物质的跨膜运输与信号传递精选幻灯片.ppt

第四章细胞的物质跨膜运输与信号跨膜传递 第一节细胞的物质跨膜运输第二节细胞的信号跨膜传递 1 第一节细胞的物质跨膜运输 一 小分子物质的跨膜运输二 离子泵三 大分子物质的跨膜运输 2 一 被动运输 passivetransport 物质由高浓度一侧通过膜到低浓度一侧而不消耗代谢能的一种运输方式 1简单扩散 simplediffusion 概念 指物质顺浓度梯度 或电化学梯度 从高浓度一侧通过细胞膜向低浓度一侧移动的方式 不需消耗ATP 又称被动扩散 passivediffusion 特点 不消耗能量 不需要膜蛋白协助 运输速度取决于分子的大小和脂溶性 运输对象 O2 CO2 乙醇 尿素 3 人工膜对各类物质的通透率 脂溶性越高通透性越大 水溶性越高通透性越小 非极性分子比极性容易透过 极性不带电荷小分子 如H2O O2等可以透过人工脂双层 但速度较慢 小分子比大分子容易透过 分子量略大一点的葡萄糖 蔗糖则很难透过 人工膜对带电荷的物质 如各类离子是高度不通透的 4 2协助扩散 facilitateddiffusion 概念 指物质顺浓度梯度或电化学梯度 在膜蛋白的协助下的跨膜转运方式 特点 比自由扩散转运速率高 存在最大转运速率 有特异性 膜转运蛋白 1 载体蛋白 carrierprotein 2 通道蛋白 channelprotein 形成贯穿脂双层之间的通道 与特定物质结合改变构象使物质穿越细胞膜 5 a 闸门通道蛋白介导的协助扩散电压闸门通道 只有当膜电位发生变化时 闸门才开启的离子通道 例 Na 通道 Ca2 通道 配体闸门通道 配体与通道蛋白上的受体结合 引起通道蛋白构象发生变化 使闸门开放 压力激活通道 受压力调控 如听觉毛细胞离子通道 6 b 载体蛋白介导的协助扩散在膜的一侧 溶质分子与载体蛋白上专一的结合位点结合 载体蛋白构象发生变化 将溶质分子运至膜的另一侧 载体蛋白与溶质分离后 又恢复到原来的构象 例 葡萄糖 氨基酸 核苷酸 通道蛋白只进行被动运输 而载体蛋白既可进行被动运输 又可主动运输 7 二 主动运输 activetransport 概念 由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或化学梯度进行跨膜转运的方式 特点 逆浓度梯度 逆化学梯度 运输 需要能量 都有载体蛋白 能量来源 由ATP直接或间接供能 光驱动的泵利用光能运输物质 见于细菌 8 类型 1 由ATP直接供能的主动运输 ATP驱动泵 1 P型泵 此类运输需要磷酸化 phosphorylation 故称为P型泵 如存在于细胞膜中的Na K 泵 Ca2 泵 细菌的质膜上的H 泵 2 V型泵 主要位于小泡膜上 vacuole或vesicle 故称为V型泵 如溶酶体和胞内体膜上的H 泵 液泡膜上的H 泵 3 F型泵 由许多亚基构成的管状结构 通过建立H 的电化学梯度来合成ATP 如存在于细菌质膜 线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上的ATP合成酶 4 ABC超家族 9 2 由ATP间接供能的主动运输 协同运输 1 同向协同 如小肠上皮细胞对葡萄糖的吸收就是伴随着Na 的进入 2 反向协同 如红细胞膜上Na 与HCO3 的进入伴随着Cl 和H 的外流 3 利用光能的主动运输 如细菌质膜视紫红质可吸收光能将两个H 从细胞内运出 10 二 离子泵 参与主动运输的载体蛋白常被称为泵 pump 这是因为它们能利用能量做功 由于它们消耗的代谢能多数来自ATP 所以又称它们为某某ATPase P 型离子泵 Na K 泵 Ca2 泵V 型质子泵F 型质子泵ABC超家族 11 一 P 型离子泵 Na K 泵 1 Na K 泵的组成即Na K ATP酶 由2个大的 亚基和2个小的 亚基组成 通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象变化 导致与Na K 的亲和力发生变化而完成转运 12 2 工作机理 膜内侧Na 与 亚基结合 ATP分解 被磷酸化 