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第一节物质的跨膜运输被动运输（passivetransport）主动运输（activetransport）胞吞作用（endocytosis）胞吐作用（exocytosis）一、被动运输概念：被动运输（passivetransport）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。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（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）（一）简单扩散(simplediffusion)1.概念：又称为自由扩散（freediffusion），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：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。某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在水和油中的分配系数（K）及扩散系数（D）来计算：P=KD/t（t为膜的厚度）(小的非极性分子)游离的无机离子疏水分子(大的非极性分子)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：①转运速率高；②存在最大转运速率；③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（carrierprotein.可介导被动和主动运输）和通道蛋白（channelprotein.只介导被动运输）。（二）协助扩散(facilitateddiffusion)简单扩散运输通道运输载体被动运输主动运输浓度梯度1.载体蛋白（carrierprotein）及其功能载体蛋白（carrierprotein）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。图示载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的模型相同点：①特异性，有特异的结合位点；②有饱和动力曲线；③受抑制剂的影响。不同点：①可改变过程的平衡点；②不对溶质分子作任何共价修饰。载体蛋白和酶的异同点：2.通道蛋白（channelprotein）(1)概念：通道蛋白（channelprotein）是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子通道。(2)特征：①具有离子选择性(对离子的大小和电荷有高度选择性)；②离子通道是门控的(其活性由通道开或关两种构象调节)。(3)类型：电压门通道（voltage-gatedchannel）配体门通道（ligand-gatedchannel）压力激活通道（stress-activatedchannel）A.电压门通道B.配体门通道C.压力激活通道二、主动运输概念：主动运输（activetransport）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。特点：①运输方向；②膜转运蛋白；③消耗能量。主动运输所需能量的来源主要有：1.ATP直接提供能量2.ATP间接提供能量3.光能驱动偶联转运蛋白ATP驱动泵光驱动泵电化学梯度(一)ATP直接提供能量驱动的主动运输—钠钾泵（Na+-K+-ATP酶）结构和作用机制作用：①维持细胞的渗透性，保持细胞的体积；②维持低Na+高K+的细胞内环境，维持细胞的静息电位。寡糖Na+-K+泵的结构1.钠钾泵（Na+-K+-ATP酶）的结构2.Na+-K+泵的作用机制(二)ATP直接提供能量驱动的主动运输—钙泵（Ca2+-ATP酶）;.质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶（或F–型）;ABC转换器1.钙泵（Ca2+-ATP酶）Ca2+-ATP酶主动运输的构象变化模型2.质子泵可分为三种:3.ABC转换器哺乳动物多药抗性蛋白1协同运输（cotransport）是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。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。根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）与反向协同（antiport）。1.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。2.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。3.类型：共运输（同向协同（symport））对运输（反向协同（antiport））(三)ATP间接提供能量的主动运输—协同运输小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图（四）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（restingpotential）：细胞在静息状态下的膜电位。动作电位（activepotential）：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—胞吞作用和胞吐作用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（bulktransport）。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）1.胞饮作用特点：胞吞物为液体和溶质；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。有被小泡胞吞泡的形成：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胞饮作用示意图细胞膜膜外蛋白膜内蛋白胞饮物胞饮泡膜通过网络蛋白有被小泡介导的选择性运输示意图（转运分子-配体）（转运分子受体）（网络蛋白：轻链和重链组成包被的结构单位）配体（Ligand）是通常本身具有其特别的生物活性，并且能和接受体(receptor)结合，呈现特异性的生物活性分子。（接合素蛋白）（膜泡形成）↑有被小窝（1）网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。（2）COP(constitutivephotomorphogenic，COP)I;衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATP的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。（3）COPII主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母ER在ATP存在的细胞质液中温育时，ER膜上能形成类似于COPI的衣被小泡，酵母COPII衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。2.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。包涵素：分子量为180，000道尔顿的蛋白质，包裹在“被覆窝”的细胞质表面上，与受体介导的对低密度脂蛋白(LDL)、胰岛素及其他配体的内摄作用有关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（单层磷脂）（载脂蛋白）低密度脂蛋白（low-densitylipoproteins,LDL):是胆固醇在肝细胞合成后与磷脂和蛋白质形成的复合物,进入血液，通过与细胞表面的LDL受体结合形成受体-LDL复合物，通过网络蛋白有被小泡的内化作用进入细胞，经脱被与包内体融合。包内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，作用是传输新吞入细胞的物质到溶酶体被降解。包内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H+泵进包内体腔中，使腔内PH降低，引起LDL与受体分离。包内体以出芽的方式形成运载受体的小泡，返回细胞膜，重复使用。含LDL的包内体与溶酶体融合，LDL被水解，释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用。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defaultpathway默认途径?第二节细胞通讯与信号传递●细胞通讯与细胞识别●细胞信号传递●细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息一、细胞通讯与细胞识别●细胞通讯（cellcommunication）●细胞识别（cellrecognition）(一)细胞通讯（cellcommunication）●概念：细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并产生相应的反应。●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）：①低浓度；②全身性；③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（chemicalsynapse）：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。●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，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。●信号通路（signalingpathway）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（cellrecognition）二、细胞信号传递细胞的信号分子和受体细胞内受体介导的信号传递细胞表面受体介导的信号传递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：①特异性；②高效性；③被灭活性。●细胞的信号分子●受体（receptor）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。类型：细胞内受体（intracellularreceptor）细胞表面受体（cellsurfacereceptor）钝化途径：①受体失活(receptorinactivation)。②受体隐蔽（receptorsequestration）③受体下行调节（receptordown-regulation）受体与配体间的作用具有三个主要特征：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。受体与配体（信号分子）间作用的主要特征①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。第二信使学说和分子开关第二信使学说（secondmessengertheory）：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。分子开关：①磷酸化和去磷酸化②GTP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γ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