细胞生物学第五 八章ppt课件.ppt

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1、第五章： 物质的跨膜运输 第八章： 细胞信号转导,物质的跨膜运输,被动运输（passive transport）主动运输（active transport）胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）,物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。,细胞信号转导,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,被动运输（passive transport）,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 特点（s

2、imple diffusion）、协助扩散 特点（facilitated diffusion）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： 电压门通道（voltage-gated channel） 配体门通道（ligand-gated channel） 压力激活通道（stress-activated channel）,主动运输（active transport）,特点：逆梯度运输;依赖于膜运输蛋白;需要能量，并

3、对代谢毒性敏感;具有选择性和特异性。 类型：三种基本类型 由ATP直接提供能量的主动运输 钠钾泵 （结构与机制） 钙泵（Ca2+-ATP酶） ATP驱动泵：P-型离子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶 协同运输（cotransport） 由Na+-K+泵（或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 物质的跨膜转运与膜电位 被动与主动运输的比较,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。 胞吞作用 胞吐作用,胞吞作用,胞饮作用（pin

4、ocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别,受体介导的内吞作用示意图及包被的组装 胞内体（endosome）及其分选作用,胞吐作用, 组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway） 所有真核细胞 连续分泌过程 用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子） default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外，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

5、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,细胞通讯与细胞识别,细胞通讯（cell communication）细胞识别（cell recognition）,细胞通讯（cell communication）,一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。细胞通讯 方式 基本概念： 分泌化学信号进行通讯 内分泌（endocri

6、ne） 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 通过间隙连接实现的代谢偶联或电偶联,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，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

7、答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。,细胞的信号分子与受体,信号分子（signal molecule） 亲脂性信号分子 亲水性信号分子 气体性信号分子 受体（receptor）多为糖蛋白 第二信使（second messenger） 分子开关（molecular switches）,细胞内受体: 为胞外亲脂性信号分子所激活 激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）细胞表面受体: 为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

8、体（enzyme-linked receptor）,受体的功能： 介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用) 信号转导：受体的激活（activation） （级联反应）； 受体失敏（desensitization） 关闭反应、 减量调节（down-regulation） 降低反应。,受体概念,通过细胞内受体介导的信号传递, 甾类激素介导的信号通路 两步反应阶段： 初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速；次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。一氧化氮介导的信号通路,通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递 G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜

9、传递 细胞表面其它与酶偶联的受体,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递,信号途径特点：受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白跨膜信号转导无需中间步骤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有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性,G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递, cAMP信号通路 磷脂酰肌醇信号通路 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,细胞表面其它与酶偶联的受体,受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals）酪氨酸蛋白激酶联系的受体 两大家族：一是与Src蛋白家族相联系的受体；二是与Janus激酶家族联系的受体。 信号转导子

10、和转录激活子（signal transducer and actvator of transcription，STAT）与JAK-STAT途径。,cAMP信号通路,反应链：激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMP cAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录 组分及其分析 G-蛋白偶联受体 G-蛋白活化与调节 效应酶腺苷酸环化酶 GPLR的失敏（desensitization）与减量调节细菌毒素对G蛋白的修饰作用,GPLR的失敏：例：肾上腺素受体被激活后，10-15秒cAMP骤增，然后在不到1min内反应速降，以至消失。受体活性快速丧失（速发相）-失敏（desensitization）

11、； 机制：受体磷酸化 受体与Gs解偶联，cAMP反应停止并被PDE降解。 两种Ser/Thr磷酸化激酶： PKA 和肾上腺素受体激酶（ ARK）， 负责受体磷酸化； 胞内协作因子扑获蛋白（ arrestin）-结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（ arrestin 已克隆、定位11q13）。 反应减弱（迟发相）-减量调节（down-regulation） 机制：受体-配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现 arrestin可直接与Clathrin结合，在内吞中起adeptors作用； 受体减量调节与内吞后受体的分选有关。,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

12、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) DAG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH,受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 包括6个亚族 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 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。G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活 RTKs的失敏（desens

