細(xì)胞生物學(xué)課件

1

細(xì)胞生物學(xué)研究方法

ExperimentalApproachesforStudyingCells2OUTLINE2.1顯微成像技術(shù)（TECHNIQUESOFMICROSCOPY）2.2細(xì)胞組分的分析方法（TECHNIQUESOFCYTOCHEMISTRY、CELLSORTING、ISOLATIONOFCELLCOMPONENT）

2.3細(xì)胞工程技術(shù)（CELLENGINEERING）2.4組學(xué)研究技術(shù)

(GENOME、TRANSCRIPTOMICS、PROTEOME)32.1TECHNIQUESOFMICROSCOPY

鏡像形成的三要素:

照明系統(tǒng)(illumination)

樣品(sample)

透鏡系統(tǒng)(optics)物鏡:

玻璃vs電磁透鏡目鏡：玻璃vs

熒光屏可見光

vs

電子束

Light

Electron

光學(xué)顯微鏡

電子顯微鏡(TheLightMicroscope)

(Electronmicroscope)42.1.1

光學(xué)顯微鏡（TheLightMicroscope）技術(shù)參數(shù)：

放大率(magnification,M) M=物鏡放大率X目鏡放大率

分辨率（resolution,R）:分辨出相鄰兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離

R=0.61λ/NA（λ:波長，可見光0.4~0.7μm）

顯微鏡的數(shù)值孔徑(numericalaperture,NA) NA=nsina（n，介質(zhì)折射率;a，鏡口角）???最大分辨率a:70°n:1.5(油)λ:450nm(可見光)200nm(紫外光)5

常用光學(xué)顯微鏡：

◆普通雙筒顯微鏡

(binoularmicroscope) ◆相差顯微鏡:

(phasecontrastmicroscope) ◆微分干涉顯微鏡

(differentialinterferencemicroscope）

◆暗視野顯微鏡

(darkfieldmicroscope)

◆熒光顯微鏡

(fluorescencemicroscope) ◆激光共聚焦顯微鏡

(laserconfocalscaningmicroscope)6倒置顯微鏡正置顯微鏡7◆相差顯微鏡：(phasecontrastmicroscope)無色、透明、活細(xì)胞結(jié)構(gòu)環(huán)形光闌（annulardiaphragm）相位板（annularphaseplate）標(biāo)本密度不同導(dǎo)致光程差振幅差

8DIC◆微分干涉顯微鏡：(differentialinterferencemicroscope）

更強(qiáng)立體感，便于顯微操作9◆暗視野顯微鏡(darkfieldmicroscope)：物體輪廓，無微細(xì)結(jié)構(gòu)

丁達(dá)爾現(xiàn)象：光斜射到樣品上10◆熒光顯微鏡：(fluorescencemicroscope)紫外光源激發(fā)細(xì)胞內(nèi)熒光標(biāo)記染料ExcitationEmission11◆激光共聚焦顯微鏡：(laserconfocalscaningmicroscope)激光掃描、分辨力提高、可立體三維重建122.1.2電子顯微鏡

(Electronmicroscope)電子束波長比光短100000倍亞顯微結(jié)構(gòu)（超微結(jié)構(gòu)）：R<1nm

基本結(jié)構(gòu)◆電子光學(xué)系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、標(biāo)本室、成像系統(tǒng)、觀察窗和記錄用的照相機(jī)等組成；◆真空系統(tǒng)是保持電鏡的真空度；◆電子學(xué)系統(tǒng)即供電系統(tǒng)，需要高壓穩(wěn)壓。13電子顯微鏡種類：

◆透射電子顯微鏡：細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察

(transmissionelectronmicroscope) ◆掃描電子顯微鏡：樣品表面形貌特征觀察

(scanningelectronmicroscope) ◆掃描隧道顯微鏡

(scanningtunnelingmicroscope)

微觀世界物質(zhì)表面特征，但樣品必須是導(dǎo)體 ◆原子力顯微鏡

(atomicforcemicroscope）

微觀世界物質(zhì)表面特征，不要求導(dǎo)體，提供三維表面圖，不需樣品處理、常壓及液體環(huán)境中工作；但分辨率低于掃描電鏡142.2細(xì)胞組分的分析方法2.2.1細(xì)胞化學(xué)技術(shù)（cytochemistry）2.2.2細(xì)胞分選(cellsorting)2.2.3細(xì)胞組分的分離

(isolationofcellcomponent)

15◆酶細(xì)胞化學(xué)技術(shù)（酶與底物）

酶細(xì)胞化學(xué)技術(shù)就是通過酶的特異細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)來顯示酶在細(xì)胞內(nèi)的定位。◆免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)（抗原抗體）

利用免疫反應(yīng)定位組織或細(xì)胞中的抗原成分分布

免疫熒光技術(shù)

免疫電鏡技術(shù)◆放射自顯影技術(shù)(radioautography)：利用放射性同位素標(biāo)記研究細(xì)胞內(nèi)大分子的合成動(dòng)態(tài)（分布、定位、排出、合成等）◆其他：DNA、RNA染色:原位雜交技術(shù)(insituhybridization)2.2.1細(xì)胞化學(xué)技術(shù)（cytochemistry）Cellmorphology+cellcomponentanalysis162.2.2細(xì)胞分選(cellsorting)◆流式細(xì)胞術(shù)(Flowcytometry)干涉檢測器：發(fā)現(xiàn)細(xì)胞熒光檢測器：發(fā)現(xiàn)標(biāo)記◆染色體分選(chromosomesorting)172.2.2細(xì)胞分選(cellsorting)◆流式細(xì)胞術(shù)(Flowcytometry)182.2.3細(xì)胞組分的分離

(isolationofcellcomponents)

超速離心技術(shù)(Ultracentrifugation)：分離細(xì)胞器與生物大分子及復(fù)合物◆速度離心：差速離心、移動(dòng)區(qū)帶離心◆等密度離心：densitygradient層析分離技術(shù)(Highperformanceliquidchromatography,HPLC)：分離蛋白質(zhì)◆凝膠過濾(gelfiltration)：◆親和層析(affinitypurification)：◆離子交換層析(ion-exchangechromatography)19202.3細(xì)胞工程技術(shù)（CELLENGINEERING）2.3.1細(xì)胞培養(yǎng)(Cellculture)

體外細(xì)胞培養(yǎng)的條件

◆營養(yǎng)

◆環(huán)境因素∶

無菌環(huán)境、合適的溫度、一定的滲透壓和氣體環(huán)境、O2和CO2。后者對于維持細(xì)胞培養(yǎng)液的酸堿度十分重要。

◆代謝物和廢物排除

原代細(xì)胞(primarycells)：從機(jī)體分離取出，<10passages細(xì)胞系(cell

line)：原代培養(yǎng)物首次傳代成功后細(xì)胞株(cell

clone)：單細(xì)胞克隆CHO細(xì)胞的培養(yǎng)22胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcell）體細(xì)胞（somaticcell）和干細(xì)胞(stemcell)Yamanaka/Jaenisch四因子實(shí)驗(yàn)Oct4Sox2MycKlf4囊胚顯微注射嵌合體小鼠帶選擇標(biāo)記的成纖維細(xì)胞iPS細(xì)胞移植誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced

pluripotentstemcell,iPSC）24基因敲除示意圖（1）25基因敲除示意圖（2）262.3.2細(xì)胞融合與單克隆抗體

272.3.3基因轉(zhuǎn)染與敲除轉(zhuǎn)染(transfection)：將具有生物功能的核酸轉(zhuǎn)移或運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)并使核酸在細(xì)胞內(nèi)維持其生物功能敲除(knockout）:顯微操作術(shù)(microinjection)動(dòng)物細(xì)胞核移植克隆(Nucleartransfer)轉(zhuǎn)基因鼠及選擇性基因剔除(transgenicmiceandconditionalknockout)28細(xì)胞核移植克隆29KnockoutMiceThetechniqueusedtogenerateknockoutmicewasdevelopedinthelate1980sbyMarlo

CapecchiattheUniversityofUtah.

