细胞生物学-第五-八章.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章：,物质的跨膜运输,第八章：,细胞信号转导,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。,细胞信号转导,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,由细胞表面整合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,特点,（,simple diffusion,）、,协助扩散,特点,（,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,）,主动运输,（,active transport,）,特点,：,逆,梯度,运输,;,依赖于膜运输蛋白,;,需要能量,，并对代谢毒性敏感,;,具有选择性和特异性。,类型,：,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,（,Ca,2+,-ATP,酶,）,ATP,驱动泵,：,P-,型离子泵、,V-,型质子泵、,H,+,-ATP,酶,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,物质的跨膜转运与,膜电位,被动与主动运输的比较,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,示意,图,及包被的组装,胞内体（,endosome,）及其分选作用,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,基本概念,：,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,通过,间隙连接实现的代谢偶联或电偶联,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,亲水性信号分子,气体性信号分子,受体,（,receptor,）多为糖蛋白,第二信使,（,second messenger,）,分子开关,（,molecular switches,）,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。,受体概念,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,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-,蛋白偶联的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,蛋白信号通路,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,两大家族：,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。,信号转导子和转录激活子（,signal transducer and actvator of transcription,，,STAT,）与,JAK-STAT,途径。,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-,蛋白偶联受体,G-,蛋白活化与调节,效应酶,腺苷酸环化酶,GPLR,的,失敏,（,desensitization,）与减量调节,细菌毒素对,G,蛋白的修饰作用,GPLR,的失敏,：,例：,肾上腺素受体被激活后，,10-15,秒,cAMP,骤增，然后在不到,1min,内反应速降，以至消失。,受体活性快速丧失（速发相）,-,失敏（,desensitization,）；,机制：受体磷酸化 受体与,Gs,解偶联，,cAMP,反应停止并被,PDE,降解。,两种,Ser/Thr,磷酸化激酶：,PKA,和,肾上腺素受体激酶（,ARK,），负责受体磷酸化；,胞内协作因子扑获蛋白（,arrestin,）,-,结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（,arrestin,已克隆、定位,11q13,）。,反应减弱（迟发相）,-,减量调节（,down-regulation,）,机制：受体,-,配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现,arrestin,可直接与,Clathrin,结合，在内吞中起,adeptors,作用；,受体,减量调节与内吞后受体的分选有关。