细胞物质转运信号转导ppt课件

1,第二章 细胞的基本功能,细胞（cell） -机体的基本结构和功能单位.,2,3,1.细胞膜的物质转运,2.细胞的信号转导,3.细胞的生物电 4.肌肉收缩,教学内容 ：,4,第一节 细胞膜的结构和物质转运功能,一、细胞膜的化学组成和结构模型,（一）膜的化学组成,电镜发现：,蛋白质 60%80%(/重量),脂质 20%40%,糖类（少, 5%）,膜分三层，内外两侧各有一层厚约2.5nm的电子致密带，中间夹着一层透明带,5,1. 脂质双分子层,构成：由双嗜性脂质分子两两相对排列成双分子层,成分,胆固醇（30%）：含量与膜的流动性成反变,磷脂:磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺,功能：,屏障作用 选择性通透,糖脂：10%，在膜外层,特点： 在双层中脂质分布不均; 双嗜性，熔点低，流动性,6,2. 膜蛋白,1.存在形式：表面蛋白和整合蛋白,2.功能：膜功能的执行者：物质转运、信号转导等,3.膜蛋白运动形式： 平面侧向运动； 沿平面垂直轴旋转 运动； “插入”和“内化”,7,3.糖类,结构：寡糖和多糖链 糖蛋白或糖脂,功能：形成细胞的抗原性表型，参与细胞识别、黏 附、分化、老化、吞噬、自身免疫、细菌感染等.,如： ABO血型抗原决定簇： A抗原为乙酰氨基半乳糖胺 B抗原为半乳糖,8,9,2.液态镶嵌模型(fluid mosaic model)： (Singer & Nicholson, 1972),膜以液态的脂质双子层为基架，其中镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质.,（二）膜的结构模型,特征： 一定的流动性 稳定性 抗张力和变形 自动融合与修复,1.单位膜,10,（一）单纯扩散（simple diffusion）： 小分子的脂溶性或非极性程度较高的物质顺电-化学梯度的跨膜扩散。,二、细胞膜的物质转运功能,11,物质：O2、 CO2、 N2、类固醇激素、乙醇、 尿素、水等 特点：物理扩散，不耗能,扩散速率和方向取决于： 物质的浓度差和分子量 膜对物质的通透性,12,（二）易化扩散（facilitated diffusion）： 在膜蛋白的帮助下，一些非脂溶性的分子或带电的无机离子顺电-化学梯度跨膜转运的过程。,特点： 顺浓度梯度，不耗能 需要膜蛋白的帮助,被动转运（passive transport）：包含 simple and facilitated diffusion,13,1. 经载体的易化扩散 : 某些分子量较大但脂溶性较低的物质在特殊蛋白质的帮助下的跨膜被动转运 。,载体（carrier）: 贯穿脂质双层的整合蛋白 物质：葡萄糖、氨基酸、核苷酸等,14,15,特点： 顺浓度梯度转运，速率较慢（102105分子/s）； 饱和现象；,结构特异性; 如右旋（D型）葡萄糖的转运左旋（L型） 葡萄糖转运体（glucose transporter, GLUT） 5个亚型，GLUT1-5,竞争性抑制。,16,2. 经通道的易化扩散 通道：贯穿脂质双分子层、中央带有亲水性孔道的膜蛋白。 物质：Na+、 K+、 Ca2+、 H+、 Cl- 、水等,17,18,（1）离子通道,特点：,转运速率快（106-108/s） 有一定特异性：如Na+通道、K+通道等,非门控通道：持续开放 电压门控通道： 配体门控通道： 机械门控通道：,通道的类型：,19,1）电压门控通道（Na+、 K+、 Ca2+等通道） 特异阻断剂：分别为河豚毒（TTX）、 四乙铵（TEA）、异搏定等 通道的状态：静息、激活和失活。,20,2）配体/化学门控通道： 通道也是受体,21,（2）水通道 由水孔蛋白组成（Agre, 1988）,十余种，包含AQP09 AQP1：肾近端小管 AQP2：集合管，受升压素的调节，决定尿量。,水孔蛋白（aquaporin, AQP）:,22,（二）主动转运 (active transport),细胞利用能量将物质逆浓度梯度或/和电位梯度的跨膜转运过程。,1. 原发性主动转运 （primary active transport） 能量直接来自ATP 离子“泵”的转运,23,钠-钾泵（sodium-potassium pump；钠泵） - Na+-K+依赖式ATP酶（ Na+-K+ -ATPase）,24,去磷酸化,磷酸化,25,Mechanism of ion transport by sodium pump,细胞内Na+或胞外K+钠泵 E1构象：在胞内对Na+的亲和力而结合Na+，并分解ATP获能、磷酸化结合Na+的位点转向膜外；,E2构象：对Na+的亲和力而释放Na+，同时对K+亲和力而结合胞外的K+，并激发脱磷酸化 E1构象：对K+的亲和力而释放K+，同时对Na+的亲和力、。,26,Sodium pump transport,特点： 逆浓度差，耗能； 偶联转运但不对等，即分解1分子ATP， 转出3个Na+、移入2个K+（生电性转运）. 分子构象与磷酸化与脱磷酸化反应有关.,27,钠泵转运的意义：由钠泵造成的, 细胞内高K+是许多代谢反应的必需条件；, 膜内外Na+差维持胞内渗透压、细胞容积和功能的正常稳定；, 膜内外Na+、K+浓度差 Na+、K+势能储备，供易化扩散、继发性主动转运及其它物质的转运过程利用。