第五章 细胞生物学细胞生物

生命科学学院理论课授课教案课程名称细胞生物学授课教师黄坤艳授课班级2006级生物科学本科1、2、3班学生人数137授课题目第5章物质的跨膜运输授课学时2教学目的、要求（教学目标）：掌握物质跨膜运输的方式教学重点：（1）理解并掌握胞吞作用与胞吐作用概念、过程和特点（2）理解被动运输与主动运输的特点教学难点：受体介导的胞吞作用授课方式、方法和手段：讲述法、演示法、归纳法、课堂讨论与训练作业及课外训练：（1）课堂练习题：填空题、选择题、判断题（2）作业：名词解释、简答题、论述题（3）课外训练：参考资料：教材：细胞生物学(第三版).翟中和，王喜忠，丁明孝主编.高等教育出版社2007年8月（普通高等教育“十一五”国家级重点教材）参考书目：①<<细胞生物学>>王金发编著　科学出版社2003年8月（国家级精品课程教材）②分子细胞生物学.韩贻仁科学出版社,2001年03月（高等院校选用教材）③细胞生物学(第二版)汪堃仁.北京师范大学出版社,1998年11月出版（教育部研究生工作办公室推荐）④基础细胞生物学.(美)布鲁斯·艾伯茨等著.赵寿元金承志丁小燕等译.上海科技教育出版社，2002年6月⑤医学细胞与分子生物学.陈诗书.上海医科大学出版社，1999年01月⑥MolecularCellBiology2000byW.H.FreemanandCompany.课后小结：在植物生理中接触过该部分知识，可让学生讲授部分内容。6 生命科学学院理论课教案教学内容教学过程设计导入新课程。细胞膜是细胞与外界的屏障，其功能有哪些？5.物质的跨膜运输5.1膜转运蛋白与物质的跨膜运输　5.1.1脂双层的不透性和膜转运蛋白典型哺乳类细胞内外离子浓度的比较组分细胞内浓度(mmol·L-1)细胞外浓度(mmol·L-1)阳离子Na+K+Mg2+Ca2+H+5～151400.510-47×10-8(pH7.2)14551～21～24×10-8(pH7.4)阴离子Cl-固定的阴离子5～15高1100细胞内外离子差别分布的调控机制·脂双层所具有的疏水性特性·膜转运蛋白（membranetransportprotein)·载体蛋白(Carrierproteins)：与被运输物质结合，通过自身的构形变化或移动完成物质运输，有特异性,又称permease。既参与被动运输，也参与主动运输。·通道蛋白(Channelproteins):提供亲水通道。目前已发现100多种，几乎都是离子通道(ionchannels)，具有离子选择性和门控性，主要有3类：电位闸门通道、配体闸门通道、机械闸门通道。只参与被动运输。5.1.2被动运输与主动运输被动运输（Passivetransport）设问：根据什么分为简单扩散和协助扩散。·简单扩散(simplediffusion)脂溶性∶相似相溶原理。分子大小：质膜的通透性孔径不会大于0.5-1.0nm。带电性∶带电物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。P=KD/t设问：简单扩散的动力是什么？·概念：疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子顺浓度梯度跨膜运输,不需要细胞提供能量,也没有运输蛋白的协助。·特点:不要运输蛋白帮助,动力来自于膜两侧的浓度差。回顾旧知识，引出新内容膜蛋白载体蛋白（通透酶）：通道蛋白：离子选择性、门控性示图完善载体蛋白的概念。过渡：承上启下由图总结并板书：影响因素:1脂溶性2分子大小3带电性解释原因讲解公式第1页6 生命科学学院理论课教案教学内容教学过程设计·协助扩散(facilitateddiffusion)设问：协助谁？谁协助？如何协助？·概念：是各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物等顺浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运，不需要细胞提供能量，需要特异的运输蛋白协助。·特点：·转运速率高；·运输速度可以达到最大值；·具有特异性;·运输作用受抑制剂的抑制。·水的运输·可以以简单扩散的方式比较容易的穿膜。·协助扩散是其主要运输途径——水通道。·1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28kd），将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。·目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。水通道蛋白(aquaporin,AQP)是对水专一的通道蛋白，普遍存在于动、植物及微生物中。它所介导的自由水快速被动的跨生物膜转运，是水进出细胞的主要途径。长期以来，普遍认为细胞内外的水分子是以简单的跨膜扩散方式来透过脂双层膜。后来由于在生物物理学研究中发现红细胞及近端肾小管对渗透压改变引起的水的通透性很高，很难单纯以弥散来解释。因此，一些学者推测水的跨膜转运除了简单扩散外，还存在某种特殊的机制，并提出了水通道的概念。