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第五章 物质的跨膜运输与信号传递 第一节 物质的跨膜运输一、被动运输（passive transport） 1、概念：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。 2、特点： 1）运输方向：高 低； 2）跨膜动力：物质的浓度梯度； 3）能量消耗：无 简单扩散：不需要 4）膜转运蛋白 ： 协助扩散：需要 3、类型：简单扩散、协助扩散4、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。&S226; Simple diffusion means that the molecules can pass directly through the membrane. Diffusion is always down a concentration gradient. This limits the maximum possible concentration of the molecule inside the cell (or outside the cell if it is a waste product). The effectiveness of diffusion is also limited by the diffusion rate of the molecule. Therefore, though diffusion is an effective enough transport mechanism for some substances (such as H2O), the cell must utilize other mechanisms for many of its transport needs.5、协助扩散（facilitated diffusion） 1） 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。 2）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.&S226; &S226; Facilitated diffusion utilizes membrane protein channels to allow charged molecules (which otherwise could not diffuse across the cell membrane) to freely diffuse in a nd out of the cell. These channels comes into greatest use with small ions like K+, Na+, and Cl-. The speed of facilitated transport is limited by the number of protein channels available, whereas the speed of diffusion is dependent only on the concentration gradient.6、膜转运蛋白(Transport Protein) 1）载体蛋白（carrier proteins）通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输。 2）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：a 电压门通道（voltage-gated channel） b 配体门通道（ligand-gated channel） c压力激活通道（stress-activated channel）Transport Proteins come in two forms: 1) Carrier proteins: These are carrier proteins. They do not extend through the membrane. They bond and drag molecules through the bilipid layer and release them on the opposite side. 2) Channel proteins :extend through the bilipid layer. They form a pore through the membrane that can move molecules in several ways.In some cases the channnel proteins simply act as a passive pore. Molecules will randomly move through the opening in a process called diffusion. This requires no energy, molecules move from an area of high concentration to an area of low concentration.二、主动运输（active transport）1、概念：载体蛋白所介导的的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧在耗能状态进行跨膜转运的方式。2、特点： 1）运输方向：低 高； 2）跨膜动力：ATP 3）能量消耗：需要 4）膜转运蛋白 ：需要 3、类型： 1）ATP间接供能的类型 2）ATP直接供能类型 3）光能驱动的类型&S226; Active transport is the pumping of molecules or ions through a membrane against their concentration gradient(i.e. from area of low concentration to areas of high concentration) .&S226; It requires: 1) a transmembrane protein (usually a complex of them) called a transporter 2) energy.The source of this energy is ATP. The energy of ATP may be used directly or indirectly.&S226; Category: 1) Coupled transporter( Indirect Active Transport) 2) ATP-driven pump(Direct Active Transport) 3) Light-driven pump （一）、ATP直接提供能量驱动的主动运输1、钠钾泵（sodium/potassium pump） 1）结构组成： -亚基：多次跨膜的整合蛋白，具有ATP酶的活性。 -亚基：是具有特异性的糖蛋白 2）机制：细胞膜内侧-亚基与Na+ 结合 -亚基在耗能情况下磷酸化 -亚基构象发生变化 Na+泵出细胞 同时胞外K+ 与-亚基另一结合位点结合 -亚基去磷酸化 -亚基构象再次发生变化 K+ 离子泵入细胞 3）特征： 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。 &O1571;存在于一切动物细胞上，每消耗一个ATP，泵入泵出3个Na+，泵入2个K+ 离子作用机制2、钙泵（Ca2+ pump or Ca2+ ATPases) 1) 结构组成：由1000个氨基酸组成的多次跨膜蛋白，与钠钾泵-亚基同源，有10个跨膜-螺旋。 2）机制：细胞内钙调蛋白与钙泵结合调节钙泵活性，钙泵工作与ATP水解相偶联，每消耗1个ATP分子转运出2个Ca2+ 。 