第五章物质运输与信号传递.ppt

细胞生物学 Cell Biology,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（passive transport） ●主动运输（active transport） ●胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）,,物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一,第二节 细胞通讯与信号传递,●细胞通讯与细胞识别 ●细胞的信号分子与受体 ●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,,被动运输（passive transport）,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） 膜转运蛋白： 载体蛋白（carrier proteins）——通透酶（permease）性质； 介导被动运输与主动运输 通道蛋白（channel proteins）——具有离子选择性，转运速率高； 离子通道是门控的；只介导被动运输 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） 物质运输的船与桥,,水通道 水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。

1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28 （28 KD ）， 他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶 液中，卵母细胞迅速膨胀，5 分钟内破裂细胞的这种吸水膨 胀现象会被Hg2+抑制 2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖 目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水 通道蛋白（Aquaporin，AQP）2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖Peter Agre,Roderick MacKinnon,主动运输（active transport）,●特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白 ●类型：主动运输所需的能量来源主要有：三种基本类型 由ATP直接提供能量的主动运输— 钠钾泵 （结构与机制） 钙泵（Ca2+-ATP酶） 质子泵：P-型、V-型、F-型 协同运输（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用， 靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式,,胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）,作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜 运输，又称膜泡运输或批量运输 （bulk transport）。

属于主动运输 ●胞吞作用 ●胞吐作用,,胞吞作用,●胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis） 胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别,●受体介导的内吞作用及包被的组装,,细胞代表,中性颗粒白细胞和巨噬细胞原生动物,白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞,胞吐作用,● 组成型的外排途径（constitutive 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） default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外， 其余蛋白的转运途径：粗面内质网→高尔基体→分泌泡→细胞表面 ●调节型外排途径（regulated exocytosis pathway） 特化的分泌细胞，储存——刺激——释放， 产生的分泌物（如激素、粘液 或消化酶）具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体 TGN上的受体类蛋白来决定 ● 膜流：动态过程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,,细胞通讯与细胞识别,●细胞通讯（cell communication） ●细胞识别（cell recognition）,,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。

细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的 ●细胞通讯方式： 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） 接触性依赖的通讯 细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 间隙连接实现代谢偶联或电偶联,,细胞识别（cell recognition）,●概念： 细胞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） 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的 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，这种反应系列称之为细胞信号通路细胞的信号分子与受体,●信号分子（signal molecule） 亲脂性信号分子 甾醇类激素（性激素、肾上腺皮质激素、蜕皮激素等） 亲水性信号分子 神经递质、生长因子、细胞因子、局部化学递质和大部分激素。

气体性信号分子(NO) ●受体（receptor）多为糖蛋白 ●第二信使（second messenger）和分子开关（molecular switches） ）,,荣获1971年诺贝尔奖！,,●受体的类型 细胞内受体: 为胞外亲脂性信号分子所激活 激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族） 细胞表面受体: 为胞外亲水性信号分子所激活 细胞表面受体分属三大家族： 离子通道偶联的受体（ion-channel-linked receptor） G-蛋白偶联的受体（G-protein-linked receptor） 酶偶连的受体（enzyme-linked receptor）,,,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（secondary messenger） 细胞外信号分子作用于细胞膜上的受体后，诱导产生的细胞内信号分子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，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,,通过细胞内受体介导的信号传递,●一氧化氮介导的信号通路  NO作用于邻近细胞。

NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化， 以L精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成NO和L瓜氨酸  NO的作用机理： -乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶 →cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅  硝酸甘油治疗心绞痛：硝酸甘油转化为NO，舒张血管，减轻心脏负担和心肌需氧量荣获1998年诺贝尔奖！,1998年R．Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖Robert F. Furchgott,Louis J. Ignarro,Ferid Murad,通过细胞表面受体(膜受体)介导的 信号跨膜传递,,,●膜受体的结构,●膜受体的类型,●膜受体的生物学特征,●信号跨膜传递,膜受体的结构,识别部 (discriminator）受体向着细胞外部分，多为糖蛋白的糖链，可识别不同的配体，狭义受体指此部位识别部,转换部,,效应部,,转换部（transducer）：识别部与效应部之间的偶联部分，将识别部所接受的信号经过转换传给效应部效应部（effector）：受体向着细胞质的部分，一般具有酶的活性，配体与受体结合前，它是无活性的，只有受体与配体结合后才被激活，引起一系列变化，产生相应的生物效应。

膜受体的生物学特征,1. 特异性,2. 高亲和性,3. 饱和性 4. 可逆性 5. 特定的细胞定位,,膜受体的类型,●离子通道偶联的受体 ●G-蛋白偶联的受体 ●酶偶联的受体(催化性受体),,Cell surface receptors,通过细胞表面受体(膜受体)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 ●酶偶联的受体(催化性受体)介导的信号跨膜传递,,离子通道偶联受体介导的信号跨膜传递, 由多亚基组成的受体-离子通道复合体，本身既有信号 结合位点，又是离子通道  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,,离子通道受体（ion channel receptor）本身是离子通道，或者与离子通道相偶联，离子通道的开关受细胞外配体的调节例如：N-乙酰胆碱受体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,,,配体-受体复合物与靶细胞（酶或离子通道）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。

根据产生第二信使的不同分为：,偶联G蛋白受体（G-protein-linked receptor）是指受体和酶或离子通道之间的相互作用通过一种结合GTP的调节蛋白（GTP-binding regulatory protein）介导来完成例如M-乙酰胆碱受体、β肾上腺素受体偶联G蛋白受体结构,2019/10/16,G蛋白偶联受体,①多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体 ②味觉、视觉和嗅觉感受器Richard Axel,Linda B. Buck,G蛋白的结构 G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白由аβγ三个亚基组成βγ二聚体通过共价结合锚于膜上起稳定а作用， а亚基具有GTP酶活性,,cAMP信号通路,反应链： 激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→ cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录 组分及其分析 G-蛋白偶联的受体 G-蛋白活化与调节 效应酶——腺苷酸环化酶,,cAMP信号体系的组成,cAMP信号体系,,5种成分： Rs: 激活型激素受体 Gs:与GDP结合的活化型调节受体 Ri: 抑制型激素受体 Gi: 与GDP结合的抑制型调节受体 AC:腺苷酸环化酶,,5种成分：Rs:激活型激素受体 Gs:与GDP结合的活化型调节受体 Ri:抑制型激素受体 Gi: 与GDP结合的抑制型调节受体 AC:腺苷酸环化酶,刺激型cAMP信号体系,刺激型cAMP信号体系,刺激型cAMP信号体系,抑制型cAMP信号体系,R,αs,β,γ,cyclase,R,β,γ,αi,cyclase,,抑制腺苷酸环化酶活性,L,,亚基---被异戊酰化（isoprenylated）修饰连在膜上； 亚基---被豆蔻酸化（myristoylated）修饰连在膜上。

cAMP的形成与降解,,腺苷酸环化酶,磷酸二酯酶,cAMP的生物学效应：特异性活化蛋白激酶A,139,调节亚基,无活性催化亚基,cAMP-调节亚基 复合物,活化的催化亚基,无活性 蛋白激酶A,cAMP信号体系产生生物学效应（例）。