第二章细胞的基本功能13.ppt

第二节细胞的信号转导信号转导（signaltransduction）,细胞的基本功能,靶细胞,感受器细胞,化学信号,激素或其他体液性调节因子(远距离调节),递质或调质（近距离调节）,细胞因子（中距离调节）,其他性质的刺激,机械的、电的、一定波长的电磁波,跨膜信号转导的概念,跨膜信号转导的途径分为3类：根据细胞膜上感受信号物质的蛋白质分子结构和功能的不同：1、离子通道受体介导的信号转导2、G-蛋白耦联受体介导的信号转导3、酶耦联受体介导的信号转导,细胞的跨膜信号转导功能,一、离子通道受体介导的信号转导根据通道蛋白质感受外来刺激信号的不同，可将之分为：化学门控通道电压门控通道机械门控通道,细胞的跨膜信号转导功能,1化学门控通道：由某些化学物质控制其开或关的通道。具有结构上的相似性。如：N2型Ach受体阳离子通道,细胞的跨膜信号转导功能,分布,效应,骨骼肌细胞终板膜(N2受体),神经细胞的突触后膜(N1受体),某些嗅、味觉感受细胞的膜中,终板电位,突触后电位,感受器电位,细胞的跨膜信号转导功能,(只能引起局部反应),研究,细胞的跨膜信号转导功能,始于：,运动神经,乙酰胆碱,骨骼肌兴奋,（神经冲动）,（终板膜）,终板电位,（ACh）,分子结构,化学本质,N-型乙酰胆碱门控通道蛋白质,（化学门控通道）,分子量为290KD的五聚体蛋白质(2),在膜中形成梅花状通道样结构,两个-亚单位可与两分子ACh特异性结合,通道蛋白质,N-受体,烟碱,由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，形成一种结构为2的梅花状通道样结构；每个亚单位的肽链都要反复贯穿膜4次；在5个亚单位中，Ach的结合位点在亚单位上，结合后可引起通道结构的开放,然后靠相应离子的易化扩散而完成跨膜信号转导。,细胞的跨膜信号转导功能,细胞的跨膜信号转导功能,细胞的跨膜信号转导功能,ACh,ACh,细胞的跨膜信号转导功能,化学性胞外信号(Ach),Ach+化学门控通道,终板膜上离子通道开放,Na+内流,终板膜电位,骨骼肌收缩,细胞的跨膜信号转导功能,信息传递过程,（以运动终板为例）,（电位变化）,细胞的跨膜信号转导功能,兼有两方面作用：,1、化学门控通道与ACh结合后通道开放,2、受体蛋白质兼有受体样功能,化学门控通道的特点,既是通道同时又有受体功能,被激活时直接引起跨膜离子流动,通道型受体,促离子型受体,配体门控通道,（能与受体特异性结合的化学信号）,细胞的跨膜信号转导功能,2、电压门控通道,分布,效应,神经细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞的表面膜中,细胞兴奋（产生和传导动作电位）,特点,蛋白质结构与化学门控通道相似，但存在对跨膜电位敏感的亚单位，使其开放与关闭受电位控制。,心肌细胞T管膜上的L型钙通道：T管膜的去极化L型钙通道激活钙离子内流内流钙离子作为第二信使激活肌质网的钙释放通道胞质钙离子浓度升高肌细胞收缩,细胞的跨膜信号转导功能,细胞的跨膜信号转导功能,3、机械门控通道(mechanically-gatedchannel),分布,效应,特点,内耳毛细胞,感受器电位,存在于一些特殊细胞的膜上，能感受机械性刺激并改变细胞的功能活动,对血管壁的牵张刺激-机械门控通道开放-Ca+内流-血管收缩,细胞的跨膜信号转导功能,通道蛋白质完成的跨膜信号转导的特点,转导速度较快,对外来信号起反应的位点较局限（与通道蛋白质分布有关）,较为少见,二、G-蛋白耦联受体介导的信号转导,细胞的跨膜信号转导功能,(一)主要的信号蛋白G蛋白耦联受体(Gprotein-linkreceptor):胞外侧和跨膜螺旋内部有配体的结合部位，膜内胞质侧有结合G蛋白的部位。