与Na 结合转向膜外侧 磷酸化的 亚基对Na 的亲和力变低 而对K 的亲和力变高 因而释放Na 而与K 结合 K 与磷酸化 亚基结合后则促使 亚基去磷酸化 亚基的构象恢复原状 与K 结合的部位转向膜内侧 构象复原的 亚基与K 的亲和力很低 使K 在膜内被释放 至此完成一个循环 最终泵出3个Na 而运进2个K 13 3 功能 维持了细胞内适当的低Na 高K 的浓度环境 抵消了Na K 的扩散作用 维持细胞的渗透平衡 保持细胞的体积 建立细胞膜两侧浓度梯度 为葡萄糖协同运输提供驱动力 对膜电位的形成有重要作用 为神经和肌肉细胞电脉冲信号传导提供了基础 14 二 P 型离子泵 Ca2 泵 1 钙离子泵类型 位于内质网膜上P型钙离子泵 每消耗一个ATP分子 泵出2个Ca2 肌质网膜上的钙离子泵 占总蛋白质的90 位于质膜上的是钠钙交换器 Na Ca2 exchanger 属于反向协同运输体系 antiporter 通过钠钙交换来转运钙离子 15 Ca2 ATPase有10个跨膜结构域 膜内侧有第一个环有Ca2 离子结合位点 第二个上有激活位点 包括ATP的结合位点 在静息状态 羧基端的抑制区域同环2的激活位点结合 使泵失去功能 Ca2 ATPase泵有两种激活机制 Ca2 浓度升高Ca2 钙调蛋白复合物同抑制区结合 释放激活位点 泵开始工作 反之泵处于静息状态 蛋白激酶C使抑制区磷酸化 从而失去抑制作用 当磷酸酶使抑制区脱磷酸 抑制区又同激活位点结合 起抑制作用 16 三 V 型和F 型质子泵 V 型质子泵 存在于动物细胞内体 溶酶体膜以及植物 酵母和其他真菌细胞膜上 利用ATP水解供能从细胞质基质中逆 H 转运到细胞器中 F 型质子泵 主要存在于线粒体内膜等上 17 四 ABC超家族 ABC ATP bindingcassette超家族 一大类家族成员 均在胞质侧含2个高度保守的ABC 可通过结合ATP发生二聚化并水解结合的ATP 造成构象变化从而转运物质 主要是aa 肽等小分子 MDR1是第一个被发现的ABC转运器 常在肝癌患者肝中过表达 造成多药抗性 18 三 大分子物质的跨膜运输 1胞吞作用 1 胞饮作用与吞噬作用 2 受体介导的胞吞作用 与配体一同被摄入的受体融入胞内体后 不同的受体将有不同的命运 受体返回重复使用 如低密度脂蛋白 LDL的受体 受体和配体均返回 如转铁蛋白受体和转铁蛋白 受体和配体被消化 如表皮生长因子及其受体 受体跨细胞的转运 如上皮细胞从一侧吞入物质 从另一侧胞吞出去 2胞吐作用 组成型胞吐途径 如新合成的膜蛋白 膜脂以及一些其它胞外成分等 调节型胞吐途径 如特化的分泌细胞产生的分泌物 如激素 粘液或消化酶等 19 第二节细胞的信号跨膜传递 一 概述 一 细胞通讯概念 生物体内C与C之间的联络 识别以及信息传递 是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用 然后通过信号转导产生胞内一系列生理生化反应 最终表现为细胞整体的生物学效应的过程 20 细胞通讯一般包括下列几个步骤 信号细胞合成并释放信号分子 信号分子运送至靶细胞 信号分子与受体的特异性结合及其激活 信号转导与传递 引发细胞功能 代谢或基因表达的改变 信号的解除与细胞反应的终止 21 细胞通讯的方式 1 分泌化学信号通讯 1 内分泌 endocrine 2 旁分泌 paracrine 3 自分泌 autocrine 4 化学突触 chemicalsynapse 2 接触性依赖通讯3 间隙连接通讯 22 细胞外信号分子局部性作用于附近的细胞信号分子不能运输的太远 旁分泌 信号细胞 局部性信号分子 自分泌 23 沿轴突传递电信号的神经细胞 内分泌细胞产生释放信号分子于血液系统 分布到全身 突触传递 内分泌 神经递质 24 二 细胞识别 cellrecognition 指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性相互作用 引起生理生化变化 最终表现为细胞整体生物效应的过程 25 三 信号分子与受体 1 信号分子 1 亲脂性信号分子 2 亲水性信号分子 