离子通道蛋白和载体蛋白的异同 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 不同点： 1.通道蛋白参与的只是被动运输,在运输过程中并不与被运输的分子结合,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结合，并且会移动。在主动运输过程中由低浓度侧向高浓度运动，且消耗代谢能量；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。（注;协助扩散也属于被动运输）
有趣的生物文章 2003年諾貝爾化學獎：細胞膜通道之謎 (1) 識癌症 (6) 抗病毒的戰爭 (10) 以毒攻毒！科學家從牛痘找到靈感，來對付要命的西尼羅病毒了！ (15) 睡眠的迷人世界 (17) 2003年諾貝爾化學獎：細胞膜通道之謎 獲獎者： 阿格雷（Peter Agre），美國約翰霍普金斯大學醫學院，美國人 麥金農（Roderick MacKinnon），美國洛克斐勒大學霍華休斯醫學研究中心，美國人 報導／張孟媛 2003年的諾貝爾化學獎，頒給了兩位美國科學家：約翰霍普金斯大學醫學院的阿格雷（Peter Agre）與洛克斐勒大學霍華休斯醫學研究中心的麥金農（Roderick MacKinnon）。他們獲獎的研究都與細胞膜上的通道有關，瑞典皇家科學院在10月8日發佈的新聞稿中指出，阿格雷是因為「發現水通道」與麥金農「在離子通
道的結構與機制上的研究」，而共享今年的諾貝爾化學獎。 神秘水通道終於現身 生命現象與水脫不了關係。與生命有關的一切生理、生化反應，都是在水中發生的。當細胞以雙層磷脂質組成的細胞膜隔出內外，阻絕了水與離子的通透，如何維持細胞膜內外滲透壓的平衡，就變得非常重要了。因為如果細胞裡的水太多（或離子濃度太低），細胞會被撐破，如果細胞裡的水太少（或離子濃度太高），細胞會變得乾癟，生化反應無法順暢進行。 長久以來，科學家便知道細胞膜上有一些蛋白質，負責細胞內外物質的通透，這些蛋白質可以說是細胞膜上的密道，能夠選擇性地讓細胞內外的物質進行交換。有些通道只是進行單純的流量管制，而有些物質的進出，因為要對抗濃度上的差異（滲透壓），則需要消耗能量（例如鈉離子與鉀離子的通交換通道，便會消耗ATP）。然而，水分子如何進出細胞，則一直是個謎。 1988年，阿格雷成功從紅血球分離出一種膜蛋白，在經過多種分析、蛋白質定序與該蛋白質cDNA的定序後，他確定這就是大家尋覓已久的水通道。阿格雷將之命名為“aquaporin”，意即「水孔」。到了2000年，阿格雷與其他的研究團隊合作，做出了aquaporin蛋白質三維結構的高解析度影像，使他們得以進一步
《细胞膜——系统的边界》教学设计 ——依托生动的经典实验资料，创设探究情景，激发学生兴趣 一、设计思路 充分发挥学生的主体作用和教师的主导作用，通过教师提供的研究材料，引导学生进行科学思维，启发学生用已知去探究未知，并对自己的探究结果加以归纳总结，最终促进学生透彻理解细胞膜的成分和功能，并运用有关知识去解决实际问题。为此，教学中依托生动的经典实验资料，创设探究情景，激发学生兴趣。 教学目标 知识目标 简述细胞膜的成分和功能。 能力目标 （1）探讨问题并分析实验结果，养成科学探究的能力。 （2）尝试制备细胞膜的实验，体验制备细胞膜的方法。 情感目标 （1）认同细胞膜作为系统的边界，对于细胞这个生命系统的重要意义。 （2）通过对细胞膜结构和功能的学习，认同生物体结构与功能相统一的观点。 三、教学重点和难点 1.教学重点 （1）细胞膜的成分和功能。 （2）细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义。 2.教学难点 （1）用哺乳动物红细胞制备细胞膜的方法。 （2）形象的理解细胞膜的功能，体会细胞膜作为细胞这个生命系统的边界的意义。 四、课前准备 1.实验用品：烧杯、浓盐酸、淸水、培养皿、银子、大白豆（淸水浸泡和淸水浸泡后煮熟）、红色玫瑰花瓣、稀释20倍的红墨水、展示台等 2.生物课外兴趣小组的实验汇报视频
