生物膜与信号转导途径复习题2014.doc

一 生物膜与细胞信号转导名词解释：生物膜(biomembrane)：是指细胞内的膜系统(internal membrane)与细胞质膜的统称，包括细胞膜、内膜系统、线粒体、叶绿体内外膜的总称为生物膜。膜骨架(membrane skeleton)：是指细胞膜下与膜蛋白相连的，由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助细胞膜完成许多生理功能。易化扩散(Facilitated diffusion)：溶质与位于膜一侧的易化转运蛋白结合(facilitative transporter)，引发蛋白构象变化，将溶质暴露到膜的另一侧的表面，然后溶质顺着浓度梯度扩散出去协同运输(Cotransport)：是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）与反向协同（antiport）膜整合蛋白(Integral proteins)：穿过整个脂双层，具有突出于膜的胞外和胞质两侧的结构域。某些整合蛋白只有一个跨膜区，有些具有多次跨膜。G蛋白位于质膜上的，与GTP或GDP结合，将受体接受的信号传递给效应物， 产生第二信使的蛋白质，本身具有GTP酶活性，分为异源三体G蛋白和小G蛋白G蛋白偶联受体是一种跨膜的蛋白质，具有配体结合位点和G蛋白结合位点，配体与受体结合，受体构象改变，增加了与G蛋白结合的亲和性，将G蛋白激活。蛋白可逆磷酸化：底物蛋白在蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化下发生磷酸化和去磷酸化，从而调控底物蛋白活性。蛋白质磷酸化系统组成：蛋白激酶、蛋白磷酸酶和它的底物蛋白质简答题：1 水孔蛋白结构特征及其运输水分子机制水孔蛋白(Aquaporins, AQPs)：水孔蛋白由4个亚基组成，每个亚基由6个跨膜双螺旋和2个短的螺旋组成(Asn-Pro-Ala)，在细胞间和胞质侧形成了5个loop区域 (A E) ，其中Loop B 和 E 是疏水的，在脂双层交叉形成沙漏结构，允许水分子通过。水孔蛋白通道含有一组精确定位的带正电荷的氨基酸，当水通过时，吸引每个水分子中的氧原子，这种相互作用，将水分子在通道内重新定向，保证水分子定向流动。2 以细菌KcsA钾离子通道为例，说明钾离子通道结构与运输的关系细菌KcsA通道是由四个亚基组成，每个亚基由两个跨膜的螺旋(M1和M2)和通道胞外的孔区域(P)组成。P(a pore region)是由一个长约1/3通道宽度的短的螺旋和一个能形成“衬里的”狭窄的选择性过滤器(selectivity filter)的无螺旋的环(loop)，允许K+通过。选择性过滤器的衬里含有高度保守的Gly-Tyr-Gly-Val-Thr，这五肽骨架的羧基(C=O)形成四个连续的羰基氧原子环和一个Thr侧链产生的氧原子环。产生5个连续排列的氧原子环。每个环由四个氧原子组成(四个亚基，各贡献一个)，直径是3nm，而失水K+直径是2.7nm。当K+进入通道时，电负性的氧原子替代了与K+结合的水分子。尽管选择性过滤器具有4个K+结合位点，但实际上只能同时结合2个K+。343.乙酰胆碱受体门控通道结构及离子运输机制 乙酰胆碱(Acetylcholine)是由运动神经元释放到肌细胞质膜，与乙酰胆碱受体结合，它可以改变受体的构象，引起离子通道打开。乙酰胆碱受体允许Na+、 Ca2+和K+通过。乙酰胆碱受体由5个亚基组成：，和各 1个，2个亚基，每个亚基带有1个乙酰胆碱结合位点。 每个亚基含有4个跨膜双螺旋（M1-M4），5个亚基围成1个中心孔，孔直径约20 ，突出在胞质和细胞表面 ，组成5个亚基的M2 helices所含有的共5个 Leu 侧链突出在通道，限制了通道的直径。当2个乙酰胆碱结合到2个subunits 上，引起构象发生变化，随着M2 helices的轻微扭曲，5个Leu residues旋转，远离通道中心，由较小的极性氨基酸代替，通道门打开，允许 Ca2+、Na+和K+通过。4.