细胞生物学：第五章 细胞膜与物质转运

1、第五章第五章细胞膜与物质转运细胞膜与物质转运l穿穿膜运输膜运输l膜泡膜泡运输运输被动运输被动运输主动运输主动运输一、被动运输（一、被动运输（passivetransport）特点：特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白膜转运蛋白类型：类型：简单扩散简单扩散、离子通道扩散、易化扩散离子通道扩散、易化扩散膜转运蛋白膜转运蛋白 通道蛋白（通道蛋白（channel protein）只介导被动运只介导被动运输；具有离子选择性；转运速率高，瞬间；离子通道是门控输；具有离子选择性；转运速率高，瞬间；离子通道是门控的，包括电压门通道的，包括电压门通道、配体门通道配体门通道

2、、压力激活通道。压力激活通道。 载体蛋白（载体蛋白（carrier protein）介导被动运输与介导被动运输与主动运输；通过蛋白质构象变化转运物质。主动运输；通过蛋白质构象变化转运物质。A:电压门通道电压门通道; B、C:配体门通道配体门通道; D:压力激活通道压力激活通道 含羞草的闭叶反应含羞草的闭叶反应内耳听觉毛细胞的感应内耳听觉毛细胞的感应耳蜗覆膜耳蜗覆膜听毛细胞听毛细胞听觉神经纤维听觉神经纤维纤毛纤毛通道关闭通道关闭通道开启通道开启正电离子进入正电离子进入基膜基膜纤毛束倾斜纤毛束倾斜示载体蛋白介导的被动运输示载体蛋白介导的被动运输(易化扩散或帮助扩散易化扩散或帮助扩散)(如红细胞膜对

3、胞外葡萄糖、如红细胞膜对胞外葡萄糖、氨基酸、核苷酸氨基酸、核苷酸的摄取的摄取)二、主动运输二、主动运输（active transport）特点特点：运输方向、能量消耗、运输方向、能量消耗、载体蛋白载体蛋白类型类型：ATP驱动泵，驱动泵，由由ATP直接提供能量直接提供能量P-型离子泵：型离子泵：钠钾泵钠钾泵(Na+_K+ _ ATPase, 结构、机制与意义结构、机制与意义)、钙泵钙泵(Ca2+-ATP酶酶)。V- -型质子泵：型质子泵：H+泵，泵，某些特化细胞质膜和真核细胞酸性囊泡某些特化细胞质膜和真核细胞酸性囊泡膜上。膜上。 F-型型质子泵：质子泵：H+-ATP酶，线粒体内膜、叶绿体囊体膜及

4、细菌酶，线粒体内膜、叶绿体囊体膜及细菌细胞膜上。细胞膜上。ABC转运体：转运小分子的转运体：转运小分子的ATP泵。泵。 协同或伴随运输（协同或伴随运输（cotransport） 由由Na+-K+泵（或泵（或H+泵）与载体蛋白协同作用，靠间接消耗泵）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。所完成的主动运输方式。 （亲（亲Na+构象构象）运输机制：磷酸化与去磷酸运输机制：磷酸化与去磷酸化作用对蛋白质的调节；蛋化作用对蛋白质的调节；蛋白质变构；对运输。白质变构；对运输。（亲（亲K+构象构象）（亲（亲Na+构象构象）示示Na+_K+ 泵泵(或或H+泵泵)与载体蛋白的协同运输与载体蛋白

5、的协同运输小肠上皮细胞对葡萄糖的吸收及转运小肠上皮细胞对葡萄糖的吸收及转运Na+-G同向同向转运载体转运载体G-易化扩散易化扩散转运载体转运载体小肠腔中的小肠腔中的G小肠上皮细胞小肠上皮细胞毛细血管毛细血管或细胞间隙或细胞间隙 完成大分子与颗粒性物质的跨膜运完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称囊泡运输输，又称囊泡运输。属于主动运输。包属于主动运输。包括 胞 吞 作 用 （括 胞 吞 作 用 （ e n d o c y t o s i s ）与胞吐作用（与胞吐作用（exocytosis）。第二节第二节 膜泡运输膜泡运输一、胞吞作用一、胞吞作用吞噬作用吞噬作用（phagocytosis）胞饮作用

