物質(zhì)運輸、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞識別課件

1、第七章 細(xì)胞膜與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(p59-67)回顧細(xì)胞連接：指相鄰細(xì)胞密切接觸的區(qū)域特化形成一定的連接結(jié)構(gòu)。細(xì)胞連接分類：封閉連接、錨定連接、通訊連接Various Cell Junctional Complexes回顧細(xì)胞外基質(zhì)：是由細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外，分布在細(xì)胞表面或細(xì)胞之間的大分子。主要是一些多糖和蛋白、或蛋白聚糖所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。組成分三類：氨基聚糖(GAG)和蛋白聚糖(PG) 、結(jié)構(gòu)蛋白（膠原、彈性蛋白）、黏著蛋白（纖連蛋白、層黏連蛋白）重點主動運輸與被動運輸?shù)奶攸c及其生物學(xué)意義Na+/K+泵的結(jié)構(gòu)和作用原理細(xì)胞化學(xué)信號分子分類細(xì)胞膜受體 的類型G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)的組成一、 穿膜運輸：小分

2、子和離子物質(zhì)（一）被動運輸特點：順濃度梯度 不消耗能量1.簡單擴散適應(yīng)物質(zhì)：a.非極性的小分子 如O2、CO2、N2b.不帶電荷的極性小分子 如水、尿素、乙醇、甘油等 物質(zhì)從濃度較高的一側(cè)直接穿過膜的脂質(zhì)雙層向濃度較低的一側(cè)擴散。最簡單的運輸方式。不適應(yīng)物質(zhì)：a.帶電荷的離子：H+、Na+、K+、Cl-、HCO3-b.大的不帶電荷分子：葡萄糖、氨基酸、蔗糖、核苷酸等簡單擴散特點：順濃度梯度擴散；不需要提供能量；沒有膜蛋白的協(xié)助。簡單擴散的溶質(zhì)擴散速率與溶質(zhì)濃度成正比。2.離子通道擴散適應(yīng)物質(zhì)： 極性很強的水化離子Na+、K+、Ca2+現(xiàn)已鑒定過的離子通道蛋白在膜中都有開和關(guān)兩種構(gòu)型相當(dāng)于門，所

3、以將通道蛋白形成的通道稱為門控通道(gated channel)。 電位依賴性電壓閘門通道(voltage-gated channels) 配體閘門通道(ligand gated channel) 機械閘門通道(stretch-gated channel) 易化擴散同簡單擴散相比，具有以下一些特點易化擴散的速度要快幾個數(shù)量級。具有飽和性:具有高度的選擇性: 膜運輸?shù)鞍椎倪\輸作用也會受到類似于酶的競爭性抑制，以及蛋白質(zhì)變性劑的抑制作用。紅細(xì)胞膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白水的被動運輸 水通道蛋白(aquaporin) 水孔蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)域 （二）主動運輸特點：逆濃度梯度 需載體蛋白協(xié)助 耗能主動運輸?shù)囊饬x：

4、被動運輸是減少細(xì)胞與周圍環(huán)境的差別，主動運輸則是努力創(chuàng)造差別。離子泵(pump)：參與主動運輸?shù)妮d體蛋白。由于它們消耗的代謝能多數(shù)來自ATP，所以又稱它們?yōu)槟衬矨TPase。主要有Na+K+泵和Ca2+ 泵。1.Na+K+泵(Na+K+ pump， Na+K+ ATPase)的結(jié)構(gòu)、作用原理 結(jié)構(gòu): Na+K+ ATPase由兩個大亞基(亞基)和兩個小亞基(亞基)組成。亞基是跨膜蛋白，在膜的內(nèi)側(cè)有ATP結(jié)合位點;在亞基上有Na+和K+結(jié)合位點2.Ca2+ 泵(Ca2+ pump， Ca2+ ATPase)的結(jié)構(gòu)和作用原理 結(jié)構(gòu)：有10個跨膜區(qū);激活:兩種激活機制，Ca2+/鈣調(diào)蛋白(CaM)復(fù)