13、itization）,G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活MAPK（Mitogen-activated protein kinase）又称ERK（extracelular signal-regulated kinase）-真核细胞广泛存在的Ser/Thr蛋白激酶。 MAPK的底物：膜蛋白（受体、酶）、胞浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子-在细胞增殖和分化中具有重要调控作用。 PTX敏感性G蛋白（Gi，Go）的亚基依赖于Ras激活MAPK，具体机制还有待深入研究； PKC、PLC与G蛋白偶联受体介导的MAPK激活 PKC和PLC 参与G蛋白偶联受体激活MAPK ： G蛋白偶联受体

14、激活G蛋白； G蛋白亚基或 亚基激活PLC，促进膜磷脂代谢； 磷脂代谢产物（ DAG + IP3 ）激活PKC； PKC 通过Ras 或 Raf 激活MAPK ； 由于PKC对钙的依赖性不同，所以G蛋白偶联受体 MAPK途径对钙要 求不同； PKA对G蛋白偶联受体 MAPK途径的负调控 迄今未发现和制备出MAPK组成型突变（dominant negative mutant），提示细胞难于忍受MAPK的持续激活（MAPK的去活是细胞维持正常生长代谢所必须）。主要机制：特异性的Tyr/Thr磷脂酶可选择性地使MAPK去磷酸化，关闭MAPK信号。 cAMP ， MAPK ；cAMP直接激活cAMP依

15、赖的PKA；PKA可能通过RTK或通过抑制Raf-Ras相互作用起负调控作用。,RTKs的失敏： 催化性受体的效应器位于受体本身，因此失敏即酶活性速发抑制。机制：受体的磷酸化修饰。EGF受体Thr654的磷酸化导致RTK活性的 抑制，如果该位点产生Ala突变，则阻止活性抑制，后又发现C 端的Ser1046/7也是磷酸化位点。磷酸化位点所在的C端恰好是 SH2蛋白的结合部位。引起受体磷酸化的激酶： PKC-作用于Thr654； CaMK2（Ca2+和CaM依赖的激酶2）-作用于Ser1046/7还发现：EGF受体是CDK的靶蛋白，提示和周期调控有关。 RTK晶体结构研究表明， RTK激活后形成稳

16、定的非抑制性构象；磷酸化修饰后，形成抑制性构象，引起失敏。 RTK失敏对细胞正常功能所必须， RTK 的持续激活将导致细胞生长失控。,由细胞表面整合蛋白介导的信号传递,整合蛋白与粘着斑导致粘着斑装配的信号通路有两条 粘着斑的功能： 一是机械结构功能； 二是信号传递功能 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：由细胞表面到细胞核的信号通路由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路,细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息,细胞信号传递的基本特征：具有收敛（convergence）或发散（divergence）的特点细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性信号的放大作用和信号所启动的作用的终止

17、并存细胞以不同的方式产生对信号的适应(失敏与减量调节) 蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的cross talk,葡萄糖,丙酮酸,二羧酸,三羧酸,脂肪酸,琥珀酸,乙醛酸循环体,甘氨酸,乙醇酸,过氧化物酶体,丝氨酸,三磷酸甘油酸,氨基酸,溶酶体,磷酸丙糖,不同分子对人工磷脂双层的通透性,简单扩散与协助扩散的比较,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。声音的振动推开压力门控通道，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。,内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。,偶

18、联转运蛋白,ATP驱动泵,光驱动泵,电化学梯度,Na+/K+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。Na+ /K+ ATPase是由两个大亚基(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，细胞外侧有乌本苷(ouabain)结合位点;在亚基上有Na+和K+结合位点。,运输机制 Na+/K+ ATPase运输分为六个过程(图)。每水解一个ATP， 运出3个Na+ ， 输入2个K+ 。Na+ /K+泵工作的结果，使细胞内的Na+浓度比细胞外低10-30倍