6、（胞饮作用（pinocytosis受体介导的内吞作用（受体介导的内吞作用（receptor mediated endocytosis）示吞噬作用过程示吞噬作用过程(伪足伪足)吞噬体吞噬体吞噬作用示意图吞噬作用示意图变形虫伸出伪足正在吞噬细菌变形虫伸出伪足正在吞噬细菌巨噬细胞正在接近并吞噬细菌巨噬细胞正在接近并吞噬细菌巨噬细胞正在吞噬红细胞巨噬细胞正在吞噬红细胞示胞饮作用示胞饮作用胞饮泡胞饮泡受体介导的内吞作用受体介导的内吞作用(有被小泡运输有被小泡运输)受体介导的内吞过程的电镜照片受体介导的内吞过程的电镜照片（鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白时，有被小泡的形成）（鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白时，有被小泡的形成

7、）如细胞对胆固醇的摄取：如细胞对胆固醇的摄取： LDL颗粒、载脂蛋白颗粒、载脂蛋白B(LDL受体的配体受体的配体) LDL受体受体 网格蛋白网格蛋白(clathrin)(笼蛋白、被蛋白笼蛋白、被蛋白) 有被小窝、有被小泡、无被小泡有被小窝、有被小泡、无被小泡 (胞胞)内体内体(内吞体内吞体)(endosome) 受体及网格蛋白的循环再利用受体及网格蛋白的循环再利用 溶酶体的水解溶酶体的水解 载脂蛋白载脂蛋白B胆固醇酯胆固醇酯胆固醇主要在肝细胆固醇主要在肝细胞中合成，随后与胞中合成，随后与磷脂和蛋白质形成磷脂和蛋白质形成低密度脂蛋白低密度脂蛋白(LDL)，释放到血，释放到血液中。液中。LDL颗粒

8、结构颗粒结构网格蛋白及其衣被的分子结构网格蛋白及其衣被的分子结构网格蛋白网格蛋白衣被的结构单位衣被的结构单位(三腿蛋白复合体三腿蛋白复合体)有被小泡的衣被有被小泡的衣被衣被小泡与衣被的电镜照片衣被小泡与衣被的电镜照片笼形衣被小泡的组成及脱被过程笼形衣被小泡的组成及脱被过程大约有大约有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营养物(LDL、转铁蛋白、卵黄蛋白、转铁蛋白、卵黄蛋白)都是通过这种方式进入细胞的。都是通过这种方式进入细胞的。 衔接蛋白衔接蛋白溶酶体溶酶体胞内体胞内体（二）胞吐作用（二）胞吐作用连续性（结构性）分泌

9、（连续性（结构性）分泌（constitutive secretion）调节性分泌（调节性分泌（regulated secretion）示胞吐作用，如细胞对示胞吐作用，如细胞对胰岛素胰岛素、组胺组胺的外排的外排变形虫通过胞吞作用摄取食物，消变形虫通过胞吞作用摄取食物，消化后将残渣胞吐出胞外化后将残渣胞吐出胞外第六章第六章细胞膜与信号转导细胞膜与信号转导信号转导信号转导信号转导引发的信号转导引发的细胞生物学效应细胞生物学效应The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1971“for his discoveries concerning the mechan

10、isms of the action of hormones”Earl W. Sutherland, Jr. USA Vanderbilt University Nashville, TN, USA b. 1915d. 1974l第一节第一节 l细胞的信号分子及其受体细胞的信号分子及其受体l一、信号分子一、信号分子( (signal molecule)l 能够调节靶细胞生命活动的化学物质统称信号能够调节靶细胞生命活动的化学物质统称信号分子，又称作分子，又称作配体配体( (ligand)、第一信使、第一信使、胞外胞外信号信号。如激素、神经递质、化学介质、细胞因。如激素、神经递质、化学介质、细胞因

11、子、生长因子、气体分子子、生长因子、气体分子( (NO、CO) )等。等。l 特点：特点：特异性、复杂性、时间效应特异性、复杂性、时间效应l 类型：类型：亲脂性信号分子、亲水性信号分子亲脂性信号分子、亲水性信号分子信号信号细胞细胞反应反应增殖增殖分化分化代谢代谢功能功能应激应激凋亡凋亡 or or lostdisease亲亲水水性性信信号号分分子子亲脂性信号分子亲脂性信号分子l二、第二信使二、第二信使(secondary messenger) 在细胞内传递信息的小分子物质，如：在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、cAMP、cGMP等。等。三、受体三、受体( (recep