促代谢型受体：肾上腺素能和受体Ach受体5羟色胺受体嗅觉受体视紫红质以及多肽类受体,细胞的跨膜信号转导功能,G蛋白耦联受体：1000种左右每种受体都是由一条7次穿膜的肽链构成,故也称为7次跨膜受体蛋白耦联受体与配体结合后，通过构象变化结合并激活G蛋白.,细胞的跨膜信号转导功能,作用,细胞的跨膜信号转导功能,受体空间结构,2G蛋白：鸟苷酸结合蛋白（guaninenucleotide-bindingprotein），简称G-蛋白，通常是指由、三个亚单位形成的异源三聚体G蛋白。此外,还有一类单一亚单位的G蛋白，称为小G蛋白。,细胞的跨膜信号转导功能,G蛋白分类：根据亚单位基因序列的同源性：Gs、Gp、Gq、G12,细胞的跨膜信号转导功能,特点：是其中的亚单位同时具有结合GTP或GDP的能力和GTP酶活性。分型：失活型和激活型能互相转化，在信号转导的级联反应中起着分子开关的作用。*G蛋白激活后，可进一步激活膜的效应器蛋白，把信号向细胞内转导。,细胞的跨膜信号转导功能,作用,失活型,细胞的跨膜信号转导功能,小G蛋白：分子结构上相当于G蛋白的亚单位具有结合GTP和GDP的能力和GTP酶活性有结合GTP的激活型和结合GDP的失活型，可相互转换。激活过程中GDP的解离非常缓慢，需鸟苷酸释放因子GTP酶活性较低，需GTP酶激活蛋白,3.G蛋白效应器（Gproteineffector）：指催化生成（或分解）第二信使的酶。主要有:腺苷酸环化酶（AC）磷脂酶C（PLC）磷脂酶A2(PLA2)cGMP磷酸二酯酶(PDE)它们生成第二信使物质,细胞的跨膜信号转导功能,作用,通过生成或分解第二信使，实现细胞外信号向细胞内转导；,细胞的跨膜信号转导功能,4.第二信使:是指激素、递质、细胞因子等信号分子（第一信使）作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子，能把细胞外信号分子携带的信息转入胞内。如:环-磷酸腺苷（cAMP，简称环磷腺苷）三磷酸肌醇（IP3）二酰甘油（DG）环-磷酸鸟苷（cGMP）Ca2+,细胞的跨膜信号转导功能,作用,调节靶蛋白（蛋白激酶、离子通道），产生以靶蛋白构象变化为基础的基联反应和细胞功能的改变；,细胞的跨膜信号转导功能,（二）主要的G蛋白耦联受体信号转导途径,细胞的跨膜信号转导功能,1.受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径,配体：能与受体发生特异性结合的活性物质（ligand）生物胺类激素：肾上腺素、去甲肾上腺素、组胺、5羟色胺肽类激素：缓激肽、黄体生成素、甲状腺激素气味分子、光量子,细胞的跨膜信号转导功能,分类,细胞的跨膜信号转导功能,1.受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径Gs家族G蛋白激活腺苷酸环化酶（AC）催化ATPcAMPGi家族G蛋白抑制AC降低cAMP,腺苷酸环化酶（AC）位于细胞膜上的G蛋白效应器，催化活性部位位于胞质侧，可催化ATP生成cAMPcAMP细胞内的信号物质，通过激活蛋白激酶A（PKA）来实现信号转导功能。,细胞的跨膜信号转导功能,蛋白激酶A：肝细胞：PKA激活磷酸化酶激酶，促进肝糖原分解；心肌细胞：PKA使钙通道磷酸化，增加有效钙通道的数量，增强心肌的收缩；胃粘膜壁细胞：PKA激活可促进胃酸的分泌；海马锥体细胞：PKA可抑制钙激活的钾通道，使细胞去极化，放电时间延长；,细胞的跨膜信号转导功能,2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径配体与受体结合G或Gq家族某些亚型激活磷脂酶C（PLC）分解二磷酸磷脂酰肌醇三磷酸肌醇IP3和二酰甘油DGIP3与内质网或肌质网上的受体结合可导致钙离子释放和钙离子浓度升高DG可激活蛋白激酶C,细胞的跨膜信号转导功能,特点：效应出现较慢反应较灵敏作用较广泛,细胞的跨膜信号转导功能,膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：具有酪氨酸激酶活性,三、酶耦联受体介导的信号转导,细胞的跨膜信号转导功能,酶耦联受体：分子的胞质侧自身具有酶的活性，或者可直接结合并激活胞质中的酶而不需要G蛋白。