细胞的跨膜信号传递功能.ppt

第二节第二节 细胞的跨膜信号传递功能细胞的跨膜信号传递功能 一、跨膜信号转导概念的提出一、跨膜信号转导概念的提出 不同形式的细胞接受不同的外来信号的刺激并引起相不同形式的细胞接受不同的外来信号的刺激并引起相应的反应时应的反应时,存在着明显的共性存在着明显的共性:信号通常不进入细胞或直接影响细胞内过程信号通常不进入细胞或直接影响细胞内过程,先作用先作用于细胞表面于细胞表面(类固醇激素和甲状腺素除外类固醇激素和甲状腺素除外),通过膜蛋白通过膜蛋白的变构的变构,以新的信号形式传递到膜内以新的信号形式传递到膜内,引发细胞功能改变引发细胞功能改变.跨膜信号转导跨膜信号转导(transmembrane signal transduction)跨膜信号传递跨膜信号传递(transmembrane signaling)信号和细胞反应形式多种信号和细胞反应形式多种,但传导过程都是通过少数但传导过程都是通过少数几类方式或途径实现的几类方式或途径实现的.二、几种主要的跨膜信号转导方式二、几种主要的跨膜信号转导方式 (一一)通过离子通道蛋白质完成的跨膜信号转导通过离子通道蛋白质完成的跨膜信号转导 配体门控通道配体门控通道(Ligand-gated channels)N N-型型 乙酰胆碱受体乙酰胆碱受体 (N(N-type Acetylcholine Receptor)type Acetylcholine Receptor)促离子型受体促离子型受体(ionotropic receptor)(ionotropic receptor)四种亚单位组成的五聚体四种亚单位组成的五聚体;除除AchAch外外,还可选择性地与烟碱还可选择性地与烟碱(nicotine)(nicotine)结合结合,;,;开放时允许开放时允许NaNa+内流和少量内流和少量K K+外流外流.电压门控通道电压门控通道 (voltage(voltage-gated channel)gated channel)Na+,Ca+K+机械门控通道机械门控通道 (mechanically channel)(mechanically channel)(二二)由膜的特异受体蛋白、由膜的特异受体蛋白、G蛋白和膜的效应酶组成的蛋白和膜的效应酶组成的 跨膜信号传递系统跨膜信号传递系统 受体受体 G-protein-coupled Metabotropic G-蛋白蛋白 效应器酶效应器酶 cAMP,IP3,DG 蛋白激酶蛋白激酶A,C 底物蛋白磷酸化底物蛋白磷酸化-丝丝氨酸、苏氨酸残基氨酸、苏氨酸残基 近近100种结构类似种结构类似 7个个-螺旋跨膜段螺旋跨膜段/N-末端在胞外末端在胞外/识别与结合部位常为第识别与结合部位常为第7 -螺旋段螺旋段 由由、3个亚单位组成个亚单位组成,亚单位为亚单位为催化亚单位催化亚单位.按按 亚单位亚单位效应等不同，分类：效应等不同，分类：Gi/Gs/G0/Gt/Gq 等等 生成生成cAMP的的腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶,产生产生IP3/DG的的磷脂酶磷脂酶C等等 受体的分型和亚型受体的分型和亚型 酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体(tyrosine receptor):一个一个-螺旋螺旋,一个较短的膜内肽段一个较短的膜内肽段;没有没有G-蛋白参与蛋白参与;也无胞浆中的第二信也无胞浆中的第二信 使和蛋白激酶参与使和蛋白激酶参与;磷酸化位点是底物磷酸化位点是底物 蛋白的酪氨酸残基蛋白的酪氨酸残基.(三三)由酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导由酪氨酸激酶受体完成的跨膜信号转导 三、跨膜信号转导和原癌基因三、跨膜信号转导和原癌基因 原癌基因原癌基因(cellular proto-oncogene):染色体中决定与跨膜信号转导有关蛋白质如受体、染色体中决定与跨膜信号转导有关蛋白质如受体、G-蛋白、蛋白、生长因子和蛋白激酶等的一类基因生长因子和蛋白激酶等的一类基因.