（2 ）控制物质进岀细胞 （3）进行细胞间的信息交流 实验2 分组实验、观察、 分析。 阅读教材结合已有 知识思考回答。 实验小组的同学 培养学生动手 实验的能力；探 讨问题并分析 实验结果，养成 科学探究的能 力。 利用演示文稿 中的图片和动 画来形象地说 明问题
第3章细胞的基本结构单元测试题 一、选择题（每小题２分，共５０分。在每小题所给的四个选项中只有一个正确答案） 1．把人或哺乳动物的成熟红细胞做为获取细胞膜的实验材料的依据是（）A．人或哺乳动物的成熟红细胞容易获取 B．人或哺乳动物的成熟红细胞中没有任何物质 C．人或哺乳动物的成熟红细胞中没有任何细胞器 D．人或哺乳动物的成熟红细胞中只有核糖体，没有其他有膜细胞器 2．下列有关细胞膜功能的叙述错误的是（）A．将细胞与外界环境隔开，保证细胞内部环境的相对稳定 B．控制物质进出细胞 C．进行细胞间的信息交流 D．合成细胞膜的成分 3．在不损害高等植物细胞内部结构的情况下下列哪种物质适用于去除其细胞壁（）A．蛋白酶B．盐酸C．纤维素酶D．淀粉酶 4．细胞核中行使主要功能的重要结构是（）A．核膜B．核仁C．染色质D．核孔 5．下列哪种物质的形成与内质网及上面的核糖体、高尔基体和线粒体都有关（）A．血红蛋白B．呼吸氧化酶 C．胃蛋白酶原D．性激素 6．下列物质中在核糖体内合成的是（） ①性激素②K的载体③淀粉④淀粉酶⑤纤维素 A．②③B．②④C．②⑤D．①② 7．下列细胞中，同时含有叶绿体和中心体的是（）A．心肌细胞B．团藻细胞C．青菜叶肉细胞D．洋葱根细胞 8．在动植物细胞中都有，但生理功能不同的细胞器是（）A．线粒体B．核糖体C．高尔基体D．内质网 9．下列有关细胞结构与功能的叙述正确的是（）A．唾液腺细胞与汗腺细胞相比，核糖体数量较多 B．唾液腺细胞与心肌细胞相比，线粒体数量较多 C．生命活动旺盛的细胞与衰老的细胞相比，内质网不发达 D．叶肉细胞中的高尔基体数量一般比唾液腺细胞多 10．内质网膜与核膜、细胞膜相连,有利于与外界环境进行发生联系。这种结构特点表明内质网的重要功能之一是（） A．扩展细胞内膜，有利于酶的附着B．提供细胞内物质运输的通道 C．提供核糖体附着的支架D．参与细胞内某些代谢反应 11．下列说法不正确的是（）A．健那绿是一种活体染色剂B．健那绿具有专一性 C．健那绿可以把线粒体染成蓝绿色D．健那绿无法通过生物膜 12．下列关于生物膜转化的叙述中正确的是（）A．在细胞内的具膜结构中，膜的转化是不可逆的 B．小泡成为具膜结构的一部分要靠膜融合 C．一种结构的膜成为另一种结构膜的一部分与膜的流动性无关 D．生物膜的选择透过性是膜之间转化的前提条件 13．经研究发现,动物的唾液腺细胞中高尔基体较多,其主要原因是（）A．高尔基体可加工和转运蛋白质B．腺细胞合成大量的蛋白质 C．腺细胞生命活动需要大量的能量D．高尔基体与细胞膜的主动运输有关 14．某种毒素因妨碍细胞呼吸而影响生物体的生活,这种毒素可能作用于细胞的（） A．核糖体B．细胞核C．线粒体D．细胞膜 15．人的红细胞与精子的寿命都比较短, 这一事实体现了（）A．细胞核与细胞质相互依存B．环境因素对细胞的影响 C．特定的遗传物质起决定作用D．细胞的功能对其寿命起决定性作用 16．下列细胞器中，都具有色素的一组是 A．叶绿体、内质网B．线粒体、中心体 C．中心体、溶酶体D．液泡、叶绿体 17．染色质与染色体的关系与下列那个选项相似（）A．葡萄糖与果糖C．二氧化碳与干冰 C．声波与光波D．细胞板与赤道板 18．高等植物细胞与动物细胞在结构上的区别是高等植物细胞具有 ①液泡②中心体③叶绿体④细胞膜 A．①②④B．①②③C．②③④D．①③ 19．细胞核的主要功能是（）A．进行能量转换B．合成蛋白质 C．储存和复制遗传物质D．储存能量物质 20．有研究者将下列4种等量的细胞分别磨碎，然后放到4支离心试管内高速旋转离心，结果磨碎的液体分为4层，其中第三层存在的结构是有氧呼吸的主要场所。在下列各种材料中，第三层最厚的是A．衰老的皮肤细胞B．口腔上皮细胞 C．