物质的跨膜运输与信号传递

第四章细胞的物质跨膜运输

与信号跨膜传递

一细胞的物质跨膜运输二细胞的信号跨膜传递目前一页\总数五十九页\编于十六点细胞的物质跨膜运输（一）被动运输（二）主动运输（三）膜泡运输目前二页\总数五十九页\编于十六点（一）被动运输1简单扩散:沿浓度梯度（或电化学梯度）减小的方向扩散；①不需要提供能量；②没有膜蛋白的协助。2协助扩散:顺浓度梯度或电化学梯度减小的方向，在膜蛋白的协助下跨膜转运。①比自由扩散转运速率高；②存在最大转运速率；③有特异性。（1）载体蛋白:既可介导被动运输又能介导主动运输。载体蛋白具有通透酶性质。

（2）通道蛋白:只介导被动运输,转运速率高,具有离子选择性，是门控的。

电压门通道配体门通道

压力激活通道水通道：又称水通道蛋白，1988年Agre在分离纯化红细胞膜上的Rh血型抗原时，发现了一个28KD的疏水性跨膜蛋白，称为CHIP28(Channel-Formingintegralmembraneprotein)，1991年得到CHIP28的cDNA序列，Agre将CHIP28的mRNA注入爪蟾的卵母细胞中，在低渗溶液中，卵母细胞迅速膨胀。(2003年化学诺奖）

离子载体:是一些能极大地提高膜对某些离子通透性的物质。大多数离子载体是细菌产生的抗生素。

目前三页\总数五十九页\编于十六点

（二）主动运输

逆浓度梯度（逆电化学梯度）运输；需要能量（由ATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输)；需载体蛋白的协助。对细胞内外离子浓度维持很重要。1由ATP直接供能量的主动运输（1）P型泵：此类运输需要磷酸化（phosphorylation）,故称为P型泵。如存在于细胞膜中的Na+/K+泵、Ca2+泵；细菌的质膜上的H+泵。（2）V型泵：主要位于小泡膜上（vacuole或vesicle）,故称为V型泵。如溶酶体和胞内体膜上的H+泵；液泡膜上的H+泵。（3）F型泵：由许多亚基构成的管状结构，通过建立H+的电化学梯度来合成ATP。如存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上的ATP合成酶。2由ATP间接供能量的主动运输－协同运输（1）同向协同：如小肠上皮细胞对葡萄糖的吸收就是伴随着Na+的进入。（2）反向协同：如红细胞膜上Na+与HCO-的进入伴随着Cl-和H+的外流。3利用光能的物质运输：如细菌质膜视紫红质可吸收光能将两个H+从细胞内运出。目前四页\总数五十九页\编于十六点Na+/K+泵1Na+/K+泵的组成即Na+/K+－ATP酶，由2个大的α亚基和2个小的β亚基组成。通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化而完成转运。2工作机理

①膜内侧Na+与α亚基结合，ATP分解，α被磷酸化，与Na+结合转向膜外侧；②磷酸化的α亚基对Na+的亲和力变低，而对K+的亲和力变高，因而释放Na+，而与K+结合。③K+与磷酸化α亚基结合后则促使α亚基去磷酸化，α亚基的构象恢复原状，与K+结合的部位转向膜内侧，构象复原的α亚基与K+的亲和力很低，使K+在膜内被释放，至此完成一个循环，最终泵出3个Na+，而运进2个K+。3功能：①维持了细胞内适当的低Na+，高K+的浓度环境，抵消了Na+/K+的扩散作用；②维持细胞的渗透平衡，保持细胞的体积；③建立细胞膜两侧浓度梯度，为葡萄糖协同运输提供驱动力；④对膜电位的形成有重要作用，为神经和肌肉细胞电脉冲信号传导提供了基础。目前五页\总数五十九页\编于十六点Ca2+泵细胞内钙离子泵有两类：（1）一种属P型离子泵，其原理与Na+/K+泵相似，但仅由一条类似于Na+/K+泵α亚基的多肽链经10次跨膜形成，它的活性受细胞内钙调蛋白的调节，每分解一个ATP分子，转运2个Ca2+。（2）另一类称Na+/Ca2+交换器，属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。目前六页\总数五十九页\编于十六点

（三）膜泡运输

1胞吞作用（1）胞饮作用与吞噬作用（2）受体介导的胞吞作用：与配体一同被摄入的受体融入胞内体后，不同的受体将有不同的命运：①受体返回重复使用：如低密度脂蛋白——LDL的受体；②受体和配体均返回：如转铁蛋白受体和转铁蛋白；③受体和配体被消化：如表皮生长因子及其受体；④受体跨细胞的转运：如上皮细胞从一侧吞入物质，从另一侧胞吞出去。2胞吐作用①组成型胞吐途径：如新合成的膜蛋白、膜脂以及一些其它胞外成分等。②调节型胞吐途径：如特化的分泌细胞产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶等）。目前七页\总数五十九页\编于十六点

二细胞信号的跨膜传递

细胞通讯一般包括下列几个步骤：①信号分子的合成；②信号分子的释放；③信号分子的运输；④靶细胞对信号分子的识别；⑤细胞外信号跨膜转导产生细胞内信号；⑥细胞内信号经过一系列级联放大反应，从而产生生物学效应。目前八页\总数五十九页\编于十六点（一）细胞通讯的方式：1分泌化学信号通讯：（1）内分泌；（2）旁分泌；（3）自分泌；（4）化学突触。2接触性依赖的通讯；3间隙连接的通讯。（二）细胞识别－受体与配体的结合（三）信号分子与受体：1信号分子：（1）亲脂性信号分子；（2）亲水性信号分子。2受体（糖蛋白）：（1）细胞内受体；（2）细胞表面受体。

