陳培瑩 李娘輝

(華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣州 510631)

《物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞健肥侨私贪姹匦?《分子與細(xì)胞》模塊第4章第3節(jié)的內(nèi)容，教材在課前的問題探討部分呈現(xiàn)了一張“人工無蛋白的脂雙層膜對不同分子通透性”的圖(圖1)[1]，讓學(xué)生討論： 什么樣的分子能夠通過脂雙層？什么樣的分子不能通過？學(xué)生從圖中可以很直觀地得出這樣的結(jié)論： 水與甘油、乙醇以及氣體分子等可以通過人工膜，即水分子的跨膜運(yùn)輸是不需要蛋白質(zhì)作為載體的。在被動運(yùn)輸相關(guān)內(nèi)容的編排中，教材又將水分子和O2、 CO2歸為一類，均是小分子物質(zhì)，可以很自由地通過細(xì)胞膜的磷脂雙分子層，進(jìn)而引出自由擴(kuò)散的概念。這樣學(xué)生很容易就認(rèn)為： 水分子的跨膜運(yùn)輸屬于自由擴(kuò)散。那么，水分子的跨膜運(yùn)輸方式只有自由擴(kuò)散一種嗎？它在人工膜上具有全透性是否有值得質(zhì)疑的地方？

圖1 人工無蛋白的脂雙層膜對不同分子通透性

1 水分子通過人工膜的過程

人工膜的結(jié)構(gòu)只有雙層磷脂分子，沒有蛋白質(zhì)作為載體。它能夠透過水分子，是因其具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)： 磷脂分子極性的頭部對水具有親和性，非極性的脂肪酸鏈尾部對水雖然不親和，但經(jīng)X射線衍射分析顯示，在距離磷脂分子頭部第9個碳原子之后的脂肪酸鏈在脂雙層內(nèi)部不是固定不變的，它們可以從較為有序的狀態(tài)變?yōu)闊o序的狀態(tài)，再加上磷脂分子可以通過翻轉(zhuǎn)運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生空隙，水分子便可沿著空隙且以順濃度梯度的方式通過磷脂雙分子層[2]。水分子能夠通過人工膜，是否意味著它在人工膜上便具有全透性呢？

實(shí)際上，磷脂雙分子層排列致密，膜脂的流動性也是相對的。因此，單個水分子以自由擴(kuò)散的方式穿過磷脂雙分子層間隙的速率比較緩慢，常常小于0.01 cm·s-1，這便很難解釋水分子迅速跨膜運(yùn)動的現(xiàn)象[3]。例如，“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”一節(jié)提到的“哺乳動物紅細(xì)胞置于低滲溶液，很快吸水膨脹”的現(xiàn)象。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)水分子通過人工膜的通透性比生物膜低。人工膜上沒有蛋白質(zhì)，假如水分子的跨膜運(yùn)輸只有自由擴(kuò)散一種，那么它通過人工膜的通透性跟生物膜應(yīng)該具有一致性，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。由此推測，水分子并非以單一的自由擴(kuò)散方式透過生物膜。

2 水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)及其性質(zhì)

1988年，美國科學(xué)家阿格雷(P.Agre)在分離純化多種紅細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成細(xì)胞水通道的蛋白(命名為“AQP1”)，并巧妙地通過“水通道驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”證實(shí)了自己的猜想(圖2)。他用含有AQPl蛋白和不含AQPl蛋白的細(xì)胞進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。當(dāng)將這兩種細(xì)胞放在同一種水溶液中時，膜中含有AQPl蛋白的細(xì)胞能通過滲透作用吸收水分繼而體積不斷膨脹，而不含該蛋白的細(xì)胞在3.5 min內(nèi)無明顯變化[4]。為進(jìn)一步驗(yàn)證，阿格雷還用脂質(zhì)體(人工合成的脂雙層囊泡)做實(shí)驗(yàn)，他將AQPl導(dǎo)入脂質(zhì)體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 對比普通脂質(zhì)體，導(dǎo)入AQPl的脂質(zhì)體對水的轉(zhuǎn)運(yùn)速率得到大幅提高。

圖2 阿格雷“水通道驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”

阿格雷發(fā)現(xiàn)的“AQP1”只是水通道蛋白的一種。目前在哺乳動物的體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)13種水通道蛋白(AQP0～AQP12)，它們在通透水的功能上有著相似之處，但由于表達(dá)部位不同，發(fā)揮的生理功能也有所差異[5]。植物體同樣也存在水通道蛋白，它們與動物水通道蛋白同屬于一個古老的跨膜通道蛋白MIP超家族，位于植物細(xì)胞的質(zhì)膜和液泡膜上，在水分及其他物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞伸長與分化、氣孔運(yùn)動等生理過程中均扮演著重要角色[6]。