心肌细胞D．脂肪细胞 21．细胞能够正常地完成各项生命活动的前提是（）A．细胞核内有遗传物质B．细胞保持完整的结构 C．细胞膜的流动性D．线粒体提供能量 22．在1958年,有人对蝾螈的染色体进行分析,发现用DNA酶才能破坏染色体的长度,即破坏染色体的完整性,使它成为碎片,若改用蛋白酶则不能破坏染色体的长度。以上事实可以说明（） A．染色体的基本结构由蛋白质构成 B．染色体的基本结构由DNA构成 C．染色体由DNA和蛋白质构成 D．染色体中的DNA和蛋白质镶嵌排 23．将一黑色公绵羊的体细胞核移入到一白色母绵羊去除细胞核的卵细胞中，再将此细胞植入一黑色母绵羊的子宫内发育，生出的小绵羊即是“克隆绵羊”。那么此“克隆绵羊”为（） A．黑色公绵羊B．黑色母绵羊 C．白色公绵羊D．白色母绵羊 24．观察叶绿体或线粒体都需要制作临时装片，在制作临时装片时，必须先让盖玻片一侧先接触水滴，然后轻轻盖上，这样操作的主要目的是（） A．防止实验材料移动B．防止水溢出 C．避免出现气泡D．增加装片透明度 25．下面关于生物体结构的叙述错误的是（）A．生物体都有细胞结构 B．除病毒以外，生物体都是由细胞构成的 C．细胞是大多数生物体结构和功能的基本单位 D．细菌具有细胞结构 26.甲基绿使DNA呈现绿色，吡罗红使RNA呈现红色。利用含有这两种物质的混合染色剂对真核细胞 进行染色，显微观察可以发现 A．红色主要位于细胞核中B．绿色主要位于细胞核中 C．只有细胞核被染成红色D．只有细胞质被染成绿色 27.水溶性染色剂(PI)能与核酸结合而使细胞核着色，因此，可将其应用于鉴别细胞的死活。将细胞浸泡 于一定浓度的PI中，仅有死亡细胞的核会被染色，活细胞不会着色。但将PI注射到细胞中，则细
第27卷 第1期 核 技 术 V ol. 27, No.1 2004年1月 NUCLEAR TECHNIQUES January 2004 —————————————— 第一作者：闫晓辉，女，1978年1月出生，复旦大学在读硕士研究生，凝聚态物理专业 通讯作者：张新夷 收稿日期：2003-12-22 细胞膜通道与同步辐射 闫晓辉1,2 田 亮1,2 张新夷1,2,3 1（复旦大学物理系 上海200433） 2（复旦大学同步辐射研究中心 上海200433） 3（复旦大学表面物理国家重点实验室 上海200433） 摘要 长期以来很多科学家致力于研究物质，如水和离子是如何穿过细胞膜从而完成细胞内外物质交换的。1988年Peter Agre 第一次发现并描述了细胞膜水通道蛋白质的特性，Roderic MacKinnon 则在1998年阐明了离子通道的结构和机理，使我们可以从原子水平了解这些精美的蛋白质结构和运行机理。由于这两位科学家在细胞膜通道研究方面的卓越贡献，他们分享了2003年诺贝尔化学奖。在他们的研究中，基于同步辐射的蛋白质结构测定发挥了很关键的作用。 关键词 同步辐射，K +通道，水通道，三维结构，细胞膜 中图分类号 Q71, O434.19 世界上每一个生物体都是由细胞组成，人体就有成千上万多如星汉的细胞。但这些细胞不是简单的堆积，它们彼此之间存在着信息的交流，而成为复杂的有机整体，相互配合，完成一系列生理功能。例如肌肉的伸缩、大脑信号的传递都是由细胞间的信号交换和细胞内外物质和能量交换来协调完成的，它们的实现是一个复杂的过程，所以一直是科学家们探索的热点。 人们早就已经认识到水和其他物质，如K +、Na +、Ca 2+、Cl ?等离子能够经过一些孔道通过细胞壁，但是它们的结构和功能如何实现却一直不为人所知。1988年Peter Agre 第一次成功地分离出一 种膜蛋白CHIP28[1]， 分子量为28kDa （千道尔顿），大约一年多以后，他意识到这就是人们长期以来人们一直在寻找的水分子通道（Water channel ，以下简称水通道），他把这种水通道蛋白质命名为aquaporin ，后来人们就用AQPs 来命名水通道家族中的每一个成员，CHIP28即被叫做AQP1，从此打开了对水通道生物化学、生理和基因方面的全面研究。 