,酪氨酸激酶受体（TKR）鸟苷酸环化酶受体,分类,细胞的跨膜信号转导功能,细胞的跨膜信号转导功能,由酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导,特点,是一些肽类激素、细胞因子的信号转导方式,结构,有多种类型，与相应配体有特异性结合能力,只有一个跨膜-螺旋,膜外侧的长肽段：受体,膜内侧的短肽段：蛋白激酶,受体+化学信号,激活,蛋白激酶,（引起细胞内效应）,酪氨酸激酶受体TKR,鸟苷酸环化酶受体,细胞的跨膜信号转导功能,第三节细胞的生物电现象,细胞的生物电现象,电化学驱动力：决定离子跨膜流动的方向和速度Em-70mVENa+60mVEk-90mVNa驱动力:Em-ENa=-70mV(+60mV)=-130mVK驱动力:Em-ENa=-70mV-(-90mV)=+20mV,一切活细胞无论处于安静或活动状态都存在电的活动，这种电的活动称为生物电。静息电位动作电位,细胞的生物电现象,不同形式的生物电现象：,肌电图、心电图、脑电图,不同部位的生物电现象：,感受器受刺激产生感受器电位,传入、传出神经纤维产生的电脉冲,神经原细胞和效应器细胞的跨膜电变化,细胞的生物电现象,一、细胞膜的被动电学特性膜的被动电学特性：细胞膜作为一个静态的电学元件时所表现的电学特性；包括静息状态下膜的电容、电阻以及它们所决定的膜电流、膜电位的变化特征。,细胞的生物电现象,（一）膜电容：细胞膜具有显著的电容特性，且膜电容较大；当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生电位差，即跨膜电位（transmembranepotential），或简称膜电位。,细胞的生物电现象,（二）膜电阻通常用膜电容的倒数膜电导（membraneconductance）G来表示。膜电导对带电离子而言，膜对某种离子的电导，就是膜对它的通透性；细胞膜对某离子电导的变化与其对该离子的通透性的变化是完全一致的。,细胞的生物电现象,（三）电紧张电位：由膜的被动电学特性决定其空间分布的膜电位称为电紧张电位（electrotonicpotential）。单纯的电紧张电位产生过程中没有离子通道的激活，因而也没有膜电导的改变，完全是由膜固有的电学性质决定的。,细胞的生物电现象,电紧张电位：随距离逐渐衰减的跨膜电流引起的膜电位变化,细胞的生物电现象,二、静息电位及其产生机制（一）细胞的静息电位1概念：（restingpotential）。细胞未受刺激时（静息状态下）存在于细胞膜内外两侧的电位差。,细胞的生物电现象,细胞的生物电现象,细胞的跨膜电变化,RP的特点,一般相当稳定，呈直流电位,不同细胞的RP值不同（膜外为0，膜内电位都在10100mv之间）,枪乌贼巨大神经轴突蟾蜍骨骼肌细胞,5070mv,哺乳动物的神经、肌肉细胞,7090mv,人的红细胞,10mv,细胞的跨膜电变化,注意：细胞处于静息电位时，膜内电位较膜外电位为负，这种膜内为负，膜外为正的状态称为膜的极化；当静息时膜内、外电位差的数值向膜内负值加大的方向变化时，称为膜的超极化；,细胞的生物电现象,当静息时膜内、外电位差的数值向膜内负值减小的方向变化时，称为膜的去极化或除极化；去极化至零电位后膜电位如进一步变为正值，则称为反极化或倒极化，膜电位高于零电位的部分称为超射；细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程，称为复极化。