试述Na+/K+运输过程The Na+/K+-ATPase转运循环过程：泵蛋白在胞内结合3个Na+，ATP水解泵蛋白被磷酸化构象发生变化由E1E2，此时Na+结合位点暴露在胞外，蛋白失去对Na+的亲和性，将Na+释放到胞外 3个Na+被释放后，泵蛋白就获得2个K+ 去磷酸化构象恢复到初始E1，结合位点在膜内表面打开，并失去对K+的亲和性，将K+释放到胞内。5 以胰高血糖素调节血糖为例，试述cAMP为第二信使的信号转导途径的作用机制当血液中葡萄含量低时由胰腺的- cells 产生激素胰高血糖素(glucagon) ，胰高血糖素（肾上腺素）与GPCRs结合后激活G蛋白的亚基，- 亚基激活了腺苷酸环化酶（腺苷酸环化酶：是一个整合膜蛋白），此酶催化ATP形成cAMP，cAMP 在胞质中扩散，与蛋白激酶A (protein kinase A, PKA)调控亚基结合，引起催化亚基与调控亚基分离，释放了有活性的PKA的催化亚基，PKA使底物磷酸化。肝细胞中PKA的底物包括糖原合成酶 (glycogen synthase) 和磷酸酶激酶 (phosphorylase kinase) 。糖原合成酶的磷酸化抑制它催化活性，使葡萄糖不能转化成糖原。磷酸酶激酶被PKA磷酸化后，催化磷酸基团转到糖原磷酸酶分子上，该酶被激活刺激糖原的降解葡萄糖-1-磷酸转化成葡萄糖，扩散到血液，达到身体各组织中。6 IP3和DAG双信使磷脂酰肌醇信号途径当乙酰胆碱(acetylcholine) 与受体结合激活异三聚体G 蛋白，依次激活效应子磷脂酶C（PLC），PLC使PIP2分解成两个分子： IP3 和 DAG，IP3在质膜上形成后，快速扩散到细胞质基质中，与光面内质网(SER)表面的特异IP3受体结合，IP3受体不只是结合配体，本身是一个四聚体的Ca2+通道。 IP3的结合使通道开放，让Ca2+离子扩散到细胞质中。 Ca2+是细胞内信使或第二信使，与各种靶分子结合，激发各种特异反应。二酰甘油(DAG)是一种脂类分子，仍存留在质膜里，募集和激活蛋白激酶C (PKC)效应蛋白，PKC是一种多功能的丝氨酸/苏氨酸激酶，能够磷酸化多种不同的蛋白质，激发各种特异性反应。试述Ras-MAP激酶信号途径7 G蛋白偶联受体信号通路与酶联受体介导信号通路的区别与联系不同信号途径之间集中，交叉，分散两个信号传导途径：异三聚体G proteins 和受体酪氨酸激酶(RTKs) 集中：通过不同的磷酸酯酶C可以产生相同的第二信使(IP3 and DAG).分散：由血小板生长因子PDGF or表皮生长因子 EGF 激活RTK的信号传导途径分成三个途径交叉 ：Ca2+：SER膜上的IP3 释放Ca2+，可以诱导各种蛋白质，包括PKC, DAG也可以激活PKC二非复习题，仅供参考膜的功能：区室化Compartmentalization生化活动构架Scaffold for biochemical activities提供选择通透屏障Providing a selectively permeable barrier运输溶质Transporting solutes应答细胞外界信号Responding to external signals细胞间相互作用Intercellular interaction能量转换Energy transduction膜脂包括三种类型：磷酸甘油酯（磷脂酰胆碱(卵磷脂,PC)磷脂酰丝氨酸(PS)磷脂酰乙醇胺(脑磷脂,PE)磷脂酰肌醇(PI)），神经鞘脂，胆固醇质膜上所有糖链都朝向细胞外间隙，细胞内膜上的糖链背向细胞基质一侧寡糖以两种连接方式与氨基酸残基结合（糖蛋白）：连接天冬酰胺和N-乙酰葡萄糖胺的N-糖苷键连接丝氨酸或苏氨酸和N-乙酰半乳糖胺的O-糖苷键膜蛋白(Membrane proteins)的结构与功能：根据与脂双层的紧密程度分为三类：整合蛋白(Integral proteins)：所有整合蛋白都是跨膜蛋白(transmembrane proteins)穿过整个脂双层，具有突出于膜的胞外和胞质两侧的结构域。某些整合蛋白只有一个跨膜区，有些具有多次跨膜。外周蛋白(Peripheral proteins)：完全位于脂双层之外，分布在胞质侧或胞外侧，与质膜表面都以非共价键形式连接。3.