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细胞生物学教案邵邻相1第五章物质的跨膜运输与信号传递一．教学目标：1深刻理解被动运输、主动运输和内吞外排的概念，以及物质跨膜运输的重要意义；2．理解细胞信号传递的主要特点，掌握甾类激素信号通路、cAMP信号通路、磷脂酰肌醇信号通路和EGF受体信号通路的主要环节。二．重点：跨膜运输的方式和细胞通讯的信号通路。三．难点：跨膜运输的机制。四．授课方式与教学方法：讲授、讨论、多媒体辅助教学。五．教学内容:细胞膜是细胞与细胞外环境之间的一种选择性通透屏障，物质的跨膜运输对细胞的生存和生长至关重要。多细胞生物是一个繁忙而有序的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢，还有赖于细胞通讯与信号传递，以协调细胞的行为。第第一一节节物物质质的的跨跨膜膜运运输输一.被动运输（passivetransport）定义：通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。转运的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供能量。类型：简单扩散（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）膜转运蛋白：1.载体蛋白（carrierproteins）——通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输。2.通道蛋白（channelproteins）——具有离子选择性，转运速率高；离子通道是门控的；只介导被动运输膜转运蛋白通道蛋白(被动运输)膜转运蛋白载体蛋白单运输(被动运输+主动运输)共运输协同运输对向运输细胞膜上的运输蛋白：载体蛋白：通过构象变化运输物质通道蛋白：形成通道、运输物质载体蛋白:膜上一类转运蛋白，可特异的、可逆的与某物质结合，通过构象变化将物质从膜的一侧运到另一侧。又称通透酶，与运输物质的结合与酶的动力学相似。通道蛋白:形成亲水的通道，允许一定大小和一定电荷的离子通过。因运转的几乎都是离子，又称离子通道.通道蛋白形成通道：细胞生物学教案邵邻相2持续开放（如水通道）间断开放（闸门通道）配体闸门通道：配体与受体结合，通道开放。电压闸门通道：膜电位变化，启动通道开放。压力激活通道：压力变化,启动通道开放。离子闸门通道：特定离子浓度变化，启动通道。神神经经------肌肌肉肉兴兴奋奋，，不不到到１１秒秒钟钟的的时时间间内内完完成成，，这这一一过过程程包包括括四四种种通通道道顺顺次次例例如如：：神神经经------肌肌肉肉兴兴奋奋，，不不到到１１秒秒钟钟的的时时间间内内完完成成，，这这一一过过程程包包括括四四种种通通道道顺顺次次开开放放：：A、刺激－神经冲动－神经末梢，膜去极化，电压闸门通道钙离子通道开放，钙离子进入神经末梢，刺激乙酰胆碱（ACH）分泌到突触间隙中；B、ACH与突触后肌细胞膜上的受体结合，配体闸门钠离子通道开放，钠离子进入肌细胞，肌细胞膜去极化；C、肌细胞膜上电压闸门钠离子通道开放，更多的钠离子进入肌细胞，肌细胞膜进一步去极化，产生动作电位，扩散到肌细胞膜；D、肌浆网上的离子闸门通道钙离子通道开放，钙离子进入细胞质，引起肌肉收缩。二二..主主动动运运输输（（aaccttiivveettrraannssppoorrtt））●定义：是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向浓度高的一侧进行跨膜转运的方式。细胞耗能。由ATP直接提供能量和间接提供能量及光能驱动.被动与主动运输的比较●主动运输类型：三种基本类型由ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵钙泵（Ca2+-ATP酶）质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶协同运输（cotransport）由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式物质的跨膜转运与膜电位进进行行主主动动运运输输的的物物质质：：各种离子（如钠离子、钾离子、氯离子、碳酸根离子、钙离子等）。葡萄糖、氨基酸等带电荷极性分子。进行主动运输的载体又称“离子泵”²钠钾泵膜上运输钠和钾离子的载体称“钠钾泵”或“钠钾ATP酶”。钠---钾泵的组成：大亚基（100000DN）：外侧：1、钾结合位点；2、鸟苯苷结合位点内侧：1、钠结合点；2、ATP结合点小亚基（45000DN）：与大亚基结合，作用不明。““钠钠钾钾泵泵””的的主主动动运运输输机制即：3Na+结合到结合位点上®酶磷酸化®酶构象变化®3Na+释放到细胞外®2K+结合到位点上®酶去磷酸化®2K+释放到细胞内，酶构象恢复原始状态。NNaa++--KK++泵泵的的作作用用产生和维持膜电位；为葡萄糖、氨基酸的主动运输创造条件；维持细胞的渗透压，例如：当肾小管细胞间隙钠过高时会导致细胞内水分外渗，细胞内缺水，人会感到口渴而饮水多。钙钙泵泵,,又又称称CCaa22++--AATTPP酶酶位于质膜和内质网上的跨膜蛋白,将CCaa22++输出细胞或泵入内质网腔中储存,以维持细胞内低浓度的游离CCaa22++..钙钙泵泵工工作作与与AATTPP的的水水解解相相偶偶联联,,每每消消耗耗一一个个AATTPP分分子子转转运运两两个个CCaa22++..钙钙调调蛋蛋白白是是钙钙泵泵的的激激活活因因子子..钙钙调调蛋蛋白白((CCaaMM))是是CCaa22++应应答答蛋蛋白白,,由由114488个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成,,含含44个个结结构构域域,,每每个个结结构构域域可可以以与与一一个个CCaa22++..CCaaMM本本身身无无活活性性,,CCaa22++与与CCaaMM结结合合后后形形成成CCaa22++--CCaaMM复复合合体体,,再再与与靶靶酶酶结结合合将将其其活活化化..细胞生物学教案邵邻相3质质子子泵泵,,又又称称HH++--AATTPP酶酶位于植物细胞、真菌和细菌质膜上的跨膜蛋白,将HH++泵出细胞建立跨膜的HH++电化学梯度，驱动转运溶质进入细胞。P-型质子泵：位于真核细胞的质膜上，转运HH++过程中涉及磷酸化和去磷酸化。