第五章物质的跨膜运输与信号传递

1、第五章第五章 物质的跨膜运输物质的跨膜运输与信号传递与信号传递 细胞质膜不仅仅作为物质出入细胞的障碍，还要具有控制分子和离子通过的能力。换句话说，细胞质膜必须具有选择性地进行物质跨膜运输、调节细胞内外物质和离子的平衡及渗透压平衡的能力。第一节第一节 物质的跨膜运输物质的跨膜运输被动运输（被动运输（passive transport）主动运输（主动运输（active transport）胞吞作用胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用胞吐作用（exocytosis）一、被动运输一、被动运输概念：概念：被动运输（被动运输（passive transportpassive transport）是

2、通）是通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓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。度方向的跨膜运转。特点：特点：运输方向；跨膜动力；能量消耗；膜转运输方向；跨膜动力；能量消耗；膜转运蛋白。运蛋白。 两种两种类型类型： （1）自由扩散（）自由扩散（free diffusion）或称简）或称简 单扩散（单扩散（simple diffusion） （2）协助扩散（）协助扩散（facilitated diffusion）或）或 称易化扩散称易化扩散 （一）简单扩散（一）简单扩散1、概念：、概念： 又称为自由扩散（又称为自由扩散（free diffusion），），是疏水小分

3、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。要膜蛋白参与的跨膜运输方式。2 2、特点：、特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量；不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。没有膜蛋白的协助。一般说来，气体分子气体分子（如O2、CO2、N2）、小的不带小的不带电的极性分子电的极性分子(如尿素、乙醇)、脂溶性的分子脂溶性的分子等易通过质膜，大的不带电的极性分子（如葡萄糖）和各种带电的极性分子都难以通过质膜。简单扩散的限制因素是物质的脂溶性、分子大小和简单扩散的限制因素是物质的

4、脂溶性、分子大小和带电性。带电性。 脂溶性脂溶性: 脂溶性越强，通过脂双层膜的速率越快。 相对分子质量相对分子质量: 相对分子质量小，脂溶性高的分子才能快速扩散。根据实验结果，推测质膜的通透性孔径不会大于0.5-1.0nm，能够扩散的最小分子是水分子。 物质的带电性物质的带电性: 带电的物质通常同水结合形成一个水合的外壳，这不仅增加了它们的分子体积，同时也大大降低了脂溶性。因此说，所有带电荷的分子(离子)，不管它多小，都不能自由扩散。1 1、概念：、概念： 也称促进扩散、易化扩散也称促进扩散、易化扩散，是极性分子和无机离是极性分子和无机离子在子在膜蛋白膜蛋白协助下顺浓度梯度协助下顺浓度梯度(

5、(或电化学梯度或电化学梯度) )的跨膜的跨膜运输运输 ，不消耗不消耗ATPATP。2 2、特点：、特点： 转运速率高；存在最大转运速率；有膜转转运速率高；存在最大转运速率；有膜转运蛋白参与，有特异性。运蛋白参与，有特异性。 膜转运蛋白膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。分为膜蛋白。分为载体蛋白载体蛋白和和通道蛋白通道蛋白。（二）协助扩散（二）协助扩散简单扩散与协助扩散的比较简单扩散与协助扩散的比较载体蛋白（载体蛋白（carrier protein）载体蛋白载体蛋白是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分是在生物膜上普遍存在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定

6、的溶质分子结合，通过构象改变介导子。可以和特定的溶质分子结合，通过构象改变介导溶质的溶质的主动和被动主动和被动跨膜运输。跨膜运输。载体蛋白促进扩散时同样具有高度的特异性高度的特异性，其上有结合点结合点，只能与某一种物质进行暂时性、可逆的结合和分离。一个特定的载体只运输一种类型的化学物质，甚至一种分子或离子。相同点：相同点：特异性，有特异的结合位点；特异性，有特异的结合位点； 有饱和动力曲线；有饱和动力曲线； 受抑制剂的影响。受抑制剂的影响。不同点：可改变过程的平衡点；不同点：可改变过程的平衡点； 不对溶质分子作任何共价修饰。不对溶质分子作任何共价修饰。和酶的异同点：和酶的异同点：红细胞质膜载体

7、蛋白促进葡萄糖扩散示意图红细胞质膜载体蛋白促进葡萄糖扩散示意图 通道蛋白（通道蛋白（channel protein）概念：概念：通道蛋白是横跨质膜的亲水性通道，允许适当通道蛋白是横跨质膜的亲水性通道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过，又称为离子又称为离子通道。通道。特征：特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门控的。控的。 通道蛋白具有选择性，所以在细胞膜中有各种不同的通道蛋白。通道蛋白参与的只是被动运输通道蛋白参与的只是被动运输，并且是从高浓度向低浓度运输，所以不消耗能量。通道蛋白（通道蛋白（chan

8、nel protein）类型：类型：电压门通道（电压门通道（voltage-gated channel） 配体门通道（配体门通道（ligand-gated channel） 压力激活通道（压力激活通道（stress-activated channel） 电位电位-门控通道门控通道(voltage-gated channels) 这类通道的构型变化依据细胞内外带电离子的状态，主要是通过膜电位膜电位的变化使其构型发生改变，从而将门打开。（去极化）去极化） 含羞草的叶片在触摸时发生的叶卷曲就是通过电位-门控通道传递信号的(图)。 配体配体-门控通道门控通道(ligand gated channel)

