第五章+物质的跨膜运输与信号传递.docx
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第五章+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
•主要内容:
•第一节物质的跨膜运输
•第二节细胞通讯与信号传递
第一节物质的跨膜运输
一、被动运输(passivetransport)
1、概念:
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。
2、特点:
1)运输方向:
高低;2)跨膜动力:
物质的浓度梯度;
3)能量消耗:
无
简单扩散:
不需要
4)膜转运蛋白:
协助扩散:
需要
3、类型:
简单扩散、协助扩散
4、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。
•Simplediffusionmeansthatthemoleculescanpassdirectlythroughthemembrane.Diffusionisalwaysdownaconcentrationgradient.Thislimitsthemaximumpossibleconcentrationofthemoleculeinsidethecell(oroutsidethecellifitisawasteproduct).Theeffectivenessofdiffusionisalsolimitedbythediffusionrateofthemolecule.Therefore,thoughdiffusionisaneffectiveenoughtransportmechanismforsomesubstances(suchasH2O),thecellmustutilizeothermechanismsformanyofitstransportneeds.
5、协助扩散(facilitateddiffusion)
1)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。
2)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.
•
•Facilitateddiffusionutilizesmembraneproteinchannelstoallowchargedmolecules(whichotherwisecouldnotdiffuseacrossthecellmembrane)tofreelydiffuseinandoutofthecell.ThesechannelscomesintogreatestusewithsmallionslikeK+,Na+,andCl-.Thespeedoffacilitatedtransportislimitedbythenumberofproteinchannelsavailable,whereasthespeedofdiffusionisdependentonlyontheconcentrationgradient.
6、膜转运蛋白(TransportProtein)
1)载体蛋白(carrierproteins)——通透酶(permease)性质;介导被动运输与主动运输。
2)通道蛋白(channelproteins)——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:
a电压门通道(voltage-gatedchannel)
b配体门通道(ligand-gatedchannel)
c压力激活通道(stress-activatedchannel)
TransportProteinscomeintwoforms:
1)Carrierproteins:
Thesearecarrierproteins.Theydonotextendthroughthemembrane.Theybondanddragmoleculesthroughthebilipidlayerandreleasethemontheoppositeside.
2)Channelproteins:
extendthroughthebilipidlayer.Theyformaporethroughthemembranethatcanmovemoleculesinseveralways.Insomecasesthechannnelproteinssimplyactasapassivepore.Moleculeswillrandomlymovethroughtheopeninginaprocesscalleddiffusion.Thisrequiresnoenergy,moleculesmovefromanareaofhighconcentrationtoanareaoflowconcentration.
二、主动运输(activetransport)
1、概念:
载体蛋白所介导的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在耗能状态进行跨膜转运的方式。
2、特点:
1)运输方向:
低高;2)跨膜动力:
ATP
3)能量消耗:
需要
4)膜转运蛋白:
需要
3、类型:
1)ATP间接供能的类型
2)ATP直接供能类型
3)光能驱动的类型
•Activetransportisthepumpingofmoleculesorionsthroughamembraneagainsttheirconcentrationgradient(i.e.fromareaoflowconcentrationtoareasofhighconcentration).
•Itrequires:
1)atransmembraneprotein(usuallyacomplexofthem)calledatransporter
2)energy.ThesourceofthisenergyisATP.TheenergyofATPmaybeuseddirectlyorindirectly.
