03 第三章 物质的跨膜运输与信号传递.ppt

第1页：第三章 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：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：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

• 什么是被动运输：通过自由扩散或协助扩散，使物质顺着浓度梯度（或电化学梯度），由高浓度向低浓度运动，运动的动力来自浓度梯度，不需要由细胞提供代谢能量，这种跨膜转运方式称被动运输。
• 类型：简单扩散（simplediffusion）、协助扩散（facilitateddiffusion）
• 协助扩散特征：速率高；最大转运速率；需膜转运蛋白
• 膜转运蛋白：
• 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5页：主动运输

• 在主动运输中，物质逆着浓度梯度（或电化学梯度）由低浓度向高浓度运输，在此过程中需要与某种释放能量的过程相藕联。特点：①逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；②需要能量；③都有载体蛋白。
• 类型：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）：Na+-K+泵作用是：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。
• 钙泵（Ca2+-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。共运输（symport）和对向运输（antiport）
• 物质的跨膜转运与膜电位

第6页：胞吞作用与胞吐作用

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，在转运过程中物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中，又称膜泡运输；或称批量运输（bulktransport）。属于主动运输。

• 胞吞作用
• 胞吐作用

第7页：胞吞作用

• 通过细胞膜内陷形成囊泡，称胞吞泡（endocyticvesicle），将外界物质裹进并输入细胞的过程。
• 胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别
• 受体介导的内吞作用及包被的组装
• 胞内体（endosome）及其分选作用

第8页：胞吐作用

• 组成型的外排途径（constitutiveexocytosispathway）所有真核细胞从高尔基体分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的连续分泌过程。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
• 膜流：膜流的含义动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的

第9页：细胞通讯与细胞识别

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

第10页：细胞通讯的方式

细胞通讯（cell communication）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

第11页：细胞识别与信号转导

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。
• 信号转导（signal transduction）能产生信号分子的细胞称为信号细胞（signaling cells）。信号细胞通过外排分泌和穿膜扩散释放出信号分子。受到信号分子的作用发生反应的细胞称为靶细胞（target cells）。靶细胞依靠受体识别专一的细胞外信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内信号，这一转变过程称为信号转导。细胞内信号分子经连锁的级联反应（cascade）进行细胞内信号传递，引起细胞发生反应。

第12页：细胞的信号分子与受体

• 信号分子（signalmolecule）：是细胞内、细胞之间的信息传递物质
• 亲脂性信号分子：甾类激素，甲状腺素
• 亲水性信号分子：神经递质，生长因子，激素等
• 气体性信号分子(NO)：80年代后期发现，
• 受体（receptor）多为糖蛋白
• 第二信使（secondmessenger）：细胞间信号分子称为“第一信使”（firstmessenger）。细胞内信号分子负责把信息传递到胞内特定部位和特定代谢系统，产生特定的细胞效应，它们被称为“第二信使”。胞内信号分子包括cAMP、IP3、DG、cGMP等。Ca2+被称为第三信使，是因为其释放有赖于第二信使。
• 分子开关（molecularswitches）

第13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）
• 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14页：通过细胞内受体介导的信号传递

• 细胞内受体的结构
• 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15页：细胞表面受体介导的信号传递

• 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16页：离子通道偶联的受体

• 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17页：G-蛋白偶联的受体介导的信号传递

• G-蛋白偶联受体和G-蛋白三体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP－binding regulatory protein），简称为G蛋白（G－protein），位于质膜胞质侧，由α、β、γ三个亚基组成。
• cAMP信号通路
• 磷脂酰肌醇信号通路G蛋白在信号传递中的功能（1）调节离子通道：G蛋白可调节K+通道的开放，从而参与心率的调节。（2）激活腺苷酸环化酶（3）激活磷脂酶C

第18页：与酶连接的受体

• 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路
• 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。

第19页：cAMP信号通路

• 组分及其分析：cAMP信号通路由质膜上的5种成分组成：Rs、Ri、Gs、Gi和腺苷酸环化酶
• Gs的调节作用：
• Gi的调节作用：Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用：α亚基结合腺苷酸环化酶；βγ亚基与游离的Gsα亚基结合，阻断其活性。
• 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