3）作用： 存在于细胞膜和内质网膜上； 维持细胞内低浓度的游离子的Ca2+ 环境&S226; In resting skeletal muscle, there is a much higher concentration of calcium ions (Ca2+) in the sarcoplasmic reticulum than in the cytosol. Activation of the muscle fiber allows some of this Ca2+ to pass by facilitated diffusion into the cytosol where it triggers contraction. &S226; After contraction, this Ca2+ is pumped back into the sarcoplasmic reticulum. This is done by a Ca2+ ATPases that uses the energy from each molecule of ATP to pump 2 Ca2+ ions. A Ca2+ ATPases is also located in the plasma membrane of all eukaryotic cells. It pumps Ca2+ out of the cell helping to maintain the low concentration &S226; 3、质子泵（H+泵）（二）、ATP间接提供能量的主动运输 -协同运输（cotransport）1、定义：协同运输（cotransport是一类由钠钾泵（H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式。2、跨膜动力：膜两侧电化学梯度 1) 动物细胞：膜两侧Na+电化学梯度 2) 植物细胞：膜两侧H+电化学梯度3、分类: 1) 共运输(Symport Pumps): 物质跨膜运输方向与离子转移方向相同; 2) 对运输(Antiport Pumps):物质跨膜运输方向与离子转移方向相反.1、Indirect active transport uses the downhill flow of an ion to pump some other molecule or ion against its gradient. The driving ion is usually sodium (Na+) with its gradient established by the Na+/K+ ATPase.2、Category 1) Symport Pumps In this type of indirect active transport, the driving ion (Na+) and the pumped molecule pass through the membrane pump in the same direction. 2) Antiport Pumps In antiport pumps, the driving ion (again, usually sodium) diffuses through the pump in one direction providing the energy for the active transport of some other molecule or ion in the opposite direction. 协同运输作用机制(三)、物质的跨膜运输和膜电位&S226; 膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。&S226; 静息电位（resting potential）：细胞在静息状态下的膜电位。&S226; 动作电位（active potential）：细胞在刺激作用下的膜电位。&S226; 极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。&S226; 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。&S226; 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。&S226; 超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。三、胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis） 1、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）。属于主动运输范畴。 2、根据物质的运输方向分为：&O1548; 胞吞作用（endocytosis） &O1548; 胞吐作用（exocytosis）（一）胞吞作用1、 概念 ：是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。2、类型： 1) 胞饮作用（pinocytosis): 胞吞物为液体,囊泡较小 2)吞噬作用（phagocytosis）: 胞吞物为大的颗粒性物质,囊泡较大.3、胞饮作用（pinocytosis） 1） 特点：a 胞吞物为液体和溶质；&S226; b 形成的胞吞泡小（直径小于150nm）；&S226; c 连续发生的过程；&S226; d 网格蛋白和结合素蛋白。&S226; 2）胞吞泡的形成： 配体和受体结合 网格蛋白聚集 有被小窝 有被小泡 去被的囊泡和胞内体融合&S226; Pinocytosis :&S226; In the process of pinocytosis the plasma membrane forms an invagination.&S226; What ever substance is found within the area of invagination is brought into the cell. &S226; In general this material will be dissolved in water and thus this process is also refered to as cellular drinking to indicate that liquids and material dissolved in liquids are ingested by the cell. &S226; This is opposed to the ingestion of large particulate material like bacteria or other cells or cell debris.4、吞噬作用（phagocytosis）&S226; 1）特点：a 胞吞物为大分子和颗粒物质；&S226; b 形成的胞吞泡大（直径大于250nm）；&S226; c 信号触发过程；&S226; d 微丝和结合蛋白。&S226; 2、作用：防御侵染和垃圾清除工。