物質(zhì)的跨膜運輸與信號傳導(dǎo)

1、第五章 物質(zhì)的跨膜運輸與信號傳遞,物質(zhì)的跨膜運輸 細(xì)胞通訊與信號傳遞,第一節(jié) 物質(zhì)的跨膜運輸,被動運輸（passive transport） 主動運輸（active transport） 胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis,物質(zhì)的跨膜運輸是細(xì)胞維持正常生命活動的基礎(chǔ)之一,第二節(jié) 細(xì)胞通訊與信號傳遞,細(xì)胞通訊與細(xì)胞識別 細(xì)胞的信號分子與受體 通過細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳遞 通過細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的信號跨膜傳遞 由細(xì)胞表面整合蛋白介導(dǎo)的信號傳遞 細(xì)胞信號傳遞的基本特征與蛋白激酶的網(wǎng)絡(luò)整合信息,被動運輸（passive transport,特點：運輸方向、跨膜動力、能量消

2、耗、膜轉(zhuǎn)運蛋白 類型：簡單擴散（simple diffusion）、協(xié)助擴散（facilitated diffusion） 膜轉(zhuǎn)運蛋白： 載體蛋白（carrier proteins）通透酶（permease）性質(zhì)； 介導(dǎo)被動運輸與主動運輸。 通道蛋白（channel proteins）具有離子選擇性，轉(zhuǎn)運速率高； 離子通道是門控的；只介導(dǎo)被動運輸 類型： 電壓門通道（voltage-gated channel） 配體門通道（ligand-gated channel） 壓力激活通道（stress-activated channel,主動運輸（active transport,特點：運輸方向、能量

3、消耗、膜轉(zhuǎn)運蛋白 被動與主動運輸?shù)谋容^ 類型：三種基本類型 由ATP直接提供能量的主動運輸 鈉鉀泵 （結(jié)構(gòu)與機制） 鈣泵（Ca2+-ATP酶） 質(zhì)子泵：P-型質(zhì)子泵、V-型質(zhì)子泵、H+-ATP酶 協(xié)同運輸（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+-泵）與載體蛋白協(xié)同作用， 靠間接消耗ATP所完成的主動運輸方式 物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運與膜電位,胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis,作用：完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜 運輸，又稱膜泡運輸或批量運輸 （bulk transport）。屬于主動運輸。 胞吞作用 胞吐作用,胞吞作用,胞飲作用（pinocytosis）與吞噬

4、作用（phagocytosis）。 胞飲作用與吞噬作用主要有三點區(qū)別,受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用及包被的組裝 胞內(nèi)體（endosome）及其分選作用,胞吐作用,組成型的外排途徑（constitutive exocytosis pathway） 所有真核細(xì)胞 連續(xù)分泌過程 用于質(zhì)膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基質(zhì)組分、營養(yǎng)或信號分子） default pathway：除某些有特殊標(biāo)志的駐留蛋白和調(diào)節(jié)型分泌泡外， 其余蛋白的轉(zhuǎn)運途徑：粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體分泌泡細(xì)胞表面 調(diào)節(jié)型外排途徑（regulated exocytosis pathway） 特化的分泌細(xì)胞 儲存刺激釋放 產(chǎn)生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具

5、有共同的分選機制， 分選信號存在于蛋白本身，分選主要由高爾基體TGN上的受體類蛋白 來決定 膜流：動態(tài)過程對質(zhì)膜更新和維持細(xì)胞的生存與生長是必要的 囊泡與靶膜的識別與融合,細(xì)胞通訊與細(xì)胞識別,細(xì)胞通訊（cell communication） 細(xì)胞識別（cell recognition,細(xì)胞通訊（cell communication,一個細(xì)胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。細(xì)胞間的通訊對于多細(xì)胞生物體的發(fā)生和組織的構(gòu)建，協(xié)調(diào)細(xì)胞的功能，控制細(xì)胞的生長、分裂、分化和凋亡是必須的。 細(xì)胞通訊方式： 分泌化學(xué)信號進(jìn)行通訊 內(nèi)分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自

6、分泌（autocrine） 化學(xué)突觸（chemical synapse） 接觸性依賴的通訊 細(xì)胞間直接接觸，信號分子與受體都是細(xì)胞的跨膜蛋白 間隙連接實現(xiàn)代謝偶聯(lián)或電偶聯(lián),細(xì)胞識別（cell recognition,概念： 細(xì)胞通過其表面的受體與胞外信號物質(zhì)分子（配體）選擇性地相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細(xì)胞整體的生物學(xué)效應(yīng)的過程。 信號通路（signaling pathway） 細(xì)胞識別是通過各種不同的信號通路實現(xiàn)的。 細(xì)胞接受外界信號，通過一整套特定的機制，將胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)為胞內(nèi)信號，最終調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)，引起細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)，這種反應(yīng)系列稱之為細(xì)胞信號通路,細(xì)胞的信

