05 第五章 物质的跨模运输与信号传递.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

• 物质的跨膜运输
• 细胞通讯与信号传递

第2页：第一节 物质的跨膜运输

第一节物质的跨膜运输

• 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。

第3页：第二节 细胞通讯与信号传递

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4页：被动运输的特点与类型

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（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）
• 膜转运蛋白：
• 载体蛋白（carrierproteins）
• 通道蛋白（channelproteins）

第5页：载体蛋白与通道蛋白

被动运输（passive transport）

• 载体蛋白（carrierproteins）——通透酶（permease）性质；介导被动运输与主动运输。
• 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：电压门通道（voltage-gatedchannel）配体门通道（ligand-gatedchannel）压力激活通道（stress-activatedchannel）

第6页：

第7页：主动运输的类型

主动运输（active transport）

• 特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白被动与主动运输的比较
• 类型：三种基本类型
• 由 ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵、钙泵、质子泵
• 协同运输（cotransport）
• 物质的跨膜转运与膜电位

第8页：钠钾泵、钙泵与协同运输

主动运输（active transport）

• 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）
• 质子泵：P-型质子泵、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

第9页：胞吞作用与胞吐作用

• Endocytosis & 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

第10页：胞饮作用与吞噬作用的比较

胞吞作用：下表比较胞饮作用与吞噬作用的主要区别。

第11页：胞吐作用的两种途径

胞吐作用

• 组成型的外排途径（constitutive exocytosispathway）
• 调节型外排途径（regulated exocytosis pathway）
• 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12页：组成型与调节型外排途径

• 胞吐作用组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）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defaultpathway：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（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）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

第13页：细胞通讯与细胞识别

细胞通讯与细胞识别

• 细胞通讯（cellcommunication）
• 细胞识别（cellrecognition）

第14页：细胞通讯的方式

细胞通讯（cell communication）

• 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

第15页：细胞识别与信号通路

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16页：信号分子、受体与第二信使

细胞的信号分子与受体

• 信号分子（signalmolecule）
• 亲脂性信号分子
• 亲水性信号分子
• 气体性信号分子(NO)
• 受体（receptor）多为糖蛋白
• 第二信使（secondmessenger）
• 分子开关（molecularswitches）

第17页：细胞内受体与细胞表面受体

• 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-linkedreceptor）

第18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19页：细胞内受体介导的信号传递

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

第20页：细胞表面受体介导的信号跨膜传递

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

第21页：离子通道偶联的受体

• 离子通道偶联的受体(ion-channel-linked receptor)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

第22页：G蛋白偶联受体介导的信号通路

G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递

• c AMP信号通路
• 磷脂酰肌醇信号通路与酶连接的受体受体酪氨酸激酶及 RTK-Ras蛋白信号通路细胞表面其它与酶连接的受体

第23页：细胞表面其它与酶偶联的受体

细胞表面其它与酶偶联的受体

• 受体丝氨酸/苏氨酸激酶(receptorserine/threoninekinases)
• 受体酪氨酸磷酸酯酶(receptortyrosinephosphatases)
• 受体鸟苷酸环化酶（receptorguanylatecyclase，ANPs-signals）
• 酪氨酸蛋白激酶联系的受体（tyrosinekinase-linkedreceptor)

第24页：酪氨酸蛋白激酶联系的受体

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（signaltransducerandactivatoroftranscription，STAT）与 JAK-STAT途径。

第25页：cAMP信号通路的反应链

c AMP信号通路

组分及其分析 G-蛋白活化与调节效应酶—

腺苷酸环化酶

• 反应链：激素
• G-蛋白偶联受体
• G-蛋白
• 腺苷酸环化酶
• c AMP
• c AMP依赖的蛋白激酶 A
• 基因调控蛋白
• 基因转录(example)

第26页：cAMP通路的失敏与细菌毒素

c AMP信号通路

• GPLR的失敏（desensitization）与减量调节
• 细菌毒素对 G蛋白的修饰作用霍乱毒素---催化 Gs的α亚基 ADP-核糖基化,从而使腺苷酸环化酶被”锁定”在活化状态。百日咳毒素——催化 Gi的α亚基 ADP-核糖基化，结果降低了 GTP与 Gi和α亚基结合的水平，使α亚基不能活化，从而阻断了 Ri受体引起的对腺苷酸环化酶的抑制作用。
• c AMP信号的终止

第27页：GPLR的失敏与减量调节

GPLR的失敏：例：

• 肾上腺素受体被激活后，10-15秒c AMP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，c AMP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
• tr捕获蛋白（
• arrestin）---结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（
• arrestin 已克隆、定位11q 13）。
• 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adaptin作用；
• 受体减量调节与内吞后受体的分选有关。

