第五章物质运输与信号传递

细胞生物学CellBiology当前1页，总共123页。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

当前2页，总共123页。第一节物质的跨膜运输●被动运输（passivetransport）●主动运输（activetransport）●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当前3页，总共123页。

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 ●由细胞表面整联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当前4页，总共123页。被动运输（passivetransport）

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）

物质运输的船与桥当前5页，总共123页。当前6页，总共123页。水通道

水扩散通过人工膜的速率很低，人们推测膜上有水通道。1991年Agre发现第一个水通道蛋白CHIP28（28KD），他将CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀，5分钟内破裂。细胞的这种吸水膨胀现象会被Hg2+抑制。2003年Agre与离子通道的研究者MacKinnon同获诺贝尔化学奖。目前在人类细胞中已发现的此类蛋白至少有11种，被命名为水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。当前7页，总共123页。2003年，美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。

PeterAgreRoderickMacKinnon

当前8页，总共123页。主动运输（activetransport）

●特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白●类型：主动运输所需的能量来源主要有：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（Ca2+-ATP酶）

质子泵：P-型、V-型、F-型协同运输（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

当前9页，总共123页。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

●胞吐作用当前10页，总共123页。胞吞作用

●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细胞代表中性颗粒白细胞和巨噬细胞原生动物白细胞、肾细胞、小肠上皮细胞、肝巨噬细胞和植物细胞当前11页，总共123页。

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 ●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当前12页，总共123页。细胞通讯与细胞识别●细胞通讯（cellcommunication）●细胞识别（cellrecognition）当前13页，总共123页。细胞通讯（cellcommunication）

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当前14页，总共123页。细胞识别（cellrecognition）

●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。当前15页，总共123页。细胞的信号分子与受体

●信号分子（signalmolecule）

亲脂性信号分子甾醇类激素（性激素、肾上腺皮质激素、蜕皮激素等）。

亲水性信号分子神经递质、生长因子、细胞因子、局部化学递质和大部分激素。

气体性信号分子(NO)

●受体（receptor）多为糖蛋白 ●第二信使（secondmessenger）和分子开关（molecularswitches））

荣获1971年诺贝尔奖！当前16页，总共123页。●受体的类型

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）当前17页，总共123页。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。当前18页，总共123页。cyclicAMP第一信使IP3/DAGCa2+ArachidonicAcidNitricOxidecyclicGMP

第二信使（secondarymessenger）

细胞外信号分子作用于细胞膜上的受体后，诱导产生的细胞内信号分子。当前19页，总共123页。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，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

当前20页，总共123页。通过细胞内受体介导的信号传递●一氧化氮介导的信号通路

NO作用于邻近细胞。NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。

NO的作用机理：-乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。

硝酸甘油治疗心绞痛：硝酸甘油转化为NO，舒张血管，减轻心脏负担和心肌需氧量。

荣获1998年诺贝尔奖！当前21页，总共123页。1998年R．Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

当前22页，总共123页。通过细胞表面受体(膜受体)介导的

信号跨膜传递

●膜受体的结构●膜受体的类型●膜受体的生物学特征●信号跨膜传递当前23页，总共123页。膜受体的结构识别部

(discriminator）受体向着细胞外部分，多为糖蛋白的糖链，可识别不同的配体，狭义受体指此部位。识别部转换部效应部转换部（transducer）：识别部与效应部之间的偶联部分，将识别部所接受的信号经过转换传给效应部。效应部（effector）：受体向着细胞质的部分，一般具有酶的活性，配体与受体结合前，它是无活性的，只有受体与配体结合后才被激活，引起一系列变化，产生相应的生物效应。当前24页，总共123页。膜受体的生物学特征1.特异性

2.高亲和性3.饱和性4.可逆性5.特定的细胞定位当前25页，总共123页。膜受体的类型

●离子通道偶联的受体

●G-蛋白偶联的受体

●酶偶联的受体(催化性受体)当前26页，总共123页。当前27页，总共123页。Cellsurfacereceptors当前28页，总共123页。通过细胞表面受体(膜受体)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

●酶偶联的受体(催化性受体)介导的信号跨膜传递当前29页，总共123页。离子通道偶联受体介导的信号跨膜传递由多亚基组成的受体-离子通道复合体，本身既有信号结合位点，又是离子通道。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当前30页，总共123页。

离子通道受体（ionchannelreceptor）本身是离子通道，或者与离子通道相偶联，离子通道的开关受细胞外配体的调节。例如：N-乙酰胆碱受体。当前31页，总共123页。G-蛋白偶联受体介导的

信号跨膜传递●cAMP信号通路●磷脂酰肌醇信号通路配体-受体复合物与靶细胞（酶或离子通道）的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内，影响细胞的行为。根据产生第二信使的不同分为：当前32页，总共123页。偶联G蛋白受体（G-protein-linkedreceptor）是指受体和酶或离子通道之间的相互作用通过一种结合GTP的调节蛋白（GTP-bindingregulatoryprotein）介导来完成。例如M-乙酰胆碱受体、β肾上腺素受体。