實(shí)驗(yàn)分三步∶

◆構(gòu)建重組載體；

◆轉(zhuǎn)基因敲除；

◆篩選。30基因敲除原理312.4組學(xué)研究技術(shù)

(GENOME、TRANSCRIPTOMICS、PROTEOME)GENOME：HighthroughputDNAsequencing…TRANSCRIPTOMICS:Geneexpressionarray/Chip…PROTEOME:proteinarray/Chip,tissueorcellchip,Massspectrometry…OUTLINE3.1細(xì)胞膜概述（INTRODUCTION

OF

CELL

MEMBRANE）

3.2膜的化學(xué)組成(THECHEMICALCOMPOSITIONOFMEMBRANES)3.3膜的分子結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)(MOLECULARSTRUCTUREOFTHEPLASMAMEMBRANE)3.4物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸(PASSIVE

ANDACTIVETRANSPPORTOF

SUBSTANCES)3233細(xì)胞的生物膜體系

膜的結(jié)構(gòu)

細(xì)胞質(zhì)膜(PlasmaMembrane):

細(xì)胞表面

內(nèi)膜系統(tǒng)（EndomembraneSystem)：

或胞質(zhì)膜，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)

生物膜(Biomembrane)：細(xì)胞所有膜結(jié)構(gòu)343.1細(xì)胞膜概述（INTRODUCTION

OF

CELL

MEMBRANE）

2024/3/1835Commonfunctionsofplasmamembrane界膜和區(qū)室化;功能定位與組織化：Actaspermeabilitybarrierandtakepartinthecompartmentalizationofcell參與細(xì)胞間的相互作用；信號檢測與傳遞：Formspecificjunctionsbetweencells；Anchorcomponentsoftheextracellularmatrix；Containreceptorproteinsthatbindspecificsignalingmolecules能量轉(zhuǎn)換；調(diào)節(jié)運(yùn)輸：Energytransduction，transport細(xì)胞壁的組裝:

Intimatelyengagedintheassemblyofcellwalls3.2膜的化學(xué)組成(THECHEMICALCOMPOSITIONOFMEMBRANES)

TheErythrocyteMembraneSkeleton◆MatureRedBloodCells: ■nointracellularorganelle

■plasmamembrane:theonlymembranestructure!!3637紅細(xì)胞血影38推測雙脂層的實(shí)驗(yàn)：Langmuir水盤“脂單層”39

紅細(xì)胞膜脂雙層結(jié)構(gòu)的研究

◆1925年兩位荷蘭科學(xué)家E.Gorter和F.Grendel根據(jù)對紅細(xì)胞質(zhì)膜的研究發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞膜脂鋪展后面積與實(shí)際測量的表面積之比約為1.8～2.2∶1。

首次提出質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)是脂雙層

(lipidbilayer)

？？Questions∶

◆行程∶500,000米

◆要多次穿過小于自身直徑一半的微小通道;

◆要在脾臟內(nèi)經(jīng)受少氧、低pH值的不利條件;

◆又要經(jīng)過心臟內(nèi)瓣膜渦流沖擊，但始終保持結(jié)構(gòu)的完整。

40？？紅細(xì)胞膜僅僅是雙層脂？？41紅細(xì)胞膜蛋白其中有三種主要的蛋白*骨架蛋白：#血影蛋白*#血型糖蛋白*帶3蛋白*錨定蛋白#帶4.1蛋白#肌動(dòng)蛋白#42ErythrocyteMembraneSkeleton

膜骨架：紅細(xì)胞膜內(nèi)表面膜蛋白、纖維蛋白

3.2.1膜脂（MembraneLipids）maintypesofmembranelipids:◆甘油磷酯(phosphoglycerides)：◆鞘脂（sphingolipid）◆膽固醇（cholesterol）433.2膜的化學(xué)組成(THECHEMICALCOMPOSITIONOFMEMBRANES)脂類、蛋白質(zhì)、糖類(lipids,proteins,saccharide)Phospholipid44Structureofmembranelipidamphipathicmolecules（兩性分子）hydrophilicheadgroup+hydrophobictailgroup45

Phosphoglyceride？？頭部尾部特性46PhosphoglycerideandSphingolipidsPhosphoglycerideSphingolipids47Sphingolipids◆磷脂(phospholipids)

動(dòng)、植物細(xì)胞膜上都有磷脂,約占膜脂的50%以上；磷脂分子的親水端是磷酸基團(tuán)，稱為頭部；磷脂分子的疏水端是兩條長短不一的烴鏈,稱為尾部,一般含有14～24個(gè)偶數(shù)碳原子；其中一烴鏈常含有一個(gè)或數(shù)個(gè)雙鍵,雙鍵的存在造成這條不飽和鏈有一定角度的扭轉(zhuǎn)；結(jié)構(gòu)影響膜的流動(dòng)性4849TypicalCholesterol◆膽固醇(Cholesterol)膽固醇存在于真核細(xì)胞膜中：●動(dòng)物細(xì)胞膜膽固醇的含量較高●植物、細(xì)菌細(xì)胞膜多不含膽固醇●酵母細(xì)胞膜中是麥角固醇膽固醇分子包括三部分:

●極性的頭部：羥基

●非極性的類固醇環(huán)結(jié)構(gòu)

●一個(gè)非極性的碳?xì)湮膊俊８蓴_磷脂脂肪酸尾部運(yùn)動(dòng)：調(diào)節(jié)膜流動(dòng)性，增強(qiáng)膜通透性屏障50

膜脂的特性

膜脂的基本性質(zhì)是“amphipathicmolecule”,能夠selfassemblingas雙層結(jié)構(gòu)或自我封閉成球狀，受到損傷時(shí)可以自動(dòng)再封閉。5152SelfAssemblyofLipidBilayer◆脂質(zhì)體(Liposome)可用作生物膜的研究模型，并可作為生物大分子與藥物的運(yùn)載體。

膜脂的功能◆構(gòu)成膜的基本骨架,去除膜脂，則使膜解體;◆是膜蛋白的溶劑，一些蛋白通過疏水端同膜脂作用，使蛋白鑲嵌在膜上，得以執(zhí)行特殊的功能;◆膜脂為某些膜蛋白(酶)維持構(gòu)象、表現(xiàn)活性提供環(huán)境,一般膜脂本身不參與反應(yīng)(細(xì)菌的膜脂參與反應(yīng));◆膜上有很多酶的活性依賴于膜脂的存在。有些膜蛋白只有在特異的磷脂頭部基團(tuán)存在時(shí)才有功能。533.2.2膜糖（membranecarbohydrate）