3 气体性信号分子 2 受体 糖蛋白 1 细胞内受体 2 细胞表面受体 3 第二信使与分子开关 1 第二信使 2 分子开关 G蛋白 蛋白激酶 26 配体 能通过细胞膜的亲脂性小分子 如甾类激素等 受体 基因调控蛋白 有三个结构域 C端的激素结合域 N端的转录激活域 中部的抑制蛋白或DNA结合域 如NO信号分子 近年发现的一种亲脂性信号分子 性质 是一种自由基性质的气体分子 具脂溶性 可快速扩散透过细胞膜 到达靶细胞发挥作用 但寿命很短 半衰期只有5s左右 产生 由神经细胞和血管内皮细胞在一氧化氮合酶催化下分解精氨酸产生 靶分子 细胞质中的鸟苷酸环化酶 活化鸟苷酸环化酶产生cGMP 效应 cGMP作为新的信号分子介导下游蛋白质的磷酸化 引起血管扩张 血液畅通 参与大脑记忆等过程 二 细胞内受体介导的信号传递 27 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 28 29 三 细胞表面受体介导的信号传递 亲水性分子只能与细胞表面受体相结合 细胞表面受体分为 离子通道偶联的受体 ion channel linkedreceptor G蛋白偶联受体 Gprotein linkedreceptor 酶偶联受体 enzyme linkedreceptor 30 1 离子通道偶联受体介导的信号传递配体 神经递质 受体 由多亚基组成的受体 离子通道 既有信号分子结合的位点 又是离子通道 受体与配体结合后 离子通道打开 相应的离子进入细胞 故跨膜信号转导无需中间步骤 主要存在于神经细胞或其它可兴奋细胞膜上 31 乙酰胆碱N受体 260KD 外周型 5个亚基组成 2 调节主要为 亚基变化通道开启 Na 内流 K 外流 膜去极化 32 2 G蛋白偶联受体介导的信号传递 1 G蛋白的结构及作用三聚体GTP结合调节蛋白 trimericGTP bindingregulatoryprotein 简称G蛋白 由 三个亚基组成 亚基具有GTP酶活性 和 亚基通过共价结合于膜上 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 33 34 2 G蛋白偶联受体G蛋白偶联受体是指配体 受体复合物与靶蛋白要通过与G蛋白的偶联 在细胞内产生第二信使 从而将胞外信号转变成胞内信号 G蛋白偶联受体为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蛋白偶联 通过与G蛋白偶联 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 G蛋白偶联受体家族 35 G蛋白偶联受体 蛋白激酶A 36 3 与G蛋白偶联的细胞表面受体介导的信号传递通路 cAMP通路 PIP2通路 cAMP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 激活型激素受体 Rs 抑制型激素受体 Ri 活化型G蛋白 Gs 抑制型G蛋白 Gi 催化成分 腺苷酸环化酶C 37 cAMP通路信号传递过程 细胞未受刺激时 受体没有和激素结合 这时活化型的G蛋白 Gs 为异三聚体 的结合状态 Gs的 亚基与GDP结合 故Gs无活性 腺苷酸环化酶没有被激活 当激素和激活型受体 Rs 结合后导致受体 Rs 构象改变 暴露出与Gs结合的位点 膜的流动性使激素 受体复合物与Gs结合 激素受体复合物与Gs的结合导致Gs的 亚基构象改变 从而释放GDP 同时结合GTP 这时Gs变为活化型构象 使 亚基与 亚基分离 亚基与 亚基分离后 暴露出 亚基与腺苷酸环化酶的结合位点 并与之结合而使其活化 催化ATP形成cAMP 这时激素与受体分离 38 由于结合GTP的 亚基具有GTP酶的活性 从而将GTP水解产生GDP 导致 亚基构象恢复并与腺苷酸环化酶分离 这时 亚基与 亚基重新结合 使细胞回到刺激前的状态 腺苷酸环化酶产生的cAMP 使细胞内的cAMP浓度升高 至此 细胞外的激素信号通过信号转换机制变为细胞内的信号 cAMP 细胞内的cAMP作为第二信使分子进一步激活胞内靶酶 