细胞的基本功能PPT课件.ppt

细胞的基本功能,第一节细胞膜的物质转运功能,第三节细胞的电活动,第四节肌细胞的收缩,第二节细胞的信号转导,1,细胞是生命的基本结构单位和基本功能单位。掌握细胞的结构与功能，才能更深刻地认识生命的本质。细胞可分成三部分：细胞膜，细胞质（生物化学），细胞核（遗传学，分子生物学）。本章主要学习细胞膜的基本结构和细胞的某些功能。,2,第一节细胞膜的物质转运功能一、细胞膜的分子结构单位膜：细胞膜（质膜），核膜，线粒体膜，内质网膜，等，结构类似，称为单位膜。膜的化学组成：蛋白质;脂质;糖类.,3,1.膜的化学组成：蛋白质，脂质（各种磷脂70%，胆固醇30%），糖类（少量）,重量：4：11：4，分子数：1：100,功能活跃：比例高，线粒体膜，3：1功能简单：比例低，神经纤维膜，1：4,一、膜的化学组成和分子结构,蛋白质/脂质,4,1972年Singer和Nicholson生物膜分子结构的液态镶嵌模型：生物膜的共同结构是以液态的脂质双分子层作为基架，其中镶嵌着具有不同结构，因而也具有不同生理功能的蛋白质，后者主要以-螺旋或球形蛋白质的形式存在,2.分子结构,5,6,(一)细胞膜的脂质-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磷脂（70%）、胆固醇（30%）、少量的鞘脂,磷脂：双嗜性分子，含有磷酸和碱基的一端亲水，含有脂肪酸烃链的一端疏水脂质以双分子层组成细胞膜的基本结构亲水端分别朝向细胞膜的内表面和外表面疏水端在细胞膜的内部两两相对，避免与水的接触。,7,疏水性非极性基团（长烃链）,亲水性极性基团（磷酸和碱基）,8,脂质双分子层,特点：液态（流动性），稳定性胆固醇：增高流动性降低机体不利例：免疫细胞对抗原的反应能力脂肪酸烃链的长度和不饱和度：烃链的长度短，不饱和度较高流动性增高；反之流动性降低蛋白质：增高流动性降低功能：屏障和支持作用，传递信息,9,(二)细胞膜蛋白质,结构：螺旋或球形,10,分类,1.表面蛋白(20%-30%)：蛋白质的带电基团与脂质的极性基团靠静电引力相互吸引，使蛋白质附着于细胞膜的表面。2.整合蛋白(70%-80%)：以主要由疏水性氨基酸组成的片段贯穿整个脂质双分子层。eg:与物质跨膜转运功能有关的功能蛋白,载体、通道、离子泵、转运体等,11,图2-1Na+通道亚单位的疏水性图及推衍的分子结构示意图A：Na+通道初级结构的疏水性图，上面的数字及横线代表4个同源结构域及每个结构域内6个疏水性峰在氨基酸序列中的位置。B：推衍的Na+通道亚单位的二级结构，圆圈中的字母是氨基酸的一字符号。C：由4个结构域形成孔道的模型。,12,1.细胞内外物质交换：如通道蛋白，载体蛋白，离子泵，等。2.各种受体，传递信息3.酶类4.与免疫功能有关的蛋白质：如能识别抗原的膜蛋白等。,膜蛋白的功能,13,功能：1.有些作为抗原决定簇=免疫信息(血型抗原为糖脂)；,形式：多为短糖链，以共价键的形式与膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂或糖蛋白。,2.有些作为膜受体的“可识别”部分，能特异地与其递质等结合。,(三)细胞膜糖类,14,二、跨细胞膜的物质转运P11(细胞膜的跨膜物质转运功能)细胞内外的物质交换必需通过细胞膜，不同物质进出细胞的方式不同，归纳起来主要有以下几种：1.单纯扩散；2.易化扩散；3.原发性主动转运（泵转运）；4.继发性主动转运；5.膜泡运输。,15,（一）.单纯扩散(simplediffusion),举例：（墨水分子在清水中的扩散）注意：（1）扩散的方向；（2）净移动影响扩散的因素：动力：浓度梯度或电场力；阻力：通透性（分子量大小，脂溶性）某物质通过细胞膜的难易程度,1.概念:一些脂溶性物质和少数分子量很小的水溶性物质由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。,16,扩散速率高无饱和性不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”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（molormmol数/min.cm2)表示。,2.特点:,17,（1）O2、CO2、NH3等；（2）类固醇激素；（3）脂溶性维生素；（4）乙醇，乙醚，尿素;（5）H2O？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目前已鉴定出10种水通道蛋白（AQP），AQP1主要分布于许多具有分泌和吸收功能的上皮细胞，如近端肾小管上皮，晶状体上皮和睫状体上皮等；AQP2主要分布集合管上皮细胞的顶膜，ADH发挥作用。,3.转运的物质：,18,CO2iCO2o,O2oO2i,19,不能作单纯扩散的物质需膜蛋白质的帮助易化扩散（二）易化扩散P12-15易化扩散：某些不溶于脂质或难溶于脂质的物质，在膜内蛋白质的帮助下，从细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧扩散,易化扩散的物质举例：G，AA，Na+,K+Ca+等，H2O既可单纯扩散，也可易化扩散。易化扩散的类型：（1）经通道易化扩散；（2）经载体易化扩散,20,经通道介导的易化扩散：经通道介导的物质几乎都是离子，且是不耗能的被动转运。