◆存在方式：glycoprotein(93%)；glycolipid(7%)◆膜糖功能保護(hù)作用細(xì)胞與環(huán)境的相互作用2024/3/1855Structureofglycolipidmoleculesinplasmamembrane◆糖脂(Glycolipid)56糖脂普遍存在于原核和真核細(xì)胞膜上,含量約占膜脂的5%以下;最簡單的糖脂是己糖腦苷脂,它僅有一個(gè)己糖作為極性頭部;變化最多、最復(fù)雜的是神經(jīng)節(jié)苷脂,它是神經(jīng)原質(zhì)膜具特征性的成分;保護(hù)細(xì)胞膜、信號識別。

Glycolipid

function:Protectionsignaltransduction3.2.3膜蛋白（membraneprotein）

◆存在方式：整合蛋白：跨膜蛋白，部分或全部鑲嵌在膜中外周蛋白：外露在膜的外側(cè)或內(nèi)側(cè)，非共價(jià)鍵脂錨定蛋白：共價(jià)鍵方式與脂分子連接◆膜蛋白功能：運(yùn)輸代謝連接信號轉(zhuǎn)導(dǎo)去垢劑可以破壞脂雙層溶解膜蛋白利用溫和去垢劑溶解、純化和重建功能膜蛋白的系統(tǒng)3.3.1STRUCTUREMODELS◆流動(dòng)鑲嵌模型(Fluidmosaicmodel)◆脂筏模型(Lipidraftsmodel)3.3膜的分子結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)(MOLECULARSTRUCTUREOFTHEPLASMAMEMBRANE)1972年Singer和Nicolson提出了生物膜的“流動(dòng)鑲嵌模型”，它的要點(diǎn)是：膜上脂質(zhì)分子排成雙層構(gòu)成生物膜的骨架，蛋白質(zhì)分子以不同方式鑲嵌或聯(lián)結(jié)于脂雙層上；膜的兩側(cè)結(jié)構(gòu)是不對稱的，膜脂和膜蛋白具有一定的流動(dòng)性。Fluidmosaicmodelβ桶跨膜結(jié)構(gòu)局限在細(xì)菌、線粒體和葉綠體的外膜上?？缒螺旋脂筏模型(Lipidraftsmodel)膜上一些特殊的脂質(zhì)能形成稍厚的微區(qū)，這種大小約70納米的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)像筏子一樣，帶著大量的膜蛋白以集中完成各種復(fù)雜功能，這就是生物膜的脂筏模型。脂筏模型是對流動(dòng)鑲嵌模型的補(bǔ)充!!!!!63具有較長的飽和脂肪酸鏈，分子間的作用力較強(qiáng)，所以這些區(qū)域結(jié)構(gòu)致密，介于無序液體與液晶之間，稱為有序液體（Liquid-ordered）。在低溫下這些區(qū)域能抵抗非離子去垢劑的抽提，所以又稱為抗去垢劑膜（detergent-resistantmembranes，DRMs）。像一個(gè)蛋白質(zhì)停泊的平臺(tái)，與膜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)分選均有密切的關(guān)系。脂筏中的膽固醇就像膠水一樣，它對具有飽和脂肪酸鏈的鞘磷脂親和力很高，而對不飽和脂肪酸鏈的親和力低。用甲基-β-環(huán)糊精（methyl-β-cyclodextrin）去除膽固醇，抗去垢劑的蛋白就變得易于提取。膜中的鞘磷脂主要位于外層，而且大部分都參與形成脂筏。脂筏的面積可能占膜表面積的一半以上。脂筏的大小是可以調(diào)節(jié)的。小的獨(dú)立脂筏可能在保持信號蛋白呈關(guān)閉狀態(tài)方面具有重要作用；當(dāng)必要時(shí)，這些小的脂筏聚集成大一個(gè)大的平臺(tái)，在那里信號分子（如受體）將和它們的配件相遇，啟動(dòng)信號傳遞途徑。脂筏特點(diǎn)：3.3.2膜的不對稱性（Membraneasymmetry）

研究方法：

冰凍蝕刻技術(shù)(Freeze-fracturereplication)

膜不對稱性的表現(xiàn)：◆膜脂不對稱性：脂雙層兩小葉（leaflet）中分布的各類脂的含量不同?！裟さ鞍椎姆植疾粚ΨQ：在膜兩側(cè)分布不對稱，一般說,細(xì)胞質(zhì)面的蛋白比外表面少,一些酶和受體多處于外表面?！裟ぬ堑牟粚ΨQ：糖脂分布在動(dòng)物細(xì)胞外表面，糖蛋白分布于脂膜雙層的外葉。

膜的不對稱性的意義：◆膜脂、膜蛋白及膜糖分布的不對稱性導(dǎo)致了膜功能的不對稱性和方向性,保證了生命活動(dòng)的高度有序性?！裟げ粌H內(nèi)外兩側(cè)的功能不同,不同區(qū)域的功能也不相同。造成這種功能上的差異,主要是膜蛋白、膜脂和膜糖分布不對稱引起的?！艏?xì)胞間的識別、運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)運(yùn)輸、信號傳遞等都具有方向性。這些方向性的維持就靠分布不對稱的膜蛋白、膜脂和膜糖來提供。

1970年，LarryFrye和MichaelEdidin進(jìn)行了鼠、人細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)，令人信服地證明膜的流動(dòng)性。3.3.3膜的流動(dòng)性（MEMBRANEFLUIDITY）

膜脂的運(yùn)動(dòng)方式

◆側(cè)向擴(kuò)散(lateraldiffusion)

◆旋轉(zhuǎn)(rotation)

◆翻轉(zhuǎn)(flip-flop)

◆屈曲(flexion)使用熒光漂泊再恢復(fù)方法來測定膜上脂質(zhì)的側(cè)向擴(kuò)散70

影響膜流動(dòng)性的因素：

膜的流動(dòng)性依賴于膜的組分和溫度。

◆相變溫度（transitiontemperature）在生理?xiàng)l件下,膜脂多呈擬液態(tài)（liquid-likestate）。溫度下降至某點(diǎn),則變?yōu)榫B(tài)（frozencrystallinegel）。一定溫度下,晶態(tài)又可熔解再變成液晶態(tài)，這種臨界溫度稱為相變溫度。◆相變(phasetransition)在不同溫度下發(fā)生的膜脂狀態(tài)的改變稱為相變。不同的膜脂由于成分不同而各有其相變溫度。71◆膜脂肪酸鏈對膜流動(dòng)性的影響：不飽和程度和鏈的長短碳?xì)滏溳^短或者含有雙鍵，相變溫度就會(huì)降低，這樣膜在較低的溫度下還可以保持流動(dòng)性。較短的鏈減少了同一層或者雙層之間碳?xì)滏湹南嗷プ饔?。順式雙鍵使得碳?xì)滏湲a(chǎn)生彎折難以相互堆積?！裟懝檀际沟弥|(zhì)在雙層中堆積更為緊密，提高穩(wěn)定性及有序性可塑分子：在相變溫度以上,它可使磷脂分子的脂酰鏈末端的運(yùn)動(dòng)減小,即限制膜的流動(dòng)性。在相變溫度以下,可增加脂類分子脂酰鏈的運(yùn)動(dòng),這樣可以增強(qiáng)膜的流動(dòng)性。72◆卵磷脂/鞘磷脂比值對膜脂流動(dòng)性的影響卵磷脂所含的脂肪酸鏈的不飽和程度高,鏈較短,相變溫度低,因此卵磷脂含量高,流動(dòng)性大。而鞘磷脂的脂肪酸鏈的飽和程度高,相變溫度也高,因此,鞘磷脂的含量高,流動(dòng)性低。◆膜蛋白對膜脂流動(dòng)性的影響73