12、tor) )细胞内受体细胞内受体: : 胞外胞外亲脂性信号分子亲脂性信号分子能透过细能透过细胞膜，与靶细胞内细胞质或细胞核内的此类受胞膜，与靶细胞内细胞质或细胞核内的此类受体结合。体结合。细胞表面受体细胞表面受体( (膜受体膜受体):): 为胞外为胞外亲水性信号亲水性信号分子分子所激活，包括所激活，包括 离子通道偶联受体离子通道偶联受体 G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 酶偶联受体酶偶联受体( (生长因子类受体生长因子类受体) )示甾类激素与示甾类激素与胞内受体胞内受体的信号传递作用的信号传递作用(这类胞内受体的本质是这类胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋激素激活的基因调控蛋白即白即转录增强子，结

13、果转录增强子，结果是可增加某些相邻基因是可增加某些相邻基因的转录水平。这类激素的转录水平。这类激素作用通常表现为如影响作用通常表现为如影响细胞分化等长期的生物细胞分化等长期的生物学效应。学效应。 )l第二节第二节 lG蛋白偶联受体信号传递途径蛋白偶联受体信号传递途径一、一、G蛋白偶联受体蛋白偶联受体具七段跨膜的具七段跨膜的-螺旋结构。螺旋结构。与与G蛋白偶联。蛋白偶联。成员：肾上腺素受体、胰高血糖素受体等。成员：肾上腺素受体、胰高血糖素受体等。 信号分子信号分子结合位点结合位点与与G-蛋白相蛋白相作用的位点作用的位点2012年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 美国科学家罗美国科学家罗伯特伯特莱夫科维

14、茨莱夫科维茨和布莱恩和布莱恩科比尔科比尔卡共获殊荣。他卡共获殊荣。他们解开了人体感们解开了人体感受外界的工作原受外界的工作原理，这个核心物理，这个核心物质就是质就是G蛋白偶蛋白偶联受体。这一家联受体。这一家族大约由一千个族大约由一千个基因编码，适用基因编码，适用于光、味道、气于光、味道、气味、肾上腺素、味、肾上腺素、组胺、多巴胺以组胺、多巴胺以及复合胺等。大及复合胺等。大约一半的药物通约一半的药物通过过G蛋白偶联受蛋白偶联受体起作用。体起作用。 二、二、G蛋白蛋白(G-protein) 一种鸟苷酸结合蛋白，是由一种鸟苷酸结合蛋白，是由、三个亚基组三个亚基组成的异三聚体。成的异三聚体。 和和亚基

15、总是紧密结合在一起作为一个功能单位；亚基总是紧密结合在一起作为一个功能单位；亚基可分多种类型。亚基可分多种类型。亚基可结合亚基可结合GTP或或GDP，具有具有GTPase活性。活性。 G蛋白的效应蛋白：腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化蛋白的效应蛋白：腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶、磷脂酶酶、磷脂酶C等。等。（p71，图，图8-5；p72，表，表8-2）示腺苷酸环化酶示腺苷酸环化酶(AC)的结构及催化活性的结构及催化活性G蛋白作用过程蛋白作用过程Alfred G. Gilman Martin RodbellThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994 for

16、their discovery of G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells 三、三、G蛋白偶联受体介导的细胞信号通路蛋白偶联受体介导的细胞信号通路 1. cAMP信号通路信号通路 配体配体 G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 G蛋白蛋白腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 cAMP cAMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶A靶蛋白磷酸化靶蛋白磷酸化细胞生物学效应细胞生物学效应磷酸二酯酶磷酸二酯酶(PDE)5-AMP(PKA)基因调控蛋白基因调控蛋白 基因转录基因转录 骨骼肌细胞、骨骼肌细胞、肝细胞：糖原肝细胞