,细胞的生物电现象,（二）静息电位产生的机制*1902年Bernstein膜学说*电化学驱动力（electrochemicaldrivingforce）1离子跨膜扩散的驱动力和平衡电位浓度差和电位差,细胞的生物电现象,静息状态下细胞膜内、外离子分布不匀,（1）静息电位的产生条件:,主要离子分布：,膜内：,膜外：,细胞的生物电现象,细胞的跨膜电变化,K+平衡电位,当：K+外移造成的电场力细胞内的高K+势能,不再有K+的跨膜净移动膜两侧的电位差稳定在某一数值,K+的平衡电位,Nernst公式：,K+平衡电位EK59.5log,K+o,K+i,（mv）,（EK计算值与RP实测值接近）,EK计算值,RP实测值,枪乌贼巨大神经轴突,-87mv,-77mv,哺乳动物骨骼肌细胞,-95mv,-90mv,（RP）,（阻止K+外移）,(促进K+外移),2膜对离子的通透性和静息单位具有选择性,细胞的生物电现象,细胞的跨膜电变化,静息电位和K+平衡电位,K+,Na+,细胞内,细胞外,CI,A,细胞膜内外离子分布,细胞膜的选择性通透,只对K+有通透性（IK1）对其他离子通透性极低,安静时,K+,K+,K+,K+,K+,A,A,A,A,A,RP的产生机制,K+外流,K+外流的动力：膜内的高K+势能,K+外流的条件：安静时膜对有K+通透性,RP产生机制:,Ki顺浓度差向膜外扩散A-i不能向膜外扩散,K+i膜内电位(负电场)K+o膜内电位(正电场),膜外为正、膜内为负的极化状态,当扩散动力与阻力达到动态平衡时=RP,结论:静息电位主要是由K+外流形成的；接近于K+外流的平衡电位。,细胞的生物电现象,静息电位的影响因素：细胞外K+浓度的改变；膜对K+和Na+的相对通透性：钠-钾泵活动的水平。3钠泵的生电作用钠泵：分解一个分子的ATP可使3个分子的Na+排除，将2个分子的K+进入细胞。,细胞的生物电现象,三、动作电位及其产生机制（一）细胞的动作电位（actionpotential）1概念：,细胞的生物电现象,在RP的基础上细胞受到适当刺激膜电位会发生迅速的一过性的波动，这种膜电位的波动称为动作电位。,2.动作电位的组成:,细胞的生物电现象,50,0mv,+20mv,-70mv,以神经纤维为例将AP分为,1、上升支（去极相）,去极化,-70mv0mv,反极化（超射）,0mv+20mv,2、下降支（复极相）,+20mv-70mv,复极化,神经纤维的AP：,幅度：120mv超射值：50mv时程：0.5ms2.0ms,细胞的生物电现象,刺激伪迹,局部电位,阈电位,负后电位,正后电位,从AP的形态上划分,锋电位（0.52.0ms）,构成AP的主要部分呈短促而尖锐的脉冲样变化（兴奋的产生、传导）,后电位,锋电位之后膜电位的低幅、缓慢的波动（兴奋性的恢复）,负后电位（530ms）,后去极化,正后电位（4060ms）,后超极化,0mv,+20mv,-70mv,-55mv,细胞的生物电现象,（二）动作电位产生机制,1.电化学驱动力：决定离子跨膜流动的方向和速度Em-70mVENa+60mVEk-90mVNa驱动力:Em-ENa=-70mV(+60mV)=-130mVK驱动力:Em-ENa=-70mV-(-90mV)=+20mV,细胞的生物电现象,内向电流：电化学驱动力为负值，方向指向膜内，推动正电荷由膜外流入膜内；外向电流：电化学驱动力为正值，方向指向膜外，推动正电荷由膜内流出膜外；,细胞的生物电现象,2.动作电位期间膜电导的变化,动作电位的产生：Na+电导迅速增加，Na+在很强的电化学驱动力作用下形成Na+内向电流，细胞膜迅速去极化，构成锋电位的升支Na+电导减小，形成锋电位的降支，K+电导的增大使K+外向电流增强，加速膜的复极，也参与锋电位降支的形成。,细胞的生物电现象,细胞的生物电现象,3动作电位产生过程,0mv,+20mv,-70mv,细胞受刺激产生AP时：,膜对Na+通透性突然增大（PNa+PK+）,Na+大量内流并达Na+平衡电位(AP的顶点),AP上升支的产生机制,Na+快速内流,Na+内流的动力：膜外的高Na+势能膜内负电吸引,Na+内流的条件：Na+通道大量开放,（顺电-化学梯度）,当膜内正电产生的电场力足以阻止Na+内流时，即达ENa,细胞的生物电现象,膜对离子通透性变化的机制,膜内、外的Na+浓度之比决定锋电位的高度,用Na+通道的阻断剂河豚毒处理后，细胞不能再产生AP,（人工改变细胞外液的Na+浓度，AP的幅度随之改变）,膜片钳实验:用来直接观察记录单一的离子通道蛋白质分子的通透性，从分子水平研究跨膜离子移动，离子通道的开放、关闭条件及失活。