影響膜蛋白流動(dòng)性的因素 ◆整合蛋白相互間的影響 ◆膜骨架的影響 ◆細(xì)胞外基質(zhì)的影響 ◆相鄰細(xì)胞的影響 ◆細(xì)胞外配體、抗體、及藥物大分子的影響

膜蛋白的運(yùn)動(dòng)方式

◆隨機(jī)

◆定向

◆局部細(xì)胞外基質(zhì)對整合蛋白移動(dòng)的影響膜骨架對膜蛋白流動(dòng)性的影響

膜的流動(dòng)性的意義：

◆酶活性 ◆物質(zhì)運(yùn)輸

◆能量轉(zhuǎn)換

◆信號轉(zhuǎn)導(dǎo) ◆細(xì)胞周期 在M期,膜的流動(dòng)性最大,而在G1期和S期,膜流動(dòng)性最低；

3.4物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸(PASSIVE

ANDACTIVETRANSPPORTOF

SUBSTANCES)77生物大分子:膜泡運(yùn)輸(vesicle

transport)

離子及小分子:穿膜運(yùn)輸Phagocytosis78脂雙層具有半通透性質(zhì)：極性分子，只能很慢地穿過合成脂雙層，但膜上有一些特別的蛋白幫助這些分子跨膜運(yùn)輸。膜蛋白的主要功能就是跨膜運(yùn)輸營養(yǎng)分子、排出代謝廢物以及調(diào)節(jié)胞內(nèi)的離子濃度，這些跨膜運(yùn)輸?shù)鞍渍寄さ鞍椎?5-30%。離子及小分子:穿膜運(yùn)輸

兩類主要的跨膜運(yùn)輸?shù)鞍邹D(zhuǎn)運(yùn)蛋白（transporter）和通道蛋白（channel）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：跨膜運(yùn)輸分子的過程類似酶和底物的反應(yīng)，有最大運(yùn)輸速率和親和反應(yīng)常數(shù)，被運(yùn)輸小分子的結(jié)合還可以被競爭性或非競爭性的抑制劑所抑制，不同的是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白并不會(huì)改變被運(yùn)輸?shù)男》肿?。通道蛋白：與溶質(zhì)分子的結(jié)合能力非常弱，它們形成狹窄的跨膜水溶性通道，在通道開放時(shí)允許特定的溶質(zhì)分子（通常是一些小的無機(jī)離子）穿越通道。與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相比，通道蛋白的運(yùn)輸速率要高4到8個(gè)數(shù)量級。被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸被動(dòng)運(yùn)輸（passivetransport):分子或離子順電化學(xué)梯度跨膜運(yùn)輸，不需要消耗另外的能量，包括簡單擴(kuò)散和易化擴(kuò)散。主動(dòng)運(yùn)輸（activetransport)：需要提供額外的能量、逆著電化學(xué)梯度跨膜運(yùn)輸。主動(dòng)運(yùn)輸是由一些稱作泵（pump）的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成的，它們有很強(qiáng)的方向性。3.4.1被動(dòng)運(yùn)輸3.4.1.1

簡單擴(kuò)散（simplediffusion）指被動(dòng)運(yùn)輸不需要膜蛋白的幫助，但不額外消耗能量。僅靠膜兩側(cè)保持一定的濃度差,通過擴(kuò)散發(fā)生的物質(zhì)運(yùn)輸。◆限制因素■脂溶性∶

細(xì)胞質(zhì)膜的通透性具有選擇性。

■Size

：質(zhì)膜的通透性孔徑不會(huì)大于0.5-1.0nm，能夠擴(kuò)散的最大分子是水分子?！鯬olarity∶極性物質(zhì)通常同水結(jié)合形成一個(gè)水合的外殼，這不僅增加了它們的分子體積，同時(shí)也大大降低了脂溶性。3.4.1被動(dòng)運(yùn)輸3.4.1.2

易化擴(kuò)散（facilitateddiffusion）指被動(dòng)運(yùn)輸需要膜蛋白的幫助，順濃度梯度或電化學(xué)梯度，但不額外消耗能量。

促進(jìn)擴(kuò)散的特點(diǎn)：

Similarinmanywaystoanenzyme-catalyzedreaction

◆速度快，要比自由擴(kuò)散快幾個(gè)數(shù)量級；◆自由擴(kuò)散的速率與溶質(zhì)的濃度成正比，而膜蛋白促進(jìn)的運(yùn)輸可以達(dá)到最大值；◆具有特異性;◆運(yùn)輸作用受抑制劑的抑制。3.4.1被動(dòng)運(yùn)輸

通道蛋白與易化擴(kuò)散◆通道蛋白形成的通道又叫閘門通道(gatedchannels)，是通道蛋白進(jìn)行的間斷開放通道?！雠潴w閘門通道(Ligand-gatedchannels)■電位閘門通道(Voltage-gatedchannels)■牽張閘門通道(Stretch-gatedchannels)

載體蛋白與易化擴(kuò)散◆載體蛋白需要同被運(yùn)輸?shù)碾x子和分子結(jié)合，然后通過自身的構(gòu)型變化或移動(dòng)完成物質(zhì)運(yùn)輸。載體蛋白特點(diǎn):■高度特異性■載體蛋白既參與被動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸，也參與主動(dòng)的物質(zhì)運(yùn)輸。3.4.2主動(dòng)運(yùn)輸主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn):■逆梯度運(yùn)輸■依賴于膜運(yùn)輸?shù)鞍住鲂枰x能■耗能選擇性和特異性主動(dòng)運(yùn)輸?shù)囊饬x:■保證細(xì)胞及細(xì)胞器從周圍環(huán)境中或細(xì)胞表面攝取必需的營養(yǎng)■能將細(xì)胞內(nèi)的各種物質(zhì)排到細(xì)胞外■能夠維持一些無機(jī)離子在細(xì)胞內(nèi)恒定和最適濃度

主動(dòng)運(yùn)輸方向：單向轉(zhuǎn)運(yùn)（cotransport),偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn)（coupling

transport)。

根據(jù)能量的來源在細(xì)胞中有三種主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞剑号悸?lián)轉(zhuǎn)運(yùn)，ATP驅(qū)動(dòng)泵和光驅(qū)動(dòng)泵。LightelectrochemicalgradientLightpoweredpump88

偶聯(lián)運(yùn)輸

又稱協(xié)同運(yùn)輸。這種運(yùn)輸需要先建立離子學(xué)梯度(Iongradients)，在動(dòng)物細(xì)胞主要是靠Na+泵、在植物細(xì)胞則是由H+泵完成的。