当前33页，总共123页。

偶联G蛋白受体结构当前34页，总共123页。3/8/2023G蛋白偶联受体①多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体。②味觉、视觉和嗅觉感受器。当前35页，总共123页。2004年Axel和Buck因发现气味受体和化学感受器系统的组成而获诺贝尔生理与医学奖。RichardAxelLindaB.Buck当前36页，总共123页。G蛋白的结构

G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白。由аβγ三个亚基组成βγ二聚体通过共价结合锚于膜上起稳定а作用，а亚基具有GTP酶活性当前37页，总共123页。cAMP信号通路反应链：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→基因转录组分及其分析

G-蛋白偶联的受体

G-蛋白活化与调节

效应酶——腺苷酸环化酶

当前38页，总共123页。cAMP信号体系的组成

cAMP信号体系5种成分：Rs:激活型激素受体Gs:与GDP结合的活化型调节受体Ri:抑制型激素受体Gi:与GDP结合的抑制型调节受体AC:腺苷酸环化酶

当前39页，总共123页。5种成分：Rs:激活型激素受体Gs:与GDP结合的活化型调节受体Ri:抑制型激素受体Gi:与GDP结合的抑制型调节受体AC:腺苷酸环化酶

当前40页，总共123页。刺激型cAMP信号体系当前41页，总共123页。刺激型cAMP信号体系当前42页，总共123页。刺激型cAMP信号体系当前43页，总共123页。抑制型cAMP信号体系RαsβγcyclaseRβγαicyclase抑制腺苷酸环化酶活性L当前44页，总共123页。当前45页，总共123页。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。当前46页，总共123页。cAMP的形成与降解腺苷酸环化酶磷酸二酯酶当前47页，总共123页。cAMP的生物学效应：特异性活化蛋白激酶A139调节亚基无活性催化亚基cAMP-调节亚基复合物活化的催化亚基无活性蛋白激酶A当前48页，总共123页。cAMP信号体系产生生物学效应（例）139无活性磷酸化激酶有活性磷酸化激酶无活性糖原磷酸化酶有活性糖原磷酸化酶糖原1-磷酸葡萄糖当前49页，总共123页。（cAMP应答元件结合蛋白）当前50页，总共123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

当前51页，总共123页。酶偶联的受体或催化受体（catalyticreceptor）受体的胞质侧部分具有酪氨酸蛋白激酶活性。当配体与受体结合后，可激活其酪氨酸蛋白激酶活性，使靶蛋白的酪氨酸残基磷酸化，触发细胞内一系列生理活动的变化。例如：EGF受体。当前52页，总共123页。①单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化，启动下游信号转导。酶偶联的受体当前53页，总共123页。酶偶联的受体包括5类：受体酪氨酸激酶

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

当前54页，总共123页。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） 是细胞表面一大类重要酶联受体家族。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→启动信号传导当前55页，总共123页。受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路

RTK-Ras信号通路的基本模式：

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。功能：调节细胞的增值与分化，促进细胞存活，细胞代谢过程中的调节与校正作用蛋白激酶磷酸化级联反应的步骤

当前56页，总共123页。受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路RTK结合蛋白（接头蛋白:GRB-2）--信号分子间的识别结构域

SH2结构域：介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白结合-受体。SH3结构域：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白结合-GRF(鸟苷酸释放因子)或Sos蛋白（Ras蛋白激活因子）。Ras具有分子开关作用：失活态→活化态：鸟苷酸释放因子（GRF:SH3）接头蛋白SH2---Ras激活蛋白活化态→失活态:GTP酶活化蛋白（GAP:SH2）---Ras蛋白结合的GTP水解成GDPG蛋白大G蛋白小分子量G蛋白：如Ras蛋白当前57页，总共123页。由细胞表面整联蛋白介导的信号传递●整联蛋白与粘着斑●通过粘着斑由整联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当前58页，总共123页。细胞信号传递的基本特征

与蛋白激酶的网络整合信息●细胞信号传递是多通路、多环节、多层次和高度复杂的可控过程。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)●细胞信号传递构成复杂的网络系统，具有高度的非线性特点，即信号网络系统中各通路之间存在crosstalking的相互关系.蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的crosstalking

当前59页，总共123页。乙醛酸循环体过氧化物酶体当前60页，总共123页。109疏水分子小的不带电荷的极性分子甘油乙醇葡萄糖离子较大不带电荷的极性分子当前61页，总共123页。简单扩散与协助扩散的比较

特点：

①比自由扩散转运速率高；②运输速率同物质浓度成非线性关系；③特异性；饱和性。当前62页，总共123页。110当前63页，总共123页。

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。当前64页，总共123页。110载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输的假象模型当前65页，总共123页。载体蛋白介导的协助扩散