19、，而细胞内的K+浓度比细胞外高10-30倍。,Na+/K+ 泵具有三个重要作用： 一是维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的渗透作用;二是在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力;三是Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。,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,协同运输又称偶联运输， 它不直接消耗ATP，但要依赖离子泵建立的电化学梯度， 所以又将离子泵称为初级主动运输(primary active transport)， 将协同运输称为次级主动运输(secondary active transport)。动物细胞中

20、，质膜上的钠泵和载体协作完成葡萄糖、氨基酸等的逆浓度梯度的协同运输,物质的跨膜运输，维持了膜两侧的浓度分布，对离子来说，同时形成了膜两侧的电位差，即膜电位。对于可兴奋细胞，膜电位具有重要的生物学意义。,胞饮作用细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质（图），这种内吞作用称为胞饮作用（pinocytosis）。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。,吞噬作用细胞内吞较大的固体颗粒物质（图），如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用（phagocytosis）。吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的

21、吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。,巨噬细胞正在吞噬衰老的红细胞,胞吐作用是指真核细胞中含有待分泌物的包被小泡与质膜融合, 从而将内含物排出胞外的过程。在组成型分泌活动中，胞吐作用是自发进行的，但是在调节型的细胞中，胞吐作用必需有信号的触发。胞吐作用的结果一方面将分泌物释放到细胞外，另一方面小泡的膜融入质膜, 使质膜得以补充。,衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，马达蛋白水解ATP提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是SNAREs（soluble NSF attachment pr

22、otein receptor）和Rabs（targeting GTPase）。其中SNARE的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合，Rab的作用是使运输小泡靠近靶膜。动物细胞中已发现20多种SNAREs，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作v-SNAREs，位于靶膜上的叫作t-SNAREs,Rab也叫targeting GTPase，属于单体GTP酶，结构类似于Ras，已知30余种。不同膜上具有不同的Rab，每一种细胞器至少含有一种以上的Rab。Rabs的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集GTP酶相似的是，起分子开关作用，结合GDP失活，位于细胞质中，结合GT

23、P激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节SNAREs复合体的形成。Rabs的调节蛋白与其它G蛋白的相似。Rabs还有许多效应因子（effector），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发SNAREs释放它的抑制因子。许多运输小泡只有在包含了特定的Rabs和SNAREs之后才能形成。,配体,细胞质,信号转导,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,激活的催化结构域,二聚体信号分子,细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分两类

24、（图）：a类开关蛋白（switch protein）的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭，许多由可逆磷酸化控制的开关蛋白是蛋白激酶本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应；b类主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。,在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正、负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制， 因此分子开关（molecular switches）的作用举足轻重，即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制，而且二者对系统的功能同等重要。,（A）细胞内受体蛋白作用模型;（B）几种胞内受体蛋白超家族成员,细胞内受体在

25、接受脂溶性的信号分子并与之结合形成受体-配体复合物后就成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录和表达（右图）糖皮质激素受体激活类固醇激素通过扩散穿过细胞质膜;(b)激素分子与胞质溶胶中的受体结合;(c)抑制蛋白与受体脱离，露出与DNA结合和激活基因转录的位点;(d)被激活的复合物进入细胞核;(e)与DNA增强子区结合;(f)促进受激素调节的基因转录。,皮质醇受体雌激素受体孕酮受体维生素D受体甲状腺素受体视黄酸受体,针对类固醇激素的早期原初反应,延迟反应,NO是可溶性的有毒气体，研究表明，NO分子具有多种生物学功能，并且是一种能够进入细胞直接作用于酶并引起快速反应的气体信号分子

26、。在一些组织中作为局部介质引起信号转导，使血管壁的平滑肌细胞松弛，血液流通顺畅。,内皮细胞中NO合酶被Ca2+离子激活后可利用精氨酸生成NO。NO能够跨过细胞质膜扩散到邻近的平滑肌细胞，并将鸟苷酸环化酶激活，该酶催化GTP生成cGMP。cGMP是非常重要的第二信使，可引起肌细胞松弛和血管舒张反应,NO对血管的效应可以很好地解释硝化甘油的作用，早在100年前就使用硝化甘油处理心绞痛的病人(这种绞痛是由血液不适当地流向心肌引起的)。硝化甘油在体内转化成NO，它可以使血管松弛。减轻心脏的工作压力，减少心肌对氧的需要。,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：