&S226; Phagocytosis： &S226; In the process of phagocytosis the cell changes shape by sending out projections which are called pseudpodia (false feet). The phagocytic cell such as a macrophage may be attracted to a particle like a bacteria or virus by chemical attractant. The phagocytic cell sends out membrane projections that make contact with some particle. Some sort of receptor ligand interaction occurs between the phagocytic cell surface and the particle that will be ingested. The pseudopodia then surround the particle and when the plasma membrane of the projection meet membrane fusion occurs. This results in the formation of an intracellular vesicle.5、胞饮作用和吞噬作用的区别&S226; 特 征 物质 胞吞泡的大小 转运方式 胞吞泡形成机制&S226; 胞饮作用 溶液 小于150nm 连续的过程 网格蛋白和接合素蛋白&S226; 吞噬作用 大颗粒 大于250nm 受体介导的信 微丝和结合蛋白&S226; 号触发过程（二）受体介导的胞吞作用1、受体介导的胞吞作用过程： 配体和受体结合 网格蛋白聚集 有被小窝 有被小泡 去被的囊泡和胞内体融合 溶酶体2、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。3、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（exocytosis）1、定义：将细胞内的分泌泡或其他膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。2、组成型的胞吐途径（constitutive exocytosis） 1）存在于所有真核细胞中 2）是连续分泌的过程 3）用于质膜的更新 4）通过defaulty pathway方式 完 成蛋白质转运过程3、调节型的胞吐途径（regulated exocytosis） 1) 特化的分泌细胞所特有 2）分泌物储存在分泌泡中，受到刺激后被释放出来 3）分泌物具有共同的分选机制&S226; The regulated and constitutive pathways ofexocytosis. The two pathways diverge in the trans Golgi network. Many soluble proteins are continually secreted from the cell by the constitutive secretory pathway, which operates in all cells. This pathway also supplies the plasma membrane with newly synthesized lipids and proteins. Specialized secretory cells also have a regulated exocytosis pathway, by which selected proteins in the trans Golgi network are diverted into secretory vesicles, where the proteins are concentrated and stored until an extracellular signal stimulates their secretion. 第二节 细胞通讯与信号传递一、细胞通讯与细胞识别 1、细胞通讯（cell communication） 1）定义：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应。 2）细胞通讯方式： a 接触性依赖的通讯&O1548; b 间隙连接实现代谢偶联或电偶联&O1548; c 分泌化学信号进行通讯 3)细胞分泌化学信号的作用方式： 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。&S226; Living organisms constantly receive and interpret signals from their environment. Signals can come in the form of light, heat, water, odors, touch, or sound. Cells of multi-cellular organisms also receive signals from other cells, including signals for cell division and differentiation. The majority of cells in our bodies must constantly receive signals that keep them alive and functioning. 2、细胞识别（cell recognition） 定义：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，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。 3、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，这种反应系列称之为细胞信号通路。 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的4、细胞的信号分子与受体 1）细胞的信号分子（signal molecule） 亲脂性信号分子：分子小，疏水 性强，可进入细胞，形成复合物调节基因表达 亲水性信号分子：不能穿过膜，能在胞内产生第二信使，引起细胞应答反应 气体性信号分子(NO)：能进入细胞直接激活效应酶2）受体（receptor） 定义：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，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信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体多为糖蛋白，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 。&S226; 类型：细胞内受体（intracellular receptor）&S226; 细胞表面受体（cell surface receptor） 受体与配体（信号分子）间作用的主要特征 &S226; 特异性； 饱和性；高度的亲和力。3）第二信使（second messenger） 胞外化学物质（第一信使）不能进 入细胞，它与细胞表面的受体结合，导致细胞内产生第二信使，最终产生一定的生理效应，通过第二信使的降解使信号转导过程终止。 第二 信使有cAMP、 cGMP、三磷酸肌醇、二酰基甘油等。 &S226; Second Messengers Certain small molecules and ions are key components of signaling pathways (second messengers). The extra cellular signal molecule that binds to the membrane receptor is a pathways first messenger. Because second messengers are both small and water-soluble, they can readily spread throughout the cell by diffusion. Second messangers participate in pathways initiated by both G-protein-linked receptors and tyrosine-kinase receptors. The two most widely used second messengers are cyclic AMP and calcium ions, Ca2+. A large variety of relay proteins are sensitive to the cytosolic concentration of one or the other of these second messengers.4）分子开关 磷酸化和去磷酸化 GTP和GDP的交替结合二、通过细胞内受体介导的信号传递1、细胞内受体（intracellular receptor)结构组成 1) C端激素结合位点 2）DNA或Hsp90结合位点 3）N端转录激活结构域2、信号传递过程： 胞外信号分子 进入细胞内 与胞内受体结合 形成复合物 穿过核孔进入细胞核内 受体复合物构象发生改变 暴露出DNA结合位点，与DNA结合 调节基因表达 3、甾类激素诱导基因活化两个阶段 1）初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速； 2）次级反应阶段：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。