生理学：第二篇细胞的基本功能

(endoplasmic reticulum)一、一、 膜的化学组成和基本功能膜的化学组成和基本功能细胞膜或质膜细胞膜或质膜（cell/plasma membrane）第二章第二章 细胞膜的结构特征和物质转运功能细胞膜的结构特征和物质转运功能u 结构支持结构支持u 屏障作用屏障作用u 物质转运功能物质转运功能u 跨膜信息传递功能跨膜信息传递功能u 细胞膜的兴奋功能细胞膜的兴奋功能第一节第一节 细胞膜的结构特征细胞膜的结构特征 二、液态镶嵌模型二、液态镶嵌模型 (fluid mosaic model)n基架：液态的脂质双分子层基架：液态的脂质双分子层n中间：镶嵌许多结构和功能中间：镶嵌许多结构和功能不同的蛋白质不同的蛋白质疏水性非极性基团疏水性非极性基团 （长烃链）（长烃链）亲水性极性基团亲水性极性基团 （磷酸和碱基）（磷酸和碱基） 半透膜半透膜O O2 2，能源物质能源物质氨基酸氨基酸脂类脂类各种离子等各种离子等细胞细胞CO2CO2代谢尾产物代谢尾产物u 哪些哪些物质可以通过细胞膜物质可以通过细胞膜?u 这些物质是这些物质是如何如何通过细胞膜的通过细胞膜的? ?第二节第二节 细胞膜的物质转运功能细胞膜的物质转运功能不同物质透过人工脂双层的能力不同不同物质透过人工脂双层的能力不同按照是否需要按照是否需要消耗能量消耗能量分：分：n被动转运被动转运n主动转运主动转运（二）单纯扩散（二）单纯扩散（simple diffusion)一些脂溶性物质由膜的一些脂溶性物质由膜的高高浓度浓度一侧向一侧向低低浓度浓度一侧移动的过程。一侧移动的过程。一、被动运输一、被动运输（一）扩散与渗透是溶液分子被动转运的两个过程（一）扩散与渗透是溶液分子被动转运的两个过程细细 胞胞CO2O2特点：特点： 非脂溶性物质在细非脂溶性物质在细胞胞的帮助下，的帮助下，diffusion 1.1.通道通道 (channel)2.2.载体载体 (carrier)（三）易化扩散是膜蛋白介导的被动转运（三）易化扩散是膜蛋白介导的被动转运1、通道转运、通道转运（channel transport） 非脂溶性物质在细胞非脂溶性物质在细胞的帮助下，的帮助下， 由于由于“孔道孔道”较小，只能允许直径较小的离子通过，所以较小，只能允许直径较小的离子通过，所以通道蛋白主要是用来转运离子的，包括通道蛋白主要是用来转运离子的，包括Na+, K+, Cl, Ca2+ 等。等。 根据其结构特异性和转运离子的特异性根据其结构特异性和转运离子的特异性命名命名： NaNa+ +通通道、道、K K+ +通道、通道、 ClCl通道、通道、 CaCa2+2+通道等。通道等。通道两种状态：开放（激活）、关闭（静息和失活）通道两种状态：开放（激活）、关闭（静息和失活）通道的门控特性通道的门控特性借助通道蛋白进行易化扩散借助通道蛋白进行易化扩散电压门控通道电压门控通道化学门控通道化学门控通道机械门控通道机械门控通道 Na Na+ +通道的功能状态：通道的功能状态：备用：关闭，受适当刺激可被激活和重新开放备用：关闭，受适当刺激可被激活和重新开放激活：开放激活：开放失活：关闭，受适当刺激也不能被激活或重新开放失活：关闭，受适当刺激也不能被激活或重新开放电压门控通道电压门控通道通道开放通道开放离子进入膜内离子进入膜内神经递质神经递质（AchAch）离子离子细胞外细胞外细胞内细胞内化学门控通道化学门控通道机械门控通道机械门控通道膜外通道的开放和关闭受机械 力 控 制膜内微管胞外锚锭结构NaNa+ +通道阻断剂：河豚毒通道阻断剂：河豚毒 ( (tetrodotoxin, TTX)tetrodotoxin, TTX) 利多卡因（利多卡因（lidocaine)lidocaine)K K+ +通道阻断剂：通道阻断剂： 四乙胺四乙胺 ( (tetraethylammoniumtetraethylammonium) ) 转运带电离子，完成跨膜信号传递转运带电离子，完成跨膜信号传递(Na(Na+ +、K K+ +、CaCa2+2+) )1 1、顺浓度差或电位差、顺浓度差或电位差 2 2、膜蛋白帮助、膜蛋白帮助3 3、不消耗能量、不消耗能量4 4、转运离子、转运离子2、载体介导的易化扩散、载体介导的易化扩散 (carrier) 非脂溶性物质在细胞非脂溶性物质在细胞的帮助下，的帮助下，葡萄糖、氨基酸葡萄糖、氨基酸载体转运对象载体转运对象: :(1) (1) 结构特异性结构特异性Glucose transporters move 6 carbon sugars (己糖).Glucose transporters will not move maltose (麦芽糖).