cAMP依赖的蛋白激酶A PKA 由这种蛋白酶再去活化细胞中的代谢靶蛋白或活化基因调控蛋白 从而引起细胞产生应答 39 腺苷酸环化酶的活性除了受Gs的 亚基调控外 还可以受抑制型G蛋白 Gi 的调节 并且有两种途径 当Gi与GTP结合 Gi的 亚基与 亚基分离后 一种途径是Gi的 亚基与腺苷酸环化酶结合 直接抑制酶的活性 另一途径是通过 亚基与游离的Gs 亚基 Gs 结合 阻断Gs 对腺苷酸环化酶的活化 40 cAMP信号通路 cAMP通路信号传递过程 41 PIP2通路 PIP2通路是一种双信使通路 细胞外信号分子经跨膜转导后 在细胞内产生两种第二信使分子 即1 4 5 三磷酸肌醇 IP3 和二酰基甘油 DAG 然后由这两种细胞内信号分子各自激活相应的靶酶 经过一系列的信号级联放大反应 引起多种生物学效应 42 具体信号传递过程如下 细胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合 激活质膜上的磷酸二酯酶C PLC 后者催化质膜上的4 5 二磷酸磷脂酰肌醇 PIP2 水解成为1 4 5 三磷酸肌醇 IP3 和二酰基甘油 DAG 两个第二信使 使胞外信号转换为胞内信号 IP3动员细胞内源的钙离子进入细胞质 使胞内Ca2 浓度升高 Ca2 活化各种Ca2 结合蛋白引起细胞反应 其中钙调蛋白 CaM 是一种真核细胞普遍存在的Ca2 应答蛋白 4个Ca2 与CaM结合后形成活化态的Ca2 CaM复合体 然后再与受钙调蛋白调节的靶酶结合将其活化 从而引起一系列不同的生物学效应 43 产生的第二信使DAG结合于质膜上 活化与质膜结合的蛋白激酶C PKC 非活性的PKC存在于细胞质中 由于它是Ca2 和磷脂酰丝氨酸依赖性酶 所以与质膜上的DAG结合后 被Ca2 激活 活化的PKC可以使不同类型细胞中的不同靶蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化 引起众多的生理过程 如细胞分泌 肌肉收缩等短期效应以及如细胞增殖 分化等长期生理效应 IP3和DAG通过细胞内存在的磷脂酰肌醇循环途径而失活 44 磷脂酰肌醇信号通路 45 3 酶偶联受体介导的信号传递通路 受体 是跨膜一次的膜整合蛋白 主要介导控制细胞生长与分化信号的传递 因此与生长因子有关 已发现50多种不同的受体酪氨酸激酶 RTK 组成细胞表面一大类重要受体家族 包括6个亚族 即 表皮生长因子 EGF 受体 血小板生长因子 PDGF 受体和巨噬细胞集落刺激因子 M CSF 受体 胰岛素和胰岛素样生长因子1 IGF1 受体 神经生长因子 NGF 受体 成纤维细胞生长因子 FGF 受体 血管内皮生长因子 VEGF 胞外区是结合配体结构域 胞内区肽段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位 并具有自磷酸化位点 配体 可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素 包括胰岛素和多种生长因子 46 受体酪氨酸激酶 47 酶偶联受体介导的信号传递通路 配体和受体结合导致受体二聚化形成同源或异源二聚体 从而在二聚体内彼此相互磷酸化受体胞内肽段的酪氨酸残基 即实现受体的自磷酸化 也就是受体被激活 磷酸化的酪氨酸残基可被含有SH2结构域 与Src 一种癌基因 蛋白同源区的简称 Srchomologyregion 的胞内信号蛋白所识别并与之结合 由此开启一系列的信号传递而引起细胞生理反应 活化的RTK可以结合多种细胞溶质中带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白 因而可以引起多种不同的反应 例如RTK Ras蛋白信号通路 48 受体酪氨酸激酶信号通路 49 RTK Ras蛋白信号通路 配体 RTK 接头蛋白 GRF Ras Raf MAPKKK MAPKK MAPK 进入细胞核 其它激酶或基因调控蛋白 转录因子 的磷酸化 Ras是大鼠肉瘤 ratsarcoma Ras 的英文缩写 Ras蛋白是原癌基因c ras