第五章 细胞生物学细胞生物

教学过程设计
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
2
生命科学学院理论课教案
教学内容
主动运输（ transport） 主动运输（ Active transport） 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（ATP synthase） 是氧化磷酸化或光合磷酸化 ，F 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。
教学过程设计
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。
3
第3页
生命科学学院理论课教案
教学内容
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) (pinocytosis)与吞噬作用(phagocytosis) (pinocytosis) (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(low density lipoprot－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) (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 (constitutive exocytosis pathway ） 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。Default pathway：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞 表面 调节型胞吐途径（regulated exocytosis pathway） 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。
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
1
生命科学学院理论课教案
教学内容
协助扩散(facilitated diffusion) 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 （28 kd） ，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 3 理论。此为第1个被克隆的水通道，其分子质量为2.8×10 ,被称为CHIP 28 (channel-forming integral membrane protein).将纯化的CHIP28重构于人工合成 9 的脂质体，脂质体对水表现出极高的通透性(每秒3X10 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),
课后小结： 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。
生命科学学院理论课教案
教学内容
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 阳离子 Na+ K+ Mg2+ Ca2+ H+ 细胞内浓度(mmol ·L细胞内浓度(mmol ·L-1) 细胞外浓度(mmol ·L细胞外浓度(mmol ·L-1)
教学难点： 教学难点：
受体介导的胞吞作用
授课方式、方法和手段： 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： 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： 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 ⑥Molecular Cell Biology 2000 by W. H. Freeman and Company.