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1、1,第三章 细胞的基本功能,目 录,2,第一节 细胞膜的物质转运功能 第二节 细胞的跨膜信号转导 第三节 细胞的生物电活动 第四节 肌肉的收缩功能(自学),1.掌握细胞膜的物质转运功能; 2.熟悉由通道蛋白介导、膜的特异受体蛋白质、 G蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜信号传导系统; 3.掌握细胞的生物电现象及其产生机制; 4.掌握细胞的兴奋和兴奋性,教学目的与要求,4,第一节 细胞膜的物质转运功能,一、细胞膜的结构概述 电镜下细胞膜形态: 三层(7.5nm)内外两层电子致密带,各2.5nm 中间夹层为透明带,2.5nm 化学组成: 脂质 磷脂(70%)磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、 磷脂酰丝氨酸、磷脂
2、酰肌醇 胆固醇(30%) 鞘脂类(少量) 蛋白质 糖类,5,液态镶嵌模型(fluid mosaic model) 1972年S.J.Singer 和G.Nicholson,冰冻蚀刻技术和免疫荧光标记技术 以液态的脂质双分子层为基本骨架,其中镶嵌着不同分子结构、具有各种生理功能的蛋白质。 蛋白质主要以-螺旋或球蛋白质形式 存在。,6,7,(一)脂质双分子层,脂质分子结构: 羟基+脂肪酸 羟基+脂肪酸 疏水性非极性基团 羟基+磷酸+碱基 亲水性极性基团,8,9,(二)细胞膜蛋白质,1.表面蛋白质: 蛋白质肽链中带电的氨基酸或基团,与 膜两侧脂质的级性基团相互吸引而附着 在膜的表面 2.整和蛋白质:
3、 有蛋白质肽链中某些疏水性氨基酸组成 的段落贯穿脂质双分子层,10,11,(三)细胞膜糖类 主要是寡糖和多糖链,与脂质或蛋白质结合,形成糖脂质或糖蛋白,12,13,二、细胞膜的跨膜物质转运功能,(一)被动转运 (二)主动转运 (三)出胞与入胞(胞纳与胞吐),14,(一)被动转运(passive transport) 概念:物质顺电位或化学梯度的转运过程。 特点: 不耗能(依赖电-化学梯度的势能) 依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助” 顺电-化学梯度进行 分类: 单纯扩散 易化扩散,15,扩散(diffusion): 同种物质两种浓度的液体相邻 时,高浓度侧的溶质向低浓度侧移动的现 象 高浓度区
4、低浓度区 细胞膜单纯扩散的物质:脂溶性物质(CO2、 O2、脂溶性激素) 影响因素:脂溶性程度、浓度差、膜的通透性,16,1.单纯扩散: 脂溶性物质(CO2、O2、脂溶 性激素) 2.易化扩散: 借助细胞膜上的特殊蛋白质,使 物质从高浓度一侧向低浓度一侧移动 的形式。 (1)通道介导的易化扩散(facilitated diffusion via ion channel): (2)载体介导的易化扩散(facilitated diffusion via carrier),17,特点:(1)由高浓度区向低浓度区扩散 (2)不耗能,18,(2)特点: 扩散速率高 无饱和性 不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”
5、 不需另外消耗能量 扩散量与浓度梯度、温度和膜通透性呈正相关, 用扩散通量(mol or mol数/min.cm2)表示。 (3)转运的物质: O2、CO2、NH3 、N2 、尿素、乙醚、乙醇、类固 醇类激素 等少数几种。 注: 膜对H2O具高度通透性 H2O除单纯扩散外,还可通过水通道跨膜转运。,19,易化扩散 : (1) 通道介导的易化扩散:离子扩散相关 蛋白质-离子通道在细胞膜蛋白质的帮助 下,物质顺着电-化学梯度转运的过程。 化学门控通道:膜两侧出现化学信号; 电压门控通道:膜两侧的电位发生变化; 机械门控通道:膜受到机械性刺激;,20,经通道的易化扩散,转运的物质:各种带电离子,21