以哺乳動物水通道蛋白AQP1為例，水通道蛋白的空間四級結(jié)構(gòu)是由4個亞基組成的四聚體，每個亞基由6個跨膜α螺旋構(gòu)成，形成了一個具有“中央孔”的結(jié)構(gòu)，其孔徑略大于水分子，允許水分子自由通行(圖3)。該結(jié)構(gòu)中還附著帶正電荷的Asn殘基，恰好排斥其他質(zhì)子，從而實(shí)現(xiàn)對水分子特異性地高效轉(zhuǎn)運(yùn)[7]。

圖3 水通道蛋白AQP1[4]

水通道蛋白能夠高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子，這種功能對人類的器官具有重要作用，腎臟中體現(xiàn)得最為明顯。有研究表明： 從腎小球過濾出來的原始尿液在流經(jīng)一段彎管后，有70%的水通過水通道蛋白(AQP1)重新回到血液[4]。正常成年人每天產(chǎn)生的原尿約為180 L，但只有約1.5 L的終尿被排出體外，其他的水都被腎臟細(xì)胞重吸收回血液循環(huán)。腎臟細(xì)胞要實(shí)現(xiàn)如此高效地對水進(jìn)行重吸收，細(xì)胞膜必須短時間內(nèi)能夠快速透過大量的水分子，該過程僅靠自由擴(kuò)散的運(yùn)輸速率是遠(yuǎn)不能滿足生命活動的需要，必須借助水通道蛋白才能提高水的轉(zhuǎn)運(yùn)速率。

3 小結(jié)和教學(xué)建議

3.1 對教材編寫的建議 水分子不只以“自由擴(kuò)散”的形式通過生物膜，還有另一種重要的方式——借助水通道蛋白進(jìn)行“協(xié)助擴(kuò)散”。針對教學(xué)中學(xué)生常常存在“水分子的跨膜運(yùn)輸只有自由擴(kuò)散一種”這一誤區(qū)，建議教材在課前的問題探討部分，“人工無蛋白的脂雙層膜對不同分子通透性”的圖(圖1)的編制中，不要將水與甘油、乙醇?xì)w為一類，原因： 用單向箭頭穿過人工膜容易讓學(xué)生認(rèn)為水與甘油、乙醇都可以全部透過細(xì)胞膜(即水分子的跨膜運(yùn)輸不需要蛋白質(zhì))。為了避免學(xué)生這一認(rèn)知誤區(qū)，建議水分子在人工膜的運(yùn)輸方式用圖4的這種方式表示，學(xué)生觀察此圖可以直觀地看出： 水分子只能部分通過人工膜，并非像O2、 CO2等分子一樣在人工膜上具有全透性。

圖4 人工脂雙層膜對不同分子的通透性[8]

另外，教材在本節(jié)后面的“科學(xué)前沿”版塊介紹了授予諾貝爾化學(xué)獎的通道蛋白研究，其中提到“水通道蛋白”相關(guān)內(nèi)容，只是簡略地介紹。該版塊屬于拓展性的閱讀材料，并非授課的重點(diǎn)內(nèi)容，教師有時由于課時緊張便直接略過，假如學(xué)生課后沒有仔細(xì)閱讀到這一板塊的內(nèi)容，便容易造成以上的認(rèn)知誤區(qū)。建議教材將“水分子也可借助水通道蛋白進(jìn)行協(xié)助擴(kuò)散”這一知識點(diǎn)編排進(jìn)正文，學(xué)生對水分子的跨膜運(yùn)輸才有更清晰的認(rèn)識： 水分子既可直接跨膜通過(自由擴(kuò)散)，亦可在水通道蛋白的協(xié)助下通過(協(xié)助擴(kuò)散)。

3.2 對教師教學(xué)的建議 生物學(xué)核心素養(yǎng)倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)思維”?？茖W(xué)思維是一種尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力[9]。關(guān)于水分子的跨膜運(yùn)輸，教材主要介紹了自由擴(kuò)散這種方式，事實(shí)上通過水通道蛋白進(jìn)行協(xié)助擴(kuò)散才是水分子實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)運(yùn)的主要途徑。這也給生物學(xué)教師一些啟示： 平常備課立足教材卻不能止步教材，應(yīng)尊重事實(shí)和證據(jù)，致力于打造邏輯縝密的課堂，才能培養(yǎng)出具備較強(qiáng)科學(xué)思維能力的學(xué)生。