细胞的基本功能(4).ppt
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1、(Basic Function of the Cell )(Basic Function of the Cell )0可编辑版可编辑版内 容 提 要细胞膜的结构和细胞膜的结构和 物质转运功能物质转运功能细胞的信号转导细胞的信号转导细胞的电活动细胞的电活动肌细胞的收缩肌细胞的收缩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酶联型受体介导的信号转导酶联型受体介导的信号转导酶联型受体介导的信号转导酶联型受体介导的信号转导离子通道型受体介导的信号转导离子通道型受体介导的信号转导离子通道型受体介导的信号转导离子通道型受体介导的信号转导横纹
2、肌横纹肌横纹肌横纹肌平滑肌平滑肌平滑肌平滑肌细胞膜的结构概述细胞膜的结构概述细胞膜的结构概述细胞膜的结构概述物质的跨膜转运物质的跨膜转运物质的跨膜转运物质的跨膜转运动作电位及其产生机制动作电位及其产生机制动作电位及其产生机制动作电位及其产生机制静息电位及其产生机制静息电位及其产生机制静息电位及其产生机制静息电位及其产生机制局部电位局部电位局部电位局部电位生物电现象的观察和记录方法生物电现象的观察和记录方法生物电现象的观察和记录方法生物电现象的观察和记录方法可兴奋细胞及其兴奋性可兴奋细胞及其兴奋性可兴奋细胞及其兴奋性可兴奋细胞及其兴奋性1可编辑版可编辑版细胞膜的结构和物质细胞膜的结构和物质转运功
3、能转运功能第一节第一节2可编辑版一、细胞膜的结构概述一、细胞膜的结构概述(The structure of the cellular membrane )(The structure of the cellular membrane )Lipid bilayerSugarProtein3可编辑版可编辑版 细胞膜和细胞器膜主要由细胞膜和细胞器膜主要由脂质脂质(lipid)和和蛋蛋白质白质(protein)组成,此外还有极少量的组成,此外还有极少量的糖类物糖类物质质。液态镶嵌模型 膜是以液态的脂质双分子层为基架,其间镶嵌膜是以液态的脂质双分子层为基架,其间镶嵌膜是以液态的脂质双分子层为基架,其间镶
4、嵌膜是以液态的脂质双分子层为基架,其间镶嵌着许多具有不同结构和功能的蛋白质。着许多具有不同结构和功能的蛋白质。着许多具有不同结构和功能的蛋白质。着许多具有不同结构和功能的蛋白质。4可编辑版可编辑版 (一)脂质双分子层(一)脂质双分子层 膜的脂质主要由膜的脂质主要由磷脂磷脂(phospholipid)和和胆固醇胆固醇(cholesterol)组成。以组成。以脂质双分子层脂质双分子层(lipid bilayer)的形式的形式存在于细胞膜。存在于细胞膜。5可编辑版可编辑版(二)细胞膜的蛋白(二)细胞膜的蛋白 根据功能可分为酶蛋白、转运蛋白、受体蛋白等。根据功能可分为酶蛋白、转运蛋白、受体蛋白等。根据
5、在膜上的存在形式,可分为根据在膜上的存在形式,可分为表面蛋白表面蛋白(peripheral protein)和和整合蛋白整合蛋白(integral protein)。(三)细胞膜的糖类三)细胞膜的糖类 质膜中糖类含量约质膜中糖类含量约2%-10%,主要是一些寡,主要是一些寡糖和多糖链以共价键形糖和多糖链以共价键形式与膜蛋白或膜脂质结式与膜蛋白或膜脂质结合,生成合,生成糖蛋白糖蛋白(glycoprotein)或或糖脂糖脂(glycolipid)。6可编辑版可编辑版二、物质的跨膜转运二、物质的跨膜转运(Transmembrane transport of solutes)(Transmembran
6、e transport of solutes)Simple diffusionEndocytosis and exocytosisProtein-mediated membrane transport7可编辑版可编辑版单纯扩散单纯扩散膜蛋白介导膜蛋白介导的跨膜转运的跨膜转运出胞和入胞出胞和入胞经通道易化扩散经通道易化扩散被被动动转转运运主主动动转转运运载体载体介导的介导的跨膜转运跨膜转运通道通道介导的介导的跨膜转运跨膜转运经载体易化扩散经载体易化扩散原发性主动转运原发性主动转运继发性主动转运继发性主动转运8可编辑版可编辑版(一)(一)单纯扩散单纯扩散(simple diffusion)1、概念