脂锚定蛋白(Lipid-anchored proteins)：位于脂双层之外，在胞质侧或胞外侧， 与相连的脂分子呈共价连接整合膜蛋白具有疏水跨膜区域，难以可溶形式分离，需要用去垢剂(detergent)将蛋白从膜上除去，比如带电荷的离子型去污剂SDS，可变性蛋白质，或不带电的非离子型去污剂Triton X-100 ，不会改变蛋白质的三级结构(tertiary structure)。去垢剂与膜脂结构相似，也是兼性的，即由一个极性末端和一个非极性碳氢链构成，去垢剂的非极性末端与蛋白质的非极性残基相结合，去垢剂的极性末端与周围的水分子相互作用，去垢剂能代替磷脂稳定整合蛋白，使他们在水溶液中呈可溶状态。非离子性去垢剂可溶解膜蛋白，且不破坏它的结构离子通道的主要的门控通道：电压门控通道(Voltage-gated channels)：构象状态取决膜两侧离子的电荷不同配体门控通道(Ligand-gated channels)：构象状态取决于特异分子的结合(即与配体ligand)，而不是通过通道的溶质。配体可以结合到通道的外表面：神经递质(neurotransmitters)乙酰胆碱(acetylcholine)作用于特定阳离子通道的外表面可以结合到通道的内表面：环化核苷酸(cyclic nucleotides)，cAMP作用特定钙离子通道的内表面机械门控通道(Mechano-gated channels)：构象状态取决于施加在膜上的机械张力(mechanical forces)Na+-K+泵：只在动物细胞中发现，维持细胞产生高Na+和K+梯度，在神经和肌肉细胞的冲动形成中起关键作用。研究表明Na+/K+-ATPase转运Na+和K+的比不是 1：1 而是 3：2；即每水解1个ATP泵出3个Na+，泵入2个K+。Ca2+-ATPase ：分布于原生质膜、内质网膜、叶绿体被膜和液泡膜上。分为两种类型： 钙调蛋白激活的原生质膜型(PM)：C-端含有钙调蛋白结合域，调节Ca2+-ATPase 活性内质网(ER)型：没有钙调蛋白结合域在静息状态，H+/K+-ATPase 存在胞质囊泡膜上，当食物进入胃，在胃壁上引起激素刺激的一系列级联反应，导致组胺释放，组胺与分泌胃酸细胞表面的受体结合，引起含H+/K+-ATPase的囊泡膜与质膜融合，形成深度折叠，一旦H+/K+-ATPase位于细胞表面，转运蛋白被活化，从而将质子逆浓度梯度泵入胃腔。流动镶嵌模型(fluidmosaic model)：脂双层以流体形式存在，单个脂分子可以在膜平面内侧向移动。膜蛋白以不连续的颗粒形式嵌入到脂双层中，即“镶嵌”。流动镶嵌模型认为细胞膜是一个动态结构，其组分可以运动，还能聚集以便相互作用。生物膜的基本特征：膜的流动性（影响脂双层流动性的因素：构成脂双层的特定脂分子的性质，脂双层中脂肪酸的不饱和程度越高，膜流动性好；脂肪酸链的长度：磷脂的脂酰链越短，膜流动性好；胆固醇分子：胆固醇在调节膜的流动性，增加膜的稳定性以及降低水溶性物质的通透性等起重要作用）膜的不对称性：质膜的动态性：（磷脂分子的动态性：膜脂分子在质膜中的翻转运动需要翻转酶；蛋白质的运动）。ABC transporters 的功能：运输氨基酸、多肽、蛋白质、金属离子、各种脂类、疏水化合物、药物等。分配系数(partition coefficient)：即当非极性溶剂和水相混合时，溶质在非极性溶剂(如丁醇或植物油)中溶解度和在水中的溶解度的比值。一种测量物质极性或非极性的方法。分配系数越大，脂溶性越强，穿膜越快。受体可以分为细胞膜表面受体和胞内受体，细胞膜表面受体包括GPCRs（G蛋白偶联受体），酶联受体，离子通道偶联受体。蛋白质磷酸化作用是生物调节最基本和最重要的公共通路。蛋白质磷酸化系统组成：蛋白激酶、蛋白磷酸酶和它的底物蛋白质细胞信号途径概述信号分子产生信号分子或配体(ligand)结合到细胞外表面的特异受体(receptors)上相互作用使信号跨过质膜传递到受体的胞质结构域，一旦信号传递到胞质内表面，存在两条途径将信号传递到细胞内部：一种类型的受体将信号从胞质结构域传递给附近的酶(此酶由于接受细胞刺激，产生第二信使，被称为效应子effects)，酶产生第二信使，可扩散到胞质中或镶嵌在膜的脂双层中。