5、合物的激活; 蛋白激酶C激活。 運輸機制: 類似于Na+/K+ ATPase。每水解一個ATP將兩個Ca2+從胞質(zhì)溶膠輸出到細(xì)胞外。3. H +泵 位于溶酶體膜上，能將細(xì)胞質(zhì)中的H+泵入溶酶體中，以維持其酸性環(huán)境。（三）伴隨運輸 (cotransport) 伴隨運輸又稱協(xié)同運輸、偶聯(lián)運輸， 它不直接消耗ATP，但要依賴離子泵建立的電化學(xué)梯度， 所以又將離子泵稱為初級主動運輸(primary active transport)， 將協(xié)同運輸稱為次級主動運輸(secondary active transport)。動物細(xì)胞中，質(zhì)膜上的鈉泵和載體協(xié)作完成葡萄糖、氨基酸等的逆濃度梯度的協(xié)同運輸。葡萄糖

6、與Na+離子的協(xié)同運輸 共運輸/同向運輸 伴隨運輸對運輸/異向運輸 主動與被動運輸?shù)谋容^ 性質(zhì)簡單擴散促進(jìn)擴散主動運輸參與運輸?shù)哪こ煞葜鞍椎鞍妆贿\輸?shù)奈镔|(zhì)是否需要結(jié)合否是是能量來源濃度梯度濃度梯度ATP水解或濃度梯度運輸方向順濃度梯度順濃度梯度逆濃度梯度特異性無有是運輸?shù)姆肿痈邼舛葧r的飽和性無有是二、膜泡運輸：大分子及顆粒物質(zhì)并不直接穿過細(xì)胞膜,而是通過一系列膜囊泡形成和融合來完成的轉(zhuǎn)運過程。運輸：大分子和顆粒物質(zhì)膜泡：脂質(zhì)雙膜圍繞被運輸物質(zhì)形成的膜囊泡方式：胞吞作用和胞吐作用。（一）胞吞作用（endocytosis）:又稱入胞作用。是細(xì)胞表面發(fā)生內(nèi)陷，由細(xì)胞膜把環(huán)境中的大分子或顆粒物包圍成

7、小泡，脫離細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的轉(zhuǎn)運過程。 吞噬作用胞吞作用胞飲作用受體介導(dǎo)的胞吞作用1.吞噬作用 細(xì)胞內(nèi)吞較大的固體顆粒物質(zhì)或大分子復(fù)合體，如細(xì)菌、無機塵粒、細(xì)胞碎片等 。吞噬體（phagosome）或吞噬泡(phagocytic vesicle)2.胞飲作用 細(xì)胞吞入的物質(zhì)為大分子溶液物質(zhì)或極微小顆粒物。胞飲作用存在于白細(xì)胞、腎細(xì)胞、小腸上皮細(xì)胞、肝巨噬細(xì)胞和植物細(xì)胞。胞飲體或胞飲小泡 通過受體與配體結(jié)合而引發(fā)的胞吞作用。 受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是一種選擇濃縮機制，既可保證細(xì)胞大量地攝入特定的大分子，同時又避免了吸入細(xì)胞外大量的液體。具有特異性、高效性。 適應(yīng)物質(zhì)：低密度脂蛋白、運鐵蛋白、生長因子、

8、胰島素等蛋白類激素、糖蛋白等3.受體介導(dǎo)的胞吞作用受體介導(dǎo)內(nèi)吞的基本特點配體與受體的結(jié)合是特異的, 具有選擇性；要形成特殊包被的內(nèi)吞泡?；具^程大致分為四個基本過程配體與膜受體結(jié)合形成一個小窩(pit); 小窩逐漸向內(nèi)凹陷，然后同質(zhì)膜脫離形成一個被膜小泡; 被膜小泡的外被很快解聚, 形成無被小泡, 即初級內(nèi)體; 初級內(nèi)體與溶酶體融合,吞噬的物質(zhì)被溶酶體的酶水解。低密度脂蛋白LDL的結(jié)構(gòu) LDL顆粒質(zhì)量為3X 106Da，直徑20 30 nm，芯部含約1500個膽固醇分子，這些膽固醇分子被酯化成長鏈脂肪酸。芯部周圍由一脂單層包圍，脂單層包含磷脂分子和未酯化的膽固醇以及一個非常大的單鏈糖蛋白質(zhì) (