7、號分子與受體,信號分子（signal molecule） 親脂性信號分子 親水性信號分子 氣體性信號分子(NO) 受體（receptor）多為糖蛋白 第二信使（second messenger） 分子開關(guān)（molecular switches,細(xì)胞內(nèi)受體: 為胞外親脂性信號分子所激活 激素激活的基因調(diào)控蛋白（胞內(nèi)受體超家族） 細(xì)胞表面受體: 為胞外親水性信號分子所激活 細(xì)胞表面受體分屬三大家族： 離子通道偶聯(lián)的受體（ion-channel-linked receptor） G-蛋白偶聯(lián)的受體（G-protein-linked receptor） 酶偶連的受體（enzyme-linked rec

8、eptor,受體的功能： 介導(dǎo)物質(zhì)跨膜運輸(受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：受體的激活（activation） （級聯(lián)反應(yīng)）； 受體失敏（desensitization） 關(guān)閉反應(yīng)、 減量調(diào)節(jié)（down-regulation） 降低反應(yīng),通過細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳遞,甾類激素介導(dǎo)的信號通路 兩步反應(yīng)階段： 初級反應(yīng)階段：直接活化少數(shù)特殊基因轉(zhuǎn)錄的，發(fā)生迅速； 次級反應(yīng)：初級反應(yīng)產(chǎn)物再活化其它基因產(chǎn)生延遲的放大作用。 一氧化氮介導(dǎo)的信號通路,通過細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的信號跨膜傳遞,離子通道偶聯(lián)的受體介導(dǎo)的信號跨膜傳遞 G-蛋白偶聯(lián)的受體介導(dǎo)的信號跨膜傳遞 與酶偶聯(lián)的受體,離子通道偶聯(lián)的受體介導(dǎo)的信號

9、跨膜傳遞,信號途徑 特點： 受體/離子通道復(fù)合體，四次/六次跨膜蛋白 跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無需中間步驟 主要存在于神經(jīng)細(xì)胞或其他可興奮細(xì)胞間的突觸信號傳遞 有選擇性：配體的特異性選擇和運輸離子的選擇性,G-蛋白偶聯(lián)的受體介導(dǎo)的信號跨膜傳遞,cAMP信號通路 磷脂酰肌醇信號通路,細(xì)胞表面其它與酶偶聯(lián)的受體,受體絲氨酸/蘇氨酸激酶 受體酪氨酸磷酸酯酶 受體鳥苷酸環(huán)化酶（ANPs-signals） 酪氨酸蛋白激酶聯(lián)系的受體 兩大家族： 一是與Src蛋白家族相聯(lián)系的受體； 二是與Janus激酶家族聯(lián)系的受體。 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子（signal transducer and actvator of tran

10、scription，STAT）與JAK-STAT途徑,cAMP信號通路,反應(yīng)鏈： 激素G-蛋白偶聯(lián)受體G-蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP cAMP依賴的蛋白激酶A基因調(diào)控蛋白基因轉(zhuǎn)錄 組分及其分析 G-蛋白偶聯(lián)受體 G-蛋白活化與調(diào)節(jié) 效應(yīng)酶腺苷酸環(huán)化酶 GPLR的失敏（desensitization）與減量調(diào)節(jié) 細(xì)菌毒素對G蛋白的修飾作用,GPLR的失敏： 例：腎上腺素受體被激活后，10-15秒cAMP驟增，然后在不到1min內(nèi)反應(yīng)速降，以至消失。 受體活性快速喪失（速發(fā)相）-失敏（desensitization）； 機制：受體磷酸化 受體與Gs解偶聯(lián)，cAMP反應(yīng)停止并被PDE降解。 兩種Ser

11、/Thr磷酸化激酶： PKA 和腎上腺素受體激酶（ ARK）， 負(fù)責(zé)受體磷酸化； 胞內(nèi)協(xié)作因子撲獲蛋白（ arrestin）-結(jié)合磷酸化的受體，抑制其功能活性（ arrestin 已克隆、定位11q13）。 反應(yīng)減弱（遲發(fā)相）-減量調(diào)節(jié)（down-regulation） 機制：受體-配體復(fù)合物內(nèi)吞，導(dǎo)致表面受體數(shù)量減少，發(fā)現(xiàn) arrestin可直接與Clathrin結(jié)合，在內(nèi)吞中起adeptors作用； 受體減量調(diào)節(jié)與內(nèi)吞后受體的分選有關(guān),磷脂酰肌醇信號通路,“雙信使系統(tǒng)”反應(yīng)鏈：胞外信號分子G-蛋白偶聯(lián)受體G-蛋白 IP3胞內(nèi)Ca2+濃度升高Ca2+結(jié)合蛋白(CaM)細(xì)胞反應(yīng) 磷脂酶C(PL

12、C) DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交換使胞內(nèi)pH,受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路,受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 包括6個亞族 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：配體受體受體二聚化受體的自磷酸化 激活RTK胞內(nèi)信號蛋白啟動信號傳導(dǎo) RTK- Ras信號通路： 配體RTK adaptor GRFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK進(jìn)入細(xì)胞核其它激酶或基因調(diào)控蛋白 （轉(zhuǎn)錄因子）的磷酸化修鈽。 G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的MAPK的激活 RTKs的失敏（desensitization,G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的MAPK的激活 MAPK（Mitogen-ac

