细胞生物学05-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物质的跨膜运输•细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，保证了细胞内环境的相对稳定•细胞必须与周围环境发生信息、物质与能量的交换，才能完成特定的生理功能物质的跨膜运输•被动运输•主动运输•胞吞作用、胞吐作用被动运输•被动运输(passivetransport)：是指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转运•转运动力：来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量被动运输——简单扩散(simplediffusion)•也叫自由扩散(freediffusion)，可运输疏水的小分子和小的不带电荷的极性分子•特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供能量；③没有膜蛋白的协助•通透性取决于分子的大小和极性，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，小分子比大分子容易透过被动运输——简单扩散被动运输——协助扩散(facilitateddiffusion)•也叫促进扩散，可运输各种极性分子和无机离子•特点：①转运速率高；②存在最大转运速率，在一定限度内运输速率同物质浓度成正比；③有特异性，依赖于质膜上的膜转运蛋白(membranetransportproteins)被动运输——协助扩散•载体蛋白(carrierproteins)——既可介导被动运输，又可介导逆浓度或电化学梯度的主动运输•通道蛋白(channelproteins)——只能介导顺浓度或电化学梯度的被动运输膜转运蛋白被动运输——协助扩散•也称为通透酶(permease)，因与酶的作用很相似•有特异性结合位点，与某一物质暂时、可逆的结合与分离•一种特异载体只转运一种类型的分子(离子)•与酶的区别：可改变过程的平衡点；对转运的溶质分子不作任何共价修饰载体蛋白被动运输——协助扩散•特点：不需要与溶质分子结合，横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过•分为两类：非选择性的通道——G-细菌、线粒体、叶绿体的外膜有选择性开关的多次跨膜通道——离子通道•离子通道具有两个显著特征：①对被转运离子的大小与电荷都有高度的选择性，转运速率高②离子通道是门控的，即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调节通道蛋白被动运输——协助扩散被动运输——协助扩散被动运输——协助扩散乙酰胆碱受体被动运输——协助扩散钾电位门通道主动运输•主动运输(activetransport)：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•特点：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量；③都有载体蛋白•能量来源：①ATP直接驱动；②间接能量驱动(协同运输中的离子梯度动力)；③光驱动(见于细菌)主动运输——钠钾泵主动运输——钠钾泵主动运输——钠钾泵主动运输——钙离子泵主动运输——钙离子泵主动运输——质子泵主动运输——质子泵四种ATP驱动的离子泵主动运输——ABC转运器主动运输——ABC转运器主动运输——协同运输（cotransport）主动运输——协同运输质子泵协同运输主动运输——协同运输主动运输——协同运输胞吞作用与胞吐作用•真核细胞通过胞吞作用(内吞作用，endocytosis)和胞吐作用(外排作用，exocytosis)完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质、多核苷酸、多糖等•在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输•可同时转运一种或一种以上数量不等的大分子和颗粒性物质，因此也称批量运输(bulktransport)•运输过程中涉及膜的融合与断裂，需要消耗能量，属于主动运输胞吞作用•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•根据胞吞泡的大小和胞吞物质可分为：-胞饮作用(pinocytosis)——胞吞物为溶液，形成的囊泡较小，称胞饮泡-吞噬作用(phagocytosis)——胞吞物为大的颗粒性物质，形成的囊泡较大，称吞噬泡胞吞作用胞吞作用类别泡的大小不同发生的过程不同形成机制不同胞饮作用直径＜150nm连续发生的过程需要网格蛋白或这一类蛋白的帮助吞噬作用直径＞250nm需要被吞噬物与细胞表面结合并激活细胞表面受体，是一个信号触发过程需要有微丝及其结合蛋白的帮助胞吐作用•胞吐作用——将细胞内的分泌泡或其他某些膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程•类型：-组成型胞吐途径(constitutiveexocytosispathway)-调节型胞吐途径(regulatedexocytosispathway)胞吐作用•组成型胞吐途径：①确保新合成的囊泡膜的蛋白和脂类不断地供应质膜更新；②确保细胞分裂前质膜的生长；③囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外（成为质膜外周蛋白、胞外基质组分、营养成分、信号分子扩散到胞外液）•调节型胞吐途径：特化的分泌细胞，这些分泌细胞产生的分泌物储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去胞吐作用细胞通讯与信号传递•生命是一个完整的自然的信息处理系统•单细胞生物——反馈调节•多细胞生物是由各种细胞组成的细胞社会，更有赖于细胞间的通讯与信号传导-调节代谢-实现细胞功能-调节细胞周期-控制细胞分化-影响细胞的存活基本概念——几个容易混淆的概念不同的作者往往使用不同的名词来描述细胞的信息传递现象基本概念——细胞信号分子(signalmolecule)基本概念——细胞信号分子基本概念——受体(receptor)基本概念——受体基本概念——受体基本概念——分子开关(molecularswitches)•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——分子开关很重要•一类开关蛋白(switchprotein)的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，蛋白磷酸酶去磷酸化而关闭，常为蛋白激酶本身•另一类开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活基本概念——细胞通讯的主要类型（一）细胞间隙连接•是细胞间的直接通讯方式。