,实质：通道蛋白分子变构分子内部含水通道的形成,1.经通道的易化扩散,21,通道蛋白功能状态可以改变,通过“闸门”进行调控激活(开放),失活（关闭）,备用（静息）有选择性如Na+通道，K+通道，Ca+通道，等。取决于A：水相孔道的大小；B：孔道壁的带电状态通道转运离子的速度很快,大约108-109/s个离子,远大于载体转运的每秒103-105个离子或分子的速率,特点：,22,通道开闭的调控方式：（1）化学门控通道（2）电压门控通道（3）机械门控通道,23,化学门控通道举例：躯体运动N末梢释放AChACh与骨骼肌终板膜上的ACh受体结合ACh门控通道开放Na+内流细胞内电位升高。,电压门控通道举例：躯体运动N末梢释放AChACh与骨骼肌终板膜上的ACh受体结合ACh化学门控通道开放Na+内流细胞内电位升高细胞膜两侧的电位改变达阈电位时细胞膜上的电压门控通道突然大量开放AP。,24,机械门控通道触压刺激作用于皮肤皮肤细胞变形细胞膜上的机械门控Na+通道开放Na+内流AP传入产生感觉。,25,转运的物质：各种带电离子：Na+、K+、Ca2+、Cl-等,图2-1不同门控机制的离子通道左侧示通道处于关闭状态，右侧示通道处于开放状态。A：电压门控通：膜电位改变时通道激活而开放；B：化学门控通道：当通道与特异性配体结合后激活开放；C：机械门控通道：受机械牵拉作用而激活开放,转运结果：电化学势能平衡,26,2.经载体易化扩散（载体扩散，载体转运）,定义：水溶性小分子在载体的“帮助”下,由膜的高浓度一侧向低浓度一侧移动的过程。实质：细胞膜上的载体蛋白（转运体蛋白）的结合位点与底物结合载体蛋白变构被结合的底物移向膜的另一侧。,27,经载体易化扩散模式图,28,特异性（载体结合位点与溶质的结合具有结构特异性）eg:GS（D-GS载体，GLUT），GLUT1-5糖尿病病人常伴有GLUT4数量和功能的下降IR饱和性（载体结合位点是有限的）竟争性（经同一特殊膜蛋白质转运）,特点:,转运的物质：葡萄糖(GS)、氨基酸(AA)等小分子亲水物质,29,前述单纯扩散和易化扩散均属于被动转运.被动转运的特点：物质顺浓度梯度或者顺电位梯度扩散；不直接消耗ATP（物质扩散的动力来源于物质的浓度势能和电势能）.如果只有被动转运（扩散）浓度平衡；细胞内外许多物质有浓度差说明存在主动转运。主动转运的特点：可以逆浓差，逆电位差;直接消耗ATP.,30,（三）、主动转运:物质逆浓度梯度或逆电位梯度的转运过程.,31,概念：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ATP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。,1.原发性主动转运（泵转运）,生物泵的实质：生物膜上具有主动转运功能的蛋白质（ATP酶）,32,Na+-K+泵又称Na+-K+-ATPase，简称钠泵。,Na+-K+泵,33,Na+-K+泵活动的调节,34,Na+-K+泵活动的调节：细胞内Na+浓度，细胞外K+浓度激活Na+-K+泵转运效率：1ATP，2K+，3Na+Na+-K+泵活动的结果：产生和维持C内高钾，C外高钠Na+-K+泵活动的意义：a离子势能贮备是生物电产生的基础；促进某些物质的逆浓度差的跨膜转运，如GS，H+等b细胞内高K+是某些生化反应必需合成1g糖原需0.360.45mmolK+c.胞内低Na，维持细胞体积，防止细胞水肿（哇巴因：抑制Na+泵）d.维持细胞内PH的稳定,35,通道转运与钠-钾泵转运模式图,36,钠-钾泵的这种活动还为其它一些物质转运的提供了动力（如葡萄糖、氨基酸的吸收：Na+-载体-葡萄糖、Na+-载体-氨基酸的复合体形式进行的联合转运）(哇巴因是钠-钾泵的特异性抑制剂)。,维持Na+o高、K+i高,2K+泵至细胞内;3Na+泵至细胞外,分解ATP产生能量,当Na+i/K+o激活,钠-钾泵:,37,Ca2+泵（Ca2+-ATPase）：与肌肉的舒缩活动有关分布于细胞膜、肌质网或内质网膜Ca2+泵：分解1ATP，将1个Ca2+由胞质转运至胞外肌质网或内质网Ca2+泵：分解1ATP，将2个Ca2+由胞质转运至肌质网或内质网两种钙泵共同的作用:细胞质内低钙细胞外液的Ca2+内流,或肌质网和内质网内Ca2+的释放细胞质内钙离子浓度触发肌细胞的收缩,腺细胞的分泌,神经递质的释放,等.H+泵（H+-K+-ATPase）：与胃酸分泌有关,38,概念：间接利用ATP能量的主动转运过程。即逆浓度梯度或逆电位梯度的转运时，能量非直接来自ATP的分解，是来自膜两侧Na+差，而Na+差是Na+-K+泵分解ATP释放的能量建立的。（联合转运）,2.继发性主动转运,举例：小肠粘膜上皮细胞对G、AA的吸收可以逆浓差进行，但不直接消耗ATPG、AA的吸收是继发性主动转运,39,图肠粘膜上皮细胞葡萄糖继发性主动转运模式图,40,转运体蛋白转运体：可进行联合转运的膜蛋白分类：同向转运；逆向转运,继发性主动转运联合转运,同向转运:1.小肠粘膜上皮细胞:Na+,1G;2.肾小管上皮细胞:1Na+,1G;3.肾小管上皮细胞:1Na+-1K+-2Cl-;等.,41,反向转运:钠-钙交换体:如心肌细胞,3个钠离子入细胞,1个钙离子出细胞（洋地黄类强心剂）;钠-氢交换体:如肾近端小管,重吸收1个钠离子入细胞,排出1个氢离子入小管液.,42,（四）膜泡运输:出胞和入胞P17概念：一些大分子和颗粒物质进出细胞并不直接穿过细胞膜,而是由膜包围形成囊泡，通过膜包裹、膜融合和膜离断等一系列过程完成的转运过程。