分子细胞生物学-赵艳第五章物质的跨膜运输与信号传递ZY-精选文档.ppt

在活细胞中质膜对物质的 通透有高度的,选择性,第一节 物质的跨膜运输,物质通过质膜的三种主要途径,被动运输 主动运输 内吞作用与外排作用,一、被动运输,物质由高浓度向低浓度运动，运动的动力来自浓度梯度（电化学梯度），不需要由细胞提供代谢能量。,包括：,简单扩散（自由扩散）: 不耗能，不需要膜蛋白。 协助扩散（促进扩散）: 不耗能，需要膜蛋白。,（一）、简单扩散,BACK,a,b,c,d,人工脂分子的透性,疏水分子：O2、N2、苯,小的不带电荷的极性分子： 水、脲、甘油,大的不带电的极性分子： 葡萄糖、蔗糖等,离子： Na+、H+ 、K+ 、HCO3 、Ca 、 Cl,分子通过人工的无蛋白的脂双分子层时，按浓度梯度进行扩散，其扩散速率基本上决定于分子的大小、及在油中的相对溶解度,细胞膜,不仅与人工脂双分子膜一样，能透过水、非极性分子； 还能透过各种极性分子，如：离子、糖、氨基酸；,（二）、协助扩散,在特异的膜蛋白“协助”物质转运,1、载体蛋白,载体具有高度的特异性； 可逆的结合和分离； 特定的载体只运输一个类型的化合物，或一种分子、离子。,载体蛋白,1）通道蛋白： 一般认为它是横跨质膜形成的水的通道，能使适宜大小的分子及带电荷的溶质通过。,亲水部分,疏水部分,2、通道蛋白,2）门控离子通道：“门”在特定的刺激发生反应时打开。,A: 配体门通道,对细胞外的特定物质（配体）与其表面受体结合时发生反应，引起门通道蛋白的一种成分发生构象变化，门打开。,B:电位门通道,细胞内外特异离子浓度发生变化时或其它刺激引起膜电位变化时，致使其构象变化，“门”打开。,二、主动运输,载体蛋白介导，物质逆浓度梯度或者电化学梯度由低向高浓度运输，此过程需要供应能量。 ATP直接功能； 按所需能量来源分类： ATP间接功能； 光能驱动,主动运输,主动运输的三种类型,BACK,1、钠钾泵示意图,工作过程：,膜内侧Na+、Mg2+与酶结合，激活了ATP活性，使ATP分解成ADP 和Pi，高能磷酸根与酶结合，引起酶构象变化，这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因此，在膜的外侧释放Na+，而与K+结合； K+与酶结合后，促使酶去磷酸化，酶的构象又恢复原状，于是与K+的结合部位转向膜内侧，去磷酸化酶的构象与Na+的亲和力高，与K+的亲和力低，使K+在膜的内侧被释放。,钠钾泵（Na-K-ATP酶）：,Na-K-ATP酶主要通过构象的变化进行主动运输； 构象随着其与高能磷酸根结合与否而变化； 构象的改变引起它们与Na、K亲和力发生改变； 将3个Na排出细胞外、2个K泵入细胞内。,2、钠泵和载体协同运输系统,ATP,ADP+Pi,3Na+,对向运输,共运输,2K+,三、胞吞作用和胞吐作用,1. 胞饮与吞噬 2. 受体介导的胞吞作用 3. 胞吐作用,胞饮与吞噬,液体,固体,胞饮,吞噬,受体介导的胞吞作用,胞吐作用,第二节 细胞通讯与信号传递,细胞通讯细胞识别 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传递 整联蛋白介导的信号传递 细胞信号传递的基本特征,一、细胞通讯与细胞识别,（一）细胞通讯： 一个细胞发出的信息经介质传递到一定的细胞产生相应的反应。,1、细胞通讯的方式,2）. 细胞间接触性依赖的通讯 （常见在胚胎发育）； 3）. 间隙连接,1）. 分泌化学信号；,自分泌， 旁分泌， 内分泌， 化学突触；,细胞通讯的几种类型,BACK,2、细胞通过分泌化学信号进 行细胞间通讯的过程：,化学信号分子的合成 信号细胞释放化学信号分子 信号分子转运至靶细胞 识别信号分子（通常是通过特异性受体识别） 信号的跨膜传递 生物学效应,（二）、细胞识别与信号通路,细胞识别： 细胞通过其表面受体同胞外配体相互作用，引起一系列生理生化变化，并最终表现为整体生物学效应的过程。 