它们的碱基排列顺序与能它们的碱基排列顺序与能引起动物肿瘤的病毒引起动物肿瘤的病毒DNA的碱基排列顺序相一致的碱基排列顺序相一致.它们的它们的 变异可致遗传性疾病变异可致遗传性疾病.细胞膜变化和第二信使可以激活其中的一类快速基因细胞膜变化和第二信使可以激活其中的一类快速基因,其其 表达的蛋白质进入核内后诱导其他基因表达如受体、酶等蛋表达的蛋白质进入核内后诱导其他基因表达如受体、酶等蛋 白质白质.外界信号可以引起细胞的快速、即时反应外界信号可以引起细胞的快速、即时反应,也可通过蛋白也可通过蛋白 分子的合成等分子的合成等,引起细胞的长时程改变引起细胞的长时程改变.第三节第三节 细胞的跨膜电变化细胞的跨膜电变化 (一一)神经和骨骼肌的生物电现象神经和骨骼肌的生物电现象 神经神经-肌肉标本实验提示生物电现象的存在和意义肌肉标本实验提示生物电现象的存在和意义.兴奋性和兴奋概念的发展兴奋性和兴奋概念的发展:兴奋性兴奋性:活的组织和细胞对外界刺激发生反应的能力活的组织和细胞对外界刺激发生反应的能力.具有兴奋性的细胞具有兴奋性的细胞(组织组织)称为可兴奋细胞称为可兴奋细胞(组织组织).兴奋兴奋:活的组织和细胞对外界刺激发生的反应活的组织和细胞对外界刺激发生的反应.现代生理学现代生理学:兴奋性兴奋性:活的组织和细胞受刺激时发生动作电位的能力活的组织和细胞受刺激时发生动作电位的能力.兴奋兴奋:产生了动作电位产生了动作电位,是动作电位的同义语是动作电位的同义语.刺激引起兴奋的条件和阈刺激刺激引起兴奋的条件和阈刺激 刺激引起兴奋的条件刺激引起兴奋的条件:a.刺激强度刺激强度 b.刺激时间刺激时间 c.刺激强度对时间的变化率刺激强度对时间的变化率.阈强度阈强度(阈刺激阈刺激,阈值阈值):当刺激作用时间和强度时间当刺激作用时间和强度时间 变化率都不变时变化率都不变时,引起组织兴引起组织兴 奋所需的最小刺激强度奋所需的最小刺激强度.阈刺激的大小可以衡量细胞的兴奋性高低阈刺激的大小可以衡量细胞的兴奋性高低.(一一)单一细胞的跨膜静息电位和动作电位单一细胞的跨膜静息电位和动作电位 细胞水平的生物电现象的观察和记录方法细胞水平的生物电现象的观察和记录方法 微电极细胞外记录和细胞内记录微电极细胞外记录和细胞内记录:细胞水平的生物电现象主要二种形式细胞水平的生物电现象主要二种形式:安静时保持的静息电位安静时保持的静息电位 受刺激时产生的动作电位受刺激时产生的动作电位 静息电位静息电位 (resting potential):指细胞未受刺激时指细胞未受刺激时 存在于细胞膜内外存在于细胞膜内外 两侧的电位差两侧的电位差.故故 也称跨膜静息电位也称跨膜静息电位.-10 -100 mV间间,高等哺乳动物神经高等哺乳动物神经肌肉为肌肉为-70-90mV.不同的细胞，静息膜电位不同不同的细胞，静息膜电位不同.-10 -100 mV间间.两栖类两栖类 神经神经/肌肉肌肉 -50 -70/-90 mV 哺乳动物哺乳动物 神经神经/肌肉肌肉 -70 -90 mV 各种红细胞各种红细胞 -10 mV 植物植物 10 到到 200 mV以上负值以上负值 同一种细胞膜电位数值也存在一定的范围分布特点同一种细胞膜电位数值也存在一定的范围分布特点,也可随代谢活动或功能状况而变也可随代谢活动或功能状况而变.动作电位动作电位(action potential)可兴奋细胞受到刺激而兴可兴奋细胞受到刺激而兴奋时奋时,在膜两侧所产生的快在膜两侧所产生的快速的、可逆的，并有扩布速的、可逆的，并有扩布性的电位倒转。性的电位倒转。极化极化:polarization,去极化去极化:depolarization,复极化复极化:repolarization.超极化超极化:hyperpolarization,单一神经纤维或肌细胞动作单一神经纤维或肌细胞动作电位的产生和波形特点电位的产生和波形特点:潜伏期潜伏期,超射值，超射值，峰电位峰电位(spike potential)，后电位后电位(afterpotential)，负后电位负后电位(去极化后电位去极化后电位)，正后电位正后电位(超极化后电位超极化后电位)。