27、Na+ 内流，K+外流，膜去极化。,GPLR的C端富含Ser 和Thr磷酸化位点-受体磷酸化失敏机制,在G蛋白偶联系统中，G蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物,Ras是大鼠肉瘤(rat sarcoma,Ras)的英文缩写。Ras蛋白是原癌基因c-ras的表达产物，相对分子质量为21kDa，系单体 GTP结合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。其活性则是通过与GTP或GDP的结合进行调节,Ras蛋白的活性受GEF(鸟苷酸交换因子)和GAP（GTP酶活化蛋白）的控制,GEF激活Ras,而GAP则抑制Ras的活性。,研究发现，粘着斑的装配也是通过信号控制的。当质膜上的整联蛋白与细胞外基质中配体结合时

28、就开始了粘着斑的装配。粘着斑装配的信号从整联蛋白传递到Rho蛋白。Rho是一种小分子的G蛋白，在形态和结构上与Ras蛋白相似; 在功能上， Rho蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。在粘着斑的装配中，信号转导主要是调节应力纤维的装配,整联蛋白与细胞外基质的相互作用能够激活一些细胞质中的蛋白激酶，如Src。Src是一个大家族，属非受体酪氨酸蛋白激酶。Src被整联蛋白激活后，能够将一些蛋白质磷酸化，其中有一种是酪氨酸蛋白激酶，称为粘着斑激酶(focal adhesion kinase， FAK)，这些蛋白激酶通过将底物磷酸化进行信号转导。,信号传导途径的汇集是指不同的信号分子分别作用

29、于不同的受体，但是最后的效应物是相同的图中所示是将来自G蛋白偶联受体、整联蛋白、受体酪氨酸激酶的信号通过Grb2-Sos汇集到Ras，然后沿着MAP激酶级联系统进行传递。,RTK,GLR,Ligand,Ligand,PLC,Ras,AC,GP,Raf,DAG,IP3,cAMP,MAPKK,MAPK,Transcription Factors,PKC,Ca2+,CaMK,PKA,PM,来自于EGF受体的信号能够分成几个不同的途径进行传递.,如PKA系统与受体酪氨酸激酶系统间的相互干扰在某些细胞中，G蛋白偶联系统的受体在肾上腺素等细胞外信使的作用下，产生第二信使cAMP，cAMP激活PKA，然后通

30、过PKA抑制Raf，从而阻断了从Ras到Raf的信号传导。,简单扩散是被动运输的基本方式，不需要膜蛋白的帮助，也不消耗ATP，而只靠膜两侧保持一定的浓度差，通过扩散发生的物质运输。简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性。脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快,溶质的脂溶性与通过细胞膜能力的关系,水的通透性为什么这么高？,相对分子质量:相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。根据实验结果，推测质膜的通透性孔径不会大于0.51.0nm，能够扩散的最小分子是水分子。物质的带电性:一般说来，气体分子（如O2、CO2、N2）、小的不带电的极性分子(如尿素、乙醇)、脂溶性的分子等易通过

31、质膜，大的不带电的极性分子（如葡萄糖）和各种带电的极性分子都难以通过质膜。为什么所有带电荷的分子(离子)， 不管它多小， 都不能自由扩散?,协助扩散：是指非脂溶性物质或亲水性物质， 如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度， 不消耗ATP进入膜内的一种运输方式。协助扩散同样不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行。同简单扩散相比，具有以下一些特点 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，促进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

32、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。,载体蛋白：需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输。葡萄糖可通过载体蛋白进行促进扩散。运输葡萄糖的载体蛋白主要是通过构型的变化进行葡萄糖的运输,红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图,通道蛋白是一类横跨质膜，能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动， 从质膜的一侧转运到另一侧的蛋白质。通道蛋白可以是单体蛋白，也可以是多亚基组成的蛋白，它们都是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