,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,IP,3,胞内,Ca,2+,浓度升高,Ca,2+,结合蛋白,(CaM),细胞反应,磷脂酶,C(PLC),DAG,激活,PKC,蛋白磷酸化或促,Na,+,/H,+,交换使胞内,pH,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,）,包括,6,个亚族,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 GRFRasRaf,（,MAPKKK,）,MAPKKMAPK,进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白,（转录因子）的磷酸化修钸。,G,蛋白偶联受体介导的,MAPK,的激活,RTKs,的,失敏,（,desensitization,）,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；,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,MAPK,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。,RTKs,的失敏,：,催化性受体的效应器位于受体本身，因此失敏即酶活性速发抑制。,机制：受体的磷酸化修饰。,EGF,受体,Thr654,的磷酸化导致,RTK,活性的,抑制，如果该位点产生,Ala,突变，则阻止活性抑制，后又发现,C,端的,Ser1046/7,也是磷酸化位点。磷酸化位点所在的,C,端恰好是,SH2,蛋白的结合部位。,引起受体磷酸化的激酶：,PKC-,作用于,Thr654,；,CaMK2,（,Ca,2+,和,CaM,依赖的激酶,2,）,-,作用于,Ser1046/7,还发现：,EGF,受体是,CDK,的靶蛋白，提示和周期调控有关。,RTK,晶体结构研究表明，,RTK,激活后形成稳定的非抑制性构象；磷酸化修饰后，形成抑制性构象，引起失敏。,RTK,失敏对细胞正常功能所必须，,RTK,的持续激活将导致细胞生长失控。,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,：,一是机械结构功能；,二是信号传递功能,通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：,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,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,葡萄糖,丙酮酸,二羧酸,三羧酸,脂肪酸,琥珀酸,乙醛酸循环体,甘氨酸,乙醇酸,过氧化物酶体,丝氨酸,三磷酸甘油酸,氨基酸,溶酶体,磷酸丙糖,不同分子对人工磷脂双层的通透性,简单扩散与协助扩散的比较,通道蛋白,载体蛋白,浓度梯度,溶质,这种通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一个极好的例子。声音的振动推开,压力,门控通道，允许离子进入毛状细胞，这样建立起一种电信号，并且从毛状细胞传递到听觉神经，然后传递到脑。,听觉毛状细胞的机械敏感门通道作用原理,听觉神经细胞,耳蜗覆膜,听毛细胞,支持细胞,硬纤毛,通道关闭,正电子,进入,捆在一起,不倾斜,基膜,内耳毛细胞顶部的听毛也是对牵拉力敏感的感受装置，听毛弯曲时，毛细胞会出现暂短的感受器电位。,偶联转运蛋白,ATP,驱动泵,光驱动泵,电化学,梯度,Na,+,/K,+,泵是动物细胞中由,ATP,驱动的将,Na,+,输出到细胞外同时将,K,+,输入细胞内的运输泵，又称,Na,+,泵或,Na,+,/K,+,交换泵。,实际上是一种,Na,+,/K,+,ATPase,。,Na,+,/K,+,ATPase,是由两个大亚基,(,亚基,),和两个小亚基,(,亚基,),组成。,亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有,ATP,结合位点，细胞外侧有乌本苷,(ouabain),结合位点,;,在,亚基上有,Na,+,和,K,+,结合位点。,运输机制,Na,+,/K,+,ATPase,运输分为六个过程,(,图,),。