细胞生物学第五章物质的跨膜运输与信号传递.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 细胞通信与信号传递,第一节 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,被动运输(passive transport),概念 物质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 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(simple diffusion) 协助扩散(facilitated diffusion),简单扩散(simple diffusion),概念： 既不需细胞提

2、供能量，也不需膜蛋白协助的顺浓度梯度或电化学梯度减小方向进行的物质转运方式，疏水的小分子或小的不带电荷的极性分子 转运速率和通透性取决于分子大小和极性,协助扩散(facilitated diffusion),概念 不需细胞提供能量，但需特异膜蛋白“协助”的顺浓度梯度或电化学梯度减小方向进行的物质转运方式 各种极性分子，无机离子 转运速率和特异性增强,协助扩散facilitated diffusion,特征： 转运速率高 存在最大转运速率Vmax 不同分子的Km具特异性 细胞膜上存在膜转运蛋白,膜转运蛋白,转运蛋白种类： 载体蛋白carrier proteins： 介导主动和被动 通道蛋白cha

3、nnel proteins：介导被动 通道类型： 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),载体蛋白(carrier proteins)及其功能,与特定溶质分子结合，通过一系列构象变化介导溶质分子的跨膜转运 通透酶，但改变平衡点，加速物质沿自由能减少方向跨膜运动的速率,通道蛋白(channel proteins)及其功能, 横跨膜的亲水性通道 离子通道 对离子大小和电荷选择性 转运速率高 门控型：电压门控型，配体门控型，压力激活通道,主动运输(active

4、transport),特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白 类型： 由ATP直接提供能量的主动运输 钠钾泵 钙泵 质子泵 协同运输(cotransport) 由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用 物质的跨膜转运与膜电位,钠钾泵(Na+-K+ pump), 动物细胞 1/3-2/3能量用于细胞内外Na+-K+ 浓度 和二亚基组成， 亚基120kD， 亚基50kD 亚基Asp磷酸化与去磷酸化 1ATP转运3 Na+和2K+ 抑制剂：乌本苷 促进：Mg2+和膜脂 作用：保持渗透平衡,钙泵和质子泵,钙泵：动物细胞质膜及内质网膜，1000 Aa组成的跨膜蛋白，与Na+-K+ 泵的亚基同源，每

5、一泵单位约10个跨膜螺旋，与胞内钙调蛋白结合调节其活性 质子泵 P型质子泵：真核细胞膜 V型质子泵：溶酶体膜和液泡膜 H+-ATP酶：顺浓度梯度，线粒体内膜，类囊体膜和细菌质膜,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contransport,由Na+-K+泵或质子泵与载体蛋白协同作用，靠间接消耗ATP所完成的主动运输 共运输symoport：小肠和肾小管上皮细胞吸收葡萄糖、氨基酸等伴Na+ 对向运输antiport： Na+驱动Na+-H+对向运输来转运H+以调节细胞内pH,物质的跨膜转运与膜电位,静息电位(resting potential)：静息状态下的膜电位。内负

6、，外正 动作电位(active potential)：刺激作用下产生行使通讯功能的快速变化的膜电位 电压感受器(voltage sensors)电压门离子通道特殊的带电荷的蛋白结构域,物质的跨膜转运与膜电位,去极化过程(depolarization)：细胞接受域值刺激，Na+ 通道打开，大量Na+内流，使静息电位减小乃至消失的过程 反极化( polarization)：去极化程度进一步加剧，直至达到平衡位点，形成瞬间的内正外负的动作电位 超极化(super polarization)：反极化导致Na+通道失活到关闭，K通道打开而使质膜再度极化，以至于超过原来的静息电位,胞吞作用与胞吐作用,胞吞