協(xié)同運(yùn)輸?shù)姆较蚍譃椋骸敉騾f(xié)同(symport)：

動(dòng)物細(xì)胞的葡萄糖和氨基酸就是與Na+

同向協(xié)同運(yùn)輸?！舴聪騾f(xié)同(antiport)：

H+

與Na+

的反向協(xié)同。運(yùn)輸：H+,Na+,K+,Ca2+H+onlyIonsandvarioussmallmoleculesATP驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸利用ATP水解成ADP和磷酸所釋放出來的能量跨膜主動(dòng)運(yùn)輸物質(zhì)的蛋白叫做ATP驅(qū)動(dòng)泵，也稱為轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶，它在原核細(xì)胞和真核細(xì)胞中廣泛存在。2024/3/1890三類ATP泵ClassExamplesP-ClassPlasmamembraneofplants,fungi,bacteria(H+pump),Plasmamembraneofhighereukaryotes(Na+/K+pump),Apicalplasmamembraneofmammalianstomach(H+/K+pump),Plasmamembraneofalleukaryoticcells(Ca2+pump),Sarcoplasmicreticulummembraneinmusclecells(Ca2+pump)V-ClassVacuolarmembranesinplants,yeast,otherfungi,Endosomalandlysosmalmembranesinanimalcells,Plasmamembraneofosteoclastsandsomekidneytubulecells.F-ClassBacterialplasmamembrane,Innermitochondrialmembrane,ThylakoidmembraneofchloroplastABC-ClassBacterialplasmamembranes(aminoacid,sugar,andpeptidepermeases),Mammalianplasmamembranes(transportersofphospholipids,smalllipophilicdrugs,cholesterol,othersmallmolecules)P型泵-鈉鉀泵P型泵在泵循環(huán)過程中會(huì)自我磷酸化，由多次跨膜蛋白構(gòu)成，包括很多負(fù)責(zé)建立和維持跨膜鈉離子、鉀離子、質(zhì)子和鈣離子梯度的主動(dòng)運(yùn)輸?shù)鞍?。也叫做鈉鉀ATP酶，它利用ATP水解的能量逆電化學(xué)梯度將鈉離子運(yùn)出細(xì)胞、將鉀離子運(yùn)進(jìn)細(xì)胞。當(dāng)鈉離子和鉀離子的濃度梯度增加到一定程度，使得電化學(xué)梯度的能量比ATP水解的化學(xué)能更高的時(shí)候，鈉鉀泵就可以反向作用，利用這些離子順電化學(xué)梯度擴(kuò)散的能量來產(chǎn)生ATP?？偟淖杂赡茏兓怯糜诤铣葾TP還是泵出鈉離子，取決于ATP、ADP和磷酸根的相對濃度，以及鈉離子和鉀離子的電化學(xué)梯度。F/V型泵-ATP合成酶F型泵是由不同亞基組成的形狀像渦輪機(jī)的蛋白。在細(xì)菌的質(zhì)膜、線粒體內(nèi)膜和葉綠體類囊體膜上發(fā)現(xiàn)，通常也被稱作ATP合成酶，它們利用質(zhì)子的跨膜梯度驅(qū)動(dòng)ATP合成。質(zhì)子梯度的形成來源于厭氧細(xì)菌和線粒體中的氧化磷酸化過程，或者是植物葉綠體中光合作用中的電子運(yùn)輸，也可以是嗜鹽菌中光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子泵形成的。

V型ATP泵與F型ATP泵結(jié)構(gòu)類似，它們通常是利用ATP水解的能量來驅(qū)動(dòng)質(zhì)子運(yùn)輸，將質(zhì)子泵進(jìn)細(xì)胞器（例如溶酶體，突觸囊泡和植物的液泡），酸化這些細(xì)胞器的內(nèi)部環(huán)境。V型ATP泵與膜上鈉離子濃度梯度驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸質(zhì)子的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白一起，來共同調(diào)節(jié)膜內(nèi)的pH環(huán)境。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白–多藥抗性蛋白ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中的一個(gè)大家族，跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)種類繁多的分子，包括無機(jī)離子、氨基酸、單糖、多糖、小肽甚至是蛋白質(zhì)。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有兩個(gè)高度保守的ATP結(jié)合區(qū)（ATP-bindingcassette），結(jié)合ATP可以使該區(qū)域二聚化，水解ATP使得這個(gè)結(jié)合區(qū)解聚。在胞內(nèi)發(fā)生的這種結(jié)構(gòu)變化被認(rèn)為可以傳遞到跨膜區(qū)，使得蛋白構(gòu)象循環(huán)變化，可以將底物結(jié)合的位點(diǎn)交替地朝向膜內(nèi)和膜外。通過這種方式，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白利用結(jié)合ATP和水解ATP來跨膜運(yùn)輸多種多樣的小分子。金黃色葡萄球菌中的多藥抗性蛋白，顯示了結(jié)合ATP后的構(gòu)象。Nature443:156,180(2006)光能驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)運(yùn)輸一些細(xì)菌和古細(xì)菌能利用光能作為能量來源，驅(qū)動(dòng)跨膜的離子運(yùn)輸。它們通常需要一個(gè)特別的可以吸收光子的生色團(tuán)分子（如蛋白質(zhì)-細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin）的視黃醛（retinal）生色團(tuán)），當(dāng)被一個(gè)單光子激活時(shí)，它會(huì)改變形狀并引起蛋白中一系列的構(gòu)象變化，使得一個(gè)質(zhì)子從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。并將光能轉(zhuǎn)化為生物可以直接利用的化學(xué)能。光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移在細(xì)菌質(zhì)膜兩邊建立起質(zhì)子濃度梯度，它可以被F型ATP泵利用來合成ATP，也可以作為細(xì)菌中其它活動(dòng)的能量來源?？缒み\(yùn)輸?shù)姆绞絆ver360familiesoftransporterhavebeenidentifiedthroughbiochemicalandgenomicanalysis.TransportProteinDatabase:/tcdb96動(dòng)物、植物細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)谋容^OUTLINE4.1

細(xì)胞表面(CELL

SURFACE)4.2

細(xì)胞外基質(zhì)

(EXTRACELLULAR

MATRIX,ECM)4.3細(xì)胞識別、黏著與連接(CELLRECOGNITION,ADHESIONANDJUNCTION)97Anoverviewofcellsinteractwiththeirenvironment

4.1CellSurface●細(xì)胞被(cellcoat)●細(xì)胞質(zhì)膜(cytoplasmicmembrane)●保護(hù)細(xì)胞,使細(xì)胞有一個(gè)相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境；●參與細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換和能量交換；●參與信號的識別和信息的傳遞；●參與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)；●維護(hù)細(xì)胞的各種形態(tài)；與免疫、癌變等有十分密切關(guān)系。◆結(jié)構(gòu)：◆功能：Electronmicrographofthesurfaceofalymphocyte4.1.1CellCoat

細(xì)胞被(cellcoat)or多糖包被或糖萼(Glycocalyx)●組成：“糖”●功能：

mechanicalprotectioncell-cellandcell-substratuminteractions

纖維素(cellulos):