转运特点：（1）主要转运大分子和物质团块；（2）转运伴随细胞膜的结构变化；（3）在细胞内是以膜性囊泡运输。,43,概念:指胞质内的大分子物质以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。物质：多见于有分泌功能的细胞（外分泌细胞分泌酶原颗粒，内分泌细胞分泌激素，NF释放N递质）。过程：见下页,1.出胞：,44,出胞过程：,45,概念：指细胞外的大分子物质或团块进入细胞的过程。分类：吞噬=转运物质为固体吞饮=转运物质为液体入胞过程：（1）接触、辨认异物（2）吞噬泡、吞饮泡的形成（3）消毁异物,2.入胞,多见于白细胞、巨噬细胞对异物和机体衰老破损组织的吞噬、清除（如细菌、病毒及大分子营养物质进入细胞）。,46,分类,47,入胞过程:,48,概念：被细胞吞噬、吞饮的物质先与细胞膜上的特异性受体相互作用，进而引起入胞过程,受体介导式入胞：,过程：转运物与受体结合膜表面上横向移动向衣被凹陷处集中内陷形成吞饮泡失去蛋白结构成为吞食泡与胞浆中的胞内体融合转运物成为胞内形式受体形成循环小泡成为膜受体的组成部分(膜的再循环).,图2-4受体介导的入胞示意图,49,转运物质：低密度脂蛋白颗粒(LDL)，运铁蛋白，某些细菌、病毒等。eg:某些人缺乏LDL-RLDL不能被正常利用血浆LDL高胆固醇血症,受体介导式入胞：,50,（1）C内外物质转运；（2）防御；（3）使细胞膜的组成和结构循环更新,出胞、入胞的意义：,51,特点：物质顺浓度梯度或者顺电位梯度扩散；不直接消耗ATP（物质扩散的动力来源于物质的浓度势能和电势能）依靠或不依靠特殊膜蛋白质的“帮助”,被动转运,单纯扩散和易化扩散,52,主动转运(activetransport),原发性主动转运（简称：泵转运）继发性主动转运入胞和出胞都可看作是主动转运,53,主动转运与被动转运的区别,主动转运需由细胞提供能量逆电-化学势差使膜两侧浓度差更大,被动转运不需外部能量顺电-化学势差使膜两侧浓度差更小,54,1.简述细胞膜物质转运有哪些方式？2.Na+-K+泵的作用意义？3.在一般生理情况下,每分解一分子ATP,钠泵运转可使()A.2个钠离子移出膜外B.2个钾离子移入膜内C.2个钠离子移出膜外,同时有2个钾离子移入膜内D.3个钠离子移出膜外,同时有2个钾离子移入膜内E.2个钠离子移出膜外,同时有3个钾离子移入膜内,D,复习思考题,55,4、细胞膜的脂质双分子层是()A.细胞内容物和细胞环境间的屏障B.细胞接受外界和其他细胞影响的门户C.离子进出细胞的通道D.受体的主要成分E.抗原物质5、葡萄糖进入红细胞膜是属于()A.单纯扩散B.主动转运C.易化扩散D.入胞作用E.吞饮,A,C,56,细胞的信号转导:生物学信息(兴奋或抑制)在细胞间或细胞内传递和转换,并产生生物效应的过程.通常,细胞的信号转导就是指跨膜信号转导.跨膜信号转导的核心是:每一种特定的跨膜信号转导必须通过特定的信号通路.,第二节细胞的信号转导P19,57,跨膜信号转导跨膜信号传递跨膜信号转换：细胞外各种理化因素的变化（刺激）作用于细胞的细胞膜再经细胞膜将环境中(细胞外)各种理化因素变化的信息传入细胞内(进而导致细胞功能活动的改变），这一过程称为跨膜信号转导。即：,58,跨膜信号转导的生物学意义:P19生物体通过细胞膜感受环境中各种理化因素的变化经信号转导诱发细胞内生物化学的变化和细胞功能活动的变化从而对环境的变化作出适应性反应其目的主要是维持机体的稳态,有利机体的生存.要“以变应变”,而不能“以不变应万变”.举例:屈肌反射,瞳孔对光反射,59,信号：能在细胞间传递信息的物质，如激素，神经递质，细胞因子等受体：能与信号分子特异性结合发挥信号转导作用的蛋白质，包括膜受体;胞质(浆)受体;核受体.,信号传导的主要通路,60,配体:能与受体结合的化合物.受体激动剂;受体阻断剂=受体拮抗剂水溶性配体,物理信号膜受体;脂溶性配体胞浆受体核受体;,61,完整的跨膜信号转导主要包括：（1）胞外信号的识别与结合；（2）跨膜信号转导；（3）胞内效应。跨膜信号转导特点：（1）众多的外界信号通过少数几条途径引发多种功能（2）外界信号一般不进入胞内,62,离子通道型受体介导的跨膜信号转导G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导酶联型受体介导的跨膜信号转导招募型受体介导的跨膜信号转导核受体介导的信号转导,信号转导主要有以下几类方式：P20-P27,63,离子通道受体：能调控离子通道开闭的受体。离子通道受体促离子型受体促离子型受体：受体被激动时，能够引起离子跨膜流动的受体。1.化学门控通道（1）分布：主要分布肌细胞终板膜，神经细胞突触后膜，及某些嗅、味感受细胞膜中。,一、离子通道受体介导的信号转导P20,离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道,64,跨膜蛋白分两部分：其一是作为受体的部分，即能识别并结合化学物质的位点另一是作为通道的部分，即当膜蛋白与特定化学物质结合后，蛋白构型改变，形成水性孔道即相当于打开通道，如N2型Ach受体。