7、:概念:脂溶性和少数分子很小的水溶性物质由膜的脂溶性和少数分子很小的水溶性物质由膜的高高浓度浓度一侧向一侧向低浓度低浓度一侧移动的过程。一侧移动的过程。O2o O2iCO2i CO2o9可编辑版可编辑版2、特点特点:扩散的方向和速度取决于该物质在扩散的方向和速度取决于该物质在膜两侧的浓度差膜两侧的浓度差和和膜对该物质的通透膜对该物质的通透性性,后者取决于物质的脂溶性和分子,后者取决于物质的脂溶性和分子大小。大小。3、转运的物质:转运的物质:O2、CO2、N2 、水、乙醇、尿素、甘油等。、水、乙醇、尿素、甘油等。10可编辑版可编辑版1、通道介导的跨膜转运通道介导的跨膜转运K+i K+oNa+o
8、Na+i 又称离子通道(又称离子通道(ion channal),所有的离子通),所有的离子通道均无分解道均无分解ATP的能力,因此通道介导的跨膜转运的能力,因此通道介导的跨膜转运都是都是被动被动的,称为的,称为经通道易化扩散经通道易化扩散。(二)膜蛋白介导的跨膜转运(二)膜蛋白介导的跨膜转运11可编辑版可编辑版转运的物质:转运的物质:Na、K、Ca2、Cl等带电离子等带电离子特点:特点:离子选择性离子选择性(ionic selectivity)门控(门控(gating)特性)特性电压门控电压门控化学门控化学门控(配体门控)(配体门控)机械门控机械门控12可编辑版可编辑版2、载体介导的跨膜转运载
9、体介导的跨膜转运 载体也称载体也称转运体转运体,是介导小分子物质跨膜转运,是介导小分子物质跨膜转运的另一类膜蛋白。的另一类膜蛋白。特点:特点:饱和现象(饱和现象(saturation);竞争抑制(竞争抑制(competitive inhibition)分类:分类:被动转运被动转运 经载体易化扩散经载体易化扩散主动转运主动转运原发性主动转运原发性主动转运继发性主动转运继发性主动转运13可编辑版可编辑版 经载体易化扩散经载体易化扩散转运的物质:转运的物质:葡萄糖葡萄糖(GL)、氨基酸氨基酸(AA)核苷酸等核苷酸等 水溶性小分子溶质经载体介导水溶性小分子溶质经载体介导顺浓度梯度顺浓度梯度和和(或)(
10、或)电位梯度电位梯度进行的进行的被动被动跨膜转运。跨膜转运。14可编辑版可编辑版 原发性主动转运(原发性主动转运(primary active transport)离子泵利用分解离子泵利用分解ATP产生的能量将离子产生的能量将离子逆浓度逆浓度梯度梯度和(或)和(或)电位梯度电位梯度进行跨膜转运的过程。进行跨膜转运的过程。钙泵钙泵(calcium pump)钠钠-钾泵钾泵(sodium potassium pump)哺乳动物细胞上普遍存在的离子泵有:哺乳动物细胞上普遍存在的离子泵有:15可编辑版可编辑版当当Na+i,K+o时,都可被激时,都可被激活,活,ATP分解产生能量,将胞内分解产生能量,将
11、胞内的的3个个Na+移至胞外和将胞外的移至胞外和将胞外的2个个K+移入胞内。移入胞内。Na+-K+泵:泵:即即Na+-K+-ATPase,简称钠泵,简称钠泵16可编辑版可编辑版.胞内高胞内高K是许多代谢反应的必要条件是许多代谢反应的必要条件.维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定维持胞质渗透压和细胞容积的相对稳定.建立势能贮备,建立势能贮备,为其它一些物质的转运提供动力为其它一些物质的转运提供动力排排钠钠摄摄钾钾Na+-K+泵的泵的生理意义:生理意义:17可编辑版可编辑版继发性主动转运继发性主动转运(secondary active transport)概念:概念:间接间接利用能量进行物质转运的方
12、式,称为继利用能量进行物质转运的方式,称为继发性主动转运。发性主动转运。物质在物质在逆浓度梯度逆浓度梯度或或逆电位梯度逆电位梯度转运时,能量转运时,能量不直接来自不直接来自ATP的分解,而是来自原发性主动转运在的分解,而是来自原发性主动转运在膜两侧形成的膜两侧形成的离子浓度梯度离子浓度梯度(浓度势能差)。(浓度势能差)。继发性主动转运在体内广泛存在,继发性主动转运在体内广泛存在,如:葡萄如:葡萄糖在小肠粘膜的重吸收;糖在小肠粘膜的重吸收;Na+-H+交换;交换;Na+-Ca2+交交换;换;Na+-K+-2Cl-同向转运等同向转运等18可编辑版可编辑版同向转运同向转运 反向转运反向转运 继发性主
13、动转运就是经载体易化扩散与继发性主动转运就是经载体易化扩散与原发性主动转运相耦联的主动转运系统原发性主动转运相耦联的主动转运系统19可编辑版可编辑版被动转运被动转运被动转运被动转运(passive transport)(passive transport)不耗能不耗能不耗能不耗能(转运动力依(转运动力依赖物质的电赖物质的电-化学梯化学梯度所贮存的势能)度所贮存的势能)顺顺顺顺电电-化学梯度进行化学梯度进行 主动转运主动转运主动转运主动转运(active transport)(active transport)需要需要消耗能量消耗能量消耗能量消耗能量,能量,能量由分解由分解ATP来提供来提供逆逆
