细胞生物学基础3章4节13药学班.ppt

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1、第五章 物质的跨膜运输与信号传递,第一节 物质的跨膜运输第二节 细胞通讯与信号传递,重 点：,1.物质跨膜运输的类型2.钠钾泵的结构和作用机理3.受体介导的胞吞作用4.受体和信号分子5.cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路,第一节 物质的跨膜运输,1.被动运输（passive transport）2.主动运输（active transport）3.膜泡运输,一、被动运输,1.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。2.特点：运输方向；跨膜动力；能量消耗；膜转运蛋白。3.类型：简单扩散（simple diffusio

2、n）协助扩散（facilitated diffusion）,（一）简单扩散,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。3.限制因素,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）和通道蛋白（channel pr

3、otein）。,（二）协助扩散,扩散与渗透,细胞质膜具有两个基本的特性允许小分子物质通过扩散穿过细胞质膜，也可以让水通过渗透进出细胞质膜。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。,简单扩散的影响因素,脂溶性:脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快。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

4、不带电的极性分子(如尿素、乙醇)、脂溶性的分子等易通过质膜，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,载体蛋白（carrier protein）,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。,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。,和酶的异同点：,通道蛋白（channel protein）,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

5、和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门控的。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）,红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图,含羞草展开与收缩受电压门控通道的控制,二、主动运输,1.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。2.特点：运输方向；膜转运蛋白；消耗能量；具有选择性和特异性。,3.主动运输所需

6、能量的来源主要有：ATP直接提供能量 ATP间接提供能量协同运输 光能驱动,ATP直接提供能量驱动的主动运输1.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。2.钙泵（Ca2+-ATP酶）3.质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶（或F 型）,钙泵（Ca2+-ATP酶）,结构：有10个跨膜区；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。,质子泵,Na+/K+ATPase的结构,Na+/K+ATPase 工作原理示意图,Ca2+-ATPase的结构和功能

7、位点,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。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。类型：共运输（同向协同（symport）对运输（反向协同（antiport）,协同运输,几种不同类型的跨膜运输,动植物细胞载体介导的物质运输的相似与差异,不同运输机制的主要特性,动物细胞和植物细胞主动运输的差异,动物细胞和植物细胞不仅结构有所差别，载体蛋白也有所不同。动物细胞质膜上有Na+-K+

8、ATPase，并通过对Na+、K+的运输建立细胞的电化学梯度；但是在植物细胞(包括细菌细胞)的质膜中没有Na+-K+ATPase，代之的是H+-ATP酶，并通过对H+的运输建立细胞的电化学梯度，使细胞外H+的浓度比细胞内高；H+泵在周围环境中创建了酸性pH，然后通过H+质子梯度驱动的同向运输，将糖和氨基酸等输入植物的细胞内。在动物细胞溶酶体膜和植物细胞的液泡膜上都有H+-ATP酶，它们作用都一样，保持这些细胞器的酸性。,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：细胞在静息状态下的膜电位。动作电位：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

9、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,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）,胞饮作用,特点：胞吞物为液

10、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,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。,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

11、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,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,第二节 细胞通讯与信号传递,1.细胞通讯与细胞识别2.细胞信号传递3.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,1.细胞通讯（cell communication）2.细胞识别（cell recognition）,细胞通讯（cell communication）,1.概念：细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过

12、介质传递到另一个细胞并产生相应的反应。2.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。,1.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

13、细胞整体的生物学效应的过程。2.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,1.细胞的信号分子和受体2.细胞内受体介导的信号传递3.细胞表面受体介导的信号传递4.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。

14、,1.细胞的信号分子,受体（receptor）,1.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。2.类型：细胞内受体（intracellular receptor）细胞表面受体（cell surface receptor）3.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。可逆性 生理

15、反应,第二信使学说和分子开关,1.第二信使学说（second messenger theory）：第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子称为第二信使。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。2.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

16、-binding regulatory protein）,（三）细胞内受体介导的信号传导,1 甾类激素介导的信号通路 2 一氧化氮介导的信号通路,类固醇激素通过扩散穿过细胞质膜;激素分子与胞质溶胶中的受体结合;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;被激活的复合物进入细胞核;与DNA增强子区结合;促进受激素调节的基因转录。,通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递,1.离子通道偶联的受体2.G蛋白偶联的受体3.与酶连接的受体,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

17、。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。,由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路磷脂酰肌醇信号通路,cAMP信号通路,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.组分及分析：.激活型激素受体（Rs）或抑制型

18、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）3.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,1概念：胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上4，5二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2)水解成1，4，5三磷酸肌醇（IP3)和DG两个信使，胞外信号转换为胞内信号。2.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)DG激活PKC蛋白磷酸化

19、或促Na+/H+交 换使胞内pH,主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。,跨膜12次的糖蛋白。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP,2.离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递,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,3.与酶连接的受体介导的信号跨膜传递,类型：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特点：通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活

20、，起动其下游信号转导。,受体酪氨酸激酶,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,本章内容回顾,重点：物质跨膜运输的类型 钠钾泵的结构和作用机理 受体介导的胞吞作用 受体和信号分子 cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路,