医学课件物质的跨膜运输与信号传递

第五章 物质的跨膜运输与信号传递, 物质的跨膜运输 细胞通讯与信号传递,第一节 物质的跨膜运输,被动运输（passive transport） 主动运输（active transport） 胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（exocytosis）,一、被动运输,概念：被动运输（passive transport）是通过简单扩散或 协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜运 转。 特点：运输方向；跨膜动力；能量消耗；膜转运蛋白。 类型：简单扩散（simple diffusion） 协助扩散（facilitated diffusion）,（一）简单扩散(simple diffusion),1.概念：又称为自由扩散（free diffusion），是疏水小分子或小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋白参与的跨膜运输方式。,2.特点：沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；不需要提供能量；没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在水和油中的分配系数（K）及扩散系数（D）来计算：P=KD/t（t为膜的厚度）,(小的非极性分子),游离的无机离子,疏水分子,(大的非极性分子),概念：也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运蛋白 协助下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。 特点：转运速率高； 存在最大转运速率； 有膜转运蛋白参与，有特异性。 膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。 分为载体蛋白（carrier protein.可介导被动和主动运输）和通道蛋白（channel protein.只介导被动运输）。,（二）协助扩散(facilitated diffusion),简单扩散,运输通道,运输载体,被动运输,主动运输,浓度梯度,1. 载体蛋白（carrier protein）及其功能,载体蛋白（carrier protein）是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。,图示载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型,相同点：特异性，有特异的结合位点； 有饱和动力曲线； 受抑制剂的影响。 不同点：可改变过程的平衡点； 不对溶质分子作任何共价修饰。,载体蛋白和酶的异同点：,2.通道蛋白（channel protein）,(1)概念：通道蛋白（channel protein）是横跨质膜的亲水性通 道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。 (2)特征： 具有离子选择性(对离子的大小和电荷有高度选择性)； 离子通道是门控的(其活性由通道开或关两种构象调节)。 (3)类型：电压门通道（voltage-gated channel） 配体门通道（ligand-gated channel） 压力激活通道（stress-activated channel）,A.电压门通道,B.配体门通道,C.压力激活通道,二、主动运输,概念：主动运输（active transport）是指由载体蛋白介导的 物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向 浓度 高的一侧的跨膜运输方式。 特点： 运输方向； 膜转运蛋白； 消耗能量。,主动运输所需能量的来源主要有： 1. ATP直接提供能量 2. ATP间接提供能量 3. 光能驱动,偶联转运蛋白 ATP驱动泵 光驱动泵,电化学梯度,(一) ATP直接提供能量驱动的主动运输 钠钾泵（Na+-K+ -ATP酶） 结构和作用机制 作用：维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； 维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息 电位。,寡糖,Na+-K+ 泵的结构,1.钠钾泵（Na+-K+ -ATP酶）的结构,2. Na+-K+ 泵的作用机制,(二) ATP直接提供能量驱动的主动运输 钙泵（Ca2+-ATP酶）; .质子泵： P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶（或F 型）; ABC转换器,1.钙泵（Ca2+-ATP酶）,Ca2+-ATP酶主动运输的构象变化模型,2.质子泵 可分为三种:,3.ABC转换器,哺乳动物多药抗性蛋白1,1.概念：协同运输（cotransport）是指一种物质的运输伴随 另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 2.能量：钠钾泵或质子泵通过消耗ATP产生膜两侧的电化学浓度梯度，驱动协同运输的进行。 动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动，植物 细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。 3.类型：共运输（同向协同（symport） 对运输（反向协同（antiport）,(三) ATP间接提供能量的主动运输协同运输,小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图,（四）物质的跨膜运输和膜电位,膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。 静息电位（resting potential）：细胞在静息状态下的膜电位。 动作电位（active potential）：细胞在刺激作用下的膜电位。 极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。 去极化：由于离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。 反极化：离子的跨膜运输导致瞬间内正外负的动作电位的现象。 超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。,三、膜泡运输胞吞作用和胞吐作用,膜泡运输完成大分子和颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形成囊泡而得名，又称批量运输（bulk transport）。 根据物质的运输方向分为：胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（exocytosis）,（一）胞吞作用,概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡）， 将外界物质裹进并输入细胞的过程。 类型：胞饮作用（pinocytosis） 吞噬作用（phagocytosis）,1.胞饮作用,特点：胞吞物为液体和溶质； 形成的胞吞泡小（直径小于150nm）； 连续发生的过程； 网格蛋白和结合素蛋白。,有被小泡,胞饮作用 示意图,细胞膜 膜外蛋白 膜内蛋白 胞饮物 胞饮泡膜,通过网络蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图,（转运分子-配体）,（转运分子受体）,（网络蛋白：轻链和重链组成包被的结构单位 ）,配体（Ligand）是通常本身具有其特别的生物活性，并且能和接受体(receptor)结合，呈现特异性的生物活性分子。,（接合素蛋白）,（膜泡形成）, 有被小窝,（1）网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。 （2）COP ( constitutive photomorphogenic，COP) I;衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。 （3）COP II主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于COP I的衣被小泡，酵母COP II衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。,2.