谷氨酸受体等,（2）结构,65,eg:骨骼肌终板膜的N2型Ach受体,66,（1）分布：主要分布在神经轴突、骨骼肌和心肌细胞膜（2）结构特点：其分子结构中存在对跨膜电位改变敏感的结构或亚单位，如Na+，K+，Ca2+的电压门控通道（3）作用机制：电压门控Na+，K+，Ca2+通道与动作电位的形成有关。Na+，K+通道的电压门控过程取决于通道蛋白质构象的电压依赖性转换。eg:心肌细胞膜T管膜上的L型Ca2+通道，APT管膜的去极化激活L型Ca2+通道Ca2+内流，同时内流的进一步激活Ca2+肌浆网释放Ca2+通道Ca2+浓度增加，肌细胞收缩,2.电压门控通道,67,电压门控Na+通道,68,分布：主要分布在各种机械感受细胞膜上（内耳毛细胞）eg:大鼠主动脉内皮细胞受到血流切应力的刺激两种机械门控通道激活（非选择性阳离子和K+选择性通道）Ca2+进入细胞内激活NOS血管舒张eg.触压刺激作用于皮肤皮肤细胞变形细胞膜上的机械门控Na+通道开放Na+内流AP传入产生感觉,3.机械门控通道,69,都有某种门控装置，通过某种调控机制改变通道的功能状态其结构受遗传决定,通道的共同特征：,70,二、G蛋白耦联受体介导的信号转导,图2-8构成G蛋白耦联受体跨膜信号转导的主要信号蛋白,71,（一）、参与G蛋白耦联受体跨膜信号转导的信号分子,1.受体：G蛋白耦联受体（促代谢型受体）（1）概念：是细胞膜或细胞内一些首先能与生物活性小分子（神经递质，细胞因子，激素，药物等）进行相互作用的蛋白质。（2）特征：立体特异性，饱和性，高亲和性，可逆性和竞争性（3）包括：肾上腺素能、Ach、5HT、嗅觉、视紫红质及大多数肽类激素受体等，达1000种左右（4）结构：属于同一超家族，每种受体都由一条7次穿膜的肽链构成（7次跨膜受体）。胞外侧和跨膜螺旋内侧：有配体结合的部位；胞浆侧：有G蛋白结合的部位,72,2.G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）,（1）概念：是耦联膜受体和效应器蛋白的膜蛋白（2）分类：异源三聚体G蛋白和单体G蛋白（3）结构：存在细胞膜上，20种以上，由a、三个亚单位构成，a亚单位是功能亚单位、亚单位通常组成紧密的二聚体，共同发挥作用。由于a亚单位是功能亚单位，不同的a亚单位就构成不同的G蛋白，根据a亚单位基因的同源性分为4类：Gs家族、Gi家族、Gq家族、G12家族等,73,（4）.G蛋白的特点,静息时由、3个亚单位组成三聚体存在有两种形式，即结合GDP的非活性形式和结合GTP的活性形式(a亚单位)可被受体与配体的结合而激活，活化后结合的GDP变成GTP，同时静息时的三聚体蛋白分为两部分，即、亚单位复合体和亚单位GTP复合体,74,（4）.G蛋白的特点,由于亚单位具有鸟苷酸（GTP或GDP）结合位点、以及与受体及效应蛋白的作用位点，同时还具有GTP酶的活性，因而在G蛋白激活及信号转导中发挥至关重要的作用。如通过亚单位与受体相互作用、与GDP和GTP交替结合调控G蛋白活性及激活其效应蛋白，使信号转至胞内,75,未激活：G蛋白的三个亚单位成聚合状态，a亚单位与GDP结合（Ga.GDP）激活：受体激动，活化的受体与G蛋白的a亚单位结合，形成Ga.GTP和、二聚体，两者均可激活AC。,（5）G蛋白调节的一般机制,76,激活型G蛋白（Gs）可激活AC，抑制型G蛋白（Gi）可抑制ACAC的活性主要取决于被激活的Gs的数量，由于Gi的含量比Gs高510倍，故在Gi激活时释出的G可中和Gs的作用，间接抑制AC的活性此外，G蛋白对细胞膜上的肌醇磷脂起调节作用。G蛋白可调节磷脂酶C（PLC)的活性，对肌醇磷脂水解为三磷酸肌醇（IP3)和二酰甘油(DG)这些第二信使产生影响,（6）G蛋白对腺苷酸环化酶（AC)的调节,77,结构：大致相当于G蛋白的亚单位，大约100种以上，形成小G蛋白家族与G蛋白不同：在激活过程中GDP的解离非常缓慢，是一个限速环节，需要鸟苷酸释放因子促进；GTP酶的活性较低，需要GTP酶激活蛋白促进作用：基因表达的调节，细胞增殖，细胞骨架重组，胞质种囊胞传输等,（7）小G蛋白,78,腺苷酸环化酶（AC)，鸟苷酸环化酶(GC)，磷脂酶C(PLC)，磷脂酶A2(PLA2)，cGMP磷酸二脂酶(PDE)等。作用：主要是指催化生成（或分解）第二信使的酶或离子通道,3.G蛋白效应器（酶）,79,发现：体外实验观察肾上腺素对肝糖原分解代谢而发现的肾上腺素可加速肝细胞糖原分解的过程。在此过程，肾上腺素可明显提高糖原磷酸化酶的活性，这是糖原分解过程主要的限速酶。肾上腺素直接加入糖原磷酸化酶的纯制剂，却不能将其激活，必须再加入肝细胞匀浆（包含有细胞膜、细胞器的碎片）才能使酶激活。说明肾上腺素不能直接激活糖原磷酸化酶。随后实验证实肾上腺素通过作用于细胞膜，在胞内产生一种被称作cAMP的小分子物质，由此导致酶的激活及糖原分解。之后陆续发现许多激素在细胞内都通过cAMP发挥作用。基于上述事实，发现者Surtherland提出了第二信使学说,4.第二信使：,80,第二信使学说：即胞外信号首先作用于膜受体，通过膜的信号转换过程，产生了胞内的信号分子及胞内的信号传递过程，由此诱发细胞的各种反应。以膜为界，将胞外的信号物质如激素或递质称作第一信使，而胞内的信号分子如cAMP称作第二信使。