05 第五章 物质的跨膜运输与信号传递.ppt

第1页：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

第2页：第一节、物质的跨膜运输

• 第一节、物质的跨膜运输
• 第二节、细胞通讯与信号传递

第3页：第一节物质的跨膜运输物质的跨膜

• 第一节物质的跨膜运输物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一
• 被动运输：简单扩散、协助扩散穿膜运输主动运输：Na+-K+泵、Ca2+泵、协同运输胞吞作用：胞饮作用、吞噬作用膜包运输胞吐作用

第4页：被动运输（passive transpo

被动运输（passive transport）主动运输（active transport）不同运输机制的主要特性胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）

第5页：性质简单扩散协助扩散主动运输参

性质简单扩散协助扩散主动运输参与运输的膜成分脂类通道蛋白载体蛋白载体蛋白能量来源浓度梯度ATP水解或浓度梯度运输方向顺浓度梯度顺浓度梯度逆浓度梯度被转运分子是否具特异性无有有运输的分子高浓度时的饱和性无有有

第6页：第二节细胞通讯与信号传递细胞通

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

第7页：被动运输（passive transpo

• 被动运输（passive transport）特点：转运动力来自物质的浓度梯度或电化学梯度，不需要细胞提供代谢能量
• 类型：简单扩散（simplediffusion）协助扩散（facilitateddiffusion）简单扩散与协助扩散的比较

第8页：协助扩散是各种极性分子和无机离

• 协助扩散是各种极性分子和无机离子顺其浓度梯度或电化学梯度减小的方向的跨膜转运
• 该过程不需要细胞提供能量，但是在协助扩散的过程中，需要特异的膜转运蛋白协助物质进行转运，转运的速度加快，转运的特异性也增强

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第10页：简单扩散与协助扩散的比较

简单扩散与协助扩散的比较

第11页：通道蛋白（channelproteins

• 通道蛋白（channelproteins）介导被动运输具有离子选择性
• 离子通道是门控的
• 类型：电压门通道
• 配体门通道
• 压力激活通道水通道载体蛋白（carrierproteins）介导被动与主动运输具有通透酶（permease）性质
• 物质运输的船与桥膜转运蛋白

第12页：物质运输的船与桥载体蛋白船通道

物质运输的船与桥载体蛋白船通道蛋白桥

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第15页：膜转运蛋白是存在于膜上的膜整合蛋白

• 膜转运蛋白是存在于膜上的膜整合蛋白，参与细胞对物质的被动运输和主动运输过程
• 目前人们对于膜转运蛋白的认识主要来自对于离子载体的研究
• 所谓的离子载体是一些能够极大提高膜对某些离子通透性的物质
• 大多数的离子载体是细菌产生的抗生素，它作用于靶细胞膜提高其通透性，使靶细胞无法维持细胞内离子的正常浓度而死亡
• 所以，离子载体并非自然状态下存在于膜中的膜转运蛋白，而是用于膜转运蛋白研究的一种工具分子
• 根据离子载体改变离子通透性的机制不同，可将其分为两种类型：通道形成离子载体、离子转运离子载体

第16页：通道形成离子载体短杆菌肽A

通道形成离子载体短杆菌肽A（granmicidin）是由15个疏水氨基酸构成的短肽，2分子形成一个跨膜通道，有选择的使单价阳离子如H+、Na+、K+按化学梯度通过膜。

第17页：离子转运离子载体缬氨霉素

离子转运离子载体缬氨霉素（valinomycin）是一种有三个重复部分构成的环形分子，能在膜的一侧结合K+，顺着电化学梯度通过脂双层，在膜的另一侧释放K+。

第18页：大多数的水分子通过直接扩散进入细胞

• 大多数的水分子通过直接扩散进入细胞，但也有一部分水是通过蛋白通道进行扩散的
• 水的蛋白通道称为水通道蛋白（aquaporin）
• 目前在动物细胞中已鉴定了水通道蛋白家族中的6个成员