13、tivated protein kinase）又稱ERK（extracelular signal-regulated kinase）-真核細(xì)胞廣泛存在的Ser/Thr蛋白激酶。 MAPK的底物：膜蛋白（受體、酶）、胞漿蛋白、核骨架蛋白、及多種核內(nèi)或胞漿內(nèi)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子-在細(xì)胞增殖和分化中具有重要調(diào)控作用。 PTX敏感性G蛋白（Gi，Go）的亞基依賴于Ras激活MAPK，具體機制還有待深入研究； PKC、PLC與G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的MAPK激活 PKC和PLC 參與G蛋白偶聯(lián)受體激活MAPK ： G蛋白偶聯(lián)受體激活G蛋白； G蛋白亞基或 亞基激活PLC，促進(jìn)膜磷脂代謝； 磷脂代謝產(chǎn)物（ DAG

14、+ IP3 ）激活PKC； PKC 通過Ras 或 Raf 激活MAPK ； 由于PKC對鈣的依賴性不同，所以G蛋白偶聯(lián)受體 MAPK途徑對鈣要 求不同； PKA對G蛋白偶聯(lián)受體 MAPK途徑的負(fù)調(diào)控 迄今未發(fā)現(xiàn)和制備出MAPK組成型突變（dominant negative mutant），提示細(xì)胞難于忍受MAPK的持續(xù)激活（MAPK的去活是細(xì)胞維持正常生長代謝所必須）。主要機制：特異性的Tyr/Thr磷脂酶可選擇性地使MAPK去磷酸化，關(guān)閉MAPK信號。 cAMP ， MAPK ；cAMP直接激活cAMP依賴的PKA；PKA可能通過RTK或通過抑制Raf-Ras相互作用起負(fù)調(diào)控作用,RTKs

15、的失敏： 催化性受體的效應(yīng)器位于受體本身，因此失敏即酶活性速發(fā)抑制。 機制：受體的磷酸化修飾。EGF受體Thr654的磷酸化導(dǎo)致RTK活性的 抑制，如果該位點產(chǎn)生Ala突變，則阻止活性抑制，后又發(fā)現(xiàn)C 端的Ser1046/7也是磷酸化位點。磷酸化位點所在的C端恰好是 SH2蛋白的結(jié)合部位。 引起受體磷酸化的激酶： PKC-作用于Thr654； CaMK2（Ca2+和CaM依賴的激酶2）-作用于Ser1046/7 還發(fā)現(xiàn)：EGF受體是CDK的靶蛋白，提示和周期調(diào)控有關(guān)。 RTK晶體結(jié)構(gòu)研究表明， RTK激活后形成穩(wěn)定的非抑制性構(gòu)象；磷酸化修飾后，形成抑制性構(gòu)象，引起失敏。 RTK失敏對細(xì)胞正常功

16、能所必須， RTK 的持續(xù)激活將導(dǎo)致細(xì)胞生長失控,由細(xì)胞表面整合蛋白介導(dǎo)的信號傳遞,整合蛋白與粘著斑 導(dǎo)致粘著斑裝配的信號通路有兩條 粘著斑的功能： 一是機械結(jié)構(gòu)功能； 二是信號傳遞功能 通過粘著斑由整合蛋白介導(dǎo)的信號傳遞通路： 由細(xì)胞表面到細(xì)胞核的信號通路 由細(xì)胞表面到細(xì)胞質(zhì)核糖體的信號通路,細(xì)胞信號傳遞的基本特征與蛋白激酶的網(wǎng)絡(luò)整合信息,細(xì)胞信號傳遞的基本特征： 具有收斂（convergence）或發(fā)散（divergence）的特點 細(xì)胞的信號傳導(dǎo)既具有專一性又有作用機制的相似性 信號的放大作用和信號所啟動的作用的終止并存 細(xì)胞以不同的方式產(chǎn)生對信號的適應(yīng)(失敏與減量調(diào)節(jié)) 蛋白激酶的網(wǎng)絡(luò)

17、整合信息與信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的cross talk,簡單擴散與協(xié)助擴散的比較,在動物、植物細(xì)胞由載體蛋白 介導(dǎo)的協(xié)同運輸異同點的比較,GPLR：種類繁多，真核細(xì)胞普遍表達(dá)（7次跨膜） 信號分子包括：感覺信號（光、嗅、聲等；激素、神經(jīng)遞質(zhì)等） GPLR的效應(yīng)器： AC、PLC、PLA2、 GRK（ GPLR 激酶）、PDE、PI3K、離子通道等,A）細(xì)胞內(nèi)受體蛋白作用模型; （B）幾種胞內(nèi)受體蛋白超家族成員,乙酰膽堿N受體（260KD） 外周型：5個亞基組成（2） 調(diào)節(jié)主要為亞基變化 通道開啟：Na+ 內(nèi)流，K+外流， 膜去極化,GPLR的C端富含Ser 和Thr磷酸化位點-受體磷酸化失敏機制,亞基-被異戊?；╥soprenylated）修飾連在膜上； 亞基-被豆蔻酸化（myristoylated）修飾連在膜上,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 trans