2000年Agre 公布了他和他的同事应用场发射电子源的电子衍射方法得到AQP1水通道电子衍射图，为了减少辐射损伤和收集大量的数据，他们同时应用了He 冷却的电镜来协助提高分辨率，最后 他们得到了分辨率3.8?的电子密度图[2]， 就在同时另一位科学家Robert M. Stroud 和他的同事在 Lawrence Berkeley 国家实验室的Advanced Light Source （简称ALS ），用同步辐射X 衍射的方法得到了一种和水通道具有相似结构的甘油通道GlpF 分辨率为2.2?的电子密度图[3]。 关于膜蛋白离子通道的结构，是 Roderic MacKinnon 第一次得到的，他在美国Cornell 大学高能同步光源（Cornell High Energy Synchrotron Source ，简称CHESS ）通过X 射线衍射解出了一种称为KcsA 的K +通道（Potassium ion channel ）的原子结构，分辨率为3.2?[4]。他的这一研究成果震惊了整个科技界。水通道和K +通道的结构是理解这些通道功能如何实现的基础，证实并在原子水平解释了这些通道的特性，如选择性、开关性等。 Peter Agre 和Roderic MacKinnon 关于膜蛋白分子和离子通道的研究成果开创了化学、生物化学和生理学的一个崭新的研究领域。2003年的诺贝尔化学奖授予Peter Agre 和Roderic MacKinnon ，以表彰他们在探索细胞膜通道上做出的创造性贡献。图1是瑞典皇家科学院公布该奖时用的一张示意图[5]。这是1997年获得诺贝尔化学奖的ATP 合酶[6]三维结构后又一次和同步辐射有关而获得诺贝尔奖的重大成果，再一次显现了同步辐射在研究膜蛋白、病毒、核糖体等大分子结构上的优势。同步辐射光源的高通量，高准直以及波长连续可调的优点可以解决其它X 射线源在生物大分子结构研究上无法解决的问题[6]。 万方数据
中国医药报/2005年/7月/16日/第006版 医疗卫生 心肌细胞膜钾离子通道研究进展 聂松义 细胞膜在维持细胞稳态方面起着主要作用。心肌细胞膜中含有各种离子转运蛋白，包括多种钾离子通道。这些钾离子通道依靠和其他蛋白质的相互作用发挥正常功能和生理作用。Kv4.2钾离子通道（编码瞬时外向钾通道）和蛋白质KCHiP2具有相互作用。由加拿大McGill大学A.Shrier 教授第一次发现的KCHiP2增强Kv4.2表达需要和Kv4.2的羧基端直接作用的机制，引起与会专家的高度关注。Shrier教授介绍了他在心肌细胞膜钾离子通道方面的研究成果。 Shrier教授等研究人员采用膜片钳技术，免疫共沉淀、免疫组化和GST折叠式分析发现Kv4.2电流增加可能是Kv4.2表达加强及Kv4.2和KCHiP2相互作用增加通道稳定的结果。他们还发现一个新的心肌细胞膜蛋白组学特性和另一钾离子通道HERG通道（编码Ikr钾电流）。 心肌细胞膜富含蛋白质和离子通道，他们通过亚细胞分段分离技术，包括差异和密度梯度离心法及免疫分离法，纯化介于中层的成分，并采用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳和凝胶胰岛素消化液分离；使用串连的MS-MS光谱测定法鉴定多肽。在有或没有免疫提纯的情况下，他们发现600多种蛋白质有40%与细胞膜和伴随的细胞支架有关；大约65%和细胞信号，运输和细胞之间粘附相关。此外，他们还发现30种蛋白质尚无确定的功能。 据介绍，他们研究的第一阶段是进一步分析心肌细胞膜在病理情况下蛋白质的改变，包括局部缺血，心衰和糖尿病。在最近的研究中，他们用蛋白组学方法研究Kv4.2和HERG通道相互作用的配偶体。其方法是转染HA标记的HERG和Kv4.2到HL-1心肌细胞系。随后，他们用HA 抗体通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳，胰岛素消化和MS-MS光谱测定法使离子通道和伴随的蛋白质免疫沉淀。 如今他们在HERG分析方面获得了很大成功，已确定了50多种有可能的HERG相互作用的蛋白质，并发现是这种相互作用在通道运输、定位和调节中具有重要作用。这项研究最有启迪意义的是发现新的配偶体HERG通道，它可提供有关通道生成和调节方式的信息。 第1页共1页