另一种类型受体可以改变其胞质结构域的构象，去募集细胞信号蛋白，通过蛋白之间的相互作用，激活胞内相关蛋白信号通过第二信使或蛋白募集，激活位于细胞内信号途径中起始的蛋白质，使其活化信号途径由一系列不同的蛋白组成，通过磷酸化过程，使下游蛋白激活或抑制最后达到目标蛋白(target protein) 调控细胞过程细胞信号转导：1.G蛋白偶联受体介导的信号通路 cAMP为第二信使的信号通路肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)双信使的磷脂酰肌醇信号通路2 酶联受体介导的信号转导（1）受体酪氨酸激酶信号途径受体蛋白-酪氨酸激酶(RTKs)：是一个整合膜蛋白，含有一个跨膜双螺旋，一个胞外配体结合结构域，胞质部分具有酪氨酸激酶活性和含酪氨酸的尾巴。RTKs的自激活和二聚体化：配体(如表皮生长因子EGF，代谢调节子胰岛素)在胞外与PTK结合并引起构象变化，导致PTK二聚化形成二聚体，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段的酪氨酸残基。RTKs自激活执行两种不同的功能：调控受体激酶活性提供胞质信号分子的结合位点。信号蛋白：信号蛋白的种类：接头蛋白：作为接头(linker)连接多个信号蛋白，形成一个信号复合体。比如， Grb2作为接头连接 RTK 和 Sos。停靠蛋白：停靠蛋白含有一个PTB domain或一个SH2 domain，同时含有许多酪氨酸的磷酸化位点，这些磷酸化位点可作为其它信号分子结合的位点。转录因子：STAT转录因子含有1个SH2和1个酪氨酸磷酸化位点，此磷酸化位点是STAT形成二聚体时两个SH2之间的结合位点。活性的RTKs与STAT转录因子相互结合后，使STAT磷酸化，磷酸化的STAT形成二聚体，进入细胞核中，调控基因的表达。酶信号终止：RTKs由配体结合激活，酪氨酸自磷酸化，为含有SH2结构域的Cbl提供结合位点，Cbl与受体结合，催化泛素结合到受体上，受体被泛素化，随后被降解。受体丝氨酸/苏氨酸激酶信号途径受体酪氨酸磷酸酯酶信号途径受体鸟苷酸环化酶信号途径3 信号系统静息细胞胞质中Ca2+浓度维持在很低水平，在胞外空间、ER腔内或植物细胞液泡中，Ca2+浓度是胞质中的10000倍。胞质中Ca2+维持极低水平原因：质膜和ER膜上Ca2+通道在正常情况下是关闭的，对Ca2+高度不透质膜和ER膜上由ATP驱动的Ca2+转运系统在正常情况下将钙离子泵出胞质。 钙离子通道：电压门控Ca2+通道： IP3受体：是四聚体Ca2+通道，IP3与IP3受体结合后，打开ER上Ca2+通道，使Ca2+释放到胞质中 RyR受体Ca2+通道：存在ER膜上的钙离子通道， Ca2+泵Ca2+exchanger钙调蛋白：是高度保守的小分子的Ca2+结合蛋白，结合Ca2+后形成Ca2+-CaM复合体，激活各种蛋白激酶(CaMK)磷酸化转录因子，刺激基因的表达。钙信号途径：胞外刺激诱导细胞表面少数钙离子通道释放少量的钙离子少量钙离子进入胞质中，作用于质膜和ER膜上钙离子通道打开，更多的钙离子释放到临近胞质区域，Ca2+有时只局限于胞质小区域，有时会扩散到整个胞质Ca2+通常与钙结合蛋白，比如钙调蛋白结合，改变蛋白构象，提高其对各种效应子的亲和力钙-钙调蛋白复合物可以结合蛋白激酶，环式核苷酸，离子通道等With the development of science and economy, media play a more and more important role in our life. Talking about the influence of television and movies in our current society, people with different ages, educational and work backgrounds have different viewpoints.Someone say TV and movies make our life more colorful, It is quite normal that children love watchin