•Category:
1)Coupledtransporter(IndirectActiveTransport)
2)ATP-drivenpump(DirectActiveTransport)
3)Light-drivenpump
(一)、ATP直接提供能量驱动的主动运输
1、钠钾泵(sodium/potassiumpump)
1)结构组成:
①α-亚基:
多次跨膜的整合蛋白,具有ATP酶的活性。
②β-亚基:
是具有特异性的糖蛋白
2)机制:
细胞膜内侧α-亚基与Na+
结合α-亚基在耗能情况下磷酸化α-亚基构象发生变化Na+泵出细胞同时胞外K+与α-亚基另一结合位点结合α-亚基去磷酸化α-亚基构象再次发生变化K+离子泵入细胞
3)特征:
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。
③存在于一切动物细胞上,每消耗一个ATP,泵入泵出3个Na+,泵入2个K+离子
作用机制
2、钙泵(Ca2+pumporCa2+ATPases)
1)结构组成:
由1000个氨基酸组成的多次跨膜蛋白,与钠钾泵α-亚基同源,有10个跨膜α-螺旋。
2)机制:
细胞内钙调蛋白与钙泵结合调节钙泵活性,钙泵工作与ATP水解相偶联,每消耗1个ATP分子转运出2个Ca2+。
3)作用:
①存在于细胞膜和内质网膜上;
②维持细胞内低浓度的游离子的Ca2+环境
•Inrestingskeletalmuscle,thereisamuchhigherconcentrationofcalciumions(Ca2+)inthesarcoplasmicreticulumthaninthecytosol.ActivationofthemusclefiberallowssomeofthisCa2+topassbyfacilitateddiffusionintothecytosolwhereittriggerscontraction.
•Aftercontraction,thisCa2+ispumpedbackintothesarcoplasmicreticulum.ThisisdonebyaCa2+ATPasesthatusestheenergyfromeachmoleculeofATPtopump2Ca2+ions.
ACa2+ATPasesisalsolocatedintheplasmamembraneofalleukaryoticcells.ItpumpsCa2+outofthecellhelpingtomaintainthelowconcentration
•
3、质子泵(H+泵)
(二)、ATP间接提供能量的主动运输
----协同运输(cotransport)
1、定义:
协同运输(cotransport是一类由钠钾泵(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。
2、跨膜动力:
膜两侧电化学梯度
1)动物细胞:
膜两侧Na+电化学梯度
2)植物细胞:
膜两侧H+电化学梯度
3、分类:
1)共运输(SymportPumps):
物质跨膜运输方向与离子转移方向相同;
2)对运输(AntiportPumps):
物质跨膜运输方向与离子转移方向相反.
1、Indirectactivetransportusesthedownhillflowofaniontopumpsomeothermoleculeorionagainstitsgradient.Thedrivingionisusuallysodium(Na+)withitsgradientestablishedbytheNa+/K+ATPase.
2、Category
1)SymportPumps
Inthistypeofindirectactivetransport,thedrivingion(Na+)andthepumpedmoleculepassthroughthemembranepumpinthesamedirection.
2)AntiportPumps
Inantiportpumps,thedrivingion(again,usuallysodium)diffusesthroughthepumpinonedirectionprovidingtheenergyfortheactivetransportofsomeothermoleculeorionintheoppositedirection.
协同运输
作用机制
(三)、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、胞吞作用(endocytosis)与胞吐作用(exocytosis)
1、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)。
属于主动运输范畴。
2、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
1、概念:
是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。
2、类型:
1)胞饮作用(pinocytosis):
胞吞物为液体,囊泡较小
2)吞噬作用(phagocytosis):
胞吞物为大的颗粒性物质,囊泡较大.
3、胞饮作用(pinocytosis)
1)特点:
a胞吞物为液体和溶质;
•b形成的胞吞泡小(直径小于150nm);
•c连续发生的过程;
•d网格蛋白和结合素蛋白。
•2)胞吞泡的形成:
配体和受体结合网格蛋白聚集有被小窝有被小泡去被的囊泡和胞内体融合
•Pinocytosis:
•Intheprocessofpinocytosistheplasmamembraneformsaninvagination.
•Whateversubstanceisfoundwithintheareaofinvaginationisbroughtintothecell.
•Ingeneralthismaterialwillbedissolvedinwaterandthusthisprocessisalsoreferedtoas"cellulardrinking"toindicatethatliquidsandmaterialdissolvedinliquidsareingestedbythecell.
•Thisisopposedtotheingestionoflargeparticulatemateriallikebacteriaorothercellsorcelldebris.