通过载体蛋白与特定物质相结合，发生可逆性构象变化，顺浓度梯度进行物质运输。当前66页，总共123页。（1）通道蛋白：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。当前67页，总共123页。111电压门控型配体门控型（胞外配体）配体门控型（胞内配体）压力激活型胞质侧当前68页，总共123页。载体蛋白船通道蛋白桥当前69页，总共123页。112偶联转运蛋白ATP驱动泵光驱动泵电化学梯度当前70页，总共123页。寡糖当前71页，总共123页。当前72页，总共123页。ATPADP激发酶活性构象改变构象改变去磷酸化构象改变Na+-K+泵的工作机制当前73页，总共123页。Na+-K+泵的工作机制当前74页，总共123页。质子泵1、P型：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。

2、V型：存在于各类小泡膜上，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。3、F型：利用质子动力势合成ATP，即ATP合酶，位于细菌质膜、线粒体内膜、类囊体膜上。当前75页，总共123页。P型当前76页，总共123页。V型当前77页，总共123页。F型当前78页，总共123页。载体蛋白的单运输、共运输和对向运输当前79页，总共123页。共运输当前80页，总共123页。对向运输当前81页，总共123页。肠上皮细胞的转运蛋白不对称分布造成葡萄糖从肠腔到血液的跨细胞膜转运当前82页，总共123页。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Na+驱动的共运输H+驱动的共运输当前83页，总共123页。当前84页，总共123页。当前85页，总共123页。有被小泡形成转运分子受体胞外区胞质转运分子成笼蛋白接合素蛋白脱去衣被接合素蛋白在参与衣被形成中的作用图解接合素蛋白光滑小泡当前86页，总共123页。当前87页，总共123页。巨噬细胞吞噬衰老的红细胞当前88页，总共123页。当前89页，总共123页。3/8/2023质膜有被小泡光滑小泡晚期内吞体运输小泡溶酶体水解酶脱去衣被早期内吞体出芽LDL受体再循环游离胆固醇细胞经有被小泡以LDL颗粒的形式吸收胆固醇的过程图解LDL内吞LDL受体酸性环境：LDL与LDL受体分离LDLLDL颗粒中的蛋白质分子可为LDL颗粒与LDL受体的结合提供结合位点：当前90页，总共123页。受体介导胆固醇的胞吞作用低密度脂蛋白的形成当前91页，总共123页。受体介导的胞吞作用低密度脂蛋白（LDL）转运胆固醇；LDL与细胞表面的LDL受体结合；细胞膜内陷形成有被小窝，进而形成有被小泡；有被小泡脱被形成胞内体；当前92页，总共123页。受体介导的胞吞作用胞内体融合，胞内体的低pH使LDL与LDL受体分离；LDL受体返回细胞表面再利用；胞内体与溶酶体融合，LDL被分解，胆固醇释放。当前93页，总共123页。网格蛋白与三脚蛋白复合体当前94页，总共123页。三脚蛋白复合体构成篮网结构

当前95页，总共123页。当前96页，总共123页。122组成型分泌调节型分泌激素或神经递质受调节膜融合非调节性膜融合高尔基体组成型分泌新合成的可溶性蛋白储存分泌蛋白的分泌泡当前97页，总共123页。当前98页，总共123页。Rab是小分子GTP结合蛋白Ras超家族中最大的亚家族,在囊泡运输的不同阶段发挥着调节作用。在与GTP结合后,Rab可募集特异的效应蛋白到膜上。近来发现,许多Rab可募集与微管和肌动蛋白相关的马达分子到靶膜,从而调节相应囊泡的转运。Rab所具有的分子开关特性,使其可在空间和时间上对囊泡转运进行调控。Rab27A是Ras超家族中唯一一个明确涉及到人类遗传性疾病的成员.Rab27A对人乳腺癌细胞生物学特性产生影响当前99页，总共123页。当前100页，总共123页。渗透性当前101页，总共123页。当前102页，总共123页。当前103页，总共123页。通过磷酸化传递信号通过结合蛋白传递信号激酶磷酸酶分子开关蛋白：在细胞内一系列信号传递的级联反应中，作为分子开关的蛋白质，含有精确控制正、负两种相辅相成反馈机制。细胞内信号传导过程中两类分子开关蛋白当前104页，总共123页。（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激素结合位点拟制蛋白复合物DNA结合结构域转录激活结构域铰链区DNA结合部位暴露皮质醇受体雌激素受体孕酮受体维生素D受体甲状腺素受体视黄酸受体甾类激素当前105页，总共123页。当前106页，总共123页。谷氨酸、乙酰胆碱、组胺等（Ca2+/钙调素敏感蛋白）一氧化氮信号(NOS)当前107页，总共123页。当前108页，总共123页。当前109页，总共123页。甘油二酯、三磷酸肌醇双信使的产生及效应