第19页：通道蛋白所介导的被动运输不需要

通道蛋白所介导的被动运输不需要与溶质分子结合，它横跨膜形成亲水通道，允许适宜大小的分子和带电荷的离子通过。

第20页：载体蛋白是存在于细胞膜上的多次

• 载体蛋白是存在于细胞膜上的多次跨膜的蛋白分子
• 每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象的改变介导溶质分子的跨膜转运
• 载体蛋白的特点：有特异性的结合位点
• 转运过程具有饱和动力学特征
• 可被竞争性抑制和非竞争性抑制
• 研究载体蛋白的方法

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第22页：主动运输（active transpor

• 主动运输（active transport）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进行跨膜转运的方式
• 主动运输包括三种基本类型
• 由ATP直接提供能量的主动运输
• 钠钾泵（结构与机制）
• 钙泵(机制与作用)
• 质子泵
• 协同运输（cotransport）：小肠上皮细胞对葡萄糖的吸收
• 物质的跨膜转运与膜电位

第23页：四类ATP驱动的离子和小分子运输

• 四类ATP驱动的离子和小分子运输泵的比较类型运输物质结构与功能特点存在的部位P型H+、Na+、K+、Ca2+通常有大小两个亚基，大亚基被磷酸化，小亚基调节运输
• H+泵：存在于植物、真菌和细菌的质膜
• Na+/K+泵
• Ca2+泵
• H+/K+泵：存在于哺乳动物胃细胞表层质膜
• F型H+有多个跨膜亚基，建立H+的电化学梯度，合成ATP
• 细菌的质膜、线粒体内膜、叶绿体的类囊体膜
• V型H+多个跨膜亚基，亚基的细胞质部分可将ATP水解，并利用释放的能量将H+运输到囊泡中形成酸性环境
• 植物、酵母和其他真菌的液泡膜
• 动物细胞的溶酶体和内体的膜
• 破骨细胞和肾管状细胞等分泌酸性物质的质膜
• ABC型离子和各种小分子两个膜结构域形成水性通道，两个细胞质ATP结合结构域与ATP水解及物质运输相偶联
• 细菌质膜（氨基酸、糖和肽）、哺乳动物内质网膜（MHC相关的抗原肽）
• 哺乳动物细胞质膜

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第27页：ABC转运器（ABC transport

• ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大而多样的蛋白家族，每个成员都含有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器
• 每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，但是其蛋白家族中具有能转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质的成员

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第31页：胞吞作用(endocytosis)与胞吐

• 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（bulktransport），属于主动运输
• 胞吞作用和胞吐作用同时进行，保证细胞膜面积和细胞体积的恒定
• 胞吞作用胞吐作用

第32页：胞吞作用胞饮作用与吞噬作用网格

胞吞作用胞饮作用与吞噬作用网格蛋白及包被的组装胞内体（endosome）及其分选作用受体介导的内吞作用（胆固醇的摄取）受体的去向内吞泡的大小转运方式内吞泡形成机制胞饮作用<150nm连续发生的过程需要网格蛋白形成包被及接合素蛋白连接吞噬作用>250nm受体介导的信号触发过程需要微丝及其结合蛋白的参与

第33页：返回原来的质膜结构域

• 返回原来的质膜结构域
• 不能进行再循环，最后进入溶酶体被降解
• 受体被转运至质膜不同的结构域，该过程被称为跨细胞转运
• 例如小肠上皮对抗体的吸收

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第37页：胞内体是存在于动物细胞内的一种

• 胞内体是存在于动物细胞内的一种由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解
• 胞内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H+泵入胞内体腔中，使胞内体内的pH值降低，从而引起配体与受体分离
• 在胞吞作用过程中，胞内体是膜泡运输的主要的分选站

第38页：胞吐作用组成型的外排途径

• 胞吐作用组成型的外排途径(constitutiveexocytosispathway)所有真核细胞，是连续分泌过程
• 用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子）
• 调节型外排途径（regulatedexocytosispathway）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）储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去
• 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

第39页：细胞通讯与细胞识别细胞通讯

细胞通讯与细胞识别细胞通讯（cellcommunication）细胞识别（cellrecognition）

第40页：细胞通讯（cell communicat

• 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（chemicalsynapse）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

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第42页：细胞识别（cell recognitio

• 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（signalingpathway）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