7、作用与胞吐作用 受体介导的胞吞作用 胞吐作用,胞吞作用与胞吐作用,胞吞泡 胞饮与吞噬区别 大小：胞饮泡250nm 本质：胞饮作用是连续摄入溶液和分子，吞噬作用是信号触发过程 形成机制：胞饮泡需网格蛋白，吞噬泡需微丝及其结合蛋白,胞饮泡形成机制,网格蛋白：由180kD重链和35-40kD轻链组成的二聚体 三角蛋白复合物：3个二聚体网格蛋白 网格蛋白有被小窝 Dynamin蛋白：结合GTP 结合素蛋白adaptin：同时结合网格蛋白和受体胞质面尾部肽信号 COP蛋白有被小泡：高尔基体与内质网，其结合素蛋白有两类，介导受体胞吞作用和高尔基体向溶酶体膜泡运输,受体介导的胞吞作用,低密度脂蛋白LDL 胞

8、内体endosome：动物细胞内由膜包饶的细胞器，负责运输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体 胞内体分选途径：大部分受体返回原来质膜结构域；有些被溶酶体消化；有些被运至质膜不同结构域,胞饮作用(pinocytosis)与吞噬作用(phagocytosis),受体介导的内吞作用及包被的组装 胞内体(endosome)及其分选作用,胞吐作用,组成型胞吐途径：从高尔基体反面管网区分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的过程，新合成的囊泡膜蛋白和脂类使质膜更新 调节型胞吐途径：分泌细胞产生的分泌物储存在分泌泡内，当细胞受到外界信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去, 组成型的外排途径(constituti

9、ve 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） 调节型外排途径(regulated exocytosis pathway) 特化的分泌细胞 储存刺激释放 膜流：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,胞吐作用,胞吐作用,组成型胞吐途径：通过default pathway完成蛋白质转运过程，rER高尔基体分泌泡细胞表面 调节型胞吐途径：蛋白分选由高尔基体反面管网区受体类蛋白决定,BACK,第二节 细胞通信与信号传递,细胞通讯与信号传递 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

10、信号跨膜传递 由细胞表面整联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,一、细胞通讯与信号传递,1、细胞通讯 2、细胞识别与信号通路 3、细胞的信号分子与受体,1、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 细胞通讯方式： 分泌化学信号进行通讯 接触性依赖的通讯 间隙连接实现代谢偶联或电偶联,2、分泌化学信号进行通讯,内分泌(endocrine) 旁分泌(paracrine) 自分泌(autocrine) 化学突触(chemical synapse),细胞识别(cell recognition),概念 细胞

11、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，引起细胞应答反应的反应系列,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(NO) 受体(receptor)多为糖蛋白 第二信使(second messenger) 分子开关(molecular switches),细胞的信号分子,亲脂性信号分子 甾类激素，甲状腺素

12、 亲水性信号分子 神经递质，生长因子，局部化学递质，大多数激素 气体性信号分子 NO,受体receptor,糖蛋白：结合区域和效应区域 细胞表面受体和细胞内受体 受体与信号分子 互补，但非一对一 不同细胞对同一信号，具不同受体 不同细胞具相同受体，但与同一信号分子结合，不同细胞对同一信号产生不同反应 不同细胞具不同受体，对同一信号产生不同反应,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,第二信使与分子开关,第二信使：cAMP

13、、cGMP、IP3、DG 分子开关molecular switches 开关蛋白活性由蛋白激酶磷酸化与去磷酸化调控 开关蛋白由结合GTP活化，结合GDP失活,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,通过细胞内受体介导的信号传递,亲脂性 细胞内受体是激素激活的基因调控蛋白，即细胞内受体超家族 受体三结构域 C端激素结合部位 N端转录激活结构域 中部富Cys和锌脂结构DNA或Hsp90结合位点,（A）细胞内受体蛋白作用模型; （B）几种胞

14、内受体蛋白超家族成员,通过细胞内受体介导的信号传递,甾类激素诱导的基因活化步骤 1)直接活化少数特殊基因转录的初级反应 2)初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟次级反应，对初级反应放大 NO：NO3-，NO22- L-ArgNO+L-瓜氨酸（NOS，NADPH） 没有专门储存和释放调节 NO 靶细胞GC活性中心Fe2+ cGMP,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传递 细胞表面其它与酶偶联的受体,GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达(7次跨膜) 信号分子包括：感觉信号(光、嗅、声等；激素、神经递质等) GPLR的效应器