9、ApoB-100)，這個蛋白質(zhì)分子可以和靶膜上受體結(jié)合。LDL顆粒與LDL受體結(jié)合示意圖LDL的內(nèi)吞衣被2.胞吐作用（exocytosis） 與胞吞作用順序相反，某些大分子物質(zhì)通過形成小囊泡從細(xì)胞內(nèi)部移至細(xì)胞表面，小囊泡的膜與質(zhì)膜融合，將物質(zhì)排出細(xì)胞之外的過程。 (細(xì)胞分泌）細(xì)胞分泌1.結(jié)構(gòu)分泌指分泌蛋白合成后立即被包裝入GB的分泌囊泡中，隨即很快被運送到質(zhì)膜處，分泌到細(xì)胞外。不需要任何信號的觸發(fā), 它存在于所有類型的細(xì)胞中。給細(xì)胞外提供酶、生長因子和細(xì)胞外基質(zhì)成分外，也為細(xì)胞質(zhì)膜提供膜整合蛋白和膜脂。運輸泡(transport vesicles)2.調(diào)節(jié)性分泌指細(xì)胞分泌蛋白合成后被儲存于分泌

10、囊中，只有當(dāng)細(xì)胞接受細(xì)胞外信號（激素）的刺激，引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度瞬時升高，才能啟動胞吐過程，使分泌泡與細(xì)胞膜融合，向細(xì)胞外間隙釋放分泌物，這種分泌過程稱調(diào)節(jié)性分泌途徑。又稱誘導(dǎo)型, 見于某些特化的細(xì)胞，如能分泌激素、神經(jīng)遞質(zhì)、消化酶的分泌細(xì)胞。需要細(xì)胞外信號刺激分泌泡(secretory vesicles)有兩個特點:一是具有選擇性;第二個特點是具有濃縮作用,可使被運輸?shù)奈镔|(zhì)濃度提高200倍。第八章 細(xì)胞膜與細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（P68-76）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(signal transduction):當(dāng)細(xì)胞感受細(xì)胞外信號分子的刺激后，將胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號，最終使細(xì)胞產(chǎn)生特異性的反應(yīng)，這一過程稱為

11、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。包括三個方面：信號分子、細(xì)胞膜表面接近信號分子的受體及把信號進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)的系統(tǒng)、胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。第一節(jié) 細(xì)胞的化學(xué)信號分子及其受體一、信號分子1.化學(xué)信號：種類：短肽、蛋白質(zhì)、氣體分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂類、膽固醇衍生物。特點：特異性-一種信號只能作用于一種或幾種細(xì)胞； 復(fù)雜性-同一信號可對不同的細(xì)胞產(chǎn)生不同的效應(yīng)； 時間效應(yīng)-有的反應(yīng)快、效應(yīng)短暫，有的反應(yīng)慢、效應(yīng)長久。信號分子2.據(jù)胞外信號的特點和作用方式，分為內(nèi)分泌激素、神經(jīng)遞質(zhì)、局部化學(xué)介質(zhì)等類型。3.據(jù)溶解度，分兩類：1）親脂性信號分子（hydrophobic signal molecular）：甾類激素和甲

12、狀腺素。不溶于水，易穿過靶細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，與細(xì)胞內(nèi)受體結(jié)合形成配體受體復(fù)合物，進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)。2）親水性信號分子（hydrophilic signal molecular）：神經(jīng)遞質(zhì)、生長因子、局部化學(xué)遞質(zhì)和大多數(shù)激素。只能與靶細(xì)胞表面受體結(jié)合，再經(jīng)信號轉(zhuǎn)換機制，在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)。第一信使（ primary messenger）：細(xì)胞外的信號分子，不直接參與細(xì)胞的物質(zhì)和能量代謝，而作為一種信使起傳遞信息的作用。第二信使（secondary messenger，第二信號）：細(xì)胞外信號物質(zhì)通過信息跨膜傳遞機制使細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生c AMP、c G

13、MP、IP3和DG等物質(zhì)，從而激活細(xì)胞內(nèi)一系列代謝反應(yīng)。這些胞內(nèi)信號物質(zhì)稱第二信使，對胞外信號起轉(zhuǎn)換和放大的作用。二、受體（receptor）是一類能識別并選擇性結(jié)合細(xì)胞外的化學(xué)信號分子（配體），啟動一系列生物化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生特定的生物效應(yīng)的生物大分子?；瘜W(xué)組成：糖蛋白，少數(shù)為糖脂，或糖蛋白與糖脂的復(fù)合物。分為：細(xì)胞內(nèi)受體（存在于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核內(nèi)的受體）和細(xì)胞膜受體（存在于細(xì)胞膜上的受體）。Cell-surface receptor and intracellular recepor細(xì)胞膜受體的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)1.化學(xué)成分：主要為跨膜糖蛋白。2.結(jié)構(gòu)：細(xì)胞外域：與配體相互作用，親水部分 跨膜域：將