第43页：细胞的信号分子与受体信号分子受

细胞的信号分子与受体信号分子受体第二信使分子开关信号转导

第44页：信号转导

• 信号转导（signal transduction）表面受体通过一定的机制将外部信号转为内部信号的过程，称为信号转导
• 细胞有两种信号转导途径：一种是通过G蛋白偶联方式
• 一种是结合的配体激活受体的酶活性，然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物
• 信号转导途径有两个层次，第一是将外部信号转换成内部信号途径
• 第二层次的含义是外部信号转换成内部信号后从哪个途径引起应答
• 细胞应答与信号级联放大

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第49页：信号分子（signalmolecule）

• 信号分子（signalmolecule）大多数外界化学信号分子不具有生物学功能，它们不能代谢成为有用的产物，本身不直接诱导任何细胞活性，也不具有酶的活性
• 它们唯一的功能是与受体结合，改变受体的性质，通知细胞在环境中存在一种特殊的信号或刺激因素
• 信号分子能否引起细胞产生相应的生理学效应关键在于细胞表面有没有相应的受体

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第51页：亲脂性信号分子

• 亲脂性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素，它们可以穿过细胞膜进入细胞，与细胞质或细胞核中的受体结合，调节基因表达
• 亲水性信号分子：包括神经递质、生长因子和大多数激素，它们不能穿过细胞质膜，只能通过与靶细胞膜表面受体结合，再经过信号转导机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或磷酸蛋白酶的活性，引起细胞的应答反应
• 气体性信号分子(NO)：是迄今为止发现的第一个气体信号分子，它能直接进入细胞直接激活效应酶，是近年来出现的“明星分子”

第52页：受体（receptor）受体是与配体相

• 受体（receptor）受体是与配体相对应的概念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
• 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物理或化学的信号，以启动一系过程，最终表现出生物学效应
• 受体多为糖蛋白，一般包括两个功能区：与配体结合的区域以及产生效应的区域
• 分别具有结合特异性和效应特异性
• 受体的类型受体的功能受体与配体相互作用特性信号分子与受体相互作用的复杂性

第53页：不同细胞对同一化学信号分子可能

• 不同细胞对同一化学信号分子可能具有不同的受体，因此不同的靶细胞以不同的方式应答相同的化学信号
• 不同的细胞具有相同的受体，但在不同的靶细胞中产生不同的效应
• 对于不同的信号分子来说，它们的受体不同，但是可以活化细胞内相同的信号通路，产生相应的生理学反应
• 一个细胞表面有几十甚至上千种不同的受体同时与细胞外基质中的不同信号分子起作用，这些信号分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作用都强得多
• 所以细胞必须对多种信号进行协调综合

第54页：特异性（specificity）高亲和力

特异性（specificity）高亲和力（high affinity）饱和性（saturation）可逆性（reversibility）生理效应（physiological response）

第55页：受体的功能

• 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56页：第二信使的发现过程第二信使

• 第二信使的发现过程第二信使（secondmessenger）与第二信使学说一般将细胞外信号分子称为“第一信使”，第一信使与受体作用后在细胞内产生的信号分子称为“第二信使”
• 第二信使学说胞外物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体导致胞内产生第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止

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第60页：分子开关（molecularswitch

• 分子开关（molecularswitches）在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必需有正负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制，因此分子开关的作用十分重要
• 对每一步反应既要求有激活机制又要求有相应的失活机制
• 细胞内作为分子开关的蛋白分为两类：1)开关蛋白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
• 2)开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活
• 细胞内影响分子开关活性的蛋白质

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第62页：G蛋白活性转变相关的4种蛋白GTPa

• G蛋白活性转变相关的4种蛋白GTPase激活蛋白（GTPase-activating protein，GAP）加速GTP的水解
• 鸟苷交换因子（guanine nucleotide-exchange factor，GEF）促进GDP从G蛋白上解离的蛋白因子
• 鸟苷解离抑制蛋白（guanine nucleotide-dissociation inhibitor，GDI）抑制结合的GDP从G蛋白释放出来，使G蛋白处于非活性状态
• G蛋白信号调节因子（regulators of G protein-signaling ，RGSs ）