15、： AC、PLC、PLA2、GRK(GPLR 激酶)、PDE、PI3K、离子通道等,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信号通路,G蛋白偶联的受体,G蛋白：三聚体GTP结合调节蛋白，、三亚基组成， 锚定膜上亚基， 亚基具GTP酶活性 1994 A. G. Gilman和 M. Rodbell因阐明G蛋白在胞

16、外信号转换胞内信号机制获诺贝尔奖 G蛋白单条肽链7次跨膜,GPLR的C端富含Ser 和Thr磷酸化位点-受体磷酸化失敏机制,G蛋白偶联的受体, cAMP信号通路 磷脂酰肌醇信号通路,cAMP信号通路,反应链 组分及其分析 Rs和Ri Gs和Gi的调节 腺苷酸环化酶,CAMP信号通路,激活型激素受体Rs、抑制型激素受体Ri、与GTP结合的活化型调节蛋白Gs、与GTP结合的抑制型调节蛋白Gi、催化成分C 腺苷酸环化酶：糖蛋白，12次跨膜，在Mg2+，Mn2+存在下，催化ATP成cAMP 反应链：激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶 cAMP 蛋白激酶A 胞内某些蛋白Thr/ Ser残基磷酸化,

17、Gs的调节作用,激素配体与Rs结合后，Gs构象变化，导致结合的GDP释放，暴露亚基与cAMP结合位点，结合GTP的亚基活化，将GTP转化为cAMP 活化的亚基也可激活靶分子 亚基结合膜上效应酶，与亚基协同或拮抗作用,Gi的调节作用,Gi与GTP结合 亚基与亚基解离 亚基直接抑制腺苷酸环化酶活性 亚基与游离的Gs蛋白的亚基结合，阻断后者对腺苷酸环化酶的活化,腺苷酸环化酶,性质：结合膜上糖蛋白，12次跨膜，在Mg2+ 、Mn2+存在下，催化ATP为cAMP 环腺苷酸磷酸二酯酶PDE降解cAMP为5-AMP 蛋白激酶A：2催化亚基，2调节亚基，使某些蛋白Ser/Thr磷酸化,亚基被异戊酰化修饰连在膜

18、上；亚基被豆蔻酸化修饰连在膜上,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+ CaM细胞反应 磷脂酶C DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使内pH,磷脂酰肌醇信号通路,PKC：80kD，两功能区，未受刺激的细胞中，其非活性分布细胞质，受刺激后，PIP2水解，质膜DG ，Ca2+ ，质中 PKC转位到质膜，被DG活化蛋白Thr/ Ser磷酸化增强基因转录 DG终止作用途径：被DG激酶磷酸化为磷脂酸；被DG脂酶水解为单脂酰甘油 DG生成另一途径：磷脂酶催化质膜上磷脂酰胆碱而成,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

19、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 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,与酶连接的受体,受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路 细胞表面其他与酶偶联的受体 受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶 酪氨酸蛋白激酶联系的受体,受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases, RTKs) 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 GRF Ras Raf (MAPKKK

20、） MAPKK MAPK进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白磷酸化修饰 G蛋白偶联受体介导的MAPK激活,蛋白激酶的磷酸化级联反应,活化Ras蛋白Raf蛋白Thr/Ser磷酸化延长信号寿命 活化的Raf 使MAPKK活化 活化的MAPKK 使MAPK活化 活化的MAPK 进入细胞核多种调控蛋白Thr/Ser磷酸化而具活性,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

21、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,G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活, 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 MAP

22、K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,G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活,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： 机械结构功能； 信号传递功能 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号

23、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 胞外配体与整联蛋白结合激活 Rho蛋白激酶,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,Converge on Ras,RTK,GLR,Ligand,Ligand,PLC,Ras,AC,GP,Raf,DAG,IP3,cAMP,MAPKK,MAPK,Transcription Factors,PKC,Ca2+,CaMK,PKA,PM,Signals transmitted from the EGF receptor can diverge along several distinct pathways.,An example of crosstalk etween two major signaling pathways,