每水解一个,ATP,，运出,3,个,Na,+,，输入,2,个,K,+,。,Na,+,/K,+,泵工作的结果，使细胞内的,Na,+,浓度比细胞外低,10-30,倍，而细胞内的,K,+,浓度比细胞外高,10-30,倍。,Na,+,/K,+,泵具有三个重要作用：,一是维持了细胞,Na,+,离子的平衡，抵消了,Na,+,离子的渗透作用,;,二是在建立细胞质膜两侧,Na,+,离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力,;,三是,Na,+,泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。,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,协同运输又称偶联运输，它不直接消耗,ATP,，但要依赖离子泵建立的电化学梯度，所以又将离子泵称为初级主动运输,(primary active transport),，将协同运输称为次级主动运输,(secondary active transport),。动物细胞中，质膜上的钠泵和载体协作完成葡萄糖、氨基酸等的逆浓度梯度的协同运输,物质的跨膜运输，维持了膜两侧的浓度分布，对离子来说，同时形成了膜两侧的电位差，即膜电位。对于可兴奋细胞，膜电位具有重要的生物学意义。,胞饮作用,细胞吞入的物质为液体或极小的颗粒物质（图），这种内吞作用称为胞饮作用（,pinocytosis,）。胞饮作用存在于白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞。,吞噬作用,细胞内吞较大的固体颗粒物质（图），如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用（,phagocytosis,）。吞噬现象是原生动物获取营养物质的主要方式，在后生动物中亦存在吞噬现象。如：在哺乳动物中，中性颗粒白细胞和巨噬细胞具有极强的吞噬能力，以保护机体免受异物侵害。,巨噬细胞正在吞噬衰老的红细胞,胞吐作用,是指真核细胞中含有待分泌物的包被小泡与质膜融合,从而将内含物排出胞外的过程。在组成型分泌活动中，胞吐作用是自发进行的，但是在调节型的细胞中，胞吐作用必需有信号的触发。,胞吐作用的结果一方面将分泌物释放到细胞外，另一方面小泡的膜融入质膜,使质膜得以补充。,衣被小泡沿着细胞内的微管被运输到靶细胞器，马达蛋白水解,ATP,提供运输的动力。各类运输小泡之所以能够被准确地和靶膜融合，是因为运输小泡表面的标志蛋白能被靶膜上的受体识别，其中涉及识别过程的两类关键性的蛋白质是,SNAREs,（,soluble NSF attachment protein receptor,）和,Rabs,（,targeting GTPase,）。,其中,SNARE,的作用是保证识别的特异性和介导运输小泡与目标膜的融合，,Rab,的作用是使运输小泡靠近靶膜。,动物细胞中已发现,20,多种,SNAREs,，分别分布于特定的膜上，位于运输小泡上的叫作,v-SNAREs,，位于靶膜上的叫作,t-SNAREs,Rab,也叫,targeting GTPase,，属于单体,GTP,酶，结构类似于,Ras,，已知,30,余种。不同膜上具有不同的,Rab,，每一种细胞器至少含有一种以上的,Rab,。,Rabs,的作用是促进和调节运输小泡的停泊和融合。与衣被召集,GTP,酶相似的是，起分子开关作用，结合,GDP,失活，位于细胞质中，结合,GTP,激活，位于细胞膜、内膜和运输小泡膜上，调节,SNAREs,复合体的形成。,Rabs,的调节蛋白与其它,G,蛋白的相似。,Rabs,还有许多效应因子（,effector,），其作用是帮助运输小泡聚集和靠近靶膜，触发,SNAREs,释放它的抑制因子。许多运输小泡只有在包含了特定的,Rabs,和,SNAREs,之后才能形成。,配体,细胞质,信号转导,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,激活的催化结构域,二聚体信号分子,细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分两类（图）：,a,类开关蛋白（,switch protein,）的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭，许多由可逆磷酸化控制的开关蛋白是蛋白激酶本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应；,b,类主要开关蛋白由,GTP,结合蛋白组成，结合,GTP,而活化，结合,GDP,而失活。