葡萄糖多聚體

半纖維素(Hemicellulose)：不同類型單糖的異質(zhì)多聚體

果膠(pectin)：半乳糖醛酸及其衍生物多聚體

木質(zhì)素(lignin)：聚合芳香醇

糖蛋白(glycoprotein)：extensin4.1.2PLANTCELLWALLS

細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)組成

(植物)細(xì)胞壁=(動(dòng)物)細(xì)胞外基質(zhì)多糖蛋白質(zhì)分子

CELLWALLSLAYERSofPLANTCELLWALLS主要是果膠在細(xì)胞停止生長后分泌形成的

植物細(xì)胞壁的分泌合成◆中間層形成：

主要是果膠。果膠是相鄰兩細(xì)胞壁所共有，并且具有將兩個(gè)細(xì)胞連接在一起的作用。◆初生壁形成：

是細(xì)胞正在生長時(shí)形成的。初生壁由纖維素、半纖維素、果膠和糖蛋白等松散組成?！舸紊谛纬桑?/p>

是在細(xì)胞停止生長后分泌形成的。主要是增加細(xì)胞壁的厚度和強(qiáng)度。次生壁主要成分是纖維素和木質(zhì)素。

植物細(xì)胞壁的作用◆提供機(jī)械強(qiáng)度◆植物細(xì)胞壁是一個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行很多活動(dòng):●與細(xì)胞壁有關(guān)的酶能夠吸收細(xì)胞外的營養(yǎng)，生成能夠通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的小分子化合物?！窦?xì)胞壁也可以作為物質(zhì)通透的障礙，在代謝和分泌過程中起重要作用。4.1.3BACTERIACELLWALLS

細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)組成

Gram-positivevsGram-negativeN-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸交替連接形成胞壁質(zhì)多糖鏈通過N-乙酰胞壁酸與肽橋結(jié)合

胞壁質(zhì)(murein):肽聚糖(peptidoglycan)？青霉素的作用4.2Extracellularmatrix◆細(xì)胞分泌的大分子在細(xì)胞間交織連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱ECM

細(xì)胞外基質(zhì)的組成∶●蛋白聚糖(proteoglycan)●結(jié)構(gòu)蛋白(structureprotein)：膠原和彈性蛋白，它們賦予基質(zhì)一定的強(qiáng)度和韌性。●黏著蛋白(adhesiveproteins)：纖連蛋白和層粘蛋白，它們促使細(xì)胞同基質(zhì)結(jié)合?！艟S持細(xì)胞形態(tài)及活性，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，細(xì)胞分化….TypicalECM4.2.1蛋白聚糖(Proteoglycan,PG)●coreprotein+glycosaminoglycans(GAGs,糖胺聚糖)

，構(gòu)成ECM的基質(zhì)

糖胺聚糖

(Glycosaminoglycans)●重復(fù)二糖單位構(gòu)成無分支長鏈多糖●二糖單位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖),故稱為糖胺聚糖?！穸菃挝话ā昧蛩彳浌撬?chondroitinsulfate)

透明質(zhì)酸(hyaluronicacid)…..構(gòu)成糖胺聚糖的二糖

透明質(zhì)酸(hyaluronicacid)不同于其他PG，在細(xì)胞外基質(zhì)中也可游離存在。作為長軸，將蛋白聚糖連接在一起。

透明質(zhì)酸-蛋白聚糖復(fù)合物。4.2.2結(jié)構(gòu)蛋白

膠原(Collagen)●water-insolublefibrousglycoproteins,thebackboneproteinsforECM.●mostabundantproteininthehumanbody(>25percentofallprotein)withhightensilestrength:collagenfiber(Φ1mm)

suspending10kg.●producedprimarilybyfibroblasts,andalsobysmoothmusclecellsandepithelialcells.●tropocollagenconsistingofthreeapolypeptidechains(Gly-X-Y)nStructuralfeatures原膠原的三條鏈之間的賴氨酸(lysine)殘基間的交聯(lián)不同原膠原間的賴氨酸交聯(lián)◆膠原的組裝◆膠原的合成、裝配與運(yùn)輸◆膠原的作用

●膠原是骨、腱和皮膚組織中的主要蛋白，在這些組織的細(xì)胞外基質(zhì)中,膠原起著細(xì)胞外基質(zhì)骨架作用；

●膠原具有促進(jìn)細(xì)胞生長的作用；

●維持并誘導(dǎo)細(xì)胞分化的作用。皮膚過渡松弛癥膠原酶的遺傳缺陷，膠原纖維不能正確地裝配

彈性蛋白(Elastin)◆是彈性纖維(elasticfibers)的主要成分?！艄δ埽耗軌蛸x予細(xì)胞外基質(zhì)彈性?！舾缓拾彼岷透彼岬牡鞍踪|(zhì)。◆與膠原不同：彈性蛋白沒有羥基化，所以沒有羥賴氨酸的存在。彈性蛋白的結(jié)構(gòu)4.2.3黏著蛋白(adhesiveprotein)細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞聯(lián)系的橋梁，促進(jìn)細(xì)胞同基質(zhì)結(jié)合

纖連蛋白(Fibronectin,FN)

層連蛋白(laminin,LN)Fibronectin◆功能：◆RGD序列，介導(dǎo)細(xì)胞的黏著?！艟哂型瑫r(shí)與細(xì)胞外基質(zhì)各類成分相結(jié)合的特點(diǎn),是細(xì)胞外基質(zhì)的組織者。Laminin◆功能◆基膜的主要結(jié)構(gòu)成分對基膜的組裝起關(guān)鍵作用。◆介導(dǎo)細(xì)胞黏著于膠原,使之發(fā)生鋪展。

基膜(Basementmembrane)◆細(xì)胞外基質(zhì)特異區(qū)：上皮和內(nèi)皮的基底面4.2.4

細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞的相互作用■層連蛋白：是基膜的主要成分，也是基膜的組織者；■Ⅳ型膠原■巢蛋白(entactin)■硫酸肝素糖蛋白基膜的結(jié)構(gòu)Ⅳ型膠原是基膜的核心分子，排列成網(wǎng)狀；層粘連蛋白同Ⅳ型膠原結(jié)合，覆蓋在細(xì)胞表層。

整聯(lián)蛋白(integrin)◆細(xì)胞外基質(zhì)受體◆受體濃度高，與配體結(jié)合力低◆胞外端同基質(zhì)蛋白結(jié)合◆胞內(nèi)尾部與肌動(dòng)蛋白結(jié)合◆細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)骨架雙向聯(lián)絡(luò)，即細(xì)胞黏著◆信號傳遞整聯(lián)蛋白與細(xì)胞外基質(zhì)相連RGD序列：精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp)4.3

CELLRECOGNITIONANDADHESION后

細(xì)胞的黏著(CellAdhesion)在細(xì)胞識別的基礎(chǔ)上,同類細(xì)胞發(fā)生聚集形成細(xì)胞團(tuán)或組織的過程。先

細(xì)胞的識別(CellRecognition)細(xì)胞對同種或異種細(xì)胞、同源或異源細(xì)胞以及對自己和異己分子的認(rèn)識和鑒別。

細(xì)胞的識別◆抗原-抗體的識別◆酶與底物的識別◆細(xì)胞間的識別基本特性：選擇性-特異性?。?！揀出(sortingout)4.3.1

CELLRECOGNITION

細(xì)胞識別與黏著的分子基礎(chǔ)

識別反應(yīng)