第三章第一节细胞膜——系统的边界（教案） 一、教学目标 1．知识目标：简述细胞膜的成分和功能，解释细胞膜在维持细胞结构和功能中的重要作用。 2．能力目标：进行用哺乳动物红细胞制备细胞膜的实验，体验制备细胞膜的方法。 3．情感目标：认同细胞膜作为系统的边界，对于细胞这个生命系统的重要意义。 二、教学重点和难点 1．教学重点 （1）细胞膜的成分和功能 （2）理解细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义 2．教学难点 （1）用哺乳动物红细胞制备细胞膜的方法 （2）理解细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义 三、教学方法 讲授与学生讨论相结合、问题引导法、资料分析法 四、教学用具 多媒体视频、课件、教科书、黑板、粉笔 五、课时安排 1课时 六、教学过程 1、导入：有位专家这样说：“我确信哪怕一个最简单的细胞，也比现在设计出的任何智能电脑精巧！”他为什么会这样说呢？在前面的学习中，我们认识了细胞这个基本的生命系统的物质成分，我们可以将水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质和核酸物质机械地组装起来形成一个细胞吗？答案是否定的，细胞的各组分之间并不是简单的堆砌，而是通过形成结构和功能都密切联系的各基本结构，今天我们就进入第三章：细胞的基本结构的学习。 提问：我们学校的校园与校外环境是以什么作为界限呢？（自由发言） 师：细胞作为生命活动的基本单位，也有结构使细胞和外界隔绝开来，那就是细胞膜。我们首先进入第一节的学习（板书：细胞膜—系统的边界） 2、教学目标达成：对于细胞膜作为系统的边界，同学们有没有这方面的感性认识？也就是说你能不能列举出一些证据来证明细胞膜这个系统边界的存在？ S：直接借助光学显微镜、电子显微镜观察得到。
水通道的发现 ——Peter Agre 2003年的诺贝尔化学奖授予了美国的Peter Agre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。 彼得·阿格雷1949年生于美国明尼苏达州小城诺斯菲尔德，其父Courtland Agre毕业于University of Minnesota 获得了化学学士和博士学位。二战期间曾是3M company 即明尼苏达矿务及制造业公司的化学专家，负责实验室合成多聚物。二战后先后成为St. Olaf College 和Augsburg College化学系的一位老师。Courtland Agre假期喜欢把孩子们带到他的实验室，做些奇妙的“魔术”（如向加入可变色的酸碱指示剂的水中加入酸或碱以改变水的颜色），激发孩子们探求科学奥秘的情趣。Agre教授选择科学研究这条路和童年时父亲的影响不无关系。童年时另一位对Agre教授影响很大的人是其父之友莱纳斯?鲍林（Linus Pauling）。Linus Pauling教授是美国著名的化学家。这位大师曾在Agre教授家小住几日。1954年Pauling教授因阐明了化学键的本质和分子结构的基本原理获诺贝尔化学奖。二战后他又因不遗余力地反对核试验，坚决反对“以任何形式的战争作为解决国际冲突的手段”获得1962年诺贝尔和平奖。他也是迄今仅有的两度单独获得诺贝尔奖桂冠的人。 从Agre的童年中，我发现长辈们对孩子的熏陶是很重要的，而Agre证实因为在科学研究的环境下生长，才在小的时候便培养出了对科学的爱好，才能从小确定科学研究的方向，拥有一个远大的梦想。 虽然是细胞生物学的教授，Peter Agre教授不是一个科班出身的分子生物学研究者。1967年至1970年，他就读于Minneapolis ，Augsburg College 的化学专业，并获得学士学位。