1、第二章 細胞膜動力學和跨膜信號通訊,一、細胞膜的分子結構及其組成 The molecule structures of cell membrane.,質膜 (plasma membrane), 單位膜 (unit membrane)化學組成脂質 (lipids)蛋白質 (proteins)糖 (carbohydrates),第一節(jié) 細胞膜超微結構及物質跨膜轉運,液態(tài)鑲嵌模

2、型(fluid mosaic model) (Singer和Nicholson提出, 1972 年),基本內容： 膜的結構特征是以液態(tài)的類脂質雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同生理功能的各種蛋白質分子。,The molecular structure of cell membrane. A mammalian cell membrane is composed of two layers of lipi

3、d in which protein molecules are embedded.,脂質以雙分子層形式存在,磷脂：＞70%親水性的極性基團(磷酸和堿基)疏水性的非極性基團(脂肪酸側鏈)膽固醇：＜30%鞘脂：少量脂質的性質： 液態(tài)，脂溶性，柔軟性 和一定的流動性。其流動性大小與某些成分的含量有關。脂質的作用：屏障,,蛋白質,a－螺旋或球形結構整合蛋白質或內在蛋白質 (integr

4、al proteins or intrinsic proteins)周圍蛋白質或表面蛋白質 (peripheral proteins or extrinsic proteins),,膜蛋白質的主要功能,物質、能量、信息的跨膜轉運或轉換. 載體 (carrier) 通道 (channel) 離子泵 (pump) 受體 (receptor) 酶 (enzyme) 免疫 (immune),細胞膜的糖類

5、,寡糖或多糖鏈形成糖脂和糖蛋白糖被或細胞外衣 (glycocalyx or cell coat)主要功能： ① 細胞的“標記”，如作為抗原決定簇 ② 膜受體的“識別”部分,二、細胞膜的物質轉運 The transport function across cell membrane.,轉運形式包括被動轉運 (passive transport)主動轉運 (active transport),(

6、一) 單純擴散 (simple diffusion ),脂溶性物質或氣體順濃度差的跨細胞膜轉運。 如O2、CO2、乙醇、脂肪酸。 高濃度區(qū) 低濃度區(qū)跨膜物質轉運的擴散通量決定于 電化學梯度 膜的通透性 (permeability),Lipid-soluble molecules are capable of moving free

7、ly across the cell membrane by simple diffusion down their concentration gradients.,,水孔蛋白(aquaporin) 水溶性分子可通過水孔蛋白形成的特異 通道進出細胞。,(二) 膜蛋白介導的跨膜轉運 易化擴散 (facilitated diffusion ),不溶于脂質或難溶于脂質的物質，在膜蛋白的幫助下從高濃度側向低濃度

8、側跨膜轉運。 如葡萄糖、氨基酸、離子等。以載體(carrier)為中介的易化擴散以通道(channel)為中介的易化擴散,1. 由載體介導的易化擴散 (carrier-mediated diffusion),特點：高度結構特異性 (specificity)飽和現(xiàn)象 (saturation)競爭性抑制 (competition)順濃度梯度，不需額外供能,2.由通道介導的易化擴散 (c

9、hannel-mediated diffusion),特點： 有一定特異性，但沒有載體嚴格; 可以處于開放或關閉的不同功能狀態(tài)，通透性變化快。 跨膜電流 (transmembrane current)：當通道開放引起帶電離子跨膜移動形成的電流。,,被動轉運的特點： 順濃度梯度移動，無需細胞額外供能,(三) 主動轉運 (active transport),概念： 細胞膜通過本身的

10、某種耗能過程，將 某些物質經細胞膜逆濃度梯度或電位 梯度轉運的過程。特點： 逆濃度梯度進行，消耗能量。,In some situations, the molecules pass though the membrane against a concentration gradient and this process is called active trans

11、port.,1. 原發(fā)性主動轉運 (primary active transport),轉運蛋白(transporter protein) 分解ATP,鈉-鉀泵（sodium-potassium pump）,存在于細胞膜上的一種具有ATP酶活性 的特殊蛋白質。 受Mg2+濃度的影響，分解ATP釋放能量，進行 Na+ 、K+逆濃度和電位梯度的轉運。ATP：Na+：K+＝1：3：2,鈉-鉀泵的生理意義,維持細胞內

12、高K+ 是許多代謝反應進行的必需條件。維持細胞外高Na+ 使得Na+不易進入細胞，也阻止了與之相伴 隨的水的進入，對維持正常細胞的滲透壓 與形態(tài)有著重要意義。建立勢能貯備 是神經、肌肉等組織具有興奮性的基礎， 也是一些非離子性物質如葡萄糖、氨基酸 等進

13、行繼發(fā)性主動轉運的能量來源。,2. 繼發(fā)性主動轉運 (secondary active transport ) 逆濃度梯度或逆電位梯度的轉運時，能量 來自膜兩側Na+濃度差，而Na+濃度差是 Na+--K+泵分解ATP釋放的能量建立的。 同向轉運 (symport, cotransport) 反向轉運 (antiport, c