9、 这类通道在其细胞内外的特定配体(ligand)与其表面受体结合时发生反应。 胁迫门控通道胁迫门控通道(stretch-gated channel) 这种通道的打开受一种力的作用，听觉毛状细胞的离子通道就是一个极好的例子。二、主动运输二、主动运输（active transport）1 1、概念：、概念：主动运输是指由主动运输是指由载体蛋白载体蛋白介导的物质介导的物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向浓度高的一侧的跨膜运输方式。浓度高的一侧的跨膜运输方式。2 2、特点：、特点：逆梯度运输逆梯度运输; ;依赖于膜运输蛋白依赖于膜运输蛋白; ;需要代

10、谢需要代谢能能; ;具有选择性和特异性。具有选择性和特异性。主动运输所需能量的来源主要有：主动运输所需能量的来源主要有： 1. ATP 1. ATP直接提供能量直接提供能量2. 2. ATPATP间接提供能量间接提供能量3. 3. 光能驱动光能驱动细胞内普遍存在物质逆浓度梯度运输的现象细胞内普遍存在物质逆浓度梯度运输的现象 如人肌细胞，胞内如人肌细胞，胞内K+K+含量是胞外含量是胞外3030倍，倍，K+K+依然从胞依然从胞外向胞内运输外向胞内运输 相反相反Na+Na+含量胞外是胞内含量胞外是胞内1010倍，倍，Na+Na+依然从胞内向胞依然从胞内向胞外运输外运输 钠钾泵（钠钾泵（NaNa+ +

11、-K-K+ + -ATP-ATP酶）酶） 钙泵（钙泵（Ca2+-ATP酶）酶） 质子泵：质子泵：P-型质子泵、型质子泵、V-型质子泵、型质子泵、H+-ATP酶酶 （或（或F 型）型） ABC转换器转换器参与主动运输的载体蛋白常被称为泵(pump)，这是因为它们能利用能量做功。由于它们消耗的代谢能多数来自ATP，所以又称它们为某某ATPase。共有四种类型的运输ATPase，或称运输泵。ATP直接提供能量的主动运输直接提供能量的主动运输 亚基：亚基：催化亚基，具有催化亚基，具有ATP酶活性，胞质面有酶活性，胞质面有3个个Na+和和1个个ATP结合位点，胞外有结合位点，胞外有2个个K+结合位点和结

12、合位点和1个个乌本苷乌本苷结合位点（结合位点（ouabain，可导致酶失活）。，可导致酶失活）。 亚基：亚基：作用尚不清楚，当作用尚不清楚，当亚基与亚基与 亚基分离后，亚基分离后，ATPase活性即丧失，为维持活性所必需。活性即丧失，为维持活性所必需。 每水解每水解1 1个个ATPATP，将，将3 3个个NaNa+ +由胞内运输至胞外，由胞内运输至胞外，2 2个个K K+ +由胞外运输至胞内；由胞外运输至胞内； 造成胞外造成胞外NaNa+ + 高，胞内高，胞内K K+ +高现象。高现象。生理学意义：生理学意义：（1 1）调节渗透压，调节）调节渗透压，调节H H2 2O O的流向；的流向；（2

13、2）物质吸收，胞外）物质吸收，胞外Na+ Na+ 胞内胞内1010倍，与葡萄糖，倍，与葡萄糖，氨基酸等的吸收有关氨基酸等的吸收有关 ；（3 3）胞内高浓度）胞内高浓度K+ K+ ，是核糖体合成蛋白质，糖，是核糖体合成蛋白质，糖酵解过程中酶活动的必要条件；酵解过程中酶活动的必要条件；（4 4）膜电位的产生。）膜电位的产生。钙泵钙泵（Ca2+-ATP酶）酶）质子泵质子泵ABCABC转换器转换器1、概念：、概念： 协同运输（协同运输（cotransport）是指一种物质的运输伴是指一种物质的运输伴随另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完随另一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式

14、。成的主动运输方式。2、能量：、能量： 钠钾泵或质子泵通过消耗钠钾泵或质子泵通过消耗ATP产生膜两侧的电化学产生膜两侧的电化学浓度梯度，驱动协同运输的进行。浓度梯度，驱动协同运输的进行。动物细胞动物细胞中常常中常常利用膜两侧利用膜两侧 Na+浓度梯度来驱动，浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌植物细胞和细菌常常利用利用H+浓度梯度来驱动。浓度梯度来驱动。 类型类型：同向协同（：同向协同（symport）; 反向协同（反向协同（antiport）ATP间接提供能量的主动运输间接提供能量的主动运输葡萄糖与葡萄糖与Na+离子的协同运输离子的协同运输 物质的跨膜运输和膜电位物质的跨膜运输和膜电位膜电位：膜电