6、,离 子 通 道 蛋 白 质 的 分 子 组 成,离子通道-离子扩散相关膜蛋白质,22,(2)经载体的易化扩散,转运的物质:葡萄糖、氨基酸等小分子亲水物质,23,载体介导的易化扩散:在载体膜蛋白质的 帮助下,物质顺着电-化学梯度转运的过程。 易化扩散的特征: 1)动力:物质自身的热运动;不需另外消耗 能量; 2)饱和现象:载体和载体结合位点 3)特异性:帮助物质分子或离子移动的蛋白 质有结构特异性; 4)竞争性:化学结构类似的物质之间; 5) 浓度和电压依从性:,24,(二)主动转运(active transport) 指物质逆浓度梯度或电位梯度的转运过程。 特点:需要消耗能量,能量由分解AT
7、P来提供; 依靠特殊膜蛋白质(泵)的“帮助”; 是逆电-化学梯度进行的。 分类:原发性主动转运; 如:Na+-K+泵、H+-K+泵等 继发性主动转运; 入胞和出胞式转运。,25,1. 泵转运Na+-K+泵 (Na+-K+-ATPase),26,原发性主动转运:靠细胞膜上的特殊蛋白质, 通过消耗能量,把物质逆着电-化学梯度 转运的形式 钠-钾泵(sodium-potassium pump): 具有ATP 酶功能的膜蛋白,可ATP释放能 量,逆着浓度差将膜内的Na+向膜外、膜 外的K+向膜内转运。 细胞膜内 K+ 30倍 细胞膜外 Na+ 12倍,钠泵的主要功能: 1.造成胞内高K+ 为许多代谢反
8、应所需。 2. 维持胞内渗透压和细胞容积。 3. 建立Na+ 的跨膜浓度梯度,为继发性主动转 运的物质提供势能储备。 4. 由钠泵造成的跨膜离子浓度梯度也是细胞发生 电活动的前提条件。 5. 生电性的,可直接影响膜电位,使膜内电位的 负值增大。 特异性抑制剂:哇巴因强心 钙泵:胞质Ca2+0.10.2mol 质子泵:H+-ATP酶,H+,K+- ATP酶,27,28,2. 继发性主动转运:经载体易化扩散+主动转运 逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时,能量来自膜两侧Na+差,而Na+差是Na+-K+泵分解ATP释放的能量建立的。 同向转运: Na+ -Glu、 Na+ -AA、 Na+ -K+-CI
9、- 逆向转运:H+-Na+、 Na+ -Ca2+,29,(三)出胞与入胞 大分子或固态,液态团快物质的跨膜转运方式 入胞(胞纳 endocytosis) 吞噬(phagocytosis):特殊细胞,单核细胞、 巨噬细胞、中性粒细胞等 吞饮(pinocytosis):几乎所有细胞 液相入胞: 受体介导入胞:运铁蛋白、LDL等 出胞(胞吐 exocytosis),30,出胞,31,入胞:指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过 程,包括吞噬和吞饮。,32,第二节 细胞的跨膜信号转导,细胞之间信号的传递,通过激素、神经递质或细胞因子进行。这些都是化学信号。 细胞间信号的作用方式: 1、疏水性分子:可扩
10、散入细胞内而发挥作用 (类固醇激素-维生素D、甲状腺素等) 2、亲水性分子:借助细胞膜上的受体或受体样 蛋白质,把信号传给细胞内。,33,几种主要的跨膜信号传递方式,一、G 蛋白耦联受体介导的信号转导 二、酶耦联受体介导的信号转导 三、离子通道受体介导的信号转导,34,一、G 蛋白耦联受体介导的信号转导 通过膜受体蛋白、G蛋白、G蛋白效应器、第 二信使共同完成信号的转导。 (一)参与G蛋白耦联受体跨膜信号转导的信号分子 1. G蛋白耦联受体: 2. G-蛋白: 3. G蛋白效应器: 4第二信使(second messenger): 5. 蛋白激酶(protein kinase):,35,1.