33、输， 并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。,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。,现已鉴定过的离子通道蛋白在膜中都有开和关两种构型相当于门，所以将通道蛋白形成的通道称为门控通道,电压门控通道这类通道的构型变化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。含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是通过电位-门控通道传递信号的,配体门控通道

34、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。,主动运输：是由载体蛋白所介导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进行跨膜转运的方式。被动运输是减少细胞与周围环境的差别，而主动运输则是努力创造差别，维持生命的活力。从创造差异对细胞生命活动的意义方面来说。主动运输涉及物质输入和输出细胞和细胞器，并且能够逆浓度梯度或电化学梯度。这种运输对于维持细胞和细胞器的正常功能来说起三个重要作用: 保证了细胞或细胞器从周围环境中或表面摄

35、取必需的营养物质，即使这些营养物质在周围环境中或表面的浓度很低; 能够将细胞内的各种物质，如分泌物、代谢废物以及一些离子排到细胞外，即使这些物质在细胞外的浓度比细胞内的浓度高得多; 能够维持一些无机离子在细胞内恒定和最适的浓度，特别是K+、Ca2+和H+的浓度。概括地说，主动运输主要是维持细胞内环境的稳定，以及在各种不同生理条件下细胞内环境的快速调整， 这对细胞的生命活动来说是非常重要的。,建立浓度梯度或电化学梯度细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度，这些离子的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。,典型动物细胞内外离子浓度的比较,消耗能量 主动运输是消耗代谢能的运输方式，有

36、三种不同的直接能量来源,钙泵 结构：有10个跨膜区(图); 激活:两种激活机制，Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活; 蛋白激酶C激活。 运输机制: 类似于Na+/K+ ATPase。每水解一个ATP将两个Ca2+离子从胞质溶胶输出到细胞外。,受体介导的内吞作用一种特殊类型的内吞作用，主要是用于摄取特殊的生物大分子。 大约有50种以上的不同蛋白，包括激素、生长因子、淋巴因子和一些营养物都是通过这种方式进入细胞。被吞入的物质首先同细胞质膜的受体蛋白结合, 同受体结合的物质称为配体(ligand)。配体即是经受体介导被内吞的特异性大分子。它们的性质以及被细胞内吞后的作用各不相同。在受体介导的内

37、吞过程中, 配体-受体复合物在质膜的一个特殊的区域,即被膜小窝(coated pit)中进行浓缩, 然后逐渐形成被膜小泡。包裹在小泡外面的外被是一种纤维蛋白的聚合体,即网格蛋白。脱离了质膜的被膜小泡的外被很快解聚,成为无被小泡,即初级内体。,通过受体介导的内吞作用进入细胞的配体,配体(ligand)同锚定蛋白结合的任何分子都称为配体。在受体介导的内吞中, 与细胞质膜受体蛋白结合, 最后被吞入细胞的即是配体。根据配体的性质以及被细胞内吞后的作用, 将配体分为四大类:.营养物, 如转铁蛋白、低密度脂蛋白(LDL)等; .有害物质, 如某些细菌; .免疫物质, 如免疫球蛋白、抗原等; .信号物质,

38、如胰岛素等多种肽类激素等。,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,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(图)。,受体介导的内吞泡的命运在受体介导的内吞作用中,随内吞泡进入细胞内的物质可分为三大类配体(猎物)、受体、膜组分,配体基本被降解, 少数可被利用。大多数受体能够再利用, 少数