15、位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。静息电位（静息电位（resting potential）:细胞在静息状态下的膜电位。细胞在静息状态下的膜电位。动作电位（动作电位（active potential）:细胞在刺激作用下的膜电位。细胞在刺激作用下的膜电位。极化极化: 在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。去极化去极化: 由于离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。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。离子的跨膜运输

16、导致瞬间内正外负的动作电位的现象。超极化超极化: 离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。性 质简单扩散促进扩散主动运输参与运输的膜成份脂蛋白蛋白被运输的物质是否需要结合否是是能量来源浓度梯度浓度梯度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特异性无有是运输的分子高浓度时的饱和性无有是 主动与被动运输的比较主动与被动运输的比较 表 不同运输机制的主要特性三、膜泡运输三、膜泡运输 膜泡运输完成膜泡运输完成大分子大分子和和颗粒性物质颗粒性物质的跨膜运输，的跨膜运输，因质膜形成囊泡而得名，又称批量运输（因质膜形成囊泡而得名，又称批量运输（bul

17、k transport）。）。 根据物质的运输方向分为：根据物质的运输方向分为： 胞吞作用（胞吞作用（endocytosis） 胞吐作用（胞吐作用（exocytosis）（一）胞吞作用（一）胞吞作用概念：概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞胞吞作用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。泡），将外界物质裹进并输入细胞的过程。类型：类型：胞饮作用（胞饮作用（pinocytosis） 吞噬作用（吞噬作用（phagocytosis） 胞饮作用胞饮作用特点：特点：胞吞物为液体胞吞物为液体; ; 形成的胞吞泡小（直径小于形成的胞吞泡小（直径小于150150nmnm）；）

18、； 连续发生的过程；网格蛋白和结合素蛋白。连续发生的过程；网格蛋白和结合素蛋白。有被小泡有被小泡胞吞泡的形成：胞吞泡的形成：配体和受体结合配体和受体结合网格蛋白聚集网格蛋白聚集有被小窝有被小窝去被的囊泡和胞内体融合去被的囊泡和胞内体融合胞饮作用（胞饮作用（pinocytosispinocytosis）吞噬作用吞噬作用特点：特点：胞吞物为胞吞物为大分子大分子和和颗粒颗粒物质；物质； 形成的胞吞泡大（直径大于形成的胞吞泡大（直径大于250250nmnm）；）； 信号触发过程；微丝和结合蛋白。信号触发过程；微丝和结合蛋白。作用：作用：防御侵染和垃圾清除工。防御侵染和垃圾清除工。吞噬作用（吞噬作用（p

19、hagocytosis）胞饮作用和吞噬作用的区别胞饮作用和吞噬作用的区别特特 征征 物质物质 胞吞泡的大小胞吞泡的大小 转运方式转运方式 胞吞泡形成机制胞吞泡形成机制胞饮作用胞饮作用 溶液溶液 小于小于150150nm nm 连续的过程连续的过程 网格蛋白和接合素蛋白网格蛋白和接合素蛋白吞噬作用吞噬作用 大颗粒大颗粒 大于大于250250nm nm 受体介导的信受体介导的信 微丝和结合蛋白微丝和结合蛋白 号触发过程号触发过程 （1 1）网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔）网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔基体到内体、

20、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。的膜泡运输。 （2 2）COP ICOP I衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有ATPATP的溶液中温育时，的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。能形成非笼形蛋白包被的小泡。 （3 3）COP IICOP II主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母早发现于酵母ERER在在ATPATP存在的细胞质液中温育时，存在的细胞质液中温育时，ERER膜上能形成膜上能形成类似于

21、类似于COP ICOP I的衣被小泡，酵母的衣被小泡，酵母COP IICOP II衣被蛋白的变异体，会在衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。内质网中积累蛋白质。（二）受体介导的胞吞作用（二）受体介导的胞吞作用网格蛋白聚集网格蛋白聚集有被小窝有被小窝去被的囊泡和去被的囊泡和胞内体融合胞内体融合有被小泡有被小泡胞内体：胞内体：是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用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。是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。溶酶体溶酶体受体介导的胞吞作用：受体介导的胞吞作用： 大致分为四个基本过程大致分为四个基本过程 配体与膜受体结

22、合形成一个有被小窝； 小窝逐渐向内凹陷，然后同质膜脱离形成一个有被小泡; 有被小泡的外被很快解聚, 形成无被小泡, 即初级内体; 初级内体与溶酶体融合,吞噬的物质被溶酶体的酶水解。 不同类型受体的胞内体的分选途径：不同类型受体的胞内体的分选途径：（1 1）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；（2 2）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；（3 3）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。（三）（三）胞吐作用胞吐作用 胞吐作用是指真核细胞中含有待分泌物的包被

23、小泡与质膜融合, 从而将内含物排出胞外的过程。 在组成型分泌活动中,胞吐作用是自发进行的,但是在调节型的细胞中,胞吐作用必需有信号的触发。 胞吐作用的结果一方面将分泌物释放到细胞外,另一方面小泡的膜融入质膜, 使质膜得以补充。 组成型分泌途径组成型分泌途径(constitutive secretory pathway) 这种分泌途径中运输小泡持续不断地从高尔基体运送到细胞质膜，并立即进行膜的融合，将分泌小泡中的蛋白质释放到细胞外, 此过程不需要任何信号的触发, 它存在于所有类型的细胞中。 组成型分泌途径除了给细胞外提供酶、生长因子和细胞外基质成分外，也为细胞质膜提供膜整合蛋白和膜脂。 调节型分