11、G蛋白耦联受体: 与到达膜表面的化学信号可特异性结合的 膜蛋白质,可激活G-蛋白。 结构:蛋白质的N-末端由22-28个疏水性氨基酸 组成的-螺旋形成不具有通道样结构的球 形蛋白质(能识别、结合信号);C- 端与 膜内G-蛋白(鸟苷酸结合蛋白)有关,36,2. G-蛋白: 由、3个亚单位组成,其中亚单 位起催化作用。 当G-蛋白未被激活时,亚单位与一分子 GDP 结合,被激活时则与 GDP 分离,而与 GTP 结合,同时与其他亚单位分离,并影响效应 器酶的活性,37,3. G蛋白效应器: 被激活后使胞浆中的第二信使生成增加或减少 4第二信使(second messenger): 各种信号分子(
12、第一信使)作用于细胞膜后产 生的细胞内另一个信号分子(第二信使), 把细胞外的信号传给细胞内的。,40,较重要的第二信使 环一磷酸腺苷 (cyclic adenosine monophosphate, cAMP) 三磷酸肌醇 (inositol triphosphate, IP3) 二酰甘油(diacylglycerol, DG) 环一磷酸鸟苷 (cyclic guanosine monophosphate, cGMP),41,5. 蛋白激酶(protein kinase): 分类:根据他们磷酸化底物蛋白机制的差别 1)丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶: 2)酪氨酸蛋白激酶:,42,(二)G蛋白耦联受体
13、信号转导的主要途径 配体(ligand):能与受体结构或受体分子特异性结合的化学物质 众多的配体与受体结合后,仅通过几条有限的 途径把信号转导给细胞内,引发生物效应。 较为重要的途径有: 1cAMP-PKA途径: 2IP3-Ca2+途径: 3. DG-PKC途径: 4. G-蛋白-离子通道途径:,43,44,(1) cAMP信号通路,神经递质、激素等(第一信使),兴奋性G蛋白(GS),激活腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP,细胞内生物效应,激活cAMP依赖的蛋白激酶A,结合G蛋白偶联受体,激活G蛋白,45,cAMP-PKA途径: 参与该途径的G蛋白属于Gs和Gi家族。 如果受体活化后激活的
14、G蛋白属于Gs,可激活细 胞膜上的G蛋白效应器酶-腺苷酸环化酶(AC), AC进一步分解ATP生成cAMP。 * 一个受体-配体复合物可激活100多个Gs蛋白, 一个Gs蛋白可激活一个AC,一个AC可催化生 成多个cAMP. 如果受体活化后激活的G蛋白属于Gi家族,则激 活后可抑制AC的激活, 从而降低细胞内 cAMP 的水平。,46,(2) 磷脂酰肌醇信号通路,激素(第一信使),兴奋性G蛋白(GS),激活磷脂酶C(PLC),PIP2,(第二信使) IP3 和 DG,激 活 蛋白激酶C,内质网 释放Ca2+,激活G蛋白,细胞内生物效应,结合G蛋白偶联受体,47,IP3-Ca2+途径: 一些配体
15、与受体结合后,可经Gi家族或Gq家族 中的某些亚型激活磷脂酶C(PLC),以后水解膜脂质 中的二磷酸磷脂酰肌醇产生两种第二信使;三磷酸 肌醇(IP3) 和二酰甘油(DG)。 IP3:可激活钙释放通道,使内质网或肌质网内的 钙离子释放入胞质。 DG:留在细胞膜内,可激活胞质内的蛋白激 (PKC)激活。 以后,Ca2+和PKC进一步作用于下游的信号蛋白或功能蛋白,完成细胞内的信号转导。,48,48,PLC-IP3/DG-CaM pathway,49,49,(3) GC-cGMP-PKG pathway,50,二、酶耦联受体介导的信号转导 (一)酪氨酸激酶受体: 类型很多,主要的区别在其肽链的膜外部
16、分 结构的共同性: 膜外肽端-配体结合部位 膜内肽端-酪氨酸蛋白激酶 酪氨酸蛋白激酶的膜外端与配体结合时具有活性, 可促进其他蛋白质底物中酪氨酸残基磷酸化- 改变细胞的功能活动,51,52,(二)鸟苷酸环化酶受体 配体与受体结合即可激活鸟苷酸环 化酶(GC),进而发挥作用。 如:ANP-GC-cGMP-PKG (三)结合酪氨酸激酶的受体 无酶的活性 如:EPO,GH,PRL,53,三、离子通道受体介导的信号转导 受体本身就是离子通道,某些外部信 号与受体结合即可改变通道的功能状态。 类型:化学门控通道; 电压门控通道; 机械门控通道; 激动剂(agonist): 拮抗剂(antagonist)
17、:TTX,TEA,54,化学性胞外信号(ACh),ACh + 受体=复合体,终板膜变构=离子通道开放,Na+内流,终板膜电位,骨骼肌收缩,55,第三节 细胞的生物电活动 生物电现象(bioelectricity): 人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在电活动,这种电活动称为生物电现象。,一、细胞的生物电现象 二、细胞的兴奋和兴奋性,56,一、细胞的生物电现象 (一)静息电位及其产生机制 (二)动作电位及其产生机制,57,58,RP实验现象:,59,60,(一)静息电位及其产生机制 静息电位:细胞未受刺激时存在于细胞膜内外的 电位差 特点:膜外为正、膜内为负(-10 -100 mv) 极化(polarization):静息状态时存在的细胞膜内 为负膜外为正的状态 超极化(Hypepolarization):膜内外电位差加大 低极化(Hypopolarization):膜内外电位差减少,61,静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性 通透性:K+ Cl- Na+ A-,62,静息电位产生机制 静息电位和K+平衡电位,63,静息电位的产生机制,1. 细胞膜内外离子分布及其浓度差; 膜外Na+ 高于膜内12倍; 膜内K+ 高于膜外30倍 2. 安静状态下细胞膜只对K+有通透性; 3. K+借浓度差, 由细胞内向细胞外移动; 4. K+的净移动停止, 达到平衡.,
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