1971年度，诺贝尔医学及生理学奖授予了发现cAMP并创立第二信使学说的伟大科学家Surtherland，以表彰他所做的开创性工作第二信使：环一磷酸腺苷（cAMP），环一磷酸鸟苷（cGMP）,三磷酸肌醇（IP3）,二酰酯甘油（DG）和Ca+等作用：把胞外信号分子携带的信息传入胞内，产生以靶蛋白构象变化为基础的级联反应和细胞功能改变,4.第二信使：,81,定义：是指能催化蛋白质磷酸化的酶系统分类：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（占多数）酪氨酸蛋白激酶许多蛋白激酶是被第二信使激活的，根据激活它们的第二信使的不同分类：蛋白激酶A（PKA）蛋白激酶C（PKC）依赖的Ca2+蛋白激酶作用：使底物蛋白质磷酸化，发挥生物学效应。,5.蛋白激酶,82,膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：激活G蛋白,激活G蛋白(与、亚单位分离),(二)G蛋白耦联受体信号转导的主要途径,1.受体G蛋白AC途径（AC-cAMP-PKA）,83,受体G蛋白AC途径（AC-cAMP-PKA）,注意：1、不同的G蛋白可激活不同的酶，产生不同的信号分子2、G蛋白效应器和第二信使具有多样性3、第二信使物质的生成要经过一系列酶催化反应，产生生物放大作用4、第二信使可导致蛋白激酶活化，底物蛋白磷酸化，最后产生反应。,84,2.受体G蛋白PLC途径（PLC-IP3/DG-CaM/PKC）,85,G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导特点,效应出现慢，反应较灵敏、作用广泛,86,(1)AC-cAMP-PKA途径,(2)PLC-IP3/DG-CaM/PKC,总结：G蛋白偶联受体途径,87,三、酶联型受体介导的信号转导P24受体本身具有酶的活性，或能与酶结合的受体.主要的酶联型受体:(1)酪氨酸激酶受体(受体酪氨酸激酶);(2)酪氨酸激酶结合型受体;(3)鸟苷酸环化酶受体;(4)丝氨酸/苏氨酸激酶受体;,88,受体酪氨酸激酶（酪氨酸激酶受体）按其结构可分为14类，其共同的特点是含有位于细胞膜内侧的酪氨酸激酶催化结构域，而位于细胞膜外侧的结构各不相同，这一部分决定其与配体结合的特异性。（1）是一种膜蛋白，受体分子只有一个跨膜a螺旋（2）由膜外肽段，跨膜肽段，膜内肽段三部分组成（3）膜外肽段受体部分；膜内肽段具有磷酸激酶活性,89,（4）作用：当膜外侧的肽段识别并结合相应的配体后，其膜内侧肽段中的酪氨酸残基被磷酸化，并表现出酪氨酸激酶的活性，使其它蛋白底物中的酪氨酸残基磷酸化，从而引发细胞功能的改变。其效应器包括许多与细胞增殖和分化有关的细胞因子和许多其它信号介导体系的组成因子大部分生长因子（表皮生长因子、神经生长因子）、胰岛素和一部分肽类激素都是经这类受体酪氨酸激酶激活丝裂原活化的蛋白激酶，将信号转导至细胞核，引起基因转录的改变。,90,酪氨酸激酶受体：如生长因子受体,91,受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示,92,特征：,简单快捷，因此无需G蛋白中介，也不产生第二信使此类受体的配体是各种生长因子和细胞因子该信号系统在细胞内激活的效应蛋白大多是转录因子，因而最终产生的生物学效应通常都是基因转录的调节。无细胞质中蛋白激酶的激活由于大多数与细胞增殖和分化的细胞因子都以这种方式发挥作用，因此这种受体与肿瘤的发生非常密切。,93,受体酪氨酸激酶与G蛋白偶联受体介导的信号转导的区别：（1）酪氨酸激酶使底物蛋白的酪氨酸残基磷酸化，一般蛋白激酶使底物蛋白的丝氨酸残基和苏氨酸残基磷酸化；（2）没有G蛋白的参与，没有第二信使的产生。,94,酪氨酸激酶结合型受体与酪氨酸激酶受体的区别:P24本身没有酶的活性，当配体与酪氨酸激酶结合型受体结合酪氨酸激酶结合型受体在细胞内结合并激活某种酪氨酸激酶产生生物学效应.(是穿膜蛋白膜内肽段上的受体与细胞内的酶结合,受体与酶是2种不同的蛋白质分子)酪氨酸激酶受体=受体酪氨酸激酶,受体与酶是同1个蛋白质分子.,95,（二）、鸟苷酸环化酶受体,结构：受体分子只有一个跨膜a螺旋膜外侧N端配体结合位点；膜内侧C端鸟苷酸环化酶（GC）结构域作用：配体结合受体GC激活胞浆中的GTP环化成cGMPcGMP依赖的蛋白激酶（PKG）激活（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）蛋白质磷酸化。特点：与AC激活不同，不需要G蛋白的参与eg：No、心房钠尿肽（ANP）,96,97,特点:(1)主要配体是多种细胞因子;(2)1次跨膜;(3)膜内域没有酶的活性;(4)膜内域在细胞内招募(结合并激活)激酶等蛋白;(如前述酪氨酸激酶结合型受体)(5)信号转导过程第二信使参与.如：细胞因子干扰素介导的JAK-STAT信号通路,四、招募型受体介导的信号转导P25,98,细胞因子干扰素介导的JAK-STAT信号通路,99,结构特点：核受体为多肽单链，一般含有3个功能结构域：位于C端的结构域为激素结合位点-结合激素；中部是DNA或者Hsp90的结合位点-起核定位信号作用；N端是转录激活结构域-激活转录过程,五、核受体介导的信号转导P25-26,脂溶性配体(类固醇激素,维生素D3,甲状腺激素,维甲酸,等)以单纯扩散入细胞质与胞浆受体结合入细胞核内与核受体结合与DNA特定部位结合启动mRNA的转录以mRNA作模板合成某种蛋白质(酶)改变细胞的功能.,100,类固醇激素作用机制,101,六.