24、泌途径调节型分泌途径(regulated secretory pathway) 又称诱导型诱导型, 见于某些特化的细胞,如内分泌细胞。调节型分泌小泡通过出芽离开反面高尔基网络并聚集在细胞质膜附近, 当细胞受到细胞外信号刺激时,就会与细胞质膜融合将内含物释放到细胞外。如血糖的增加, 细胞会发出信号释放胰岛素。 调节型途径中形成的小泡称为分泌泡。 调节型分泌有两个特点调节型分泌有两个特点: 一是具有选择性; 第二个特点是具有浓缩作用,可使被运输的物质浓度提高200倍。 外排途径外排途径膜流膜流囊泡与靶膜的识别与融合囊泡与靶膜的识别与融合第二节第二节 细胞通讯与信号传递细胞通讯与信号传递 多细胞生物

25、是一个繁忙而有序的细胞社会，这多细胞生物是一个繁忙而有序的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢，还有赖于细胞通讯与信号传递，从而以不同代谢，还有赖于细胞通讯与信号传递，从而以不同的方式协调他们的行为，诸如细胞生长、分裂、死的方式协调他们的行为，诸如细胞生长、分裂、死亡、分化及其各种生理功能。亡、分化及其各种生理功能。一、细胞通讯与细胞识别一、细胞通讯与细胞识别细胞通讯（细胞通讯（cell communication）细胞识别（细胞识别（cell recognition）细胞通讯细胞通讯（cell communication）概

26、念：概念： 是指在多细胞生物的细胞社会中是指在多细胞生物的细胞社会中, , 细胞间或细细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制机制, , 并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动引起基因活动, ,尔后发生一系列的细胞生理活动来协尔后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动调各组织活动, , 使之成为生命的统一整体对多变的使之成为生命的统一整体对多变的外界环境作出综合反应。外界环境作出综合反应。转换转换 识别识别 传递传递 终止终止 识别识别 转换转换 传递传递 终止终止 细胞通讯的基本

27、特点细胞通讯的基本特点 细胞的通讯与人类社会的通讯有异曲同工之妙细胞的通讯与人类社会的通讯有异曲同工之妙: : 由信号发射细胞发出信号由信号发射细胞发出信号( (接触和产生信号分子接触和产生信号分子) )，由信号接收细胞由信号接收细胞( (靶细胞靶细胞) )探测信号，其接收的手段探测信号，其接收的手段是通过接收分子是通过接收分子( (受体蛋白受体蛋白) )，然后通过靶细胞的识，然后通过靶细胞的识别，最后作出应答。别，最后作出应答。 (a)电话接收器将电信号转换成声信号; (b)细胞将细胞外信号(分子A)转变成细胞内的信号(分子B)。 细胞通讯的方式与反应细胞通讯的方式与反应 通讯方式通讯方式

28、细胞有三种通讯方式：三种通讯方式：通过信号分子;通过相邻细胞间表面分子的粘着或连接;通过细胞与细胞外基质的粘着。 第一种不需要细胞的直接接触，完全靠配体与受体的接触传递信息，后两种都需要通过细胞的接触。所以可将细胞通讯的方式分为两大类:不依赖于细不依赖于细胞接触的细胞通讯胞接触的细胞通讯; ;依赖于细胞接触的细胞通讯依赖于细胞接触的细胞通讯。细胞通讯的方式及引起的某些反应1. 信号分子及信号传导信号分子及信号传导 信号分子信号分子(signal molecules)： 信号分子信号分子是指生物体内的某些化学分子，既非营养物，又非能源物质和结构物质，而且也不是酶，它们主要是用来在细胞间和细胞内传

29、递信息。主要是用来在细胞间和细胞内传递信息。 如激素、神经递质、生长因子等统称为信号分子,它们的惟一功能是同细胞受体结合,传递细胞信息。 多细胞生物中有几百种不同的信号分子多细胞生物中有几百种不同的信号分子在细胞间传递信息，这些信号分子中有蛋白质、多肽、氨基酸衍生物、核苷酸、胆固醇、脂肪酸衍生物以及可溶解的气体分子等。 根据信号分子的溶解性：根据信号分子的溶解性：分为水溶性信息和脂溶性水溶性信息和脂溶性信息；信息； 前者作用于细胞表面受体，后者要穿过细胞质膜作用于胞质溶胶或细胞核中的受体。 信号分子本身并不直接作为信息：信号分子本身并不直接作为信息：只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力 钥

30、匙钥匙锁：锁：信号分子相当于钥匙，只要有正确的形状和缺齿就可以插进锁中并将锁打开。 锁开启后干什么，由开锁者决定。锁开启后干什么，由开锁者决定。 细胞通讯细胞通讯的信息多数是通过信号分子通过信号分子来传递的。 信号分子是同细胞受体结合并传递信息的分子。 信号分子的基本功能只是提供一个正确的构型及正确的构型及与受体结合的能力。与受体结合的能力。 信号分子的类型及信号传导方式信号分子的类型及信号传导方式 有三种类型的信号分子。 激素激素(hormone) 激素是由内分泌细胞内分泌细胞(如肾上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体)合成的化学信号分子，一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素，参与细