細(xì)胞識別引起的細(xì)胞反應(yīng),大致有三種類型: ◆內(nèi)吞 ◆細(xì)胞黏著 ◆信號反應(yīng)糖-識別蛋白-黏著

細(xì)胞黏著◆概念：在細(xì)胞識別的基礎(chǔ)上,同類細(xì)胞發(fā)生聚集形成細(xì)胞團(tuán)或組織的過程?！粢鸺?xì)胞黏著的主要是膜蛋白-細(xì)胞黏著分子(celladhesionmolecule,CAM）。4.3.2

CELLADHESION◆選擇蛋白(Selectins);◆免疫球蛋白超家族(Immunoglobulinsuperfamily,orIgSF);

◆整合素(Integrins);

◆鈣黏著蛋白(Cadherins)。其中①、③、④是鈣依賴性的，②為鈣非依賴性的◆細(xì)胞黏著的方式◆由同種細(xì)胞黏著分子介導(dǎo)◆由互補(bǔ)的細(xì)胞黏著分子介導(dǎo)◆由中介分子與細(xì)胞表面黏著分子介導(dǎo)鈣黏著蛋白自我黏著同類細(xì)胞的揀出選擇蛋白與細(xì)胞黏著識別特異性的糖基免疫球蛋白超家族同嗜性黏著或異嗜性黏著

細(xì)胞黏著小結(jié)共有六種不同的方式的細(xì)胞黏著：？四種細(xì)胞間黏著？兩種細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的黏著

細(xì)胞的六種黏著方式4.3.3CellJunction細(xì)胞連接的概念：細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)，或特化區(qū)域。兩個(gè)細(xì)胞通過這種結(jié)構(gòu)連接起來。與細(xì)胞黏著的關(guān)系：黏著在前，連接在后。CellJunction類型：◆緊密連接(tightjunction)：封閉◆斑形成連接(plaque-bearingjunction)：黏著◆間隙連接(gapjunction)：通訊

存在部位和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)◆又叫不通透連接(impermeablejunction),它不僅連接相鄰的細(xì)胞,而且封閉細(xì)胞間隙,使大多數(shù)分子難以在細(xì)胞間通透?！暨@種連接方式普遍存在于腔道上皮細(xì)胞靠近管腔端的相鄰細(xì)胞膜間?！魪慕Y(jié)構(gòu)上看,通過連接蛋白形成焊接線，封閉相鄰細(xì)胞間的空隙。緊密連接(tightjunction)緊密連接縫合蛋白(occludin)密封蛋白(claudin)

緊密連接的功能◆連接作用◆防止物質(zhì)雙向滲漏，◆維持細(xì)胞的極性，并限制了膜蛋白在脂分子層的流動(dòng)◆又稱錨定連接(anchoringjunction)；◆主要靠黏著蛋白、整聯(lián)蛋白和細(xì)胞骨架體系將相鄰兩細(xì)胞或細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)連接在一起?！舭邏K連接分為：

●黏著連接(adherensjunctions)細(xì)胞間的連接作用與細(xì)胞骨架系統(tǒng)的肌動(dòng)蛋白相關(guān)稱為黏著連接。（黏著帶+黏著斑）●橋粒(desmosome)

細(xì)胞間的連接作用與細(xì)胞骨架系統(tǒng)的中間纖維相關(guān)稱為橋粒。（橋粒+半橋粒）

斑塊連接(plaque-bearingjunction)黏著帶(Adhesionbelts)細(xì)胞-細(xì)胞間黏著鈣黏蛋白同肌動(dòng)蛋白相互作用黏著斑(Focaladhesion)細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)進(jìn)行連接細(xì)胞外基質(zhì)中的纖連蛋白通過整聯(lián)蛋白同肌動(dòng)蛋白相互作用黏著連接的作用橋粒(desmosomes)細(xì)胞-細(xì)胞間黏著鈣黏著蛋白同中間纖維相互作用半橋粒(Hemidesmosomes)細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)間黏著整聯(lián)蛋白同中間纖維相互作用CommunicationJunction◆一種特殊的細(xì)胞連接,位于特化的具有細(xì)胞間通訊作用的細(xì)胞

◆具機(jī)械的細(xì)胞連接作用◆在細(xì)胞間形成電偶聯(lián)或代謝偶聯(lián),以此來傳遞信號

◆通訊連接的方式：●間隙連接(gapjunction)：動(dòng)物●胞間連絲(plasmodesma)：植物

間隙連接(gapjunction)◆Connexons●一種跨膜結(jié)構(gòu)●每個(gè)連接子由6個(gè)相同或相似連接蛋白

(connexin)亞單位環(huán)繞中央形成孔徑為

1.5-2nm的水性通道；●相鄰兩細(xì)胞分別用各自的連接子相互對接形成分子間的通道，允許分子量在

1200道爾頓以下的分子通過。間隙連接◆間隙連接的主要功能：●機(jī)械連接作用；●電偶聯(lián)（Electricalcoupling）：在神經(jīng)沖動(dòng)信息傳遞過程中起重要作用●代謝偶聯(lián)（Metaboliccoupling）代謝偶聯(lián)可允許小分子代謝物和信號分子通過間隙連接

胞間連絲(plasmodesmata)◆胞間連絲的結(jié)構(gòu)∶●是相鄰植物細(xì)胞壁上的一個(gè)狹窄細(xì)胞壁通道●有管狀的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過。因此，通過胞間連絲，使得相鄰細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)交融在一起●胞間連絲直徑約30-60nm，允許1000道爾頓以下的分子滲透及大分子的運(yùn)輸。胞間連絲（Plasmodesmata）突觸（

synapse）Figure19-22cMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)？細(xì)胞連接的不同方式163OUTLINE5.1

BASICCHARACTERISTICSOFCELL-SIGNALINGSYSTEMS

5.2 GPROTEINCOUPLEDRECEPTOR5.3 SIGNALINGVIAENZYME-LINKEDRECEPTORSANDOTHERSIGNALINGPATHWAY5.4 SIGNALCONVERGENT、DIVERGENT、CROSSTALKANDCELLADAPTATION信號出現(xiàn)傳遞消息決策執(zhí)行功能信息感受信息傳遞命令傳遞日常生活中的信息傳遞細(xì)胞通訊：CellCommunication165細(xì)胞通訊：CellCommunication細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)通過高精度和高效的接收信息通訊機(jī)制并通過放大引起快速的細(xì)胞生理反應(yīng)/或引起基因活動(dòng)，從而發(fā)生一系列的細(xì)胞活動(dòng)來協(xié)調(diào)各組織行動(dòng)，使之成為統(tǒng)一生命整體對外界環(huán)境變化作出綜合應(yīng)答。166CellSignal：信號的產(chǎn)生及傳送

synthesisofsignalmolecule

release

transport

CellCommunicationReactionSignalTransduction：信號的接收、轉(zhuǎn)換、應(yīng)答

signalrecognition

transduction

responseTransductionSignalmoleculesrecognition(receptor)ReactionSIGNALINGCOMPONENTSFourTypesofCellCommunicationCell-SurfaceReceptorsFallintoThreeMainClassesTheBasicCellSignalingProcess(A)Contact-dependent:don’tneedsecretedmolecule(B)Papacrine:tonearbyneighbor(C)Neuronalsignaling(D)Endocrine:tolongdistanceFromBruceAlbertsetal.,MolecularBiologyofTheCell(5thedition))Signalcanactoverlongorshortrange.FourTypesofCellCommunicationFromEssentialCellBiology(?GarlandScience2010)FromEssentialCellBiology(?GarlandScience2010)1715.1.1