17、：糖原分解成葡萄糖分解成葡萄糖脂肪细胞：甘脂肪细胞：甘油三酯分解生油三酯分解生成脂肪酸成脂肪酸其它生物学效应其它生物学效应(AC)2. cGMP信号通路及信号通路及NO信号信号鸟苷酸环化酶鸟苷酸环化酶(GC)cGMPcGMP依赖性蛋白激酶依赖性蛋白激酶G (PKG)磷酸二酯酶磷酸二酯酶(PDE)对对cGMP的水解的水解膜结合型膜结合型GC胞浆可溶型胞浆可溶型GC一氧化氮一氧化氮(NO)：NO合成酶合成酶(NOS)催化精氨酸生成催化精氨酸生成NO和瓜氨酸。和瓜氨酸。NOS活性受活性受Ca2+/钙调蛋白调控。钙调蛋白调控。NO是脂溶性的是脂溶性的，血管内皮细胞、神经细胞和巨噬细胞是血管内皮细胞、神

18、经细胞和巨噬细胞是NO主要生成细胞。主要生成细胞。 NO功能功能激活可溶性激活可溶性GC，刺刺激激cGMP合成合成，引发多引发多种生物学效应。种生物学效应。 (乙酰胆碱乙酰胆碱)NO导致血管平滑肌舒张、血管扩张、血流通畅导致血管平滑肌舒张、血管扩张、血流通畅钙调蛋白钙调蛋白(CaM) 一氧化氮除了具有调节血一氧化氮除了具有调节血流、血压的作用外，还是流、血压的作用外，还是一种神经信使分子，并在一种神经信使分子，并在免疫防御中起重要作用。免疫防御中起重要作用。 Louis J. Ignarro Ferid Murad Robert F. Furchgott The Nobel Prize in

19、Physiology or Medicine 1998for their discoveries concerning nitric oxide as a signalling molecule in the cardiovascular systeml 当当NO的产生失衡时，会导致高血压、心脏病、休克、哮的产生失衡时，会导致高血压、心脏病、休克、哮喘、某些癌症以及阳痿等多种疾病。喘、某些癌症以及阳痿等多种疾病。l 美国辉瑞制药公司研制出了昔多芬美国辉瑞制药公司研制出了昔多芬(Sildenafil Citrate)，即即“伟哥伟哥”(Viagra)。昔多芬是。昔多芬是五型五型cGMP特异磷酸二

20、酯特异磷酸二酯酶酶 (PDE5)的抑制剂，可以防止的抑制剂，可以防止NO引发的细胞内引发的细胞内cGMP信信号快速消失，因此可以维持血管平滑肌细胞舒张、增加血号快速消失，因此可以维持血管平滑肌细胞舒张、增加血流量。伟哥对心脏病有一定疗效，尤其对阳痿有特效。流量。伟哥对心脏病有一定疗效，尤其对阳痿有特效。l NO产生不足会影响心血管系统的正常功能，但另一方面，产生不足会影响心血管系统的正常功能，但另一方面，过量的过量的NO又会导致心脏损伤。在心肌缺氧条件下，又会导致心脏损伤。在心肌缺氧条件下，NOS水平代偿性地增加，从而增加水平代偿性地增加，从而增加NO的产生，继而松弛血管，的产生，继而松弛血管

21、，改善心脏供血，但同时改善心脏供血，但同时NO又与缺血又与缺血/再灌注过程中生成的再灌注过程中生成的超氧阴离子自由基协同损伤心肌。在这一病理生理条件下，超氧阴离子自由基协同损伤心肌。在这一病理生理条件下， NO呈现出典型的呈现出典型的“双刃剑双刃剑”效应效应，既具有保护作用，又，既具有保护作用，又能引起损伤。能引起损伤。 3. PI信号通路信号通路(IP3- DG - Ca2+ 信号信号系统系统)胞外信号分子胞外信号分子 G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 G蛋白蛋白 磷脂酶磷脂酶CIP3 胞内胞内Ca2+浓度升高浓度升高 Ca2+/钙调蛋白钙调蛋白(CaM)复合物复合物 底物磷酸化底物磷酸化DG 激活激活PKC (PLC)PIP2靶蛋白磷酸化；靶蛋白磷酸化；促促Na+/H+交换而使胞内交换而使胞内pH增高；增高；等等等等生物学效应生物学效应细胞反应细胞反应Ca2