4、一氧化氮介导的信号通路 三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 根据信号转导机制和受体蛋白类型不同，细胞表面受体可以分为以下三种类型： 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）（一）离子通道偶联受体1、结构特点： 1）受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白 2）跨膜信号转导无需中间步骤 3）主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递 4）有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性 5）本身既是信号结合位点，又是离子通道2、信号通路： 信号分子与受体结合 受体上通道蛋白构象发生变化 离子通道开启或关闭 改变质膜离子通透性 将胞外信号转换为电信号 （二） G蛋白偶联的受体1、G蛋白结构组成： G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称。位于质膜内胞浆一侧，由、三个亚基组成， 二聚体通过共价结合锚定于膜上起稳定亚基的作用，而亚基本身具有GTP酶活性。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2、G蛋白耦联型受体结构： 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。 3、cAMP信号途径 1）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。 2）cAMP信号通路的组成： . 激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）； . 活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）； . 腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase): 在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。 .蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）： 由两个催化亚基和两个调节亚基组成 ，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。 3) Gs调节模型当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出亚基和基复合物，并暴露出亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。亚基与亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。4) Gi调节模型 Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化5) 反应链：激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶&S226; cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基&S226; 因转录 4、磷脂酰肌醇信号通路“双信使系统”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+结合蛋白(CaM)细胞反应磷脂酶C(PLC)磷脂酰肌醇(PIP2）水解 DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH&O1651;（三）与酶连接的受体1、类型： 1）受体丝氨酸/苏氨酸激酶 2）受体酪氨酸磷酸酯酶 3）受体鸟苷酸环化（ANPs-signals） 4）酪氨酸蛋白激酶联系的受体 5）受体酪氨酸激酶2、特点： 通常为单次跨膜蛋白；&O1548; 接受配体后发生二聚化而激活，启动其下游信号转导。3、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路1）受体酪氨酸激酶（RPTKs的结构组成： 一次跨膜多肽链，胞外区是结合配体结构域，配体是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。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。2）信号转导： 配体受体受体二聚化受体的自磷酸化激活RTK胞内信号蛋白启动信号传导3） 信号分子间的识别结构域 SH2结构域（Src Homology 2 结构域）：介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。 SH3结构域（Src Homology 3 结构域）： 介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子结合。 &O1571;PH结构域（Pleckstrin Homology 结构域）： 可以与膜上磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合，使含PH结构域蛋白由细胞质中转位到细胞膜上。4）RAS信号途径 受体酪氨酸激酶（RPTK）结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化而活化，活化的RPTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应 RTK- Ras信号通路： 配体RTK adaptor GRFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸。 5）蛋白激酶磷酸化级联反应的基本步骤： &O1569; 活化的 Ras蛋白与Raf的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又称MAPKKK）&O1570; 活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化导致MAPKK活化。&O1571;MAPKK磷酸化其唯一底物MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。&S226; &O1572;MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，参与细胞应答。四、由细胞表面整合蛋白介导的信号传递1、整合蛋白的功能： 1）介导细胞附