动作电位的动作电位的“全或无”现象“全或无”现象:同一细胞上同一细胞上,动作电位大小动作电位大小不随刺激强度和传导距离而不随刺激强度和传导距离而改变的现象改变的现象.(插图插图)1.静息电位和钾平衡电位静息电位和钾平衡电位 (二二)生物电现象的产生机制生物电现象的产生机制 钾离子向膜外侧扩散钾离子向膜外侧扩散 形成浓度梯度和电位梯度的平衡形成浓度梯度和电位梯度的平衡 细胞内细胞内K K+浓度大于胞外侧浓度大于胞外侧K K+,不对称分布不对称分布 安静情况下，膜主要对安静情况下，膜主要对K K+离子通透离子通透,K K+顺浓度差外向扩顺浓度差外向扩散散,产生内负外正的电位差产生内负外正的电位差.电位差又成为阻止浓度差造成的电位差又成为阻止浓度差造成的K K+外向迁移的电势能外向迁移的电势能 两者达到动态平衡两者达到动态平衡,膜上没有膜上没有K+K+的净移动的净移动,即相应稳即相应稳定电位差定电位差,K K+平衡电位平衡电位 或或 EKEK.a.符合符合Nernst公式公式 Nernst公式公式:Ek=RT/ZFlnK+o/K+i 化简为化简为:Ek=59.5 log K+o/K+i(mv)=-87mV 1944年年 Hodgkin 在枪乌贼神经纤维上实测值为在枪乌贼神经纤维上实测值为-77mV.依据依据?改变改变 细胞内外的细胞内外的 K+浓度浓度,可以改变静息膜电位数值可以改变静息膜电位数值.胞外高钾胞外高钾,静息膜电位静息膜电位 除极除极化化 超级化超级化 胞外高钾胞外高钾,静息膜电位静息膜电位 2.锋电位和钠平衡电位锋电位和钠平衡电位 是膜从静息电位水平去极化到锋值水平的变化过程是膜从静息电位水平去极化到锋值水平的变化过程 从从EK平衡电位平衡电位 向着向着 ENa平衡电位平衡电位 变化变化 阈刺激阈刺激 膜去极化膜去极化 Na+离子通透性上升离子通透性上升 Na+离子进入胞内离子进入胞内 膜进一步去极化膜进一步去极化 动作电位发生动作电位发生 Na+通透性增加的通透性增加的再生性循环再生性循环 复极相复极相 钠通道失活钠通道失活,钾通道开放钾通道开放,钾电导重新占据主导地位钾电导重新占据主导地位 膜片钳实验膜片钳实验(patch clamp)70年代中期由年代中期由Neherh和和Sakmann建立的实验方法建立的实验方法,1991年年 他们为此而获得诺贝尔医学生物奖他们为此而获得诺贝尔医学生物奖.膜片钳法的各种模式示意图膜片钳法的各种模式示意图 细胞吸附模式（细胞吸附模式（cell-attached mode）,膜内面向外模式（膜内面向外模式（inside-out mode)；常规全细胞模式；常规全细胞模式(whole-cell mode)；膜外面向外模式；膜外面向外模式（outside-out mode）；刺入膜内的电极与电源负极刺入膜内的电极与电源负极相连相连,引起内向电流和膜的超极引起内向电流和膜的超极化化;刺入膜内的电极与电源正极刺入膜内的电极与电源正极相连相连,引起外向电流和膜的去级引起外向电流和膜的去级化化;当膜内去极化达到一定程度当膜内去极化达到一定程度时时,在去极化基础上产生动作电在去极化基础上产生动作电位位.这个能进一步诱发动作电位这个能进一步诱发动作电位的去极化临界值的去极化临界值,称为称为阈电位阈电位(threshold membrane potential)二、二、动作电位的引起和它在同一细胞上的传动作电位的引起和它在同一细胞上的传 (一一)阈电位和锋电位的引起阈电位和锋电位的引起 +-+阈电位阈电位(threshold membrane potential)是所有可兴奋细胞的一项重要功能指标是所有可兴奋细胞的一项重要功能指标,一般较静息膜电一般较静息膜电 位正位正10-20mV,不同可兴奋细胞有差异不同可兴奋细胞有差异.不是单个钠通道的“阈”不是单个钠通道的“阈”特征特征,而是