14、受體固定在細(xì)胞膜上， 疏水部分 胞內(nèi)域：起傳遞信號作用，親水部分細(xì)胞膜受體的類型離子通道偶聯(lián)受體（ion-channel-coupled receptor）G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupled receptor）酶聯(lián)受體（enzyme-linked receptor）Cell surface receptors1. 離子通道偶聯(lián)受體由多亞基組成，本身既有信號結(jié)合位點，又是離子通道，其跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無需中間步驟。主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細(xì)胞。其信號分子為神經(jīng)遞質(zhì)。離子通道偶聯(lián)受體與信號傳導(dǎo)Acetylcholine receptorThree conformation of th

15、e acetylcholine receptor2. G蛋白偶聯(lián)受體這類受體的種類很多，在結(jié)構(gòu)上都很相似都是一條多肽鏈，并且有7次螺旋跨膜區(qū)。7次跨膜蛋白，胞外結(jié)構(gòu)域識別信號分子，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白耦聯(lián)，調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性，在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使，從而將胞外信號跨膜傳遞到胞內(nèi)。類型：多種神經(jīng)遞質(zhì)、肽類激素和趨化因子的受體，味覺、視覺和嗅覺感受器。相關(guān)信號途徑：cAMP途徑、磷脂酰肌醇途徑。G-蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)3. 酶聯(lián)受體這種受體蛋白既是受體又是酶，一旦被配體激活即具有酶活性并將信號放大，又稱催化受體(catalytic receptor)。這類受體結(jié)構(gòu)的共同點是：通常為單次跨膜蛋白；接受配體后發(fā)

16、生二聚化而激活，起動其下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。受體和信號分子結(jié)合的特點受體的特異性及其非絕對性飽和性(saturation)高親和力(high affinity binding)可逆性(reversibility)特定的作用模式第二節(jié) G蛋白偶聯(lián)受體信號傳遞途徑特點:系統(tǒng)由三個部分組成:7次跨膜的受體、G蛋白和效應(yīng)物(酶)產(chǎn)生第二信使一、G蛋白的結(jié)構(gòu)與活性變化 G蛋白（G protein）的全稱為鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白，是指具有GTP酶活性，在細(xì)胞信號通路中起信號轉(zhuǎn)換器或分子開關(guān)作用的蛋白質(zhì)，位于細(xì)胞膜胞質(zhì)面，為可溶性的膜外周蛋白，由、三種蛋白亞基組成。GGDPGGTPGliman 和Rodbell，19

17、94 年對G 蛋白研究獲諾貝爾獎。Gs：刺激型G蛋白； RsGi：抑制型G蛋白；Ri Gp：磷酯酶C型G蛋白G蛋白分類 (Classification) 哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)約20種不同的G蛋白，根據(jù)其在功能上對效應(yīng)蛋白的作用不同，可分為：G蛋白的特點靜息時由、三個亞基組成三聚體；亞基與GDP結(jié)合G蛋白處于非活性狀態(tài)，而與GTP結(jié)合則處于活性狀態(tài)；可被與配體結(jié)合的受體激活，激活后結(jié)合的GDP被GTP取代，此時三聚體蛋白分為兩部分，即、亞基復(fù)合體和亞基GTP復(fù)合體；亞基具有GTP酶活性，能催化所結(jié)合的ATP水解。G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)由三部分組成:表面受體、G蛋白和效應(yīng)物。效應(yīng)物(effector)： 所謂