,28,29,30,31,32,33,2. 继发性主动转运（secondary active transport）,利用原发性主动转运建立的膜电-化学势能完成的物质逆浓度梯度跨膜转运。 例：小肠腔、肾小管腔内Glucose和AA的转运，甲状腺细胞的聚碘,Na+-葡萄糖同向转运体 （Na+-glucose contransporter） 以小肠上皮细胞为例：,34,血液,35,小肠上皮细胞的侧膜钠泵分解ATP、耗能泵Na+至细胞间隙（Na+扩散入血液）胞内Na+肠腔顶端膜同向转运体将Na+及葡萄糖（逆浓度差）转运至细胞内葡萄糖经易化扩散由细胞进入血液，Na+再被泵出而吸收,哇巴因抑制钠泵葡萄糖不能转运,36,其他联合转运：,（1）Na+Ca2+交换体（Na+Ca2+ exchanger） 见于心肌。,（2）Na+K+-2Cl同向转运体 见于心、肾、脑、血管等。,（3）Na+H+交换体 见肾。,37,（四）出胞和入胞,1.出胞（exocytosis） 胞内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。,激素、神经递质、酶原等分泌,38,2. 入胞（endocytosis）： 大分子或物质团块进入细胞的过程,39,Endocytosis:,40,（1） 液相入胞（fluid-phase endocytosis） 细胞外液及其所含的较小溶质连续不断地以吞饮方式进入细胞内的过程，见于多数细胞对液体的吞饮,（2）受体介导式入胞（receptor-mediated endocytosis） 某些较大的物质分子或颗粒经膜受体介导被转运至细胞内的过程.,例：血浆低密度脂蛋白、运铁蛋白、维生素B12转运蛋白、多种生长因子、一些肽类物质（如胰岛素）、某些细菌毒素、病毒等,41,小结：,42,复习思考题 一、名词概念： simple diffusion facilitated diffusion active transport 二、问答题： . 单纯扩散与易化扩散有何不同？ . 易化扩散的类型及其特点。 . 举例阐述原发性主动转运的机制、特点及意义。 . Na+、K+是如何进行跨膜转运的？ 5. 举例说明继发性主动转运的机理。,43,第二节 细胞的信号转导,一、信号转导 (cellular signal transduction ）概述,跨膜信号转导（transmembrane signal transduction）,环境变化信息经细胞（膜）受体的感受及传递，启动并经细胞内一系列信号分子的转导，引起细胞代谢和功能活动变化的过程。,44,（一）细胞外信号：物理、化学及生物性信号（激素、 递质等）,（二）受体（receptor）及其特征 1. 受体的概念及分类 受体：指位于质膜或胞内能与胞外信号物质结合并能引起特定生物效应的生物大分子物质. 分类：依受体结构和信号转导方式分 G蛋白耦联受体 具有酶活性的受体 离子通道型受体 核受体,45,2. 受体与配体结合的主要特征 （配体：能与受体结合的特异性物质） 特异性；高亲和力；饱和性（受体数量）,（三）信号转导的生物效应 1.代谢活动变化 2.受体、基因等分子表达变化 3.功能性变化：膜通透性、生物电、泵、酶活动（级联放大效应）； 兴奋与抑制 4.兴奋性变化,46,研究简历 诺贝尔生理学或医学奖得主及成就： 1971年，E.W. Sutherland (美国)，发现cAMP、创立第 二信使学说。 1989，Bishop & Varmus (美国)，发现原癌基因 并发现 有些第二信使可激活细胞核内正常染色体中的原 癌基因，后者表达时成癌基因。 1992，Edmond Fischer and Edwin Krebs (美国), 发现 蛋白磷酸化在信息传递中的作用。 1994，Gilman & Rodbell (美国)，发现G蛋白并揭示其 在细胞信号转导中的作用。 1998，Furchgott、Murad & Ignarro (美国)，发现NO既 是第一信使，也是第二信使。,47,二、 跨膜信号转导的主要途径,（一）G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导,48,49,（一）主要信号分子(群) 1. G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR），也称促代谢型受体（metabotropic R.），或7次跨膜受体（7-transmembrane R.），多达1000多种，克隆约300多种。,50,其激动剂（agonist）包括： 儿茶酚胺类激素和神经递质、ACh、5-HT、嗅觉刺激物、光量子、花生四烯酸、淋巴细胞活性因子、多数肽类激素等 作用: GPCR被激动后，可结合并激活G蛋白，从而引起信号转导的级联反应。,51,2. 鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding protein）G蛋白（G protein） （1）基本结构: 异源三聚体G蛋白（由三个亚单位组成）和单体G蛋白（相当亚单位；或小G蛋白）,52,53,54,（2）类型： 按结构和功能分为两类: 三聚体G蛋白(20多种)；小G蛋白(100多种) 按G蛋白亚单位的结构差异分为6个亚族： Gs、Gi/olf 、Gt、Gg、Gq、G12,（3）功能：Gp传递受体信息, 是决定细胞功能性质的关键信号分子。