不同信号转导通路之间的收敛，发散，和交互现象,1.收敛:不同的无关信号可以共同激活一个共同的信号分子，产生相同的效应,102,2.发散:,103,3.交叉对话,104,总之：各条信号途径彼此不是孤立的，而是相互之间存在错综复杂的联系，即信号间的交互对话。,105,有两种蛋白激酶K1和K2，在细胞内信号传递级联反应中依次发挥作用。如果其中任一激酶发生失活突变，那么即使接受到胞外信号，也无法引起信号传导。但有另一种K1持续活化的突变，即使在没有胞外信号的情况下，含有该持续活化突变的细胞也能观察到信号传导反应。如果你分离到一种双突变细胞，它既含有K2的失活突变，又含有K1的持续活化突变；并且观察到双突变细胞在没有胞外信号的情况下仍有信号传导反应。请问在正常细胞的信号传导途径中，是K1激活K2，还是K2激活K1？并解释你的判断。,回答下面问题（5分钟）,106,答案：应该是K2激活K1，如果K1持续活化，信号传导反应与K2状态无关。如果是K1激活K2，那么K1将激活K2，但在该例中由于K2含有失活突变而不可能。,107,1.通过细胞表面受体介导的跨膜信号转导有哪几种方式？比较各种方式之间的异同。2.试述细胞信号转导的基本特征。3.试比较G蛋白偶联受体介导的几种信号通路之间的异同。4.概述受体酪氨酸介酶介导的信号通路的组成、特点及其主要功能。,复习思考题,108,概述恩格斯在100多年前总结自然科学成就时指出：“地球上几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”。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（bioelectricity）。生物电现象是普遍存在的，临床上广泛应用的心电图、脑电图、肌电图及视网膜电图等就是这些不同器官和组织活动时生物电变化的表现。,第三节细胞的电活动,恩格斯,109,110,定义：生物体在其生命活动过程中所伴随的电现象（如心电，脑电，肌电，胃电）。器官生物电是以单细胞生物电为基础的。单细胞生物电产生的根本原因是由于带电离子在细胞膜两侧的不均匀分布与离子的跨膜移动。,生物电：,111,静息电位：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的恒定电位差。动作电位：细胞活动时，细胞膜内外存在的变化的电位波动。,细胞的生物电,112,1.概念：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。2.记录方法:,一、静息电位(restingpotentialRP),113,3.实验观测RP：,（甲）当A、B电极都位于细胞膜外，无电位改变，证明膜外无电位差。,（乙）当A电极位于细胞膜外，B电极插入膜内时，有电位改变，证明膜内、外间有电位差。,（丙）当A、B电极都位于细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差。,114,哺乳动物的神经：-70mV;骨骼肌和心肌细胞:-90mV;平滑肌：-55mV；红细胞:-10mV。,4.RP值:,115,膜电位:因电位差存在于细胞膜的两侧，所以将细胞膜两侧的电位称为膜电位（membranepotential）。膜电位包括RP和AP。静息电位(RP):细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差RP值描述:RP膜内负电位(-70-90mV)=超极化RP膜内负电位(-70-50mV)=去极化,5.与生物电相关的概念：,116,极化：内负外正，且细胞内外的电位差稳定于RP的水平静息电位和极化状态：一个现象两种表达静息电位：膜内外的电位差极化状态：膜两侧的电荷分布情况超极化：内负外正，但细胞内外的电位差大于RP的水平,在RP的基础上，膜内朝着负电荷增加的方向变化,膜电位RP（神经细胞的膜电位从7080mV),117,去极化：在RP的基础上，细胞内外电位差的降低的过程,膜内朝着正电荷增加（或负电荷减少）的方向变化,膜电位K+外静息状态下膜上K+通道开放,K+外流,3.RP产生机制的膜学说,123,3.RP产生机制的膜学说,结论:RP的产生主要是K向膜外扩散的结果。RP=K+的平衡电位,124,4.K+的平衡电位,125,4.K+的平衡电位,实测值比计算值弱小，与膜对Na+有很小的通透性有关,126,5.RP形成机制的证明：,Nernst公式Ek=59.5LogK+o/K+i(mV)骨骼肌：实测值(-90mV)接近于理论值(-95mV),(2)改变细胞外液中的K+浓度,如：轴突管内置换等张Nacl,或增加神经纤维浸浴液中的K+浓度RP消失（即K+iRP）,（3）K+通道阻断剂（四乙基胺）RP消失,127,膜对K和Na的相对通透性，对K的通透性增大，静息电位也增大，对Na的通透性增大，静息电位将减小；钠泵的生电作用。,6.RP的影响因素,膜外K浓度，它与膜内K浓度之差决定EK的值，例如细胞外高K可使静息电位减小；,128,钠泵的生电作用:P29钠钾泵每分解1分子的ATP,将细胞外液中的2个钾离子泵入细胞内,而将细胞内液中的3个钠离子泵出细胞,导致细胞内电位下降,此作用称为钠钾泵的生电性作用.钠泵的生电作用也能直接影响RP的数值.,总之：RP的产生是安静时K+外流形成的“电-化学平衡电位”,129,130,1.