1970年至1974年，进入Johns Hopkins University School of Medicine 获医学博士学位，并在1981年获得医师执照。Peter是徒步长途旅行爱好者。能从临床医学转而从事基础方面的研究，最开始是因为在John Hopkins读书时Peter对由一种大肠杆菌某个特定株分泌类似于霍乱毒素可以引起许多旅行者腹泻的蛋白质产生了兴趣，于是他就在John Hopkins 感染疾病组Brad Sack 的实验室里开始纯化这一大肠杆菌毒素。1974年至1975年期间Peter在Johns Hopkins 药理学系Pedro Cuatrecasas的实验室进行博士后的研究。Pedro Cuatrecases 的实验室成员来自世界各地。Peter 被这一充满活力，配合默契的团队吸引。最终Peter 成功的纯化了整个毒素，更重要的是Peter 决定以将生化技术研究医学问题作为自己一生的追求。 我认为对科学研究的热爱仅仅来自于童年的梦想是不够的，就像我们在中学和大学里也曾经接触到很多神奇的科学现象，也经历过很多绚烂的化学反应，但是若没有投身于科学的毅力，没有承担重重艰难险阻的决心，做科学研究是不现实的。但是，从Agre的研究历程来说，我相信不仅童年时有一个美好的愿望，Agre更加拥有了准备好科学研究的毅力和决心。 1984年，Peter 在Johns Hopkins Hospital的the old Blalock Building 里建立了第一个自己的实验室。当时作为血液学系的一位老师，Peter 和助手Andy Asimos 开始研究spherocytosis （球形红细胞增多症），并在Nature 和New England Journal of Medicine 上发表了相关文章，
细胞膜的概念 细胞膜又称细胞质膜。细胞表面的一层薄膜。有时称为细胞外膜或原生质膜。主要由脂类、蛋白质和糖 类组成。各成分含量分别约为50%、42%、2%~8%。此外，细胞膜中还含有少量水分、无机盐与金属离子等 。 作用: （1）分隔、形成细胞和细胞器，为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境，膜的面积大大增加，提高了 发生在膜上的生物功能 （2）屏障作用，膜两侧的水溶性物质不能自由通过 （3）选择性物质运输，伴随着能量的传递 （4）生物功能：激素作用、酶促反应、细胞识别、电子传递等 （5）识别和传递信息功能 （6）物质转运功能：细胞与周围环境之间的物质交换，是通过细胞膜的砖运动功能实现的，其主要转运 方式有以下四种。 生物膜概念\ 细胞就像一台复杂而精巧的生命机器，各个部件虽然作用不同，但是衔接得非常巧妙，因而整台机器能 够灵活运转。细胞膜、核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等细胞器，就是这台“机器”中一些功能相 关的“部件”，它们都由膜构成，这些膜的化学组成相似，基本结构大致相同，统称为生物膜。 生物膜的作用 生物膜的形成对于生物的物质贮存及细胞间的通讯起着关键作用。膜的生物活性来自于膜自身 显著的特性：膜连接紧密但有弹性；膜自我封闭，对极性分子有选择性通透；膜的弹性允许膜在细胞生 长和运动中改变形状；暂时破裂且可自封闭的能力可保证两个细胞或两个膜状包裹物的融合。 膜不仅仅是被动的屏障，膜上含有一系列的特化蛋白质启动或催化一定的分子事件；膜上的泵 可以逆跨膜梯度移动（运送）特定的有机物和无机离子；能量转化器可以把一种形式的能量转化为另一