18、效應(yīng)物是指直接產(chǎn)生效應(yīng)的物質(zhì),通常是酶,如生成cAMP的腺苷酸環(huán)化酶及生成cGMP的鳥苷酸環(huán)化酶等,它們是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的催化單位。在G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)中，G蛋白的作用主要是將信號從受體傳遞給效應(yīng)物，G蛋白的活性變化分三步：受體激活；G蛋白激活；G蛋白復(fù)原失活。1、 cAMP信號通路 真核細(xì)胞應(yīng)答激素反應(yīng)的主要機制之一。 細(xì)胞外信號與相應(yīng)受體結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)第二信 使cAMP的水平變化而引起細(xì)胞反應(yīng)的信號通路。 這一信號通路的首要效應(yīng)酶是腺苷酸環(huán)化酶（A-cyclase），通過腺苷酸環(huán)化酶調(diào)節(jié)胞內(nèi)cAMP的水平。從而將細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)換成細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)。 cAMP可被環(huán)腺苷酸磷酸二脂酶降解清除。cAMP信

19、號通路的組成成分 （1）信號受體(Receptor) : 7次跨膜的膜整合蛋白。 激活型受體（Rs）或抑制型受體（Ri）。 （2）G-蛋白: 活化型調(diào)節(jié)蛋白（Gs）或抑制型調(diào)節(jié)蛋白（Gi）。 G-protein linked receptor（3）催化成分，腺苷酸環(huán)化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylate cyclase（4）蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由兩個催化亞基和兩個調(diào)節(jié)亞基組成。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基，激活蛋白激酶A的活性。（5）環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phos

20、phodiesterase, PDE）：降解cAMP生成5-AMP，起終止信號的作用。Degredation of cAMPGs調(diào)節(jié)模型:激素與Rs結(jié)合，Rs構(gòu)象改變，與Gs結(jié)合，Gs的亞基排斥GDP，結(jié)合GTP而活化，Gs解離出和。亞基活化腺苷酸環(huán)化酶，將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP。亞基復(fù)合物也可直接激活某些胞內(nèi)靶分子?；魜y毒素能催化ADP核糖基共價結(jié)合到Gs的亞基上，使亞基喪失GTP酶的活性，處于持續(xù)活化狀態(tài)。導(dǎo)致霍亂病患者細(xì)胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。cAMP信號途徑可表示為：激素 G蛋白耦聯(lián)受體G蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP依賴cAMP的蛋白激酶A基因調(diào)控蛋白磷酸化基因轉(zhuǎn)錄。 不

21、同細(xì)胞對cAMP信號途徑的反應(yīng)速度不同：在肌肉細(xì)胞，1秒鐘內(nèi)可啟動糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細(xì)胞，需要幾個小時， 激活的PKA 進(jìn)入細(xì)胞核，將CRE結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)。CRE（cAMP response element ）是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。 Glycogen breakdown in skeletal musclecAMP activate protein kinase A, which phosphorylate CREB（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription.CR

22、E is cAMP response element in DNA.Gi調(diào)節(jié)模型通過亞基與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，直接抑制酶的活性；通過亞基復(fù)合物與游離Gs的亞基結(jié)合，阻斷Gs的亞基對腺苷酸環(huán)化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。胞外信號分子與細(xì)胞表面G蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C（PLC-），使質(zhì)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）和二?；视停╠iacylglycerol, DAG）。DG激活蛋白激酶C（PKC）：IP3開啟胞內(nèi)IP3門控鈣通道，Ca2+濃度升高，激活鈣調(diào)蛋白。2.磷脂酰肌醇途徑Inositol phospholipid sig

23、nalingMimicked byionomycin PIP2 Hydrolysis蛋白激酶C位于細(xì)胞質(zhì)，Ca2+濃度升高時，PKC轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DG活化，PKC屬蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶。 IP3信號的終止是通過去磷酸化形成IP2、或磷酸化為IP4 。Ca2+被質(zhì)膜上的鈣泵和Na+- Ca2+交換器抽出細(xì)胞，或被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵抽回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。DG通過兩種途徑終止其信使作用：一是被DG激酶磷酸化成為磷脂酸，進(jìn)入磷脂酰肌醇循環(huán)；二是被DG酯酶水解成單酯酰甘油。Controls on Cytosolic Calcium cGMP信號體系第一信使（配體），受體（鳥苷酸環(huán)化酶GC），第二信使（ cGMP ）GC有兩種形式：膜結(jié)合型和胞漿可溶型。3.cGMP信號途徑cGMP是一種廣泛存在于動物細(xì)胞中的胞內(nèi)信使，是由鳥苷酸環(huán)化酶（guanylate cyclase，GC）催化，水解GTP后形成的。GTP cGMPliga