31、胞通讯的激素有三种类型三种类型：蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素。 通过激素传递信息是最广泛的一种信号传导方式，这种通讯方式的距离最远，覆盖整个生物体。在动物中，产生激素的细胞是内分泌细胞，所以将这种通讯称为内分泌信号内分泌信号(endocrine signaling)。 局部介质局部介质(local mediators) 是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子，它只能作用于周围的细胞只能作用于周围的细胞。通常将这种信号传导称为旁分泌信号旁分泌信号(paracrine signaling)，以便与自分泌信号相区别。 有时这种信号分子也作用于分泌细胞本身，如前列腺素，

32、它不仅能够控制邻近细胞的活性，也能作用于合成前列腺素细胞自身，通常将由自身合成的信号分子作用于自身的现象称为自分泌信号自分泌信号(autocrine signaling)。神经递质神经递质 (neurotransmitters) 是由神经末梢释放出来的小分子物质，是神经元与靶细胞之间的化学信使。 由于神经递质是神经细胞分泌的，所以这种信号又称为神经信号神经信号(neuronal signaling)。 内分泌（内分泌（endocrine）： 低浓度；低浓度；全身性；全身性；长时效。长时效。旁分泌（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。细胞分泌的信号分子通过

33、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。包括各类细胞因子和气体信号分子。自分泌（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。癌变细胞。化学突触（化学突触（chemical synapse）： 神经递质由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触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。后膜，作用于特定的靶细胞。 依赖于细胞接触的信号传导依赖于细胞接触的信号传导 通过细胞的接触，包括通过细胞粘着分子介导的细胞间粘着、细胞与细胞外基质的粘着、连接子(植物细胞为胞间连丝)介导的信号

34、传导。 通过细胞接触进行的通讯中，信号分子位于细胞质膜上，两个细胞通过信号分子的接触传递信息。通过分泌的信号分子通讯与通过膜结通过分泌的信号分子通讯与通过膜结合的信号分子通讯的比较合的信号分子通讯的比较概念： 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性地相互作用，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（signaling pathway） 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的过程称为细胞信号通路。细胞识别细胞识别（cell recogn

35、ition）信号通路信号通路细胞信号通路细胞信号通路二、细胞信号转导二、细胞信号转导细胞的信号分子和受体细胞的信号分子和受体细胞内受体介导的信号转导细胞内受体介导的信号转导细胞表面受体介导的信号转导细胞表面受体介导的信号转导细胞表面的整联蛋白介导的信号转导细胞表面的整联蛋白介导的信号转导（一）细胞的信号分子和受体（一）细胞的信号分子和受体 类型：类型： 溶解性：溶解性：亲脂性的信号分子亲脂性的信号分子 亲水性的信号分子亲水性的信号分子 化学结构：化学结构：短肽、蛋白质、气体分子等短肽、蛋白质、气体分子等 产生和作用方式：产生和作用方式：内分泌激素、神经递质、局部内分泌激素、神经递质、局部 化学

36、介导因子和化学介导因子和气体分子气体分子 特点：特点：特异性；特异性；高效性；高效性；被灭活性。被灭活性。细胞的信号分子细胞的信号分子受体（受体（receptor）概念：概念： 是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分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，多为糖蛋白，一般至少包括两个子）的大分子物质，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功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域 。类型：类型： 1、细胞内受体（、细胞内受体（intracellular receptor）: 2、细胞表面受体（细胞表面受体（cell surface rec

37、eptor）:1、细胞内受体（细胞内受体（intracellular receptor）: 位于胞质溶胶、核基质中的受体称为位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体细胞内受体。 2、细胞表面受体（细胞表面受体（cell surface receptor）: 位位于细胞质膜上的称为表面受体于细胞质膜上的称为表面受体(surface receptor)。表面受体主要是同大的信号分子或小的亲水性的信表面受体主要是同大的信号分子或小的亲水性的信号分子作用，传递信息。号分子作用，传递信息。细胞内受体主要是同脂溶性的小信号分子作用。细胞内受体主要是同脂溶性的小信号分子作用。图图 细胞表面受体与细胞内受体

38、细胞表面受体与细胞内受体 1、细胞内受体、细胞内受体 细胞内受体通常有两个不同的结构域：细胞内受体通常有两个不同的结构域：一个是与DNA结合的结构域结合的结构域，另一个是激活基因转录激活基因转录的的N端端结构域结构域。 有两个结合位点：有两个结合位点：一个是与配体结合的位点，位于C末端，另一个是与抑制蛋白结合的位点，在没有与配体结合时，则由抑制蛋白抑制了受体与DNA的结合，若是有相应的配体，则释放出抑制蛋白。 胞内受体在接受脂溶性的信号分子并与之结合形成受体-配体复合物后就成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录和表达。细胞内受体的结构示意图 (a)(a)类固醇激素通过扩散类