种形式的能量；质膜上的受体能够感受胞外信号，并转化为细胞内的分子事件。 生物膜系统概念 细胞生物膜系统是指由细胞膜、细胞核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等有膜围绕而成的细胞器，在 结构和功能上是紧密联系的统一整体，由于细胞膜、核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等由膜围绕而 成的细胞器都涉及到细胞膜或细胞器膜，所以通常称此系统为生物膜系统。 生物膜系统的作用 使细胞具有一个相对稳定的内环境，在细胞与环境之间进行物质运输、能量交换和信息传递的过程 中也起着决定性的作用。细胞的许多重要的化学反应都生物膜内或者膜表面进行。细胞内的广阔的膜面 积为酶提供了大量的附着位点，为各种化学反应的顺利进行创造了有利条件。第三，细胞内的生物膜把 细胞分隔成一个个小的区室，这样就使得细胞内能够同时进行多种化学反应，而不会相互干扰，保证了 细胞的生命活动高效、有序地进行。
细胞膜上“水通道”和“离子通道”的发现 细胞是构成生物体的基本构成要素。一般认为人的身体大约有一千亿个细胞组成，其数量可以与银河系的天体数量相匹敌。 细胞有血液细胞（血球）、肌肉细胞、肝细胞、神经细胞等很多种类，它们都在高度复杂的生物体系统中各负其责。 细胞由细胞膜来把彼此还有周围的基质分离开来。 细胞膜通常不让水、离子还有其他的分子通过，尽管如此，每个细胞都是“开放的体系”。因为它们会与其他的细胞进行信息交换，还和周围环境和物质进行交换和交流。 但要进行星系或物质的交换，就必须要让各种各样的分子从细胞内到外、外到内移动的通道和泵。担当这个任务的是细胞膜里的特殊形状的蛋白质。 2003年，两位美国的科学家发现并研究了这个作为通道的蛋白质，并共同获得了诺贝尔化学奖。他们是发现了水通道的彼得·阿格雷和发现了离子通道的罗德里克·麦金农 彼得·阿格雷在美国东部马里兰州巴尔的摩的约翰·霍普金斯医学院开始研究的时候，对后被称为“水通道”或“水通道蛋白”的东西还一无所知。这样的词也是听都没听说过的。但20年后，阿格雷不但成为这个领域的先驱，还成为了诺贝尔奖获得者。 在诺贝尔奖的获奖演说中，阿格雷这样叙述水通道的重要性。 “水被认为是生命的溶剂”。因为我们的身体的70%是水。人类以外的所有的脊椎动物、无脊椎动物、微生物，还有植物的身体也主要是由水构成的。构成生命体的小房间也主要是水，水对生命来说是必不可少的，而水通道蛋白是细胞的给水和排水系统。 水通道蛋白可以告诉我们：我们的大脑是怎样分泌或吸收脑脊髓液的，眼睛里的水状物是怎样产生的，眼泪、唾液、汗水、胆汁是怎样分泌的，肾脏为什么可以很有效的浓缩尿液，等等。这种蛋白质不仅对发挥哺乳动物的生理机能必不可少，同时对微生物、植物的生存也是至关重要的。 阿格雷的两人研究小组在220世纪80年代中期开始了研究。他学的专业是血液学，研究课题是Rh因子血型的抗原。 抗原是免疫系统认知应答的分子，多数时候被免疫系统当作体内的入侵者而受到攻击，其大部分都是蛋白质的Ph抗原。可当人们对于这种分子的特征却一无所知，所以被看作是有可能领先的研究领域。 其他科学家已经认为这个分子的分子量是32道尔顿的蛋白质。 因此阿格雷的最初的课题就是从血液细胞中分离出Rh蛋白质。只要能分离出来，就能确定构成它的要素。 当时的阿格雷用他自己话说就是“因为是充满热情的年轻科学家”，所以精制了大量Rh 蛋白质。可是调查结果显示，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。就像阿格雷在诺贝尔奖的讲演中回想的一样，当时的他“完全是幸运的”得到了构成细胞膜里的水通道的蛋白质。 最初，他把这第二种蛋白质当成污染源而除去了，然后利用周末打工的时间又进行了调查。在得出了这个蛋白质与Rh没有关系的结论后，他又继续进行了研究。 在2009年夏天德国林道举办的诺贝尔奖获奖者的聚会上，阿格雷这样说道：“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。他花了四年时间重复这个新的蛋白质的实验，而终于慢慢兴奋起来。