第28页：磷脂酰肌醇双信使系统

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 Ca 2+浓度升高
• Ca 2+结合蛋白(Ca M)
• 细胞反应磷脂酶 C(PLC)
• DG
• 激活 PKC
• 蛋白磷酸化或促 Na+/H+交换使胞内p H
• IP3信号终止是通过依次的去磷酸化形成自由的肌醇。DG信号终止通过两条途径：磷酸化形成磷脂酸；被 DG酯酶水解成单酰基甘油

第29页：受体酪氨酸激酶及RTK-Ras通路（一）

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30页：受体酪氨酸激酶及RTK-Ras通路（二）

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31页：G蛋白偶联受体介导的MAPK激活

G蛋白偶联受体介导的 MAPK的激活

• MAPK（Mitogen-activated protein kinase）又称 ERK（extracellular 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；

第32页：PKC、PLC与MAPK激活

G蛋白偶联受体介导的 MAPK的激活

• 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；

第33页：PKA对MAPK途径的负调控

G蛋白偶联受体介导的 MAPK的激活

• 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。
• c AMP
• ，MAPK
• ；c AMP直接激活c AMP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。

第34页：RTKs的失敏机制

• 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 Thr 654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 Ser 1046/7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 Thr 654；Ca MK2（Ca 2+和 Ca M依赖的激酶2）----作用于 Ser 1046/7
• 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。

第35页：整合蛋白介导的信号传递

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

第36页：细胞信号传递的基本特征

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

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第39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

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第47页：动植物细胞协同运输的比较

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

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第61页：G蛋白偶联受体的效应器

GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜）信号分子包括：感觉信号（光、嗅、声等；激素、神经递质等）GPLR的效应器：AC、PLC、PLA2、GRK（GPLR 激酶）、PDE、PI3K、离子通道等

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第63页：细胞内受体蛋白作用模型

（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

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第66页：乙酰胆碱N型受体

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。

第67页：GPLR的C端磷酸化与失敏

GPLR的 C端富含 Ser 和 Thr

磷酸化位点---受体磷酸化失敏机制

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第69页：G蛋白亚基的脂质修饰

• 亚基---被异戊酰化（isoprenylated）修饰连在膜上；
• 亚基---被豆蔻酸化（myristoylated）修饰连在膜上。

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第76页：RTK-Ras-MAPK信号级联

配体

• RTK
• adaptor ←GRF
• Ras
• Raf（MAPKKK）
• MAPKK
• MAPK
• 进入细胞核
• 其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰。

第77页：粘着斑应力纤维装配通路

Signal pathways that lead to the assembly of the stress fibers of a focal adhesion.

第78页：粘着斑复合物的蛋白相互作用

Schematic model of the protein-protein interaction of a focal adhesion complex

第79页：三条信号通路在Ras处的汇聚

Signal transmitted from a G Protein –coupled receptor , an integrin ,and a receptor tyrosine kinase all converge on Ras and are then transm-itted along the MAP kinase cascade.

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第83页：信号通路网络整合示意图

RTKGLRLigand Ligand PLCRas ACGPRaf DAGIP3c AMPMAPKKMAPKTranscription Factors PKCCa 2+Ca MKPKAPM

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第85页：两条信号通路间的crosstalk

An example of crosstalk between two major signaling pathways

第86页：G蛋白的结构与循环

The structure of a G protein and the G protein cycle

第87页：腺苷酸环化酶催化生成cAMP

Formation of c AMP from ATP is catalyzed by adenylyl cyclase

第88页：PKA的细胞质及细胞核功能

PKA的细胞质及细胞核功能

第89页：cAMP信号的解除方式

c AMP信号解除有两种方式:

• 第一:通过c AMP磷酸二酯酶将c AMP的环破坏,形成5‘-AMP。
• 第二：通过抑制型的信号作用于 Ri，然后通过 Gi起作用。•机制是：•Gi蛋白被激活后，GTP同其α亚基结合，Gi的α亚基与 Gi的βγ复合物分离，并在细胞膜的胞质面进行扩散；当 Gi的α亚基与腺苷酸环化酶结合后则抑制其活性；而 Gi-βγ复合物则可同激活型的 Gs的α亚基作用，阻止它去激活腺苷酸环化酶。

第90页：蛋白激酶的分类

什么是蛋白激酶?它们是如何分类的?

• 蛋白激酶是因为它们能使蛋白质磷酸化,使糖磷酸化的酶叫相应的糖激酶。
• 哺乳动物细胞中可能含有上千种不同的蛋白激酶，约占2%的基因为其编码。
• 蛋白激酶通常有两种分类方法：
• ①根据它所磷酸化的氨基酸来命名，如酪氨酸蛋白激酶和丝/苏氨酸；
• ②根据它激活的所需要的因子来命名，分别有蛋白激酶 A、蛋白激酶 G、蛋白激酶 C、依赖于钙调蛋白-钙的激酶和依赖于细胞周期蛋白的激酶。
• PKA、PKG是可溶性丝氨酸-苏氨酸激酶，分别通过核苷酸和第二信使c AMP和c GMP介导而激活；PKC通过二酰基甘油和/或钙离子激活。

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