细胞生物学-6物质的跨膜运输与信号传递.ppt

1,2,学习要求,1.掌握物质跨膜运输的各种方式及其原理 2.掌握细胞物质转导的各种途径及其相关的知识 3.理解细胞内信号转导的复杂网络系统，并建立细 胞内信号转导的复杂网络系统的整体的、概括的印象,3,第一节 物质的跨膜运输,4,物质的跨膜运输,物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。,被动运输（passive transport） 主动运输（active transport） 胞吞作用endocytosis与胞吐作用exocytosis,5,跨膜运输,细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的平衡及渗透压平衡的能力。,6,顺浓度梯度 不消耗ATP 根据需不需要膜蛋白的帮助,被动运输又可分为: 简单扩散 协助扩散。,（一） 被动运输,7,扩散与渗透,扩散(diffusion)是指物质沿着浓度梯度从半透性膜浓度高的一侧向低浓度一侧移动的过程，通常把这种过程称为简单扩散,渗透(osmosis)的含义则是指水分子以及溶剂通过半透性膜的扩散。,它们都是从自由能高的部位向自由能低的部位移动。,8,简单扩散和渗透的比较,9,简单扩散和协助扩散,10,扩散简单扩散,简单扩散：又称自由扩散，是物质从浓度较大的一侧通过膜向浓度较小的一侧的扩散，扩散速率依赖于膜两侧溶质的浓度差及溶质分子的大小和电荷性质，同时与透过物质的脂溶性程度有关，同该物质在脂肪中的溶解度成正比,11,不同分子对人工磷脂双层的通透性,12,自由扩散的限制因素,13,扩散协助扩散,协助扩散：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其浓度梯度或电化学梯度减小的方向的扩膜转运，该过程不需要细胞提供能量。特异蛋白可协助物质转运使其速率增加。,14,协助扩散同简单扩散相比，具有特点,协助扩散的速度要快几个数量级。 具有饱和性: 当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，协助扩散的速度不再提高 具有高度的选择性: 如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。 膜运输蛋白的运输作用也会受到类似于酶的竞争性抑制，以及蛋白质变性剂的抑制作用。,15,膜转运蛋白,16,膜转运蛋白,膜转运蛋白： 载体蛋白（carrier proteins）通透酶（permease）性质； 介导被动运输与主动运输 通道蛋白（channel proteins）具有离子选择性，转运速率高； 离子通道是门控的；只介导被动运输 类型： 电压门控通道（voltage-gated channel） 配体门控通道（ligand-gated channel） 胁迫门控通道（stress-activated channel） 水的被动运输,17,膜转运蛋白载体蛋白,载体蛋白：又称为通透酶（permease)，是一类膜内在蛋白，几乎都是多次跨膜的蛋白质分子。载体蛋白能与特定的分子结合，通过一系列构象改变，介导溶质分子的跨膜转运。由载体介导的转运可以是被动的（顺电化学势梯度），也可以是主动的（逆电化学势梯度）。,18,载体蛋白作用机理,通过可逆的构象变化交替暴露在膜一侧的溶质结合位点，然后再暴露在膜另一侧的结合位点以完成跨膜物质的转运。 其动力是：当为协助扩散时，电化学梯度为动力；当为主动运输时，ATP水解供能为主要动力,19,载体蛋白,20,载体蛋白,红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图,21,载体蛋白,离子载体(Ionophores) 由微生物产生的脂溶性抗生素。 缬氨霉素(Valinomycin) 由12个氨基酸组成的环状肽； 一种可动离子载体(mobile ion carrier),插入脂质体后，能特异性运输K+ ,使运输速率提高100 000倍。,22,载体蛋白,短杆菌肽 A (Gramicidin A) 一种形成通道的离子载体(channel forming carrier)； 由15个氨基酸组成的线性肽, 两个分子在一起形成跨膜的通道； 它能够有选择地将单价阳离子按电化学梯度通过膜，但并不显著提高运输速度； 可被短杆菌肽 A离子通道运输的阳离子有H+ NH4+ K+ Na+ Li+。,23,载体蛋白,缬氨霉素与短杆菌肽的运输机制,24,通道蛋白,通道蛋白：通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道， 允许适宜的分子通过。通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输， 并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量,25,通道蛋白,极性(带电性)通道的形成,(a) 由单亚基膜蛋白形成的通道;(b)由多亚基蛋白形成的通道,26,通道蛋白类型：电位-门控通道,依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位的变化使其构型发生改变, 从而将“门”打开。在很多情况下, 门通道有其自己的关闭机制, 它能快速地自发关闭。开放往往只有几毫秒时间。在这短暂瞬息时间里,一些离子、代谢物或其它溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜。,含羞草展开与收缩受电位-门控通道的控制,27,通道蛋白类型：配体-门控通道,这类通道在其细胞内或外的特定配体（ligand）与膜受体结合时发生反应, 引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化, 结果使“门”打开。因此这类通道被称为配体-门控通道，它分为细胞内配体和细胞外配体两种类型。,28,通道蛋白类型：胁迫门控通道,听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理,这种通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一个极好的例子。声音的振动推开协迫门控通道，允许离子进入毛状细胞，这样建立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经，然后传递到脑。,29,水通道蛋白,膜的水通道蛋白 AQP1是1988年发现的，开始将这种蛋白称为通道形成整合蛋白(CHIP)，是人的红细胞膜的一种主要蛋白。它可以使红细胞快速膨胀和收缩以适应细胞间渗透性的变化。,AQP1水通道蛋白,水孔蛋白的跨膜结构域,30,（二）主动运输,主动运输的特点： 逆浓度梯度 消耗ATP 需要运输蛋白的帮助,31,几种常见的主动运输泵,Na+-驱动的葡萄糖泵 肾和肠细胞的表面质膜 Na+-H+交换泵 动物细胞的质膜 Na+-K+泵 大多数动物细胞的质膜 Ca2+泵(Ca2+ ATPase) 真核细胞的质膜 H+泵(H+ ATPase) 植物、真菌和某些细菌 的质膜 H+泵(H+ ATPase) 动物细胞的溶酶体膜、 植物细胞的液泡膜 细菌视紫菌素 某些细菌的质膜,32,33,主动运动的三种基本类型,偶联转运蛋白,ATP驱动泵,光驱动泵,34,ATPase Pumps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,两个大亚基(亚基)和两个小亚基(亚基)组成。亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点;在亚基上有Na+和K+结合位点,Na+/K+ ATPase的结构,35,工作原理,Na+/K+ ATPase 工作原理示意图,36,37,ATPase PumpsCa2+ 泵 结构,38,39,ATPase Pumps质子泵,P型离子泵(P-type ion pump)，或称P型ATPase 。此类运输泵运输时需要磷酸化，包括Na+-K+泵、Ca2+离子泵。 V型泵(V-type pump)，或称V型ATPase，主要位于小泡的膜上， 如溶酶体膜中的H+泵， 运输时需要ATP供能， 但不需要磷酸化。 F型泵(F-type pump)，或称F型ATPase。这种泵主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和植物类囊体膜， 它们在能量转换中起重要作用， 是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子。,40,ATPase Pumps质子泵,P型、V型和F型运输泵的结构,41,协同运输,协同运输：又称偶联运输。这种运输需要先建立离子学梯度(Ion gradients)，在动物细胞主要是靠Na+泵、在植物细胞则是由H+泵完成的。 物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子电化学浓度梯度，而维持这种离子电化学梯度则是通过Na+K+泵(或H+泵)消耗ATP所实现的。,42,协同作用,43,协同作用,在动物、植物细胞由载体蛋白 介导的协同运输异同点的比较,44,协同运输的方向,45,葡萄糖与Na+离子的协同运输,46,细菌的主动运输,47,细菌的主动运输磷酸化运输,又称为基团转运。其机理是通过对被转运到细胞内的分子进行共价修饰（主要是进行磷酸化）使其在细胞中始终维持“较低“的浓度， 从而保证这种物质不断地沿浓度梯度从细胞外向细胞内转运,细菌细胞中糖的磷酸化运输,48,细菌的主动运输 ABC运输蛋白与主动运输,ABC运输蛋白是一大类运输蛋白，最早在细菌中发现。E.coli具有两层膜，ABC运输蛋白位于细菌的内膜。 ABC运输蛋白主要参与运输糖、氨基酸和小肽，运输时需要水解ATP提供能量,49,E.coli周质空间主动运输系统,周质结合蛋白有两个结构域，一个同甘露糖结合，该结构域与甘露糖等物质结合后，会引起另一个结构域发生构型变化并同ABC运输蛋白结合,50,细菌的主动运输 光能驱动的运输H+质子泵,51,不同运输机制的主要特性,52,(三) 胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）,作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输或批量运输（bulk transport）。属于主动运输。,53,细胞的分泌与内吞作用,54,胞吞作用,吞噬作用(phagocytosis) 巨噬细胞(macrophage) 中性细胞(neutrophils) 胞吞作用(endocytosis) 吞饮作用(pinocytosis) 液相内吞(fluid-phase endocytosis) 吸附内吞(absorption endocytosis),55,受体介导的胞吞作用,56,受体介导内吞的基本特点,配体与受体的结合是特异的, 具有选择性; 要形成特殊包被的内吞泡。