关于离子通道及一些医疗利用 生物的任何生理活动都离不开生命最基本的表达形式，如呼吸的正常运转，心脏的跳动，都是由其独特的结构和微观生理活动决定的。在生物体的微观世界里，细胞膜电位的变化起着信息传递的重要作用，与之相关的是离子在细胞膜内外的分布的差异。由于细胞膜内外离子浓度的不同，细胞膜对于不同离子的通透性也不同，所以随着离子的扩散在细胞膜两侧形成电荷的积累进而形成一个电位差。在细胞膜上形成的电位差又进一步对离子的扩散形成阻力。当阻力与扩散度在数值上达到相等时，就形成一个稳定的电势差，这个电势差就叫做静息电位。当细胞膜受到刺激时，膜外的Na离子大量涌入膜内，引起膜内电势的升高，同时细胞膜对K离子的通透性也增加使之大量外流，电位降到稍低于静息电位然后又恢复到静息电位。形成的电位波动就叫做动作电位。 1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用电压钳技术在枪乌贼巨神经轴突上对细胞膜的离子电流和电导进行了细致地定量研究，结果表明Na+和K+的电流和电导是膜电位和时间的函数,并首次提出了离子通道的概念。另一方面，1955年,卡斯特罗和B.卡茨对神经-肌肉接头突触传递过程的研究发现：突触后膜终板电位的发生,是由于神经递质乙酰胆碱(Ach)作用于终板膜上受体的结果,从而确认了受化学递质调控的通道。1973年和1974年，C.M.阿姆斯特朗、F.贝萨尼利亚及R.D.凯恩斯、E.罗贾斯两组分别在神经轴突上测量到与离子通道开放相关的膜内电荷的运动，称为门控电流，确认了离子通道的开放与膜中带电成分运动的依从性。 因离子通道的存在，物质与信息的传递才能有序稳定的进行保障生命体正常的生理代谢活动，同时依据其微观原理能够对一些疾病的治疗建立模型从而在实际应用中做出建设性的突破，一些以往难以治愈的疾病的难题有希望被完全攻克。例如心律失常，近年来的研究取得了很大的进展。 心肌细胞膜上具有多种离子通道,在心动周期各个不同时相中，细胞膜通过各种离子通道的规律性开放与关闭，使细胞膜产生选择性通透的特征。最初认为每一时相中只有一种离子穿梭于细胞内外。经过近年来的研究发现，在心动周期的各个时相中，都会有许多离子同时参与活动。然而其中总有一种离子最主要，
第三章细胞的基本结构 第一节细胞膜——系统的边界 一、教学目标： 1．简述细胞膜的成分和功能。 2．进行用哺乳动物红细胞制备细胞膜的实验。 3．认同细胞膜作为系统的边界，对于细胞这个生命系统的重要意义。 二、教学重点： 1．细胞膜的成分和功能。 2．细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义。 三、教学难点： 1．用哺乳动物红细胞制备细胞膜的方法。 2．细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义。 四、课时安排 1 五、教学过程： 可让学生回顾已有的对细胞的认识（注意引导。细胞的结构和细胞的成分等。）引出第三章课题。 然后问学生是否有拆卸机械东西、并装回去的经历，学生会七嘴八舌的说有或没有等。当人们对细胞有一定认识后，有人也尝试过想组装细胞，你们推测一下能否成功？细胞的结构比机械的东西可要复杂得多，所以到目前为止还没有人尝试成功。结论：系统不是其组分的简单堆砌，而是通过组分间结构和功能的密切联系，形成的统一整体。 每一个系统都有一定的边界，那么细胞是否也有边界呢？引入课题第1节细胞膜——系统的边界。 利用书中的问题探讨，给学生两分钟时间讨论，后提问学生，引导回答。 1.提示：气泡是光亮的，里面只有空气。细胞是一个具有细胞膜、细胞核和细胞质的复杂结构，而且是一个立体的结构，在显微镜下，通过调节焦距可以观察到细胞的不同层面。光学显微镜下不能看见细胞膜，但是能够观察到细胞与外界环境之间是有界限的。 2.提示：在电子显微镜诞生之前，科学家已经能够确定细胞膜的存在了。依据的实验事实主要有：进入活细胞的物质要通过一道选择性的屏障，并不是所有的物质都能进入细胞；用显微注射器将一种叫做伊红的物质注入变形虫体内，伊红很快扩散到整个细胞，却不能很快逸出细胞；在光学显微镜下看到，用微针触碰细胞表面时，细胞表面有弹性，可以伸展；用微针插入细胞内，细胞表面有一层结构被刺破；如果细胞表面结构受损面过大，细胞会死亡。 〖板书〗 一、细胞膜的成分 1.脂质（磷脂）：≈50﹪ 2.蛋白质：≈40﹪ 3.糖类： 2﹪～10﹪ 〖板书〗