,55,3. G蛋白效应器（G protein effecter） 两种： （1）催化生成第二信使的酶： adenylyl cyclase, AC （腺苷酸环化酶） phospholipase C, PLC （磷脂酶C） phosphodiesterase, PDE （磷酸二酯酶） phospholipase A2 PLA2（磷脂酶A2 ）等,（2）离子通道: 如Na+通道、K+通道、Ca2+、 Cl-通道等.,56,4. 第二信使（second messenger） 包括: cAMP、cGMP、IP3、DG、NO、Ca2+等。,5. 蛋白激酶（protein kinase，PK），100多种。 类型： （1）依磷酸化底物蛋白的机制不同分为： 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、酪氨酸蛋白激酶等。,57,（2）依激活它们的第二信使不同分为：蛋白激酶A（依赖cAMP的）、蛋白激酶C（依赖Ca2+的）,功能：PK引起下游蛋白的磷酸化级联反应，或脱磷酸化，功能蛋白及细胞功能的变化。,58,59,1. R-GP-cAMP-PKA信号途径,（二）GPCR介导的主要信号转导途径,(1) 配体+R（如型肾上腺素受体、ACTH受体、胰高血糖素受体等）+Gs +AC，cAMP 生物效应,60,R-GP-cAMP-PKA信号途径,获1971 年诺贝 尔生理 学或医 学奖,61,(2) 配体+R（如2型肾上腺素受体、M2型ACh受体、生长抑素受体等）+Gi-AC，cAMP 与上相反，如 心力、 、 。,+磷酸化酶激酶/肝细胞 糖原分解、 Ca2+通道磷酸化/心肌细胞 Ca2+通道开放， Ca2+内流，胞内Ca2+心力、心率、 传导速度 心输出量BP ,62,2.受体-G蛋白-PLC途径（R-Gq-PLC-） 配体+R+Gq+PLC二磷酸磷脂酰肌醇（phosphotidylinositol biphosphate, PIP2）三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）,63,（1）-IP3- Ca2+信号通路 （R-Gq-PLC- Ca2+ ） IP3+ IP3受体（Ca2+释放通道）/内质网或肌质网膜 Ca2+释放，胞内Ca2+, Ca2+钙调蛋白（calmodulin, CaM； Ca2+-CaM复合物:, Ca2+肌钙蛋白、肌肉收缩；,+肌球蛋白轻链激酶肌球蛋白轻链磷酸化（构型改变） 平滑肌收缩；,64,Ca2+-CaM复合物 +一氧化氮合酶（nitric oxide synthase, NOS）L-精氨酸NO和胍氨酸，NO使血管舒张； +依赖CaM的蛋白激酶- CaMK多种生理过程.,65,（2）-DG-PKC信号通路（R-Gq-PLC-） 、DG + 磷脂酰丝氨酸/膜磷脂+蛋白激酶C, PKC（protein kinase C）底物蛋白磷酸化生物效应.,66,R-Gp-PLC-IP3/DG Pathways,67,3. G蛋白-离子通道信号通路 （1）G蛋白直接调节离子通道. 如心肌细胞： ACh+M2型ACh受体+Gi生成-GTP复合物和-二聚体+ACh门控K+通道（KACh）K+外流膜复极化.,（2）通过第二信使影响离子通道. 如神经细胞或平滑肌细胞，、胞内Ca2+Ca2+激活的K+通道（KCa）K+外流膜复极化或超极化 .,68,69,（二）酶偶联受体介导的跨膜信号转导途径 激动剂：一些肽类激素（如胰岛素）、细胞因子（如多种GF、白细胞介素等）,受体：酪氨酸激酶受体、酪氨酸磷酸酶受体、GC受 体、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体等.,特点： 除结合酪氨酸激酶的受体外，这些受体本身 具有酶活性； 不需要G蛋白和第二信使参与； 催化受体自身或靶蛋白磷酸化或脱磷酸化， 从而影响细胞功能。,70,71,（一）酪氨酸激酶受体介导的跨膜信号转导 1. 受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase)介导的信号通路（或丝裂原激活的蛋白激酶mitogen-activated protein kinase, MAPK通路. 其可被G蛋白及第二信使激活）,介导多种细胞因子（EGF、NGF、PDGF、HGF、FGF、 白细胞介素）和胰岛素等的生理作用。,72,2. 结合酪氨酸激酶的受体(receptor-associated tyrosine kinase)介导的信号转导通路 受体：EPO受体、GH受体、PRL受体、多种细胞因子受体、干扰素受体等。,73,（二）受体丝氨酸/苏氨酸激酶介导的跨膜信号转导（receptor serine/threonine kinase, RSTK）,生长因子（TGF-）+RSTK+RSTK RSTK磷酸化+/-细胞增殖和分化、调节细胞的迁移和黏附.,74,