吞噬作用,特点：胞吞物为大分子和颗粒物质； 形成的胞吞泡大（直径大于250nm）； 信号触发过程； 微丝和结合蛋白。 作用：防御侵染和垃圾清除工。,包涵素：分子量为180，000道尔顿的蛋白质，包裹在“被覆窝”的细胞质表面上，与受体介导的对低密度脂蛋白(LDL)、胰岛素及其他配体的内摄作用有关,胞饮作用和吞噬作用的区别 特 征 物质 胞吞泡的大小 转运方式 胞吞泡形成机制 胞饮作用 溶液 小于150nm 连续的过程 网格蛋白和接合素蛋白 吞噬作用 大颗粒 大于250nm 受体介导的信 微丝和结合蛋白 号触发过程,（二）受体介导的胞吞作用,受体介导的胞吞作用：配体和受体结合,网格蛋白聚集,有被小窝,去被的囊泡和胞内体融合,有被小泡,胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。,溶酶体,（单层磷脂）,（载脂蛋白）,低密度脂蛋白（low-density lipoproteins,LDL):是胆固醇在肝细胞合成后与磷脂和蛋白质形成的复合物,进入血液，通过与细胞表面的LDL受体结合形成受体-LDL复合物，通过网络蛋白有被小泡的内化作用进入细胞，经脱被与包内体融合。 包内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，作用是传输新吞入细胞的物质到溶酶体被降解。,包内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H+泵进包内体腔中，使腔内PH降低，引起LDL与受体分离。包内体以出芽的方式形成运载受体的小泡，返回细胞膜，重复使用。含LDL的包内体与溶酶体融合，LDL被水解，释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用。,不同类型受体的胞内体的分选途径： （1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用； （2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节； （3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。,（三）胞吐作用,default pathway默认途径?,第二节 细胞通讯与信号传递, 细胞通讯与细胞识别 细胞信号传递 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息,一、细胞通讯与细胞识别,细胞通讯（cell communication） 细胞识别（cell recognition）,(一)细胞通讯（cell communication）,概念：细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传 递到另一个细胞并产生相应的反应。 细胞通讯方式： 接触性依赖的通讯 间隙连接实现代谢偶联或电偶联 分泌化学信号进行通讯,内分泌（endocrine）：低浓度；全身性；长时效。 旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用 于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。 自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同 一细胞，常见于癌变细胞。 化学突触（chemical synapse）：神经递质由突触前膜释 放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。,概念：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性地相 互作用，进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。 信号通路（signaling pathway） 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 反应的过程称为细胞信号通路。,细胞识别（cell recognition）,二、细胞信号传递,细胞的信号分子和受体 细胞内受体介导的信号传递 细胞表面受体介导的信号传递 细胞表面的整联蛋白介导的信号传递,（一）细胞的信号分子和受体, 类型： 溶解性：亲脂性的信号分子 亲水性的信号分子 化学结构：短肽、蛋白质、气体分子等 产生和作用方式：内分泌激素、神经递质、局部 化学介导因子和气体分子 特点：特异性；高效性；被灭活性。,细胞的信号分子,受体（receptor）,概念：受体是一种能够识别和选择性结合某种配体（信 号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少 包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效 应的区域 。 类型：细胞内受体（intracellular receptor） 细胞表面受体（cell surface receptor） 钝化途径： 受体失活(receptor inactivation)。 受体隐蔽（receptor sequestration） 受体下行调节（receptor down-regulation）,受体与配体（信号分子）间作用的主要特征 特异性； 饱和性； 高度的亲和力。,第二信使学说和分子开关,第二信使学说（second messenger theory）： 由Sutherland于70年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。第 二 信使有cAMP、 cGMP、三磷酸肌醇、二酰基甘油等。 分子开关：磷酸化和去磷酸化 GTP和GDP的交替结合,蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化。 蛋白激酶在信号转导中有两个方面的作用：一是通过磷酸化调节蛋白质的活性；二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,蛋白激酶,GTP结合蛋白（GTP-binding regulatory protein）,（二）细胞内受体介导的信号传导, 甾类激素介导的信号通路 一氧化氮介导的信号通路,血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。 硝酸甘油治疗心绞痛，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量 。,（三）细胞表面受体介导的信号传递,细胞表面受体的类型： 离子通道型受体（ion-channel-linked receptor） G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor） 酶耦联的受体（enzyme-linked receptor） 介导的信号传递：,1. G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递,三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白。由、三个亚基组成， 和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。,G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。,cAMP信号通路,概念：细胞外信号和相应的受体结合，导致胞内第二信使 cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。 组分及分析： 受体；调节蛋白；腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）； 蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）；环腺苷酸磷酸二 酯酶（cAMP phosphodiesterase）。 反应链：激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶 cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基 因转录,磷脂酰肌醇信号通路,概念： 反应链：胞外信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白 IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结