信号通路： 细胞接受外界信号，经过一整套特定机制，将胞外信号转化为胞内信号，并启动特定基因的表达,引起细胞应答反应。,（三）细胞的信号分子和受体,1）信号分子： 传递信号的分子，是与细胞受体结合，改变受体的性质,引起一系列反应。 分为： 亲脂性信号分子：(小分子) 甾类激素，甲状腺素 亲水性信号分子: (大分子) 神经递质、生长因子、肾上腺素等,2）受体：,选择性结合某种特定配体的大分子。 胞内受体 表面受体,具有两个功能区域,与配基结合的区域（结合特异性） 产生效应的区域（效应特异性）,同一种化学信号分子对不同的靶细胞可产生不同的效应。如：肾上腺素的受体、受体,受体可分为,A、离子通道耦联的受体 如：突触后膜神经递质受体。 神经递质通过与受体的结合开闭离子通道，改变离子的通透性。,B、与G蛋白耦联的受体,受体通过与GTP结合的调节蛋白（G蛋白）的耦联，在细胞内产生第二信使，从而将外界信号跨膜传递到细胞内。 如：cAMP途径,C、具有催化功能的受体,受体是跨膜蛋白，其胞质区域具有酪氨酸激酶的活性。,如：具有酪氨酸激酶活性的受体（生长因子受体）,受体,3）第二信使和分子开关,第二信使： 位于细胞内继续传递第一信使信号的分子。 如：cAMP、肌醇磷脂等。 分子开关： 在细胞的信号通路中起正负反馈调节的蛋白。 开关蛋白（如：蛋白激酶） GTP结合蛋白,二、通过细胞内受体介导的信号传递,C端：激素结合位点； 中部：锌指结构的DNA结合位点或者抑制性 蛋白Hsp90结合位点； N端：转录激活结构域。,有三个结构域：(P129),1、胞内受体：是激素激活的基因调控蛋白。,2、传递过程：,该通路的细胞外界信号分子为亲脂性的小分子，分子量在300Da左右，如：甾类激素，可通简单扩散跨越质膜进入细胞内，在膜上没有特异的受体； 激素与胞质受体结合形成复合体，能穿过核孔膜；,激素受体复合体进入细胞核，与核内受体结合，形成激素胞质受体核质受体复合物，核内受体是一种依赖于激素的转录增强子，进而启动DNA的转录； 甾类激素可以诱导原初反应和次级反应；即： A：直接诱导少数特殊基因转录的原初反应阶段； B：基因产物再活化其他基因，产生一种延迟的次级反应。这种反应对激素原初作用起放大效应。,mRNA,蛋白质,原初反应,蛋白质,mRNA,次级反应,三、通过细胞表面受体介导的信号传递,离子通道耦联的受体 G蛋白耦联的受体 与酶连接的受体,通过细胞表面受体介导的信号传递,1、CAMP信号通路,激素,G蛋白偶联的受体,G蛋白,C-cyclase,c-AMP,c-AMP依赖的蛋白激酶A,基因调控蛋白,Gene transcription,cAMP信号通路：细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内的第二信使cAMP的水平变化，引起细胞反应的信号通路。cAMP可被磷酸脂酶限制性地降解清除通路。,质膜上的五种成分,刺激型激素受体（Rs） 抑制型激素受体(Ri) 与GTP结合的刺激型调节蛋白(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,C,R,受体,Rs、Ri位于质膜的外表面，有两个结合位点； 一个与细胞外信号分子结合，另一个与G蛋白结合。,调节蛋白（信号转化蛋白）,G蛋白有三个亚基：、 ; Gi、Gs的、 亚基 基本相同； 亚基有两个结合位点，一个是与GTP结合位点，具有GTP酶活性，能水解GTP；另一个是修饰位点，能被细胞毒素ADP核糖基化修饰。 Gs（ s）:被霍乱毒素ADP核糖基化，Gi（ i）:被百日咳毒素ADP核糖基化；,1、激素不和受体结合时，Gs蛋白的、三亚基呈结合状态， 亚基与GDP结合，腺苷酸环化酶没有活性，（此时R、G、C三者分开）； 2、激素与受体结合，导致受体构象改变，并与G蛋白结合； 3、GTP取代与G结合的GDP，导致G蛋白亚基、解离， 亚基与腺苷酸环化酶结合，使ATP转化成cAMP；,Gs的调节过程：,4、 GTP具有GTP酶活性，将GTP水解为GDT，使与C分离，腺苷酸环化酶C失去活性， 、重新结合，受体恢复到为活化状态。