载体转运特点载体转运特点: :(2) (2) 饱和现象饱和现象(3) (3) 竞争性抑制竞争性抑制Only galactose Glucose and galactose ( (半乳糖半乳糖) )载体载体细胞膜细胞膜AB水的跨膜转运水的跨膜转运单纯扩散单纯扩散水虽是极性分子水虽是极性分子但分子极小，又不带电荷。但分子极小，又不带电荷。 渗透渗透 (osmosis)溶液拖曳溶液拖曳 (solvent drag)易化扩散易化扩散水通道水通道 (water channel)水孔蛋白水孔蛋白 (aquaporin, AQP) Water channel Primary (direct) Active Transport Secondary (indirect) Active Transport二、主动转运二、主动转运 细胞膜通过其中的细胞膜通过其中的泵蛋白利用生物能泵蛋白利用生物能将物质分子或离子将物质分子或离子逆浓度差或（和）电位差逆浓度差或（和）电位差进行转运的过程。进行转运的过程。（一）原发性主动转运（一）原发性主动转运 （primary active transport）u钠泵（钠钠泵（钠- -钾泵，钠钾泵，钠- -钾钾ATPATP酶）、钙泵、碘泵等。酶）、钙泵、碘泵等。u钠钠- -钾泵：分解钾泵：分解1 1个分子个分子ATPATP，使使3 3个个Na+Na+移出膜外，移出膜外， 2 2个个K+K+移到膜内移到膜内生电性钠泵生电性钠泵。 3 3钠出钠出2 2钾入钾入泵入和泵出正离子数相等泵入和泵出正离子数相等-中性泵中性泵 Na+-K+ ATPaseNa+K+Low levels of intracellular Na+ Step 1: Active transport: Na+-K+ ATPase3 Intracellular Na+ ions bind onto Na+ -K+ ATPase Step 2: Active transport: Na+-K+ ATPaseATP hydrolysis Step 3: Active transport: Na+-K+ ATPaseThe 3 Na+ ions are released Into the ECF Step 4: Active transport: Na+-K+ ATPaseBinding of 2 K+ ions from ECF Step 5: Active transport: Na+-K+ ATPaseIntracellular release of 2K+ ions钠泵作用：钠泵作用：泵入钾泵出钠，形成并保持泵入钾泵出钠，形成并保持 膜内高钾膜外高钠膜内高钾膜外高钠的分布，的分布，建立势能贮备。建立势能贮备。参与生物电活动参与生物电活动维持细胞正常体积，防止水肿维持细胞正常体积，防止水肿胞内高钾是许多生物生化反应胞内高钾是许多生物生化反应 的必需条件的必需条件（二）继发性主动转运（二）继发性主动转运（secondary active transport） 1 1）概念）概念: :利用原发性主动转运所造成的某种物质的势利用原发性主动转运所造成的某种物质的势能贮备，使其它物质进行逆浓度差跨膜转运的过程。能贮备，使其它物质进行逆浓度差跨膜转运的过程。 如肾小管和肠黏膜处的葡萄糖和氨基酸的转运。如肾小管和肠黏膜处的葡萄糖和氨基酸的转运。 转运体蛋白（转运体蛋白（转运体，转运体，transportertransporter) )2 2）特点）特点 间接耗能（钠泵）间接耗能（钠泵） 膜转运体（特殊蛋白质）膜转运体（特殊蛋白质）NaNa+ + 和葡萄糖的同向转运和葡萄糖的同向转运Sodium-glucose symporter同向转运同向转运 (symport)和逆向转运和逆向转运(antiport)三、出胞和入胞三、出胞和入胞转运对象：大分子或物质团块转运对象：大分子或物质团块入胞入胞 (endocytosis): 吞噬吞噬(phagocytosis) 吞饮吞饮(pinocytosis)出胞出胞 (exocytosis) 第一节第一节 细胞信号转导的概念和一般特性细胞信号转导的概念和一般特性 transmembrane signal transduction 第三章第三章 细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导 一、细胞外的化学信号一、细胞外的化学信号化学信号化学信号激素、递质、细胞因子（激素、递质、细胞因子（cytokines)cytokines)机械信号机械信号电信号电信号电磁波，等电磁波，等信号转导信号转导细胞外刺激信号作用于细胞的特殊结构，细胞外刺激信号作用于细胞的特殊结构，通过一系列反应实现对细胞功能活动的调控。