,在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正、负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制，因此分子开关（,molecular switches,）的作用举足轻重，即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制，而且二者对系统的功能同等重要。,（,A,）细胞内受体蛋白作用模型,;,（,B,）几种胞内受体蛋白超家族成员,细胞内受体在接受脂溶性的信号分子并与之结合形成受体,-,配体复合物后就成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录和表达（右图）,糖皮质激素受体激活,类固醇激素通过扩散穿过细胞质膜,;,(b),激素分子与胞质溶胶中的受体结合,;,(c),抑制蛋白与受体脱离，露出与,DNA,结合和激活基因转录的位点,;,(d),被激活的复合物进入细胞核,;,(e),与,DNA,增强子区结合,;,(f),促进受激素调节的基因转录。,皮质醇受体,雌激素受体,孕酮受体,维生素,D,受体,甲状腺素受体,视黄酸受体,针对类固醇激素的早期原初反应,延迟反应,NO,是可溶性的有毒气体，研究表明，,NO,分子具有多种生物学功能，并且是一种能够进入细胞直接作用于酶并引起快速反应的气体信号分子。在一些组织中作为局部介质引起信号转导，使血管壁的平滑肌细胞松弛，血液流通顺畅。,内皮细胞中,NO,合酶被,Ca,2+,离子激活后可利用精氨酸生成,NO,。,NO,能够跨过细胞质膜扩散到邻近的平滑肌细胞，并将鸟苷酸环化酶激活，该酶催化,GTP,生成,cGMP,。,cGMP,是非常重要的第二信使，可引起肌细胞松弛和血管舒张反应,NO,对血管的效应可以很好地解释硝化甘油的作用，早在,100,年前就使用硝化甘油处理心绞痛的病人,(,这种绞痛是由血液不适当地流向心肌引起的,),。硝化甘油在体内转化成,NO,，它可以使血管松弛。减轻心脏的工作压力，减少心肌对氧的需要。,乙酰胆碱,N,受体（,260KD,）,外周型：,5,个亚基组成（,2,）,调节主要为,亚基变化,通道开启：,Na,+,内流，,K,+,外流，,膜去极化。,GPLR,的,C,端富含,Ser,和,Thr,磷酸化位点,-,受体磷酸化失敏机制,在,G,蛋白偶联系统中，,G,蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物,Ras,是大鼠肉瘤,(rat sarcoma,Ras),的英文缩写。,Ras,蛋白是原癌基因,c-ras,的表达产物，相对分子质量为,21kDa,，系单体,GTP,结合蛋白，具有弱的,GTP,酶活性。其活性则是通过与,GTP,或,GDP,的结合进行调节,Ras,蛋白的活性受,GEF(,鸟苷酸交换因子,),和,GAP,（,GTP,酶活化蛋白）的控制,GEF,激活,Ras,而,GAP,则抑制,Ras,的活性。,研究发现，粘着斑的装配也是通过信号控制的。当质膜上的整联蛋白与细胞外基质中配体结合时就开始了粘着斑的装配。,粘着斑装配的信号从整联蛋白传递到,Rho,蛋白。,Rho,是一种小分子的,G,蛋白，在形态和结构上与,Ras,蛋白相似,;,在功能上，,Rho,蛋白也是一种分子开关，决定信号是沿哪一条途径传递。,在粘着斑的装配中，信号转导主要是调节应力纤维的装配,整联蛋白与细胞外基质的相互作用能够激活一些细胞质中的蛋白激酶，如,Src,。,Src,是一个大家族，属非受体酪氨酸蛋白激酶。,Src,被整联蛋白激活后，能够将一些蛋白质磷酸化，其中有一种是酪氨酸蛋白激酶，称为粘着斑激酶,(focal adhesion kinase,，,FAK),，这些蛋白激酶通过将底物磷酸化进行信号转导。,信号传导途径的汇集是指不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最后的效应物是相同的,图中所示是将来自,G,蛋白偶联受体、整联蛋白、受体酪氨酸激酶的信号通过,Grb2-Sos,汇集到,Ras,，然后沿着,MAP,激酶级联系统进行传递。