第63页：细胞内受体

• 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-linkedreceptor）
• G-蛋白偶联的受体（G-protein-linkedreceptor）
• 酶偶连的受体（enzyme-linked receptor）第一类存在于可兴奋细胞
• 后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大

第64页：通过细胞内受体介导的信号传递细

• 通过细胞内受体介导的信号传递细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白，这类受体一般具有三个结构域：位于C端的的激素结合位点
• 位于中部的DNA结合位点
• 位于N端的转录激活结构域
• 甾类激素介导的信号通路一般包括两步反应阶段一氧化氮介导的信号通路

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第66页：通过细胞表面受体介导的信号跨膜

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与酶偶联的受体

第67页：离子通道偶联的受体介导的信号跨

• 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

第68页：G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜

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

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第71页：受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信

• 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路细胞表面其他与酶偶联的受体
• 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 andactvator of transcription，STAT）与JAK-STAT途径

第72页：

第73页：cAMP信号通路组分及其分析G-蛋白

cAMP信号通路组分及其分析G-蛋白偶联受体G-蛋白活化与调节效应酶——腺苷酸环化酶G蛋白βγ亚基的作用反应链：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cAMP信号通路的事例GPLR的失敏（desensitization）与减量调节细菌毒素对G蛋白的修饰作用

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第81页：GPLR的失敏

• GPLR的失敏
• 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。

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第84页：磷脂酰肌醇信号通路“双信使系统”反应链

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→→IP3→胞内Ca2+浓度升高→Ca2+结合蛋白→细胞反应磷脂酶C(PLC)分解磷脂酰肌醇→DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH

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第89页：受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信

受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，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：G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活RTKs的失敏（desensitization）

第90页：活化的PTK可以结合多种带有SH2结

• 活化的PTK可以结合多种带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白
• 接头蛋白，如生长因子受体结合蛋白-2（GRB-2），其作用是偶联活化受体与其它信号分子，参与构成信号转导复合物
• 但它本身不具有酶的活性，也没有传递信号的性质
• 信号通路中有关的酶，如：GTP酶活化蛋白（GAP），磷脂酰肌醇代谢有关的酶（γ-磷脂酶C，3-磷脂酰肌醇激酶）等

第91页：G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活

• 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
• PKA对G蛋白偶联受体–MAPK途径的负调控

第92页：RTKs的失敏机制

• RTKs的失敏机制：受体的磷酸化修饰
• EGF受体Thr654 、C端的Ser1046/7的磷酸化导致RTK活性的抑制
• 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（Ca2+和CaM依赖的激酶2）----作用于Ser1046/7
• EGF受体是CDK的靶蛋白，提示和周期调控有关
• 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

第93页：由细胞表面整合蛋白介导的信号传

• 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递整合蛋白与粘着斑粘着斑的功能：
• 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

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第95页：细胞信号传递的基本特征与蛋白激

• 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crosstalk

第96页：疏水的小分子和小的不带电荷的极

• 疏水的小分子和小的不带电荷的极性分子在以简单扩散方式跨膜转运中，不需要细胞提供能量，也不需要膜蛋白的协助，因此称为简单扩散
• 在简单扩散中，膜对于分子的通透性主要取决于分子的大小和分子的极性
• 小分子比大分子易穿膜，非极性分子比极性分子易穿膜

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第102页：协同运输是一类由Na+-K+泵

• 协同运输是一类由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
• 协同运输物质跨膜运动所需要的直接动力来自于膜两侧的离子电化学浓度梯度，而维持这种离子电化学浓度梯度则是通过Na+-K+泵（或H+泵）消耗ATP来完成的

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第104页：在动物、植物细胞由载体蛋白介导

在动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同运输

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第120页：次级反应：初级反应产物再活化其

• 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
• 初级反应：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速

第121页：

第122页：乙酰胆碱N受体（260KD）外周型

• 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。

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第132页：MAP：有丝分裂原活化蛋白Raf=MAP

MAP：有丝分裂原活化蛋白Raf=MAPKKK：MAP激酶激酶的激酶MAPKK=MEK：MAP激酶的激酶MAPK：有丝分裂原活化蛋白激酶

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