,细胞的生物电现象,膜片钳技术的基本原理和方法,微电极（直径0.53m）,负压吸引与膜形成紧密封接,可记录单一通道的带电离子跨膜移动,将跨膜电位人为地设定维持在一定数值（钳制）以便分析和确定通道是否为电压门控式的,超极化,去极化,1,2,3,4,当膜电位向RP的去极化方向改变时（-80-10mv），可记录到Na+通道（电压门控性）开放形成的离子流。,当膜电位向RP的超极化方向改变时，Na+通道一般很少开放；,细胞的生物电现象,1、开放和关闭都是突然的（方波状电流曲线）,通道蛋白质构象之间可跃变,2、通道的开放具有“全或无”性质,3、随机性（开放的时机和持续时间）,膜去极化程度愈大，Na+通道的开放概率愈大。,每个通道每次开放的电流强度很固定（2pA）,4、开放后进入“失活”状态，再次开放的概率减小,多种离子通道的共同特征,细胞的生物电现象,膜片钳实验技术的意义：,整段膜去极化时，参与开放的Na+通道很多，所以AP的上升支是由众多Na+通道随机开放造成的电流物理叠加的结果。,细胞的生物电现象,Na+通道的失活和膜电位的复极,激活,激活,失活,复活（备用）,失活,复活（备用）,当膜去极化达一定水平（阈电位）时，可引起Na+通道迅速开放，之后迅速关闭。,表现为当膜的去极化仍然存在或再进一步去极化，都不会使Na+通道再次开放。,（1）Na+通道的三种状态（蛋白质构象）,只有当去极化消除（复极）后，Na+通道才恢复到备用状态，当新的膜去极化出现时才能再次激活、开放。,迅速,复极,去极化达阈电位,细胞的生物电现象,（2）膜电位的复极（AP的下降支）,复极的产生,在Na+通道失活的同时，膜的去极化电位会激活膜结构中的K+通道（电压门控式），使之开放，产生K+外流，膜复极化。,复极的机制,K+外流,K+外流的动力：顺电-化学梯度,K+外流的条件：K+通道的大量开放,证据,使用K+通道的阻断剂四乙胺后，AP的复极相延长，很难下降。,细胞的生物电现象,（3）后电位,负后电位：,复极时迅速外流的K+蓄积在膜外侧附近，暂时阻碍了K+的外流，使复极减慢。,正后电位：,生电性钠泵活动的结果。（Na+：K+为3：2）,外出的正电荷多，膜超极化。,综上所述，AP的产生及形态特征是由膜中的离子通道决定的。不同的细胞因为有不同的离子通道存在而使其AP的形态及产生机制有所不同。（如：心肌细胞、平滑肌细胞）,细胞的生物电现象,（三）动作电位的传导：,细胞的生物电现象,无髓神经纤维,安静时，极化状态（外正内负）,受刺激的局部，膜电位翻转（倒极化、反极化），而邻近部位仍处于极化状态。已兴奋部位和未兴奋部位之间存在电位差，产生了电荷的移动（局部电流localcurrent）。,未兴奋部位的膜内去极化达阈电位水平时，该部位的Na+通道大量激活也产生AP，并以同样方式向两端下传（双向性）。,细胞的生物电现象,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负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,细胞的生物电现象,在无髓鞘的神经纤维上:,细胞的生物电现象,细胞的生物电现象,2.在有髓鞘的神经纤维上:跳跃式传导(saltatoryconduction),速度快、耗能少生物进化的结果,细胞的生物电现象,（四）缝隙连接,两个细胞靠的很近，每侧细胞膜上都有一些孔道蛋白相对，形成缝隙连接。AP通过缝隙传播。,四局部电位(localresponse),细胞的生物电现象,1、概念,（局部兴奋、局部电位）,在细胞受到阈下刺激的局部所产生的小于阈电位的去极化。,局部反应的组成