14、逆逆电电-化学梯度进行化学梯度进行20可编辑版可编辑版(三)出胞和入胞(三)出胞和入胞 一些大分子物质或团块进出细胞,是通过细胞本一些大分子物质或团块进出细胞,是通过细胞本身身的吞吐活动进行的。的吞吐活动进行的。1 1、出胞出胞(exocytosis)指胞质内的大分子物质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。以分泌囊泡的形式排出细胞的过程。主要见于细胞的主要见于细胞的分泌分泌过程,如激素、神经递质、过程,如激素、神经递质、消化液的分泌。消化液的分泌。出出胞胞不间断不间断的排出,是细胞本身固有的活动。如:的排出,是细胞本身固有的活动。如:小肠黏膜杯状细胞持续分泌黏液。小肠黏膜杯状细
15、胞持续分泌黏液。细胞受到某些化学信号或电信号细胞受到某些化学信号或电信号诱导诱导时排出细胞,时排出细胞,是一种受调节的过程。如:神经末梢递质的释放。是一种受调节的过程。如:神经末梢递质的释放。21可编辑版可编辑版2、入胞入胞(endocytosis)指细胞外的大分子物质或团块借助于细胞膜形成指细胞外的大分子物质或团块借助于细胞膜形成吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程。吞噬泡或吞饮泡的方式进入细胞的过程。液相入胞:液相入胞:细胞本身细胞本身固有固有固有固有的活动的活动受体介导入胞:受体介导入胞:被转运物与膜受被转运物与膜受体的特异性结合,体的特异性结合,选择性地选择性地选择性地选择性地促进促进被
16、转运物进入细胞。被转运物进入细胞。入入胞胞吞噬吞噬(phagocytosis)吞饮吞饮(pinocytosis)22可编辑版可编辑版出胞出胞入胞入胞23可编辑版可编辑版单纯扩散单纯扩散膜蛋白介导膜蛋白介导的跨膜转运的跨膜转运出胞和入胞出胞和入胞经通道易化扩散经通道易化扩散被被动动转转运运主主动动转转运运载体载体介导的介导的跨膜转运跨膜转运通道通道介导的介导的跨膜转运跨膜转运经载体易化扩散经载体易化扩散原发性主动转运原发性主动转运继发性主动转运继发性主动转运小小 结结24可编辑版可编辑版第二节第二节细胞的跨膜信号转导细胞的跨膜信号转导25可编辑版Cellular Transmembrane Si
17、gnal TransductionCellular Transmembrane Signal TransductionSignal Transduction mediated by Signal Transduction mediated by ion channel-ion channel-coupled receptorcoupled receptorSignal Transduction mediated by Signal Transduction mediated by enzymeenzyme coupled receptorcoupled receptorSignal Trans
18、duction mediated by Signal Transduction mediated by G-protein G-protein coupled receptorcoupled receptor26可编辑版可编辑版多细胞生物体必须具备完善的信号转导系统以多细胞生物体必须具备完善的信号转导系统以协调其正常的生理功能。细胞间传递信息的物协调其正常的生理功能。细胞间传递信息的物质多达几百种:如递质、激素、细胞因子等。质多达几百种:如递质、激素、细胞因子等。跨膜信号转导主要涉及到:跨膜信号转导主要涉及到:胞外信号的识别与胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应结合、信号转导、胞内效应等三
19、个环节。等三个环节。跨膜信号转导方式大体有以下跨膜信号转导方式大体有以下三类三类:离子通道型受体离子通道型受体离子通道型受体离子通道型受体介导的信号转导介导的信号转导 G G蛋白耦联受体蛋白耦联受体蛋白耦联受体蛋白耦联受体介导的信号转导介导的信号转导 酶联型受体酶联型受体酶联型受体酶联型受体介导的信号转导介导的信号转导27可编辑版可编辑版骨骼肌收缩骨骼肌收缩终板膜电位终板膜电位Na+内流内流终板膜变构终板膜变构=离子通道开放离子通道开放Ach+受体受体=复合体复合体 离子通道大体有:化学、电压、机械性门控通道离子通道大体有:化学、电压、机械性门控通道化学性胞外信号化学性胞外信号(Ach)一、离