,腺苷酸环化酶C,ATP,cAMP,蛋白激酶A（无活性）,蛋白激酶A（有活性）,蛋白酶（无活性）,蛋白酶（有活性）,总结,Rs,Ri,Gs,Gi,C,-,+,ATP,cAMP,AMP,磷酸二酯酶,蛋白质,蛋白质P,霍乱：,霍乱的症状： 流经小肠上皮血管中的水分大量进入肠腔，患者由于严重脱水、腹泻而死亡。 机理：,霍乱毒素可以穿越细胞表面进入细胞溶质，催化细胞内的NAD的ADP核糖基共价添加到Gs的亚基修饰位点上，而且是不可逆修饰； 使亚基与GTP结合，但是丧失了GTP酶的活性，使GTP GDP, GTP 永久结合在亚基上，使亚基处于持续的活化状态； 腺苷酸环化酶不可逆的永久活化，使细胞溶质中的cAMP增加100倍以上，cAMP的增加导致膜蛋白让量的水分通透进入肠腔。,2、磷脂酰肌醇信号通路,PLC,IP3,DG,Ca,PKC,Gene expression,2+,肌醇磷脂：,主要分布在质膜内侧，其总量约占膜磷脂总量的10 主要有三种： 磷脂酰肌醇（PI） 磷脂酰肌醇4磷酸（PIP） 磷脂酰肌醇4、5二磷酸（PIP2）,信号通路（双信使系统 IP3 / Ca2+、DG / PKC）,外界信号分子,质膜上受体肌醇酯 （磷脂酰肌醇4、5二磷酸PIP2）,磷脂酶水解,1、4、5三磷酸肌醇IP3,二酰基甘油DG,动员细胞内源钙到细胞质中,钙离子作用钙调素形成钙调素酶复合物,蛋白激酶C,蛋白质磷酸化,细胞反应,信号分子的灭活： 通过细胞内生化代谢完成。,IP3：通过肌醇磷酸脂循环途径； DG：通过两种途径终止其信使作用； 被二酰基甘油激酶磷酸化为磷脂酸，进入肌醇磷脂循环， 被二酰基甘油脂酶水解成单脂酰甘油。 （见P141）,四、与酶连接的受体,受体酪氨酸激酶及RTK-RAS途径 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 酪氨酸蛋白激酶联系的受体及JAK-STAT途径,经典的细胞信号转导途径：,受体接受刺激 跨膜机制 产生第二信使 蛋白质可逆磷酸化模式传递信息，调节细胞反应。,非经典跨质膜与胞内信号途径： 受体可以单独完成跨膜信号传递； 胞内信号传递不产生经典意义上的第二信使； 受体胞内域具有磷酸化等酶活性或募集胞质酶蛋白能力； 以级联磷酸化反应为主的跨胞质信号转导； 最终调节基因表达和细胞反应。,RTK-Ras途径,Receptor,RTK,Raf,MAPK级联反应,Gene调控蛋白,RTK为细胞表面一大类重要受体家族。 受体的二聚化是一次跨膜受体被激活的普遍机制。 Ras是Ras基因表达的产物。,1、具有受体功能的酪氨酸蛋白激酶（receptor tyrosine protein kinase,RTKs）,目前对该受体的结构域功能了解最为清楚； RTKs已有50多种，包括：生长因子受体、胰岛素受体等； 胞内结构域具有酪氨酸激酶（TPK）催化结构；,1）RTKs家族的基本结构：,RTKs类除胰岛素受体外，其余受体都由一条单跨膜肽链组成。 可分为三个结构区： 细胞外的配体结合区 细胞内部具有酪氨酸激酶活性区 连接这两个区的跨膜结构,N,C,ATP,底物结合区,2）以表皮生长因子受体 （EGF-R为例）,EGF受体在膜上以无活性的单体形式存在； 与配体EGF结合后，结聚合成寡聚体，同时被活化； 被激活的受体往往发生自身磷酸化，继而对其他蛋白质底物进行磷酸化； 被激活的受体可因与其配体的解离而钝化，回到无活性的单体状态。,P,P,P,P,底物磷酸化,下游细胞传递途径,单体EGF受体无活性,五、整联蛋白介导的信号传递,整联蛋白介导的信号传递,粘着斑的形成,整联蛋白,Src活化,胞外受体,Grb2复合物,FAK,Sos,Ras活化,MAPK级联反应,基因转录,P70,s6k,启动mRNA的翻译,细胞信号传递的基本特征,基本特征： 收敛或者发散； 专一性与相似性； 信号放大与适度的调整；对信号的适应； 网络整和信息。,