CellSignalingandSignalmolecule不依賴于細(xì)胞接觸：依賴于細(xì)胞接觸：172TransductionSignalmoleculesrecognition(receptor)Reaction5.1.2

SignalRecognitionandReceptors受體（receptor）：任何能夠與信號分子結(jié)合并能

引起細(xì)胞功能變化的生物大分子。173接收信息→受體信號分子→配體(ligand)

FromBruceAlbertsetal.,MolecularBiologyofTheCell(5thedition)1.Anion-channel-coupledopensorclosesinresponsetobindingofitsextracellularsignalmolecule.Thesechannelsarealsocalled‘transmitter-gatedionchannelsCellsurfacereceptorsfallintothreebasicclasses

FromBruceAlbertsetal.,MolecularBiologyofTheCell(5thedition)G-protein-coupledreceptor:WhenaG-coupledreceptorbindsitsextracellularsignalmolecule,thesignalispassedfirsttoaGTP-bindingprotein(Gprotein)thatisassociatedwiththereceptor.TheactivatedGproteinthenleavesthereceptorandturnonatargetenzyme(orionchannel)inthemembrane

FromBruceAlbertsetal.,MolecularBiologyofTheCell(5thedition)3.Enzyme-coupledreceptors:Anenzyme-linkedreceptorbindsitsextracellularsignalmolecule,switchingonanenzymeactivity,eitherattheotherendoftheenzymeorotherassociatedenzyme177Cell-surfaceReceptors（受體本身就是離子通道的一部分）（GTP結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白偶聯(lián)）（受體本身就是酶，又稱催化受體）178IntracellularReceptorsTwo

motifs,twobindingsites179180GenerationofconditionalknockoutmiceER-Cre/tamoxifen181TransductionSignalmoleculesrecognition(receptor)Reaction1825.1.3

SignalTransduction信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：細(xì)胞表面受體通過一定機(jī)制將外部信號轉(zhuǎn)為內(nèi)部信號。

Manyintracellularsignalingproteinsactasmolecularswitches:Signalingbyphosphorylation:signalingproteinsareactivatedbytheadditionofaphosphategroupbyproteinkinase,andinactivatedbyremovalofthephosphatebyproteinphosphatase.Proteinkinasephosphatesserine/threonine(calledser/thrkinase)ortyrosine(calledtyrosinekinase)(B)SignalingbyGTP-bindingprotein:aGTP-bindingsignalingproteinisinducedtoexchangeitsboundGDTforGTP(i.e.addsaphosphatetotheprotein).ThehydrolysisoftheboundGTPtoGDPThenswitchestheproteinoffProteinkinase2isactivatedbyproteinkinase1.Onceactivated,proteinkinase2phosphorylatesproteinkinase3,activatingtheenzyme.Proteinkinase3thenphosphorylatesatranscriptionfactor,increasingitsaffinityforasiteontheDNA.BindingofatranscriptionfactortotheDNAaffectsthetranscriptionofthegeneinquestion.Eachoftheseactivationstepsinthepathwayisreversedbyaphosphatase.FromGeraldKarp,CellandMolecularBiology-conceptsandexperiments(6thedition)SignaltransductionpathwayconsistingofproteinkinasesandproteinphosphatasesFromBruceAlbertsetal.,MolecularBiologyofTheCell(5thedition)GTPase-activatingproteins(GAPs)inactivatetheproteinbystimulatingittohydrolyzeitsboundGTPtoGDP.Guaninenucleotideexchangefactors(GEFs)activatetheinactiveproteinbystimulatingittoreleaseitsGDP;NotethattheconcentrationofGTPincytosolis10timesgreaterthantheconcentrationofGDP,theproteinrapidlybindsGTPonceitejectsGDPandistherebyactivatedTheregulationofamonomericGTPases.186SecondMessenger第一信使：細(xì)胞外部信號。第二信使：由細(xì)胞表面受體轉(zhuǎn)換而來的細(xì)胞內(nèi)部信號。第一信使同其膜受體結(jié)合后最早在胞膜內(nèi)側(cè)或胞漿中出現(xiàn)的僅在細(xì)胞內(nèi)部起作用的信號分子；能啟動(dòng)或調(diào)解細(xì)胞內(nèi)稍晚出現(xiàn)的細(xì)胞應(yīng)答。187SignalTransductionataGlance188TypesofReceptor-EffectorLinkage189TransductionSignalmoleculesrecognition(receptor)ReactionExtracellularsignalscanactslowlyorrapidlyFromEssentialCellBiology(?GarlandScience2010)191SignalCascadeTwodifferenttypesofsignaltransductionpathways:oneinwhichasignalingpathwayisactivatedbyadiffusiblesecondmessengerandanotherinwhichasignalingpathwayisactivatedbyrecruitmentofproteinstotheplasmamembrane.Mostsignaltransductionpathwaysinvolveacombinationofthesemechanisms.signalingpathwaysarenottypicallylineartracksasdepictedhere,butarebranchedandinterconnectedtoformacomplexweb.FromGeraldKarp,CellandMolecularBiology-conceptsandexperiments(6thedition)TheBasicCellSignalingProcess1935.2

GProtein-coupledReceptor

2006NatureReviewDrugDiscoveryGPCRTrulyuniquedrugs：~1,300Smallmolecules：~1,200Majordrugtargets：~300Drugtargetsinhuman：2664majortypesofdrugtargets：GPCRs，nuclearreceptors，ligand-gatedorvoltage-gatedionchannelsGPCR：>60GPCR－最具潛力的藥靶2006全球銷量前10名的藥物排行藥名2006年銷售額(USD

百萬)公司疾病主要靶點(diǎn)批準(zhǔn)上市日期1Lipitor14,385Pfizer高血脂HMG-CoA還原酶Dec-962Advair,Seretide6,129GSK哮喘糖皮質(zhì)激素受體/腎上腺素受體Aug-003Plavix,Iscover6,057Bristol-MyersSquibb/Sanofi-Aventis血栓P2Y12受體Nov-974Nexium5,182AstraZeneca腸胃潰瘍質(zhì)子泵抑制劑Mar-005Norvasc4,866Pfizer高血壓鈣離子通道Jul-926Remicade4,428Johnson&Johnson,Schering-Plough,MitsubishiTanabePharma自免疫性腸炎及類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎TNFα抗體Aug-987Enbrel4,379Wyeth類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎TNFαNov-988Zyprexa4,364EliLillyandCompany精神病多種GPCR,包括D1,D2,5HT2A,5HT2C等Sep-969Diovan4,223Novartis高血壓血管緊張素受體AT1RDec-9610Risperdal4,183Johnson&Johnson精神病多種GPCR,包括5HT1A,5HT1,5HT2A,5HT2C，5HT7，D1,D2,等Dec-93196

G-蛋白:◆組成:一般由三個(gè)亞基組成,分別叫α、β、γ,β、γ兩亞基通常緊密結(jié)合在一起,只有在蛋白變性時(shí)才分開