通过一系列反应实现对细胞功能活动的调控。第二节第二节 跨膜信号转导的几种主要方式跨膜信号转导的几种主要方式 离子通道（离子通道（G ion channel） G G蛋白耦联受体（蛋白耦联受体（G protein-linked receptor） 酶耦联受体（酶耦联受体（enzyme-linked receptor）一、一、离子通道型受体离子通道型受体介导的跨膜信号传递介导的跨膜信号传递 细胞膜上细胞膜上同一个生物分子，同一个生物分子，既是既是受体受体 ( (能与配体特异性结合能与配体特异性结合) )又是又是离子通道离子通道( (即：配体门控通道，或化学门控通道即：配体门控通道，或化学门控通道) )。 信号转导过程：信号转导过程： 细胞外刺激信号细胞外刺激信号与与细胞膜上细胞膜上通道耦联受体通道耦联受体结合结合通道通道开或开或闭闭相应相应离子离子跨膜移动改变跨膜移动改变膜电位膜电位改变改变(新信号新信号形式形式) 细细胞功能变化。胞功能变化。化学门控通道化学门控通道 (chemically gated channel) 电压门控通道电压门控通道 (voltage gated channel)机械门控通道机械门控通道 (mechanically gated channel)激素、神经递质（第一信使激素、神经递质（第一信使第二信使第二信使二、二、G-G-蛋白耦联受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导 G 蛋白耦联受体蛋白耦联受体, G protein-linked receptor G蛋白蛋白, G protein ( GTP结合蛋白，结合蛋白，GTP-binding protein)G蛋白效应器，蛋白效应器， G protein effector第二信使，第二信使，second messenger蛋白激酶，蛋白激酶，protein kinase1. 肾上腺素肾上腺素+受体受体 Gs蛋白蛋白 激活腺苷激活腺苷 酸环化酶酸环化酶 ATP cAMP 一些蛋白质磷酸化一些蛋白质磷酸化 PKA 2. 乙酰胆碱乙酰胆碱+受体受体 Go蛋白蛋白 激活磷脂酶激活磷脂酶C 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇 三磷酸肌醇三磷酸肌醇+二酰甘油二酰甘油 一些蛋白质磷酸化一些蛋白质磷酸化 PKC 1 1 第一信使：激素、递质等第一信使：激素、递质等2 2 效应器酶：腺苷酸环化酶、磷酯酶效应器酶：腺苷酸环化酶、磷酯酶C C等等3 3 第二信使：第二信使：cAMPcAMP、IP3IP3、DGDG、cGMPcGMP、 PG PG、钙离子等钙离子等 第二信使学说 G蛋白蛋白-GDP第一信使第一信使+R G蛋白蛋白-GTP 效应器酶效应器酶 蛋白激酶蛋白激酶 第二信使第二信使及其他及其他 第二信使前体第二信使前体细胞功能改变细胞功能改变酪氨酸激酶受体：酪氨酸激酶受体： 膜外部分膜外部分 跨膜跨膜a- a- 螺旋螺旋 膜内肽段膜内肽段 识别相应配体识别相应配体 酪氨酸残基磷酸化酪氨酸残基磷酸化 三、酶联型受体介导的信号转导三、酶联型受体介导的信号转导1.1.同一蛋白质分子，既是同一蛋白质分子，既是酶酶又是又是受体受体，如：如：酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体 配体与受体膜外段的配体结合区域结合配体与受体膜外段的配体结合区域结合受体分子内信受体分子内信号传导号传导激活受体膜内段的酪氨酸激酶胞质内一系列变化。激活受体膜内段的酪氨酸激酶胞质内一系列变化。肽类激素（如胰岛素）、细胞因子（如肽类激素（如胰岛素）、细胞因子（如NGFNGF） 细胞膜上细胞膜上酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体 膜内侧肽段的蛋白激酶被激活膜内侧肽段的蛋白激酶被激活 酪氨酸残基酪氨酸残基磷酸化磷酸化 细胞功能改变细胞功能改变