,RTK,GLR,Ligand,Ligand,PLC,Ras,AC,GP,Raf,DAG,IP3,cAMP,MAPKK,MAPK,Transcription Factors,PKC,Ca,2+,CaMK,PKA,PM,来自于,EGF,受体的信号能够分成几个不同的途径进行传递,.,如,PKA,系统与受体酪氨酸激酶系统间的相互干扰在某些细胞中，,G,蛋白偶联系统的受体在肾上腺素等细胞外信使的作用下，产生第二信使,cAMP,，,cAMP,激活,PKA,，然后通过,PKA,抑制,Raf,，从而阻断了从,Ras,到,Raf,的信号传导。,简单扩散是被动运输的基本方式，不需要膜蛋白的帮助，也不消耗,ATP,，而只靠膜两侧保持一定的浓度差，通过扩散发生的物质运输。,简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和带电性。,脂溶性,:,脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快,溶质的脂溶性与通过细胞膜能力的关系,水的通透性为什么这么高？,相对分子质量,:,相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。,根据实验结果，推测质膜的通透性孔径不会大于,0.5,1.0nm,，能够扩散的最小分子是水分子。,物质的带电性,:,一般说来，气体分子（如,O,2,、,CO,2,、,N2,）、小的不带电的极性分子,(,如尿素、乙醇,),、脂溶性的分子等易通过质膜，大的不带电的极性分子（如葡萄糖）和各种带电的极性分子都难以通过质膜。,为什么所有带电荷的分子,(,离子,),，不管它多小，都不能自由扩散,?,带电的物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。因此说，所有带电荷的分子,(,离子,),，不管它多小，都不能自由扩散。,协助扩散：,是指非脂溶性物质或亲水性物质，如氨基酸、糖和金属离子等借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度或顺电化学浓度梯度，不消耗,ATP,进入膜内的一种运输方式。,协助扩散同样不需要消耗能量，并且也是从高浓度向低浓度进行。,同简单扩散相比，具有以下一些特点,协助扩散的速度要快几个数量级。,具有饱和性,:,当溶质的跨膜浓度差达到一定程度时，促进扩散的速度不再提高。,具有高度的选择性,:,如运输蛋白能够帮助葡萄糖快速运输，但不帮助与葡萄糖结构类似的糖类运输。,膜运输蛋白的运输作用也会受到类似于酶的竞争性抑制，以及蛋白质变性剂的抑制作用。,载体蛋白：,需要同被运输的离子和分子结合，然后通过自身的构型变化或移动完成物质运输,。,葡萄糖可通过载体蛋白进行促进扩散。运输葡萄糖的载体蛋白主要是通过构型的变化进行葡萄糖的运输,红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图,通道蛋白,是一类横跨质膜，能使适宜大小的分子及带电荷的分子通过简单的自由扩散运动，从质膜的一侧转运到另一侧,的蛋白质,。,通道蛋白可以是单体蛋白，也可以是多亚基组成的蛋白，它们都是通过疏水的氨基酸链进行重排，形成水性通道,，,允许适宜的分子通过。,通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输，并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。,极性,(,带电性,),通道的形成,(a),由单亚基膜蛋白形成的通道,;(b),由多亚基蛋白形成的通道。,现已鉴定过的离子通道蛋白在膜中都有开和关两种构型相当于门，所以将通道蛋白形成的通道称为门控通道,电压门控通道,这类通道的构型变化依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位的变化使其构型发生改变,从而将“门”打开。,在很多情况下,门通道有其自己的关闭机制,它能快速地自发关闭。开放往往只有几毫秒时间。在这短暂瞬息时间里,一些离子、代谢物或其它溶质顺着浓度梯度自由扩散通过细胞膜。,含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是通过电位,-,门控通道传递信号的,配体门控通道,这类通道在其细胞内或外的特定配体（,ligand,）与膜受体结合时发生反应,引起门通道蛋白的一种成分发生构型变化,结果使“门”打开。因此这类通道被称为配体,-,门控通道,。,它分为细胞内配体和细胞外配体两种类型。,主动运输,：,是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式。