将成纤维细胞培养在加有转铁蛋白-铁标记的低密度脂蛋白(LDL)的培养基中,可清楚地观察到这一过程,57,基本过程,大致分为四个基本过程配体与膜受体结合形成一个小窝(pit); 小窝逐渐向内凹陷，然后同质膜脱离形成一个被膜小泡; 被膜小泡的外被很快解聚, 形成无被小泡, 即初级内体; 初级内体与溶酶体融合,吞噬的物质被溶酶体的酶水解,58,受体介导的内吞过程,59,60,低密度脂蛋白（LDL）的结构,LDL是一种球形颗粒的脂蛋白，外面由800个磷脂和500个未酯化的胆固醇分子包裹,由于外被脂分子的亲水头露在外部，使LDL能够溶于血液中；最外面的蛋白能够与特定细胞的表面受体结合,61,受体介导的LDL内吞过程,62,63,胞饮作用(cellular drinking),胞吞作用的一种类型。它是一种非选择性的连续摄取细胞外基质中液滴的内吞过程。吞入的物质通常是液体或溶解物。所形成的小囊泡的直径小于150nm。根据细胞外物质是否吸附在细胞表面，将胞饮作用分为两种类型:液相内吞(fluid-phase endocytosis)和吸附内吞(absorption endocytosis)。,64,胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别,65,66,胞吐作用, 组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway） 用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子） 除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节的分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面 调节型外排途径（regulated exocytosis pathway） 特化的分泌细胞， 储存刺激释放 产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶） 具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身， 分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定 膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的 囊泡与靶膜的识别与融合,67,分类：组成型：所有真核细胞都有从高尔基体反面管网区分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定过程，通过这种组成型的胞吐途径，新合成的囊泡膜的蛋白和脂类不断地供应质膜更新，正是这条途径确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。 调节型：真核细胞除了这种连续的组成型胞吐途径之外，特化的分泌细胞还有一种调节型胞吐途径，这些分泌细胞产生的分泌物(如激素、粘液或消化液)储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。,68,组成型的外排过程,69,调节型的外排过程,70,膜流,71,膜融合,两种膜蛋白相互接触; 两种膜之间形成一个封闭的孔,并逐渐扩大; 由于膜脂的扩散,两种膜的脂双层融合成一体。,72,细胞通讯与信号传递,细胞通讯与细胞识别 细胞的信号分子与受体 通过细胞内受体介导的信号传递 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息,73,细胞通讯与细胞识别,细胞通讯（cell communication） 细胞识别（cell recognition）,74,细胞通讯（cell communication）,细胞通讯方式和特点： 分泌化学信号进行通讯 （多细胞生物的普遍方式） 内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） 化学突触（chemical synapse） 接触性依赖的通讯 细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 间隙连接实现代谢偶联或电偶联,75,细胞通讯,细胞通讯是指在多细胞生物的细胞社会中, 细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制, 并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动,尔后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动, 使之成为生命的统一整体对多变的外界环境作出综合反应。,76,信号传导,77,细胞质膜与细胞通讯,肝细胞储存糖原，一旦发现其他组织需要糖了，就发出信号分子（肾上腺激素或糖皮质激素，使糖原分解成葡萄糖进入血液，随着血液循环运送到各组织,78,细胞通讯的一般过程,识别 信号分子 受体蛋白 信号转移 信号转换,79,细胞通讯的方式及引起的某些反应,80,细胞通讯的作用,81,细胞通讯的方式和特点,细胞通讯的方式 细胞通讯的方式可以分为两大类： 通过细胞外信号分子： 包括蛋白质、肽、氨基酸、核苷酸、脂肪酸衍生物以及溶解的气体。 靠细胞的直接接触。,82,细胞通讯的两种方式,83,84,两个概念,信号传导(cell signalling) 是细胞通讯的基本概念, 强调信号的产生、分泌与传送,即信号分子从合成的细胞中释放出来,然后进行传递。不强调方式和途径，只强调起始和结果。 