39、受体被降解。通常受体有四种可能的去向: 受体内吞之后,大多数受体可形成载体小泡重新运回到原来的质膜上再利用，这些受体主要是通过次级内体的分拣作用重新回到细胞质膜上(如M6P受体、LDL受体)。受体和配体一起由载体小泡运回到原来的质膜上再利用,如转铁蛋白及转铁蛋白受体就是通过这种方式再循环。受体和配体一起进入溶酶体被降解, 如在某些信号传导中,信号分子与受体一起被溶酶体降解。受体和配体一起通过载体小泡被转运到相对的细胞质膜面, 这就是转胞吞作用。被内吞进来的膜成分有三种可能的去向: 第一种是随着细胞质膜受体分选产生的小泡一起重新回到质膜上再循环利用；第二种可能是同高尔基体融合，成为高尔基体膜的一

40、个部分，这些膜有可能通过小泡的回流同内质网融合；第三种可能是随着溶酶残体的消失而消失。,受体介导的低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL)内吞作用LDL是一种球形颗粒的脂蛋白(图)，直径为22nm, 核心是1500个胆固醇酯；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；最外面有一个相对分子质量为55 kDa的蛋白，叫辅基蛋白B100(apolipoprotein B-100), 它能够与特定细胞的表面受体结合。,(a)由磷脂和未酯化的胆固醇单层构成LDL的外膜结构, 在外膜上结合一个亲水的apo-B

41、蛋白,该蛋白可以介导LDL与细胞表面的受体结合。(b)四种类型脂蛋白的电镜照片,LDL受体蛋白LDL受体蛋白是一个单链的糖蛋白,由839个氨基酸组成,跨膜区由22个疏水的氨基酸组成,为单次跨膜蛋白。LDL受体蛋白合成后被运输到细胞质膜,即使没有相应配体的存在, LDL受体蛋白也会在细胞质膜集中浓缩并形成被膜小窝,当血液中有LDL颗粒,可立即与LDL的apoB-100结合形成LDL-受体复合物。LDL的内吞一旦LDL与受体结合,就会形成被膜小泡被细胞吞入，接着是网格蛋白解聚, 受体回到质膜再利用, 而LDL被传送给溶酶体, 在溶酶体中蛋白质被降解, 胆固醇被释放出来用于质膜的装配, 或进入其他代

42、谢途径。,受体介导的LDL内吞过程,LDL在质膜的被膜小窝中与受体结合;(2)小窝向内出芽; (3)形成被膜小泡;(4)网格蛋白去聚合形成无被小泡(初级内体);(5)内体调整pH至酸性,使LDL与受体脱离(次级内体); (6) 受体被分拣出来,被载体小泡运回到质膜; (7)通过膜融合,受体回到质膜再利用;(8)LDL被分选进入没有受体的小泡, 与初级溶酶体融合形成次级溶酶体;(10)在次级溶酶体中,蛋白质被降解成氨基酸,胆固醇脂被水解产生胆固醇和脂肪酸。, LDL与HDL的关系LDL不是血液中惟一的胆固醇运输剂, HDL也有类似的结构和功能, 但含有不同的蛋白质具有不同的生理作用。LDL主要是

43、将肝组织的胆固醇运向身体其他部位的细胞。而HDL则沿相反方向运输,即从身体其他部位将胆固醇运向肝组织,通过内吞作用被吸收并作为胆汁分泌出去。血液中LDL的升高会增加心脏病的危险性,但是血液中HDL的水平提高就会降低这种危险性,因为它可以通过肝来降低血液中的LDL水平。 LDL与动脉粥样硬化血液中LDL的水平与动脉粥样硬化(动脉变窄)有极大的关系。动脉阻塞是一个复杂的、尚不十分清楚的过程, 其中也包括血管内壁含有LDL血斑的沉积。动脉粥样硬斑不仅降低血液流通,也是血凝块形成的部位, 它可阻塞血管中血液的流通。在冠状动脉中形成的血凝块会导致心肌梗塞。LDL受体缺陷是造成血液中LDL水平升高的主要原

44、因。,转胞吞作用(transcytosis)转胞吞作用是一种特殊的内吞作用，受体和配体在内吞中并未作任何处理,只是经细胞内转运到相反的方向, 然后通过胞吐作用, 将内吞物释放到细胞外,这种内吞主要发生在极性细胞中,如抗体转运到血液和乳汁就是这种运输。,母体IgG免疫球蛋白跨过新生鼠表皮细胞的转胞吞作用,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。多细胞生物是由不同类型的细胞组成的社会,