,被动运输是减少细胞与周围环境的差别，而主动运输则是努力创造差别，维持生命的活力。,从创造差异对细胞生命活动的意义方面来说。主动运输涉及物质输入和输出细胞和细胞器，并且能够逆浓度梯度或电化学梯度。这种运输对于维持细胞和细胞器的正常功能来说起三个重要作用,:,保证了细胞或细胞器从周围环境中或表面摄取必需的营养物质，即使这些营养物质在周围环境中或表面的浓度很低,;,能够将细胞内的各种物质，如分泌物、代谢废物以及一些离子排到细胞外，即使这些物质在细胞外的浓度比细胞内的浓度高得多,;,能够维持一些无机离子在细胞内恒定和最适的浓度，特别是,K,+,、,Ca,2+,和,H,+,的浓度。,概括地说，主动运输主要是维持细胞内环境的稳定，以及在各种不同生理条件下细胞内环境的快速调整，这对细胞的生命活动来说是非常重要的。,建立浓度梯度或电化学梯度,细胞靠主动运输建立和维持各种离子在细胞内的不同浓度，这些离子的浓度差异对于细胞的生存和行使功能至关重要。,典型动物细胞内外离子浓度的比较,消耗能量,主动运输是消耗代谢能的运输方式，有三种不同的直接能量来源,钙泵,结构：有,10,个跨膜区,(,图,);,激活,:,两种激活机制，,Ca,2+,/,钙调蛋白,(CaM),复合物的激活,;,蛋白激酶,C,激活。,运输机制,:,类似于,Na,+,/K,+,ATPase,。每水解一个,ATP,将两个,Ca,2+,离子从胞质溶胶输出到细胞外。,受体介导的内吞作用,一种特殊类型的内吞作用，主要是用于摄取特殊的生物大分子。,大约有,50,种以上的不同蛋白，包括激素、生长因子、淋巴因子和一些营养物都是通过这种方式进入细胞。,被吞入的物质首先同细胞质膜的受体蛋白结合,同受体结合的物质称为配体,(ligand),。,配体即是经受体介导被内吞的特异性大分子。它们的性质以及被细胞内吞后的作用各不相同。,在受体介导的内吞过程中,配体,-,受体复合物在质膜的一个特殊的区域,即被膜小窝,(coated pit),中进行浓缩,然后逐渐形成被膜小泡。,包裹在小泡外面的外被是一种纤维蛋白的聚合体,即网格蛋白。脱离了质膜的被膜小泡的外被很快解聚,成为无被小泡,即初级内体。,通过受体介导的内吞作用进入细胞的配体,配体,(ligand),同锚定蛋白结合的任何分子都称为配体。在受体介导的内吞中,与细胞质膜受体蛋白结合,最后被吞入细胞的即是配体。,根据配体的性质以及被细胞内吞后的作用,将配体分为四大类,:.,营养物,如转铁蛋白、低密度脂蛋白,(LDL),等,;.,有害物质,如某些细菌,;.,免疫物质,如免疫球蛋白、抗原等,;.,信号物质,如胰岛素等多种肽类激素等,。,受体介导内吞的基本特点,配体与受体的结合是特异的,具有选择性,;,要形成特殊包被的内吞泡。,将成纤维细胞培养在加有转铁蛋白,-,铁标记的低密度脂蛋白,(LDL),的培养基中,可清楚地观察到这一过程,基本过程,配体与膜受体结合形成一个小窝,(pit);,小窝逐渐向内凹陷，然后同质膜脱离形成一个被膜小泡,;,被膜小泡的外被很快解聚,形成无被小泡,即初级内体,;,初级内体与溶酶体融合,吞噬的物质被溶酶体的酶水解,(,图,),。,受体介导的内吞泡的命运,在受体介导的内吞作用中,随内吞泡进入细胞内,的物质可分为三大类配体,(,猎物,),、受体、膜组分,配体基本被降解,少数可被利用。大多数受体能够再利用,少数受体被降解。通常受体有四种可能的去向,:,受体内吞之后,大多数受体可形成载体小泡重新运回到原来的质膜上再利用，这些受体主要是通过次级内体的分拣作用重新回到细胞质膜上,(,如,M6P,受体、,LDL,受体,),。受体和配体一起由载体小泡运回到原来的质膜上再利用,如转铁蛋白及转铁蛋白受体就是通过这种方式再循环。受体和配体一起进入溶酶体被降解,如在某些信号传导中,信号分子与受体一起被溶酶体降解。受体和配体一起通过载体小泡被转运到相对的细胞质膜面,这就是转胞吞作用。,被内吞进来的膜成分有三种可能的去向,:,第一种是随着细胞质膜受体分选产生的小泡一起重新回到质膜上再循环利用；第二种可能是同高尔基体融合，成为高尔基体膜的一个部分，这些膜有可能通过小泡的回流同内质网融合；第三种可能是随着溶酶残体的消失而消失,。,受体介导的低密度脂蛋白,(low-density lipoprotein,LDL),内吞作用,LDL,是一种球形颗粒的脂蛋白,(,图,),，直径为,22nm,核心是,1500,个胆固醇酯；外面由,800,个磷脂和,500,个未酯化的胆固醇分子包裹,由于外被脂分子的亲水头露在外部，使,LDL,能够溶于血液中；最外面有一个相对分子质量为,55 kDa,的蛋白，叫辅基蛋白,B,100(apolipoprotein B-100),它能够与特定细胞的表面受体结合。