概念：可兴奋细胞受到刺激，细胞膜在静息电位基础上发生一次短暂的、可逆的,并可向周围扩布的电位波动称为动作电位。（在RP基础上发生的一次膜两侧电位快速倒转和复原）,2.AP实验现象：,二、动作电位(actionpotentialAP),131,3.动作电位的图形,132,单细胞动作电位的产生是“全或无”式的即AP的大小与刺激强度无关；不衰减式传导：即AP一旦产生立即沿细胞膜传开，AP的幅值大小及波形不随传导距离的变化而改变。脉冲式发放:AP不会融合.5.动作电位的意义：AP的产生是细胞兴奋的标志，是细胞收缩、分泌等功能活动的基础。,4.单细胞动作电位的特征：,133,6.各种可兴奋细胞动作电位的异同点：P30相同点：从极化去极化反极化复极化。不同点：去极化（及复极化）的速度、幅度、AP各部分持续的时间各有差异。,134,极化:静息电位存在时细胞膜电位外正内负的状态。去极化:膜内外电位差向小于RP值的方向变化的过程。反极化:细胞膜由外正内负的极化状态变为内正外负的极性反转过程。即超射复极化:去极化后再向极化状态恢复的过程超极化:膜内外电位差向大于RP值的方向变化的过程阈电位:引发AP的临界膜电位数值。局部电位:常指低于阈电位的去极化电位（局部电位理应包括局部去极化和局部超极化）。后电位：锋电位下降支最后恢复到RP水平以前，一种时间较长、波动较小的电位变化过程。包括：负后电位=去极化后电位，正后电位=超极化后电位。,7.与AP相关的概念,135,AP曲线的上升支其实质是C内电位升高C内电位升高的三种可能的原因：（1）阳离子内流；（2）阴离子外流；（3）（1）（2）Na+内流，Ca+内流,8.动作电位的产生机制,136,膜内外存在Na+差:Na+iNa+O110；膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：即电压门控性Na+、K+通道激活而开放。,（1）.AP产生的基本条件:,137,（2）.AP的产生机制:,AP上升支,AP下降支,138,139,AP的上升支（去极化）：膜内外Na+不均匀分布（外高内低），膜突然对Na+通透增大（Na+通道开放），导致Na内流形成（某些心肌细胞、SMC去极化为Ca+内流）AP的下降支（复极化）：Na+通道关闭，K+通道开放，K外流形成的去极化后电位（负后电位）：细胞外一过性K蓄积超极化后电位（正后电位）：Na泵活动增强恢复：Na泵作用AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（NaK泵的活动）。AP=Na的平衡电位：指当内移所建立的电位差足以对抗时所建立的膜内为正膜外为负的电位差。它相当于锋电位的超射值,结论,140,分析：若AP曲线的上升支为Na+内流，根据C内外的Na+浓度计算出的Na+平衡电位理论值应与实际测得的AP超射值接近或一致；改变C外液的Na+，应能改变AP的幅度。,证明,AP的上升支由Na内流形成,141,证明：（1）Nernst公式的计算ENa=59.5LogNa+o/Na+i(mV)超射值=ENa（2）电压钳或膜片钳（3）应用Na通道特异性阻断剂河豚毒后，AP消失（4）改变细胞外液的Na浓度，AP变化与Nernst公式预期的理论值相似,证明,AP的上升支由Na内流形成,142,100%的海水（浸泡枪乌贼的巨大NF轴突）正常的AP1/3海水2/3与海水等渗的葡萄糖溶液AP幅度显著变小再50%的海水AP幅度增加,海水浸泡实验,143,动作电位期间细胞膜通透性的变化P31-35(1)电压钳技术与膜电导的测定(2)钠电导和钾电导的变化(3)膜电导改变的实质(4)离子通道的功能状态(已学)(自学),144,145,电压钳技术:P31目的:直接观测AP期间细胞膜对离子的通透性的动态变化.观测指标:膜电流的大小.原理:影响膜电流的实测值大小的因素主要有三个:(1)细胞膜两侧的离子浓度差(有人认为可以略而不计?);(2)膜电导=膜对离子通透性;(3)细胞膜两侧的电位.,146,因此,为了准确观测AP期间细胞膜对离子通透性的动态变化,就需要使细胞膜两侧的电位固定不变.实验设计:用一套电子仪器,自动补偿细胞膜两侧的电位变化,然后测定AP期间跨膜电流的变化,此跨膜电流的变化就代表了AP期间细胞膜对离子通透性的动态变化.评价:此设计科学合理吗?关键问题:(1)AP期间,细胞膜两侧的离子浓度差的改变真的可以略而不计吗?这一假定岂不与“AP的上升支的高度相当于钠离子的电化学平衡电位”相矛盾吗?!(2)细胞膜两侧的电位直接影响电压门控离子通道的开闭.因而“用一套电子仪器,自动补偿细胞膜两侧的电位变化”本身就会影响细胞膜对离子的通透性!,147,148,膜片钳技术:P33目的:直接观测单个离子通道或少数离子通道的开放关闭.观测指标:膜电流的变化.实验设计:(1)用一个尖端平滑的微电极接触一小片细胞膜(只含一个或少数几个离子通道);(2)用一小负压,将这一小片细胞膜轻轻吸入此微电极内,直接观测单个离子通道或少数离子通道开放关闭时引起的膜电流的变化.,149,AP的触发P35除了自律细胞,必须有刺激作用于细胞,细胞才能产生AP.刺激:刺激就是环境(物理,化学,生物因素)的变化.刺激的三个参数：刺激的强度,刺激的持续时间,刺激的强度-时间变化率.,AP的几点说明：,150,1.