两个相邻的细胞以连接子相联系，连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道，允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有利于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的点耦联现象细胞间隙连接、膜表面分子接触通讯、化学通讯基本概念——细胞通讯的主要类型（二）膜表面分子接触通讯•是指细胞通过其表面信号分子(受体)与另一细胞表面的信号分子(配体)选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程，即细胞识别(cellrecognition)。如精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别基本概念——细胞通讯的主要类型（三）化学通讯•间接的细胞通讯，指细胞分泌一些化学物质(如激素)至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能•根据化学信号分子可以作用的距离范围分为4类基本概念——细胞通讯的主要类型基本概念——细胞通讯的主要类型胞内受体介导的信号传递•胞内受体实质是激素激活的基因调控蛋白。种类多，构成细胞内受体超家族•受体与抑制性蛋白(如Hsp90)结合形成复合物，处于非活化状态；配体(如皮质醇)与受体结合，导致抑制性蛋白解离，受体暴露其DNA结合位点而被激活•一般都有三个结构域：C端的激素结合位点，N端的转录激活结构位点，中部的DNA或Hsp90结合位点信号传递过程甾类激素分子（亲脂性小分子）跨越质膜进入细胞内简单扩散皮质酮、黄体酮等与胞质内受体结合甲状腺素、维生素D、雌激素等与核中受体结合改变受体的构象，活化基因的转录胞内受体介导——甾类激素胞内受体介导——NO胞内受体介导——NO胞内受体介导——NONO在导致血管平滑肌舒张中的作用膜表面受体介导的信号传递膜表面受体介导（一）离子通道偶联的受体1.概念：是由多亚基组成的受体-离子通道复合体2.特点：本身既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤。3.分布：神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递。4.作用机理神经递质受体通道蛋白构象变化离子通道的开启或关闭改变质膜的离子通透性膜表面受体介导——离子通道型受体膜表面受体介导——离子通道型受体（二）G蛋白偶联的受体1.概念：是指配体-受体复合物与靶蛋白的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。G蛋白的位置及组成（1）G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称，位于质膜内胞浆一侧，（2）由α、β、γ三个亚基组成，α亚基本身具有GTP酶活性；βγ二聚体通过共价结合锚于膜上，起稳定α亚基的作用。当胞外配体与受体结合形成复合物时，导致受体胞内结构域与G蛋白α亚基偶联，促使α亚基结合的GDP被GTP交换而被活化，即处于开启态，从而传递信号。膜表面受体介导——G蛋白耦联型受体钙调蛋白(calmodulin,CaM)•是一种真核细胞内普遍存在的Ca2+应答蛋白，单条多肽链含4个结构域，每个结构域结合一个Ca2+•CaM本身无活性，Ca2+与CaM结合形成活化态的Ca2+-CaM复合体，再与靶酶结合将其活化膜表面受体介导——酶耦联型受体•与酶连接的细胞表面受体，又称催化性受体(catalyticreceptor)•目前已知的都是跨膜蛋白，当胞外配体与受体结合即激活受体胞内段的酶活性•特点：不需信号耦联蛋白（G蛋白），而是通过受体本身的酶活性的激活来完成信号跨膜转导；配体的结合导致受体的二聚化至少包括5类：①受体酪氨酸激酶②受体丝氨酸/苏氨酸激酶③受体酪氨酸磷酸酯酶④受体鸟苷酸环化酶⑤酪氨酸蛋白激酶联系的受体膜表面受体介导——酶耦联型受体受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路•受体酪氨酸激酶的胞外配体：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•受体酪氨酸激酶的胞外区与配体结合后，胞内区通过二聚化和自磷酸化激活酪氨酸蛋白激酶活性细胞表面整联蛋白介导的信号传递•整联蛋白是细胞表面的跨膜蛋白，由α和β两个亚基组成的异二聚体•整联蛋白的胞外结构域与胞外配体(如纤连蛋白)相互作用可产生多种信号，•如Ca2+释放进入细胞质基质、肌醇第二信使的合成、胞内蛋白酪氨酸残基的磷酸化等细胞信号传递的基本特征•①多途径、多层次的细胞信号传递通路具有收敛或发散的特点•来自各种非相关受体的信号，可以在细胞内收敛成一个共同的效应器(如Ras蛋白)的信号•来自相同配体(如表皮生长因子或胰岛素)的信号，又可发散激活各种不同的效应器细胞信号传递的基本特征•②细胞的信号转导既具有专一性，又有作用机制的相似性几百种胞外信号，只通过少数几种第二信使便可介导多种多样的细胞应答反应•③信号转导过程具有信号放大作用，但这种放大作用又必须受到适度控制表现为信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存•④当细胞长期暴露在某种形式的刺激下，细胞对刺激的反应将会降低，即细胞进行适应。方式有：A逐渐减少表面受体数目B快速钝化受体C在受体已激活的情况下，改变下游信号蛋白使通路受阻蛋白激酶的网络整合信息•细胞处于复杂环境的“信息轰炸”之下，这些信号分别或协同启动细胞各种信号传递途径，最后作出合理的应答反应•复杂的信号网络系统具有高度的非线性特点，各种通路之间需要“交谈”(crosstalking)蛋白激酶的网络整合信息•通过蛋白激酶的网络整合信息调控发杂的细胞行为，是不同信号通路之间实现“交谈”的一种重要方式