39、固醇激素通过扩散穿过细胞质膜；穿过细胞质膜； (b)(b)激素分子与胞质溶胶激素分子与胞质溶胶中的受体结合；中的受体结合； (c)(c)抑制蛋白与受体脱离抑制蛋白与受体脱离, ,露出与露出与DNADNA结合和激活基结合和激活基因转录的位点；因转录的位点； (d)(d)被激活的复合物进入被激活的复合物进入细胞核；细胞核； (e)(e)与与DNADNA增强子区结合；增强子区结合； (f)(f)促进受激素调节的基促进受激素调节的基因转录。因转录。 2、细胞表面受体、细胞表面受体 位于细胞质膜上的受体称为表面受体，主要有三种类型离子通道偶联受体离子通道偶联受体(ion-channel linked r

40、eceptor)G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体(G-protein linked receptor)酶联受体酶联受体(enzyme-linked receptor)。图图 三种类型的细胞表面受体三种类型的细胞表面受体 (a)(a)离子通道偶联受体离子通道偶联受体;(b)G-;(b)G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体;(c);(c)酶联受体酶联受体离子通道偶联受体离子通道偶联受体具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道受体；这种受体见于可兴奋细胞间的突触信号传导，产生一种电效应。 离子通道偶联受体与信号传导离子通道偶联受体与信号传导 动作电位到达突触末端,引起暂时性的去极化； 去极化作用打开了电位门控

41、钙离子通道,导致钙离子进入突触球；Ca2+浓度提高诱导分离的含神经递质分泌泡的分泌,释放神经递质； Ca2+引起储存小泡分泌释放神经递质；分泌的神经递质分子经扩散到达突触后细胞的表面受体；神经递质与受体的结合,改变受体的性质；离子通道开放,离子得以进入突触后细胞；突触后细胞中产生动作电位。 G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体 这类受体的种类很多，在结构上都很相似：都是一条多肽链，并且有7次螺旋跨膜区。 每一种G-蛋白偶联受体都有7个螺旋的跨膜区，信号分子与受体的细胞外部分结合，并引起受体的细胞内部分激活相邻的G-蛋白。图 G-蛋白偶联受体的结构 酶联受体酶联受体(enzyme linked rece

42、ptor) 这种受体蛋白既是受体又是酶，一旦被配体激活即具有酶活性并将信号放大，又称催化受体。催化受体。 按照受体的细胞内结构域是否具有酶活性将此类受体分为两大类两大类：缺少细胞内催化活性的酶联受体和具有细胞内催化活性的酶联受体。 非酪氨酸激酶受体是缺少细胞内催化活性的酶联受体。受体与酪氨酸激酶是分开的，配体与受体结合后，受体形成二聚体，两个酪氨酸激酶分别与受体结合并被激活。 细胞内具有催化结构域的酶联受体有很多种类型, 包括具有鸟苷环化酶活性受体和磷酸酶的活性受体、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性受体或酪氨酸蛋白激酶的活性的受体。受体与配体相互作用的特点受体与配体相互作用的特点多细胞生物体中的细胞

43、，其周围环境中常常有多达几百种的化学信号分子，细胞如何去识别?是否一种信号分子只能作用于一种类型的细胞?受体与配体如何结合? 这些都是由受体自身的特性决定的。特异性特异性(specificity): 受体与配体的结合是高度特异性的反应，但不是绝对的，有受体交叉现象。高亲和力：高亲和力：受体与配体结合的能力称为亲和力。受体对其配体的亲和力很强，亲和力越强，受体越容易被占据。受体的特性饱和性饱和性(saturation) 由于细胞含有有限数量受体分子，提高配体分子的浓度可使细胞的受体全部被配体所占据，此时的受体处于饱和状态，即使增加配体的浓度也不会增加配体与受体的结合。 由于一个细胞或一定组织内受

44、体的数目是有限的， 因此受体与配体的结合是可以饱和的。 就业岗位就业岗位- -就业者就业者可逆性可逆性(reversibility) 配体与受体的结合是通过非共价键，所以是快速可逆的。 当引发出生物效应后，受体-配体复合物解离，受体可以恢复到原来的状态，并再次使用。 受体与配体结合的可逆性有利于信号的快速解除，避免受体一直处于激活状态。 生理反应生理反应 (physiological response) 信号分子与受体的结合会引起适当的生理反应，反应的强弱与结合配体的受体数量正相关。 如在胰岛素与受体的结合时，会激发葡萄糖向靶细胞的运输，并且葡萄糖运输的数量随受体结合胰岛素的数量增加而增加。

45、信号分子与受体相互作用的复杂性信号分子与受体相互作用的复杂性 尽管细胞通过产生有限的受体来限制自己对众多的尽管细胞通过产生有限的受体来限制自己对众多的细胞信号分子作出反应，但是信号分子仍能以相当细胞信号分子作出反应，但是信号分子仍能以相当复杂的方式来控制细胞的行为。复杂的方式来控制细胞的行为。 表现在两个方面表现在两个方面 1 1、虽然一种信号只能同一种受体作用，但能作用、虽然一种信号只能同一种受体作用，但能作用于不同的靶细胞引起多种效应于不同的靶细胞引起多种效应。2、一个细胞表面有多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，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。细