1988年，Agre等在鉴定人类Rh血型抗原时，偶然在红细胞膜上发现了1种新的28kD跨膜蛋白。1991-1992年，Agre及其同事又先后完成了该蛋白的分子克隆和功能鉴定，证实该蛋白具有水通道功能，从而确认了细胞膜上存在转运水的水通道蛋白的理论。此为第1个被克隆的水通道，其分子质量为2.8×103,被称为CHIP28(channel-formingintegralmembraneprotein).将纯化的CHIP28重构于人工合成的脂质体，脂质体对水表现出极高的通透性(每秒3X109分子/亚单位)，但不通透其它小分子。基于以上CHIP28明确的水转运功能，有人推荐了“aquaporin(水通道蛋白或水孔蛋白)”这一名称，CHIP28也于1997年被基因组命名委员会正式命名为AQP1。随后，在许多动、植物及微生物中相继发现的类似的专一性运输水的通道蛋白被统称为水通道蛋白(aquaporins，简称AQPs),总结对比简单扩散讲解先让学生根据概念自己总结第2页6 生命科学学院理论课教案教学内容教学过程设计主动运输（Activetransport）·概念:由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度跨膜转运的方式。·特点：·逆梯度运输；·依赖于运输蛋白；·需要代谢能，并对代谢毒性敏感；·具有选择性和特异性。·能量来源：·直接能源：·ATP，如Na+/K+泵、H+泵等；·光能，如细菌的视紫红质；·细菌基团转运中，磷酸烯醇式丙酮酸提供能源。·间接能源：主要是离子动力势。·由ATP直接提供能量的主动运输5.2离子泵和协同转运·钠钾泵：是动物细胞中由ATP驱动的将Na+输出到细胞外同时将K+输入细胞内的运输泵，又称Na+泵或Na+/K+交换泵。实际上是一种Na+/K+ATPase。无论动物、植物或细菌，细胞内外都存在着离子梯度差。细胞内是高K+低Na+，而外环境则高Na+低K+。这种明显的离子梯度显然是由于Na+或K+逆浓度梯度主动运输的结果，执行这种运输功能的体系称为K+，Na+-泵，也称为K+，Na+-ATP酶。动物细胞：消耗1/3的ATP；神经细胞：消耗2/3的ATP·钠-钾泵的作用：·维持了细胞内适当的Na+/K+浓度，抵消了Na+/K+的扩散作用；·建立细胞质膜两侧Na+浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了动力；·Na+泵建立的细胞膜电位为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。·钙泵：工作机理Ca2+-ATPase泵有两种激活机制，一种是受激活的Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活，另一种是被蛋白激酶C激活。当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+同钙调蛋白结合，形成激活的Ca2+/钙调蛋白复合物，该复合物同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。当细胞内Ca2+浓度下降时，CaM同抑制区脱离，抑制区又同激活位点结合，使泵处于静息状态。·质子泵P-type：载体蛋白利用ATP使自身磷酸化（phosphorylation），发生构象的改变来转移质子或其它离子，如植物细胞膜上的H+泵、动物细胞的Na+-K+泵、Ca2+离子泵，H+-K+ATP酶（位于胃表皮细胞，分泌胃酸）。V-type：位于小泡（vacuole）的膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、动物细胞的内吞体、高尔基体的囊泡膜、植物液泡膜上。F-type：是由许多亚基构成的管状结构，H＋沿浓度梯度运动，所释放的能量与ATP合成耦联起来，所以也叫ATP合酶（ATPsynthase），F是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子（factor）的缩写。·由ATP间接提供能量的主动运输—协同运输(cotransport)·又称偶联运输。这种运输需要先建立离子学梯度，在动物细胞主要是靠Na+-K+泵、在植物细胞则是由H+泵完成的。·同向转运（symport）：动物细胞的葡萄糖和氨基酸是与Na+同向协同运输。简单总结被动运输，引出主动运输。让学生根据概念总结特点。6 第3页生命科学学院理论课教案教学内容教学过程设计·反向转运（antiport）：如H+与Na+的反向协同，心肌细胞中Na+与Ca2+的交换。需要消耗能量，意义何在？·主动运输的意义：·保证了细胞或细胞器摄取必须的营养物质；·将细胞内的分泌物、代谢废物以及一些离子排到细胞外；·维持一些无机离子在细胞内的恒定和最适的浓度。5.3.胞吞作用与胞吐作用真核细胞通过胞吞和胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输,在转运中物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中,因此,又称膜泡运输。