,(a),由磷脂和未酯化的胆固醇单层构成,LDL,的外膜结构,在外膜上结合一个亲水的,apo-B,蛋白,该蛋白可以介导,LDL,与细胞表面的受体结合。,(b),四种类型脂蛋白的电镜照片,LDL,受体蛋白,LDL,受体蛋白是一个单链的糖蛋白,由,839,个氨基酸组成,跨膜区由,22,个疏水的氨基酸组成,为单次跨膜蛋白。,LDL,受体蛋白合成后被运输到细胞质膜,即使没有相应配体的存在,LDL,受体蛋白也会在细胞质膜集中浓缩并形成被膜小窝,当血液中有,LDL,颗粒,可立即与,LDL,的,apoB-100,结合形成,LDL-,受体复合物。,LDL,的内吞,一旦,LDL,与受体结合,就会形成被膜小泡被细胞吞入，接着是网格蛋白解聚,受体回到质膜再利用,而,LDL,被传送给溶酶体,在溶酶体中蛋白质被降解,胆固醇被释放出来用于质膜的装配,或进入其他代谢途径。,受体介导的,LDL,内吞过程,LDL,在质膜的被膜小窝中与受体结合,;,(2),小窝向内出芽,;,(3),形成被膜小泡,;,(4),网格蛋白去聚合形成无被小泡,(,初级内体,);,(5),内体调整,pH,至酸性,使,LDL,与受体脱离,(,次级内体,);,(6),受体被分拣出来,被载体小泡运回到质膜,;,(7),通过膜融合,受体回到质膜再利用,;,(8)LDL,被分选进入没有受体的小泡,与初级溶酶体融合形成次级溶酶体,;,(10),在次级溶酶体中,蛋白质被降解成氨基酸,胆固醇脂被水解产生胆固醇和脂肪酸,。,LDL,与,HDL,的关系,LDL,不是血液中惟一的胆固醇运输剂,HDL,也有类似的结构和功能,但含有不同的蛋白质具有不同的生理作用。,LDL,主要是将肝组织的胆固醇运向身体其他部位的细胞。而,HDL,则沿相反方向运输,即从身体其他部位将胆固醇运向肝组织,通过内吞作用被吸收并作为胆汁分泌出去。,血液中,LDL,的升高会增加心脏病的危险性,但是血液中,HDL,的水平提高就会降低这种危险性,因为它可以通过肝来降低血液中的,LDL,水平。,LDL,与动脉粥样硬化,血液中,LDL,的水平与动脉粥样硬化,(,动脉变窄,),有极大的关系。动脉阻塞是一个复杂的、尚不十分清楚的过程,其中也包括血管内壁含有,LDL,血斑的沉积。动脉粥样硬斑不仅降低血液流通,也是血凝块形成的部位,它可阻塞血管中血液的流通。在冠状动脉中形成的血凝块会导致心肌梗塞。,LDL,受体缺陷是造成血液中,LDL,水平升高的主要原因。,转胞吞作用,(transcytosis),转胞吞作用是一种特殊的内吞作用，受体和配体在内吞中并未作任何处理,只是经细胞内转运到相反的方向,然后通过胞吐作用,将内吞物释放到细胞外,这种内吞主要发生在极性细胞中,如抗体转运到血液和乳汁就是这种,运输。,母体,IgG,免疫球蛋白跨过新生鼠表皮细胞的转胞吞作用,细胞通讯：,是指在多细胞生物的细胞社会中,细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制,并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动,尔后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动,使之成为生命的统一整体对多变的外界环境作出综合反应。,多细胞生物是由不同类型的细胞组成的社会,而且是一个开放的社会，这个社会中的单个细胞间必须协调它们的行为，为此，细胞建立通讯联络是必需的。,如生物体的生长发育、分化、各种组织器官的形成、组织的维持以及它们各种生理活动的协调,都需要有高度精确和高效的细胞间和细胞内的通讯机制。,细胞的通讯与人类社会的通讯比较,(,图,):,由信号发射细胞发出信号,(,接触和产生信号分子,),，由信号接收细胞,(,靶细胞,),探测信号，其接收的手段是通过接收分子,(,受体蛋白,),，然后通过靶细胞的识别，最后作出应答。,(a),电话接收器将电信号转换成声信号,;(b),细胞将细胞外信号,(,分子,A),转变成细胞内的信号,(,分子,B),。,通讯方式,细胞有三种通讯方式,(,图,):,通过信号分子,;,通过相邻细胞间表面分子的粘着或连接,;,通过细胞与细胞外基质的粘着。,在这三种方式中，第一种不需要细胞的直接接触，完全靠配体与受体的接触传递信息，后两种都需要通过细胞的接触。,所以可将细胞通讯的方式分为两大类,:,不依赖于细胞接触的细胞通讯,;