46、胞必须对多种信号进行协调综合。由于不同信号分子间的不同组合，会使细胞产生不同的综合性反应，有些信号组合起来可促进使细胞分裂，有些则促使细胞死亡。 信号分子这把钥匙一旦打开了细胞表面的受体锁，细胞就要作出应答。 由于细胞自身就是一个社会，有各种不同的结构和功能体系，外来信号应由何种功能体系应答? 这就是所谓的信号转导的通路。 信号转导途径信号转导途径 信号转导途径有两个层次： 一是将外部信号转换成内部信号途径，即信号转导信号转导途径。途径。 第二层次的含义是外部信号转换成内部信号后从哪哪个途径引起应答。个途径引起应答。 两种信号转导途径两种信号转导途径: 第一种是通过G蛋白偶联方式，即信号分子同

47、表面受体结合后激活G蛋白，再由G蛋白激活效应物，效应物产生细胞内信号； 第二种转导途径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。图图 信号转导的两种途径信号转导的两种途径结合的配体激活G蛋白,然后由G蛋白激活效应物产生信号；结合配体激活受体的酶活性,然后由激活的受体酶激活产生信号的效应物。 细胞内生化反应途径细胞内生化反应途径: 细胞内各种不同的生化反应途径都是由一系列不同的蛋白和酶组成的，执行着不同的生理生化功能。各途径中上游蛋白对下游蛋白活性的调节(激活或抑制)主要是通过添加或去除磷酸基团添加或去除磷酸基团，从而改变下游蛋白的构型完成的。 生化反应途径的主要

48、成员是蛋白激酶和磷酸酶蛋白激酶和磷酸酶，它们能够引起细胞活性的快速变化又迅速恢复。 图 由蛋白激酶和蛋白质磷酸酶构成的信号转导途径 细胞应答细胞应答 细胞对外部信号的应答通常是综合性反应，包括基因表达的变化、酶活性的变化、细胞骨架构型的变化、通透性的变化、DNA合成的变化、细胞死亡程序的变化等。这些变化并非都是由一种信号引起的，通常要几种信号结合起来才能产生较复杂的反应，而且通过信号的不同组合产生不同的反应。 细胞在信号应答中的每一种最终表现都是受体接受了相关的细胞外信号并作出综合应答的结果。图 多种细胞外信号引起动物细胞的应答 信号级联放大信号级联放大(signaling cascade)

49、从细胞表面受体接收外部信号到最后作出综合性应答，不仅是一个信号转导过程，更重要的是将信号进行逐步放大的过程。 细胞表面受体蛋白将细胞外信号转变为细胞内信号，经信号级联放大、分散和调节产生综合性的细胞应答。图 细胞内的信号级联放大作用 第二信使第二信使(second messengers) 由细胞表面受体接受信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使。图图 第二信使的产生及作用第二信使的产生及作用第二信使学说（第二信使学说（second messenger theory） 由由Sutherland于于70年代提出，并因此而获得诺贝尔年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。第二信使有奖。第二信使有cAMP、c

50、GMP、三磷酸肌醇、二酰基三磷酸肌醇、二酰基甘油、甘油、Ca2+等。等。是一类磷酸转移酶，作用是将ATP的磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化。蛋白激酶在信号转导中有两个方面的作用：一是通过磷酸化调节蛋白质的活性；二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。蛋白激酶蛋白激酶 GTP结合蛋白结合蛋白（GTP-binding regulatory protein）（二）细胞内受体介导的信号传导（二）细胞内受体介导的信号传导甾类激素介导的信号通路甾类激素介导的信号通路 两步反应阶段：两步反应阶段：初级反应阶段：初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，直接活化少数特殊基因

51、转录的，发生迅速；发生迅速； 次级反应：次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。迟的放大作用。 一氧化氮介导的信号通路一氧化氮介导的信号通路(A) (A) 细胞内受体蛋白作用模型细胞内受体蛋白作用模型; ; (B) (B) 几种胞内受体蛋白超家族成员几种胞内受体蛋白超家族成员两步反应两步反应NO作为一种气体信号分子倍受关注 美国科学家Furchgott等发现，1998年获诺贝尔奖 由血管内皮细胞和神经细胞合成，以L精氨酸为底物，在NO合成酶（nitric oxide synthase，NOS）催化下合成NO ；NO与鸟苷酸环化酶结合，促进cGMP

52、合成，作为第二信使，发挥作用 。 NO的信使作用的信使作用 内皮细胞中NO合酶被Ca2+离子激活后可利用精氨酸生成NO。NO能够跨过细胞质膜扩散到邻近的平滑肌细胞，并将鸟苷酸环化酶激活，该酶催化GTP生成cGMP。cGMP是非常重要的第二信使，可引起肌细胞松弛和血管舒张反应。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量 。图 NO 和cGMP的信号转导途径（三）细胞表面受体介导的信号传递（三）细胞表面受体介导的信号传递结合在细胞膜上的受体，通常有三个功结合在细胞膜