属于主动运输。·胞吞作用·胞饮作用(pinocytosis)与吞噬作用(phagocytosis)·受体介导的胞吞作用吞入的物质——配体(ligand)，分四大类:Ⅰ.营养物,如转铁蛋白、低密度脂蛋白(LDL)等;Ⅱ.有害物质,如某些细菌;Ⅲ.免疫物质,如免疫球蛋白、抗原等;Ⅳ.信号物质,如胰岛素等多种肽类激素等。基本特点：a.选择性性浓缩机制;b.要形成特殊包被的内吞泡。·低密度脂蛋白(lowdensitylipoprot－eins,LDL)的胞吞作用（1）LDL的结构：球形脂蛋白，直径22nm,核心是1500个胆固醇酯。（2）LDL受体：单链糖蛋白,由839个氨基酸组成,22个疏水氨基酸单次跨膜。；·胞内体（endosome）及其分选作用胞内体是动物细胞中胞吞作用形成的小泡，是膜泡运输的主要分选站，其酸性环境在分选过程中起关键作用。受体的分选途径：(1)大部分受体返回原来的质膜结构域；(2)有些进入溶酶体内，被消化(受体下行调节)；(3)有些运到质膜的不同结构域(transcytosis)·胞吐作用指真核细胞中含有待分泌物的分泌泡与质膜融合,从而将内含物排出胞外的过程。·组成型的胞吐途径(constitutiveexocytosispathway）所有真核细胞都有的连续分泌过程，用于质膜更新，构成胞外基质组分，作为营养或信号分子等。Defaultpathway：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面·调节型胞吐途径（regulatedexocytosispathway）特化的分泌细胞产生的分泌物(如激素、粘液或消化酶)储存在分泌泡内，细胞受到胞外信号刺激时，分泌泡与膜融合释放内含物。如血糖增加,胰岛β细胞会释放胰岛素。特点:有选择性;有浓缩作用,可使被运输物质浓度提高200倍。简单总结被动运输，引出主动运输。让学生根据概念总结特点。6 第4页简单总结本章内容课堂练习题：一填空题：1主动运输所需的能量有三种来源：__________、________和_____________。2动物的__________细胞和__________细胞是体内NO生成的场所，NO的生成需要__________的催化，其底物是__________。4被动运输的限制因素是物质的__________、________和_____________　。5协同运输是______________消耗ATP的主动运输方式,可分为______________和______________两种方式.小肠上皮细胞吸收葡萄糖或氨基酸等有机物的过程属于______________。6膜转运蛋白可分为两类：一类称______________，它既可介导被动运输，又可介导主动运输；另一类称______________，只能介导被动运输。二判断题：1Na+/K+泵存在于真核细胞的细胞质膜上。（）2所有真核细胞质膜中都含有Ca2+泵。（）3P型质子泵和V型质子泵在结构上与Ca2+泵相似,在转运H+的过程中涉及磷酸化和去磷酸化()4通道蛋白介导的物质运输都属于被动运输()5动物细胞内低Na+高K+的离子环境主要通过质膜的离子通道来完成.()6胞饮作用是一个连续发生的过程，所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液和分子；吞噬作用首先需要被吞噬物与细胞表面结合并激活细胞表面受体，因此是一个信号触发过程。（）7载体蛋白又称为通透酶，其作用机制与普通的酶完全一样。（）8主动运输都需要消耗能量，所需能量可直接来自ATP或来自离子电化学梯度，同样也需要膜上的特异性载体蛋白，这些载体蛋白具有结构上的特异性和不可变性。（）三选择题：1溶酶体膜和液泡膜上的ATP酶属于（）型质子泵。AP型BV型CF型DX2Na+/K+泵和Ca2+泵属于（）型质子泵。AP型BV型CF型DX作业：一名词解释被动运输、简单扩散、协助扩散、主动运输、协同转运二简答题1什么是协同运输，试举1～2例说明之。2动物、植物细胞主动运输的比较。专业杂志：cellhttp://www.cell.com/TheJournalofCellBiologyhttp://www.jcb.org/MolecularBiologyoftheCellhttp://www.molbiolcell.org/细胞生物学杂志http://www.cjcb.org/cellresearchhttp://www.cell-research.com/index.asp中国科学http://219.238.6.200/journal学习网点：细胞生物学在线`www.cella.cn生物谷---中国生命科学论坛http://www.bioon.com/forum.htm细胞生物学在线词典http://www.cella.cn/search/生命经伟http://www.biox.cn/Cell&MolecularBiologyOnlinehttp://www.cellbio.com/强调重点检查学习效果6 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