4、吞噬作用(phagocytosis)
•1)特点:
a胞吞物为大分子和颗粒物质;
•b形成的胞吞泡大(直径大于250nm);
•c信号触发过程;
•d微丝和结合蛋白。
•2、作用:
防御侵染和垃圾清除工。
•Phagocytosis:
•Intheprocessofphagocytosisthecellchangesshapebysendingoutprojectionswhicharecalledpseudpodia(falsefeet).
Thephagocyticcellsuchasamacrophagemaybeattractedtoaparticlelikeabacteriaorvirusbychemicalattractant.
Thephagocyticcellsendsoutmembraneprojectionsthatmakecontactwithsomeparticle.
Somesortofreceptorligandinteractionoccursbetweenthephagocyticcellsurfaceandtheparticlethatwillbeingested.
Thepseudopodiathensurroundtheparticleandwhentheplasmamembraneoftheprojectionmeetmembranefusionoccurs.
Thisresultsintheformationofanintracellularvesicle.
5、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
1、受体介导的胞吞作用过程:
配体和受体结合网格蛋白聚集有被小窝有被小泡去被的囊泡和胞内体融合溶酶体
2、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。
3、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(exocytosis)
1、定义:
将细胞内的分泌泡或其他膜泡中的物质通过细胞质膜运出细胞的过程。
2、组成型的胞吐途径(constitutiveexocytosis)
1)存在于所有真核细胞中
2)是连续分泌的过程
3)用于质膜的更新
4)通过defaultypathway方式完成蛋白质转运过程
3、调节型的胞吐途径(regulatedexocytosis)
1)特化的分泌细胞所特有
2)分泌物储存在分泌泡中,受到刺激后被释放出来
3)分泌物具有共同的分选机制
•Theregulatedandconstitutivepathwaysofexocytosis.ThetwopathwaysdivergeinthetransGolginetwork.Manysolubleproteinsarecontinuallysecretedfromthecellbytheconstitutivesecretorypathway,whichoperatesinallcells.Thispathwayalsosuppliestheplasmamembranewithnewlysynthesizedlipidsandproteins.Specializedsecretorycellsalsohavearegulatedexocytosispathway,bywhichselectedproteinsinthetransGolginetworkaredivertedintosecretoryvesicles,wheretheproteinsareconcentratedandstoreduntilanextracellularsignalstimulatestheirsecretion.
第二节细胞通讯与信号传递
一、细胞通讯与细胞识别
1、细胞通讯(cellcommunication)
1)定义:
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应。
2)细胞通讯方式:
a接触性依赖的通讯
●b间隙连接实现代谢偶联或电偶联
●c分泌化学信号进行通讯
3)细胞分泌化学信号的作用方式:
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。
•Livingorganismsconstantlyreceiveandinterpretsignalsfromtheirenvironment.Signalscancomeintheformoflight,heat,water,odors,touch,orsound.Cellsofmulti-cellularorganismsalsoreceivesignalsfromothercells,includingsignalsforcelldivisionanddifferentiation.Themajorityofcellsinourbodiesmustconstantlyreceivesignalsthatkeepthemaliveandfunctioning.
2、细胞识别(cellrecognition)
定义:
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。
3、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,这种反应系列称之为细胞信号通路。
细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的
4、细胞的信号分子与受体
1)细胞的信号分子(signalmolecule)
①亲脂性信号分子:
分子小,疏水性强,可进入细胞,形成复合物调节基因表达
②亲水性信号分子:
不能穿过膜,能在胞内产生第二信使,引起细胞应答反应
③气体性信号分子(NO):
能进入细胞直接激活效应酶
2)受体(receptor)
①定义:
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,当与配体结合后,通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内化学或物理信号,以启动一系列过程,最终表现为生物学效应。
受体多为糖蛋白,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。
•②类型:
细胞内受体(intracellularreceptor)
•细胞表面受体(cellsurfacereceptor)
③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。
3)第二信使(secondmessenger)
胞外化学物质(第一信使)不能进入细胞,它与细胞表面的受体结合,导致细胞内产生第二信使,最终产生一定的生理效应,通过第二信使的降解使信号转导过程终止。
第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇、二酰基甘油等。
•SecondMessengers
Certainsmallmoleculesandionsarekeyc
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- 第五 物质 运输 信号 传递