刺激：细胞外电的刺激,内向电流：使C内电位升高的跨膜离子电流（如Na内流、Ca内流、阴离子外流）外向电流：使C外电位升高的跨膜离子电流（如K外流、阴离子内流）,151,152,阈刺激、阈上刺激、阈下刺激,刺激分类：,153,是激活电压门控性Na+通道的临界值。即阈电位先引发一定数量的Na+通道开放，Na+迅速大量内流后，再引发更多数量的Na+通道开放，爆发AP。因此，当膜电位达到阈电位后，导致Na+通道开放与Na+内流之间出现再生性循环。,2.阈电位：,154,传导机制：局部电流,9、AP的传导,155,静息部位膜内为负电位，膜外为正电位兴奋部位膜内为正电位，膜外为负电位,在兴奋部位和静息部位之间存在着电位差,膜外的正电荷由静息部位向兴奋部位移动膜内的正电荷由兴奋部位向静息部位移动,形成局部电流,膜内：兴奋部位相邻的静息部位的电位上升膜外：兴奋部位相邻的静息部位的电位下降,去极化达到阈电位，触发邻近静息部位膜爆发新的AP,局部电流：,156,无髓鞘N纤维的兴奋传导为近距离局部电流；,传导方式：,157,有髓鞘N纤维,远距离局部电流(跳跃式),158,有髓鞘N纤维,远距离局部电流(跳跃式),159,1、生理完整性2、双向性3、相对不疲劳性4、绝缘性5、不衰减性或“全或无”现象,NF传导AP的特点,160,在某些细胞,AP也可在两个细胞之间直接传导:心肌细胞之间:闰盘;某些神经细胞之间:电突触;内脏平滑肌细胞之间:缝隙连接.本质:由6个连接蛋白单体,组成连接蛋白通道,连通紧密靠近的2个细胞的细胞质.,161,案例1,某男性患者，16岁，近来运动后感到极度无力，尤其是在进食大量淀粉类食物后加重。门诊检查血清钾为2.2mmolL(正常值3.55.5mmolL)，经补钾治疗后症状缓解。临床诊断为低钾性麻痹。1.为什么低血钾会引起极度肌肉无力？答：低血钾时骨骼肌细胞膜两侧的K+浓差增大，K+外流增多，细胞膜静息电位数值增大，远离阈电位，动作电位难以产生，引起极度肌肉无力。2.为什么在进食大量淀粉后症状加重？答：进食大量淀粉后血糖升高，血中胰岛素水平升高，胰岛素使糖原合成酶活性增加，加速将葡萄糖转变为糖原。此时，血中的K+进一步转移入细胞，血K+浓度更低，肌肉无力进一步加重。,162,（一)有关概念兴奋性：活组织或细胞对外界刺激发生反应的能力；或活组织或细胞对外界刺激产生AP的能力。刺激：能引起细胞或组织发生反应的所有内、外环境的变化。反应：组织、细胞受到刺激后，组织、细胞内部物理化学过程的变化及外部特征的改变。（反应包括兴奋和抑制）兴奋：组织受刺激后由静止活动或由活动弱强的过程。（宏观表现：活动增强；电学角度：AP的产生）兴奋举例：心交感N兴奋时心脏活动的变化,五、兴奋性及其变化P38,163,抑制：机体的活动由强变弱，由相对活动转为相对静止的过程。（超极化就是抑制）抑制举例：心迷走N兴奋时心脏活动的变化阈强度：能使组织发生兴奋的最小刺激强度。阈刺激：相当于阈强度的刺激。衡量兴奋性的指标阈强度（阈值）,反变关系,164,（二)细胞兴奋后兴奋性的变化,绝对不应期：(从去极化到复极化达-60mV)相对不应期：(从复极化达-60mV-80mV）超常期：(从复极化达-80mV-90mV）低常期：(从复极化达-90mV以后超极化再回复到-90mV,165,组织兴奋后兴奋性变化的对应关系,166,组织兴奋后兴奋性变化的对应关系,分期兴奋性与AP对应关系机制绝对不应期降至零锋电位钠通道失活相对不应期渐恢复负后电位前期钠通道部分恢复超常期正常负后电位后期钠通道大部分恢复且膜电位与阈电位之差较小低常期正常正后电位膜内电位呈超极化，即膜电位与阈电位之差较大,167,（一）细胞膜和胞质的被动电学特性,细胞膜的被动电学特性:是假定在细胞膜的离子通道完全不开放,即膜电导完全不变的情况下,细胞膜所具有的电学特性.(即假定细胞这一生物体,完全没有主动活动)细胞膜的被动电学特性:包括:膜电容,膜电阻,轴向电阻.,三、电紧张电位和局部电位:P39-41,168,电容:亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。电容（或称电容量）是表现电容器容纳电荷本领的物理量.在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力，称为电容（capacitance）.,169,电容=电荷量/电压:C=Q/V;即:电容就是产生、形成单位电压差所需要的电荷量.膜电容:设主要由脂质双分子层组成细胞膜是完全绝缘的,已知细胞膜两侧有电压差(电位差).膜电容=膜两侧的正负电荷量/膜两侧的电压差:C=Q/V;,170,膜电阻,电阻:（Resistance，通常用“R”表示），在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然.形成单位电流量所需要的电压,称为电阻:R=V/I膜电阻:主要由脂质双分子层组成细胞膜几乎是完全绝缘的,不允许离子的跨膜移动,因而细胞膜有很大的电阻,称为膜电阻.但由于细胞膜中镶嵌着许多能允许离子跨膜移动的蛋白质,因而在不同生理情况下,细胞膜的膜电阻是可变的.,171,膜电导,膜电导:细胞膜的导电能力.膜电导的大小,用膜电阻的倒数来表示:(R=V/I)G=I/V膜电导=膜电流/跨膜电位差;即在单位的跨膜电位差条件下,膜电流愈大,表示膜电导愈大;膜电导反映了细胞膜对离子的通透性.因而,细胞膜对离子的通透性可用膜电导来表示.,172,轴向电阻,