V-型质子泵：位于动物细胞溶酶体膜和植物液泡膜上，转运HH++过程中不涉及磷酸化的中间体。提高细胞质中的pH和细胞器内的酸度。H+-ATP酶：位于线粒体的内膜，植物类囊体膜和细菌质膜上，利用膜上HH++梯梯度度合成ATP。协同运输（cotransport）由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式主动运输的能量不是由ATP直接提供，而是由储存在膜上离子梯度中的能量来驱动的。这类运输进行时，一种物质的运输必须依赖另一种物质的同时运输，故称为协同运输。协协同同运运输输两种物质同时相向转运，称对向运输（逆向协同运输）。如Na+--K+；Na+—H+；Cl-—HCl3-两种物质同时同向转运，称共运输（同向协同运输）。如Na+--G；Na+--aa浓度差+电位差→电化学梯度动物细胞中，Na+的电化学梯度通常是驱动另一种分子主运输的能量，如Na+梯度驱动G、aa的主动运输三、胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输或批量运输（bulktransport）。属于主动运输。●胞吞作用●胞吐作用胞吞作用●胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别特征内吞泡的大小转运方式内吞泡形成机制胞饮作用小于150nm连续发生的过程需要笼形蛋白形成包被及接合素蛋白连接吞噬作用大于250nm需受体介导的信号触发过程需要微丝及结合蛋白的参与受体介导的内吞作用及包被的组装胞内体：是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解。胞内体上有质子泵。胞吐作用胞吐作用：是将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞膜运出细胞的过程。●组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）所有真核细胞连续分泌过程用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）defaultpathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面●调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）特化的分泌细胞储存——刺激——释放产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定●膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的细胞生物学教案邵邻相4●囊泡与靶膜的识别与融合胞胞吞吞作作用用途途径径膜上糖蛋白或糖脂识别与膜接触膜内陷包围物质膜融合去封口囊泡进入细胞胞内体：是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解。胞内体上有质子泵。第第二二节节细细胞胞通通讯讯与与信信号号传传递递一一、、细细胞胞通通讯讯与与细细胞胞识识别别（一）细胞通讯（cellcommunication）一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组●细胞通讯方式：分泌化学信号进行通讯内分泌（endocrine）激激素素分分泌泌后后作作用用较较远远的的靶靶细细胞胞，，其其传传递递介介质质为为血血液液。。旁分泌（paracrine）激激素素分分泌泌释释放放后后作作用用于于邻邻近近的的靶靶细细胞胞，，其其传传递递介介质质为为细细胞胞间间液液。。自分泌（autocrine）激激素素分分泌泌释释放放后后仍仍作作用用于于自自身身细细胞胞，，其其传传递递介介质质为为胞胞液液；；化学突触（chemicalsynapse）接触性依赖的通讯细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白间隙连接实现代谢偶联或电偶联（二）细胞识别（cellrecognition）●概念：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。●信号通路（signalingpathway）细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。（（三三））细细胞胞的的信信号号分分子子与与受受体体●信号分子（signalmolecule）亲脂性信号分子（）亲水性信号分子气体性信号分子(NO)受体（receptor）受体是细胞膜或细胞内的功能性糖蛋白，可特异地识别配体并与之结合，引起相应的生物效应。多为糖蛋白细胞内受体：为胞外亲脂性信号分子所激活激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）此型受体主要包括类固醇激素受体，如糖皮质激素受体（GR）、雌激素受体（ER）、孕激素受体（PR）、雄激素受体（AR）、盐皮质激素受体（MR）等；维生素D3受体（VDR）以及甲状腺激素受体（TR）。这些激素进入细胞以后，能与特异性受体结合形成活性复合物，然后作用于染色体DNA，调节基因表达，从而影响细胞的物质代谢和生理活动。细胞生物学教案邵邻相5细胞表面受体:为胞外亲水性信号分子所激活细胞表面受体分属三大家族：离子通道偶联的受体（ion-channel-linkedreceptor）G-蛋白偶联的受体（G-protein-linkedreceptor）酶偶连的受体（enzyme-linkedreceptor）受体的功能：介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用)信号转导：受体的激活（activation）（级联反应）；受体失敏（desensitization）关闭反应、减量调节（down-regulation）降低反应。●第二信使（secondmessenger）cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3），二酰基甘油（DG）●分子开关（molecularswitches）细胞内信号传递中起举足轻重作用的一类蛋白质，通过磷酸化或结合GTP而活化，开启信号通路，通过去磷酸化或结合GDP而失活，关闭信号通过。二、通过细胞内受体介导的信号