45、 而且是一个开放的社会，这个社会中的单个细胞间必须协调它们的行为，为此，细胞建立通讯联络是必需的。如生物体的生长发育、分化、各种组织器官的形成、组织的维持以及它们各种生理活动的协调, 都需要有高度精确和高效的细胞间和细胞内的通讯机制。,细胞的通讯与人类社会的通讯比较(图):由信号发射细胞发出信号(接触和产生信号分子)，由信号接收细胞(靶细胞)探测信号，其接收的手段是通过接收分子(受体蛋白)，然后通过靶细胞的识别，最后作出应答。,(a)电话接收器将电信号转换成声信号;(b)细胞将细胞外信号(分子A)转变成细胞内的信号(分子B)。,通讯方式细胞有三种通讯方式(图):通过信号分子;通过相邻细胞间表面

46、分子的粘着或连接;通过细胞与细胞外基质的粘着。,在这三种方式中，第一种不需要细胞的直接接触，完全靠配体与受体的接触传递信息，后两种都需要通过细胞的接触。所以可将细胞通讯的方式分为两大类:不依赖于细胞接触的细胞通讯;依赖于细胞接触的细胞通讯,信号传导(cell signalling)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。信号转导(signal transduction)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。,信号分子信号分子是指生物体内的某些化学分子, 既非营养

47、物, 又非能源物质和结构物质,而且也不是酶,它们主要是用来在细胞间和细胞内传递信息, 如激素、神经递质、生长因子等统称为信号分子,它们的惟一功能是同细胞受体结合, 传递细胞信息。多细胞生物中有几百种不同的信号分子在细胞间传递信息,这些信号分子中有蛋白质、多肽、氨基酸衍生物、核苷酸、胆固醇、脂肪酸衍生物以及可溶解的气体分子等。根据信号分子的溶解性分为水溶性信息(water-soluble messengers)和脂溶性信息(lipid-soluble messengers),前者作用于细胞表面受体,后者要穿过细胞质膜作用于胞质溶胶或细胞核中的受体。其实，信号分子本身并不直接作为信息,它的基本功能

48、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。,内分泌信号(endocrine signaling)。由内分泌细胞合成并分泌到细胞外进行信号传导的分子称为内分泌信号。一般为激素类物质。这类信号分子通讯方式的距离最远，覆盖整个生物体。内分泌信号的激素有三种类型:蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素。蛋白和多肽激素(protein and peptide hormones) 在脊椎动物细胞中占80%,此类激素通常只与细胞质膜受体结合。类固醇激素(steroid horm

49、ones) 是在光面内质网上利用胆固醇酶合成的，不溶于水,所以通常与血液中蛋白质结合,然后通过血液循环运送到靶细胞。类固醇激素能够穿过靶细胞的质膜作用于靶细胞内受体。氨基酸衍生物(amino acid derivatives) 主要是由酪氨酸衍生而来的小分子激素,如肾上腺素和甲状腺素。肾上腺素和它的衍生物作用于膜受体,而甲状腺素则穿过细胞质膜与细胞内受体结合。,旁分泌信号(paracrine signaling)分泌到细胞外后只能作用于邻近细胞的信号分子称为旁分泌信号。如生长因子(growth factors)蛋白就是局部介质,它能够调节多细胞生物的细胞生长和分裂,作用的靶细胞主要是邻近的细胞

50、。控制免疫系统细胞的发育及其他行为的淋巴因子(lymphokines),也只作用于局部区域,属旁分泌信号。,自分泌信号(autocrine signaling)局部介质中的某些信号分子也作用于分泌细胞本身, 如前列腺素(prostaglandin,PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的), 它不仅能够控制邻近细胞的活性,也能作用于合成前列腺素细胞自身,通常将由自身合成并作用于自身的信号分子称为自分泌信号。,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