14、ountertransport),(四) 胞吞和胞吐 (endocytosis & exocytosis),指細胞外某些物質團塊（如蛋白質、脂肪顆粒、侵入體內的細菌或異物等）進入細胞的過程。吞噬 (phagocytosis)吞飲 (pinocytosis) 胞吮(potocytosis) 胞膜窖胞吮 (caveolae potocytosis) 受體介導式入胞 (

15、receptor-mediated endocytosis) （現(xiàn)認為是一種最重要的入胞形式）指一些大分子物質或固態(tài)、液態(tài)的物質團塊由細胞排出的過程。,If the molecules are bigger, they cannot cross the membrane through the channel or carrier, and those substances get into or o

16、ut of the cell through even more complicated mechanisms called endocytosis and exocytosis, respectively.,入胞和出胞均要消耗能量,細胞的跨膜信號傳遞 transmembrane signal transmission of cell,膜通道跨膜信號轉導膜受體-G蛋白-第二信使跨膜信號轉導 激酶相關受體介導跨

17、膜信號轉導,跨膜信號轉導 (transmembrane signal transduction),第二節(jié) 細胞間通訊和信號轉導,（一）膜通道跨膜信號傳遞系統(tǒng) (transmembrane signal transmission system via membrane channels),化學門控通道 （興奮收縮耦聯(lián)） nAChR：α1、α2、β、γ、δG

18、lu、Asp、 GABA、Gly、ATP、5-HT受體電壓門控通道 （神經、心肌）3種Na+、5種K+、3種Ca2+機械門控通道（平滑肌細胞、內耳毛細胞）,通道轉運離子的機制 ─ 門控 (gate control),通道的開放或關閉決定于：膜兩側的電位差 電壓門控性通道 ( voltage-gated channel)膜兩側的特定化學性信號 化學門控性通道（chemically-gate

19、d channel）膜的機械活動 機械門控性通道（mechanical-gated channel）,Ach受體,離子通道型受體,煙堿 (nicotine)毒蕈堿 (muscarine),電壓門控鈉通道 (voltage-gated sodium channel, VGSC),Structure of the voltage-gated sodium channel,Shaker鉀通道,電壓門控鉀通道

20、 (voltage-gated potassium channel),,鉀通道孔道俯視圖,從通道外側觀察孔道中間的紅球為K+,L型鈣通道,電壓門控鈣通道 (voltage-gated calcium channel, VGCC),（二）受體-G蛋白-第二信使跨膜信號傳遞系統(tǒng) (transmembrane signal transmission system via

21、receptor-G protein-second messenger),跨膜信號傳遞的三個環(huán)節(jié)： 胞外信號的識別與結合 信號傳遞 胞內效應,1. G蛋白耦聯(lián)的受體,mAchR、多巴胺、5-HT、P物質、K物質、組胺受體等（7次跨膜α螺旋）,2. G蛋白 (G-proteins),鳥苷酸結合蛋白(GTP-binding proteins) 存在于膜結構中的蛋白質。 G蛋白： α、β 、γ（

22、多種）,One pattern involves receptors on the cell surface which are coupled with guanine nucleotide-binding proteins or G proteins on the inner face of the membrane.,The basic mode of operation of G-proteins.,3. 效應器酶和第二信使,腺

23、苷酸環(huán)化酶：ATP → cAMP 磷脂酶C：PIP2 → IP3、DG,The stimulation and inhibition of adenylyl cyclase by different G-proteins.,以環(huán)-磷酸腺苷(cAMP)第二信使的信息傳遞系統(tǒng),化學物質與膜G-蛋白偶聯(lián)受體結合 → 膜中的G-蛋白激活(Gs) → ATP轉化為cAMP → 胞內cAMP濃度增高 → 激活蛋白激酶A(PKA) → 激活多種蛋白

24、 → 細胞功能改變,PIP2水解所觸發(fā)的第二信使級聯(lián)反應,以三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DG)為第二信使的信息傳遞系統(tǒng),化學物質與膜受體結合 → 膜中的G蛋白激活 → 膜中的磷脂酶C(PLC)激活 → 磷脂酰肌醇生成IP和DG → IP3和DG分別誘發(fā)胞內Ca2+釋放和蛋白激酶C激活(PKC) → 誘發(fā)細胞功能改變,直捷通路（離子通道）,mAchR,（三）激酶相關受體介導跨膜信號轉導,激酶受體 酪氨酸激酶受體

25、 (receptor tyrosine kinase，RTK) （神經營養(yǎng)因子受體，生長因子受體和細胞因子受體等） 參與細胞生長、分化、胚胎發(fā)育及細胞內信號傳遞等過程， 具有相當重要的生理功能， 鳥苷酸環(huán)化酶受體 (guanylate cyclase receptor)JAK相關激酶受體

26、 Just another kinase 或 janus kinase 是一類非受體酪氨酸激酶家族， 已發(fā)現(xiàn)四個成員，即JAK1 、JAK2 、JAK3 和TYK1。 JAK-STAT途徑 （signal transducer and activator of transcription，STAT）,本身具有酶的活性或與酶相結合。 被激活后，激活本身或相