第20页：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(CaM)→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pH

第21页：细胞内的钙信号

• 细胞内的钙信号–细胞外和内质网腔中的Ca2+浓度显著高于细胞质基质。因此，Ca2+在质膜和内质网膜的膜两侧存在着跨膜浓度梯度。膜中的Ca2+通道一旦被打开，细胞质基质中的Ca2+浓度会迅即升高，从而引发Ca2+反应蛋白的变化。–细胞内Ca2+浓度的骤然提高产生许多重要的生理功能，例如卵受精后启动胚胎的发育
• 激起肌肉收缩
• 激发分泌细胞和神经细胞分泌。Ca2+的这些作用是通过影响Ca2+敏感蛋白来实现的，这种蛋白质称为钙调蛋白（钙调素）（calmodulin）。钙调蛋白是Ca2+的受体蛋白。钙调蛋白分子是由150个氨基酸残基所组成，分子中有4个Ca2+结合位点。钙调蛋白分子结合Ca2+后，发生构象变化，可参与多种反应的调节过程。–Ca2+／钙调蛋白还要通过Ca2+／钙调蛋白依赖蛋白质激酶（Ca2+／calmodulin－dependentproteinkinases）才能发挥作用，后者又称为CaM激酶（CaMkinases）。能使蛋白质的丝氨酸或苏氨酸磷酸化。

第22页：IP3与蛋白激酶C的作用

–IP3主要的作用是提高细胞质溶质中的Ca2+浓度，而二脂酰甘油则是激活蛋白质激酶C（proteinkinaseC）（又称C激酶或PKC）。IP3诱发细胞质溶质的Ca2+浓度升高，引起C激酶发生改变，C激酶便由细胞质溶质转移到质膜的细胞质面。在Ca2+、二脂酰甘油和带负电荷的膜磷脂（磷脂酰丝氨酸）的共同作用下，C激酶被激活。–C激酶激活时，根据细胞的类型使靶蛋白的专一丝氨酸或苏氨酸磷酸化，从而将靶蛋白激活。C激酶的激活可通过两条途径促进基因转录：一条是，C激酶激活一条蛋白质激酶级联反应链，使可与DNA结合的基因调节蛋白磷酸化而被激活；另一条是，C激酶的激活是一种抑制蛋白（inhibitorprotein）磷酸化，使原先在细胞质溶质中与抑制蛋白结合的基因调节蛋白被释放出，随之进人细胞核，刺激专一基因转录。

第23页：受体酪氨酸激酶及RTK-Ras信号通路

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，其胞外配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。
• 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：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）的磷酸化修钸。

第24页：由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

• 整联蛋白与粘着斑
• 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。

第25页：细胞信号传递的基本特征

• 细胞信号传递的基本特征：多通路、多环节、多层次和高度复杂的可控过程。
• 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28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：源文件本页仅提取到表题，表内文字缺失。建议对照原课件图片补充两者的比较项，如是否需要膜转运蛋白、有无最大转运速率、转运物质的性质与实例等。

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第35页：动植物细胞协同运输异同点比较

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：源文件本页仅提取到表题，表内文字缺失。建议对照原课件图片补充动物细胞（钠离子驱动）与植物细胞（质子驱动）协同运输在驱动离子、载体蛋白与转运物质等方面的异同。

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第49页：G蛋白偶联受体的特点

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51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54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55页：G蛋白偶联受体的磷酸化失敏

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57页：G蛋白亚基的膜锚定修饰

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68页：多条信号通路汇聚于Ras

Converge on Ras

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第71页：细胞信号网络通路图

RTKGLRLigandLigandPLCRasACGPRafDAGIP3cAMPMAPKKMAPKTranscription FactorsPKCCa2+CaMKPKAPM

第72页：EGF受体的信号发散与通路交叉

Signals transmitted from the EGF receptor can divergealong several distinct pathways.An example of crosstalk between two major signaling pathways