20、子通道型受体介导的信号转导一、离子通道型受体介导的信号转导28可编辑版可编辑版二、二、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(一)主要的信号蛋白(一)主要的信号蛋白 1 1、G蛋白耦联蛋白耦联受体受体(7次跨膜受体次跨膜受体):2、G蛋白(鸟苷酸结合蛋白):蛋白(鸟苷酸结合蛋白):亚基亚基 与与GDP或或GTP结合结合亚基亚基亚基亚基 形成二聚体形成二聚体 3 3、G蛋白效应器:酶和离子通道蛋白效应器:酶和离子通道 如:如:AC、PLC、PDE、磷脂酶磷脂酶A2 29可编辑版可编辑版4、第二信使:第二信使:第二信使:第二信使:cAMP(环一磷酸腺苷)环一磷酸腺苷)、cGMP(环
21、一磷酸鸟苷)环一磷酸鸟苷)、Ca2+IP3(三磷酸肌醇)(三磷酸肌醇)、DG(二酰甘油)(二酰甘油)作用的基本过程:作用的基本过程:配体受体配体受体受体变构,与受体变构,与G蛋白结合,蛋白结合,G蛋白蛋白激活激活亚基亚基 GTP 形成形成-GTP复合物,复合物,-二聚体二聚体-GTP与效应器结合与效应器结合 第二信使第二信使激活蛋白激酶,产生生物效应激活蛋白激酶,产生生物效应30可编辑版可编辑版1、受体受体G蛋白蛋白AC途径途径神经递质、激素等神经递质、激素等(第一信使)(第一信使)(第一信使)(第一信使)兴奋性兴奋性G蛋白蛋白(Gs)激活腺苷酸环化酶激活腺苷酸环化酶(AC)ATPcAMP(第
22、二信使)(第二信使)(第二信使)(第二信使)细胞内生物效应细胞内生物效应激活激活cAMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶A与与G蛋白耦联受体结合蛋白耦联受体结合膜外膜外N端:识别、结合第一信使端:识别、结合第一信使膜内膜内C端:激活端:激活G蛋白蛋白激活激活G蛋白蛋白(与与、亚单位分离亚单位分离)(二)(二)G蛋白耦联受体信号转导的主要途径蛋白耦联受体信号转导的主要途径31可编辑版可编辑版膜外膜外N端:识别、结合第一信使端:识别、结合第一信使膜内膜内C端:激活端:激活G蛋白蛋白2、受体受体G蛋白蛋白PLC途径途径激素激素(第一信使)(第一信使)(第一信使)(第一信使)兴奋性兴奋性G蛋白蛋白(Gs)
23、激活磷脂酶激活磷脂酶C(PLC)PIP2IP3 和和 DG(第二信使)(第二信使)(第二信使)(第二信使)激活激活蛋白激酶蛋白激酶C内质网内质网释放释放Ca2+激活激活G蛋白蛋白(与与、亚单位分离亚单位分离)细胞内生物效应细胞内生物效应结合结合G蛋白耦联受体蛋白耦联受体32可编辑版可编辑版三、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 生长因子生长因子与受体酪氨酸激酶结合与受体酪氨酸激酶结合细胞内生物效应细胞内生物效应特点:特点:信号转导与信号转导与G蛋白无关;蛋白无关;无第二信使的产生;无第二信使的产生;无胞质中蛋白激酶的激活。无胞质中蛋白激酶的激活。受体本身具有酶的活性,又称受体
24、酪氨酸激酶。受体本身具有酶的活性,又称受体酪氨酸激酶。膜内膜内C端:具有酪氨酸激酶活性端:具有酪氨酸激酶活性膜外膜外N端:识别、结合第一信使端:识别、结合第一信使33可编辑版可编辑版细胞的电活动细胞的电活动第三节第三节34可编辑版 恩格斯在恩格斯在100多年前总结自然科学成就多年前总结自然科学成就时指出:时指出:“地球几乎没有一种变化发生而不地球几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象同时显示出电的现象”;生物体当然也不例;生物体当然也不例外。事实上,在埃及残存史前古文字中,已外。事实上,在埃及残存史前古文字中,已有电鱼击人的记载;但对于生物电现象的研有电鱼击人的记载;但对于生物电现象的研究
25、,只能是在人类对于电现象一般规律和本究,只能是在人类对于电现象一般规律和本质有所认识以后,并随着电测量仪器的精密质有所认识以后,并随着电测量仪器的精密化而日趋深入。化而日趋深入。活的细胞或组织不论在安静还是活动时,活的细胞或组织不论在安静还是活动时,都具有电的变化,称为都具有电的变化,称为生物电现象生物电现象。(bioelectricity phenomenon)35可编辑版可编辑版19世纪中叶,使用电位计观察电变化世纪中叶,使用电位计观察电变化20世纪初,利用阴极射线示波器、微电世纪初,利用阴极射线示波器、微电极观察神经干动作电位极观察神经干动作电位20世纪世纪50年代,利用电压钳技术研究离
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