信号转导(signal transduction) 是细胞通讯的基本概念, 强调信号的接收与接收后信号转换的方式(途径)和结果, 包括配体与受体结合、第二信使的产生及其后的级联反应等, 即信号的识别、转移与转换。,85,86,信号转导与蛋白质活性,87,重要性：在胚胎发育过程中对组织内相邻细胞的分化具有重要作用。在胚胎发育过程中，神经系统来源于胚胎上皮细胞层。将发育为神经系统的上皮细胞层，最初相邻细胞之间是彼此相同的，在发育过程中，单个细胞通过独立分化成为神经元，而与其相邻的细胞则受到抑制保持非神经细胞状态。这是因为将分化形成神经元的细胞通过膜结合的抑制信号分子与其相接触的相邻细胞的膜受体结合,从而阻止它们也分化为神经元细胞；控制这一过程的信号是通过细胞间接触而传递的。这类信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白，在脊椎动物和无脊椎动物的各种其他组织中，控制细胞分化的过程，也是靠基本相同的分子所介号的相同的机制来实现的。在接触依赖性信号传递失败的突变体中，有些类型的细胞(如神经元)会过量发生。,88,通过分泌的信号分子通讯与通过膜结合的信号分子通讯的比较,89,细胞识别（cell recognition）,概念： 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。,90,细胞的识别系统,抗原-抗体的识别 酶与底物的识别 细胞间的识别。,91,细胞识别的选择性,海绵细胞的识别 黄色与红色海绵的识别 两栖类胚性细胞识别: 分别用蛋白酶将外胚层和中胚层水解成单细胞，并分别标记上不同的颜色，然后将这两种细胞混合;,92,细胞识别的机理,93,细胞识别的酶受体假说,94,识别反应,细胞识别引起的细胞反应, 大致有三种类型: 内吞 细胞黏着 信号反应,95,细胞信号通路,96,信号分子与受体,信号分子（signal molecule） 亲脂性信号分子(Lipid-soluble hormones) 亲水性信号分子(Water-soluble hormones) 气体性信号分子(NO) 受体（receptors）多为糖蛋白 第二信使与分子开关（molecular switches）,97,信号分子及类型,化学分子 非营养物 非能源物质 非结构物质 不是酶 主要是用来在细胞间和细胞内传递信息,98,99,信号分子本身并不直接作为信息,它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力,就像钥匙与锁一样,信号分子相当于钥匙,因为只要有正确的形状和缺齿就可以插进锁中并将锁打开。至于锁开启后干什么,由开锁者决定了。,100,信号分子与细胞通讯,信号分子产生与类型,101,激素(hormone),激素是由内分泌细胞(如肾上腺、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体)合成的化学信号分子,这些信号分子被分泌到血液中后, 经血液循环运送到体内各个部位作用于靶细胞。激素经血液循环系统运送到全身的速度很快,通常只需几分钟。每种激素都有与其相配的一种或几种受体; 一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素,102,局部介质(local mediators),局部介质是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子，它只能作用于周围的细胞。即信号分子分泌出来之后停留在分泌细胞周围的细胞外液体中，只是将信息传递给相邻细胞，通讯距离很短，只有几毫米。,103,神经递质 (neurotransmitters),神经递质是从神经细胞的特殊部位突触(synapses)中释放出来的信号分子，在它们作用于靶细胞之前，突触必须同靶细胞挨得很近很近，这是因为神经递质扩散的距离有限。另外，为了引起邻近靶细胞的反应，还必须产生一种电信号,所以神经递质仅作用于与之相连的靶细胞。神经递质释放后, 作用速度快, 部位精确, 维持时间短, 与受体的亲和力低。由于神经递质是神经细胞分泌的,所以这种信号又称为神经信号(neuronal signaling)。,104,信号分子的类型,105,受体是一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子，当与配体结合后，通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。,受体,106,受体类型,细胞内受体: 胞外亲脂性信号分子所激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族） 细胞表面受体: 胞外亲水性信号分子所激活 细胞表面受体分属三大家族： 离子通道偶联的受体（ion-channel-linked receptor） G-蛋白偶联的受体（G-protein-linked receptor） 酶偶连的受体（enzyme-linked receptor）,107,GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜） 信号分子包括：感觉信号（光、嗅、声等；激素、神经递质等） GPLR的效应器： AC、PLC、PLA2、 GRK（ GPLR 激酶）、PDE、PI3K、离子通道等,表面受体,108,第二信使(second messenger),109,第二信使,110,第二信使至少有两个特征: 是第一信使同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现，仅在细胞内部起作用的信息分子； 能启动或调节细胞内稍晚出现