53、上的受体，通常有三个功能区组成：能区组成： 分辨区（鉴别器）分辨区（鉴别器） 传导区（转换器）传导区（转换器） 效应区（效应器）效应区（效应器）受体和信号分子的结合，特点：受体和信号分子的结合，特点：（1 1）高度特异性）高度特异性 （2 2）高度亲和力）高度亲和力 （3 3）可逆性：非共价键结合）可逆性：非共价键结合 （4 4）可饱和性）可饱和性 （5 5）强大的生物学效应：通过第二信使，）强大的生物学效应：通过第二信使，逐级放大逐级放大 。细胞表面受体的类型：细胞表面受体的类型： 离子通道型受体（离子通道型受体（ion-channel-linked receptor） G蛋白耦联型受体（蛋

54、白耦联型受体（G-protein-linked receptor） 酶联的受体（酶联的受体（enzyme-linked receptor） 1 1、G-G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递 细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由G-蛋白介导的信号转导。这种信号转导系统有两个重蛋白介导的信号转导。这种信号转导系统有两个重要的特点要的特点:系统由三个部分组成：系统由三个部分组成：7次跨膜的受体、次跨膜的受体、G蛋白和蛋白和效应物效应物(酶酶); 产生第二信使。产生第二信使。 罗伯特莱夫科维茨（Robert J. Le

55、fkowitz），美国杜克大学医学中心医学教授、生物化学教授。 布莱恩克比尔卡（Brian K. Kobilka），美国斯坦福大学医学院医学教授、分子与细胞生理学教授。（1） G蛋白的结构与功能 G蛋白即GTP结合蛋白(GTP binding protein)，参与细胞的多种生命活动，如细胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成等。 异源三体G蛋白的结构组成 G蛋白偶联系统中的G蛋白是由、三个不同亚基组成的异源三体，总相对分子质量在100kDa左右。G蛋白有多种调节功能，包括Gs和Gi对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对cGMP磷酸二酯酶的活性调节、对磷酯酶C的调节、对细胞内Ca

56、2+浓度的调节等，此外还参与门控离子通道的调节。 G蛋白循环蛋白循环(G protein cycle) 在G蛋白偶联信号转导系统中，G蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。 一种是静息状态，即三体状态; 另一种是活性状态，G蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋蛋白循环白循环(G protein cycle)。 G蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联: GTPase激活蛋白(GAPs) 鸟苷交换因子(GEFs) 鸟苷解离抑制蛋白(GDIs) GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs) 鸟

57、苷交换因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs) 鸟苷解离抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，GDIs) 图 G蛋白循环 G蛋白的信号转导作用蛋白的信号转导作用 G蛋白能够将受体接受的信号传递给效应物，产生第二信使，进行信号转导，某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性。 G G蛋白在信号转导中，起分子开关作用蛋白在信号转导中，起分子开关作用：当当亚基与亚基与GDPGDP结合，呈关闭态结合，呈关闭态； 当信号分子与受体结合当信号分子与受体结合，受体与受体与G G蛋白发生作用导致蛋白发生作用导致

58、、亚基与亚基与亚基分离，亚基分离， 亚基结合的亚基结合的GDPGDP被被GTPGTP替代替代将将G G蛋白激活，活化相关酶蛋白激活，活化相关酶并并产生效应产生效应。G G蛋白偶联受体所介导的具有代表性的细胞蛋白偶联受体所介导的具有代表性的细胞信号通路，包括：信号通路，包括： cAMPcAMP信号通路信号通路 磷脂酰肌醇信号通路（肌醇脂信号通路）磷脂酰肌醇信号通路（肌醇脂信号通路） G蛋白耦联型受体为蛋白耦联型受体为7次次跨膜蛋白，受体胞外结构域跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与合，胞内结构域与G蛋白耦蛋白耦联。通过与联。通过与G蛋白耦联，调

59、蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。号跨膜传递到胞内。cAMPcAMP信号通路信号通路概念：概念： 是G蛋白偶联系统的一种信号转导途径。信号分子作用于膜受体后，通过G蛋白激活腺苷酸环化酶, 产生第二信使cAMP后，激活蛋白激酶A进行信号的放大。故将此途径称为PKA信号转导系统。信号转导系统。 系统组成系统组成 G蛋白偶联系统由三部分组成:表面受体、G蛋白和效应物，由于这三种复合物都是结合在膜上，故此将它们称为膜结合机器膜结合机器(membrane-bound machinery)。 受体：受体：G蛋白偶联

60、受体都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括肾上腺素(型)受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等。 G蛋白：蛋白：3个结合位点(GTPGAPADP核糖化位点） 效应物效应物 (effector)：所谓效应物是指直接产生效应的物质，通常是酶，如腺苷酸环化酶、磷酸脂酶等，它们是信号转导途径中的催化单位。组分组分图图 G蛋白偶联系统的组成蛋白偶联系统的组成:膜结合机器膜结合机器 G-蛋白活化与调节蛋白活化与调节 G-蛋白活化与调节蛋白活化与调节 G蛋白偶联受体跨膜信号转导机理蛋白偶联受体跨膜信号转导机理 G蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物，它包括了三个