3第二信使与分子开关：（1）第二信使；（2）分子开关：①G蛋白；②蛋白激酶。（四）细胞信号传递通路：1细胞内受体介导的信号传递通路；

2细胞表面受体介导的信号传递通路：（1）离子通道偶联受体传递的通路；

（2）G蛋白偶联受体传递的通路：①cAMP通路（PKA通路）；②PIP2通路（PKC通路）。（3）酶偶联受体传递的通路：

①酪氨酸激酶受体通路；②酪氨酸磷酸酯酶受体通路；③丝氨酸/苏氨酸激酶受体通路；④鸟苷酸环化酶受体通路；⑤酪氨酸激酶联系的受体通路。3细胞表面整联蛋白介导的信号传递通路。目前九页\总数五十九页\编于十六点（四）细胞信号传递通路1细胞内受体介导的信号传递通路：配体：能通过细胞膜的亲脂性小分子（如甾类激素等）。

受体：基因调控蛋白；有三个结构域：①C端的激素结合域；②N端的转录激活域；③中部的抑制蛋白或DNA结合域。

如NO信号分子（近年发现的一种亲脂性信号分子）：

①性质：是一种自由基性质的气体分子，具脂溶性，可快速扩散透过细胞膜，到达靶细胞发挥作用。但寿命很短，半衰期只有5s右左。②产生：由神经细胞和血管内皮细胞在一氧化氮合酶催化下分解精氨酸产生。③靶分子：细胞质中的鸟苷酸环化酶，活化鸟苷酸环化酶产生cGMP。④效应：cGMP作为新的信号分子介导下游蛋白质的磷酸化，引起血管扩张，血液畅通；参与大脑记忆等过程。目前十页\总数五十九页\编于十六点2细胞表面受体介导的信号传递通路（1）离子通道偶联受体传递的通路配体：神经递质；

受体：由多亚基组成的受体－离子通道，既有信号分子结合的位点，又是离子通道，受体与配体结合后，离子通道打开，相应的离子进入细胞，故跨膜信号转导无需中间步骤。主要存在于神经细胞或其它可兴奋细胞膜上。目前十一页\总数五十九页\编于十六点（2）G蛋白偶联受体传递的通路与G蛋白偶联的细胞表面受体介导的信号传递通路有两条：①cAMP通路；②PIP2通路。①cAMP通路：通路中的组分：cAMP通路由质膜上的5种成分组成：

/激活型激素受体（Rs）；/抑制型激素受体（Ri）；

/活化型G蛋白（Gs）；/抑制型G蛋白（Gi）；

/催化成分（腺苷酸环化酶C）目前十二页\总数五十九页\编于十六点①cAMP通路信号传递过程：

⑴细胞未受刺激时，受体没有和激素结合，这时活化型的G蛋白（Gs）为异三聚体（α、β、γ）的结合状态，Gs的α亚基与GDP结合，故Gs无活性，腺苷酸环化酶没有被激活。⑵当激素和激活型受体（Rs）结合后导致受体（Rs）构象改变，暴露出与Gs结合的位点，膜的流动性使激素－受体复合物与Gs结合。⑶激素受体复合物与Gs的结合导致Gs的α亚基构象改变，从而释放GDP，同时结合GTP，这时Gs变为活化型构象，使α亚基与βγ亚基分离。⑷α亚基与βγ亚基分离后，暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点，并与之结合而使其活化，催化ATP形成cAMP，这时激素与受体分离。⑸由于结合GTP的α亚基具有GTP酶的活性，从而将GTP水解产生GDP，导致α亚基构象恢复并与腺苷酸环化酶分离，这时α亚基与βγ亚基重新结合，使细胞回到刺激前的状态。⑹腺苷酸环化酶产生的cAMP，使细胞内的cAMP浓度升高，至此，细胞外的激素信号通过信号转换机制变为细胞内的信号－cAMP。⑺细胞内的cAMP作为第二信使分子进一步激活胞内靶酶－cAMP依赖的蛋白激酶A，由这种蛋白酶再去活化细胞中的代谢靶蛋白或活化基因调控蛋白，从而引起细胞产生代谢应答。腺苷酸环化酶的活性除了受Gs的α亚基调控外，还可以受抑制型G蛋白（Gi）的调节，并且有两种途径：当Gi与GTP结合，Gi的α亚基与βγ亚基分离后，一种途径是Gi的α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；另一途径是通过βγ亚基与游离的Gsα亚基（Gsα）结合，阻断Gsα对腺苷酸环化酶的活化。目前十三页\总数五十九页\编于十六点cAMP信号通路①cAMP通路信号传递过程：目前十四页\总数五十九页\编于十六点②PIP2通路（磷脂酰肌醇信号通路）PIP2通路是一种双信使通路，细胞外信号分子经跨膜转导后，在细胞内产生两种第二信使分子，即1，4，5－三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），然后由这两种细胞内信号分子各自激活相应的靶酶，经过一系列的信号级联放大反应，引起多种生物学效应。具体信号传递过程如下：⑴细胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合，激活质膜上的磷酸二酯酶C（PLC），后者催化质膜上的4，5－二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成为1，4，5－三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号。⑵IP3动员细胞内源的钙离子进入细胞质，使胞内Ca2+浓度升高，Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应。其中钙调蛋白（CaM）是一种真核细胞普遍存在的Ca2+应答蛋白，4个Ca2+与CaM结合后形成活化态的Ca2+－CaM复合体，然后再与受钙调蛋白调节的靶酶结合将其活化，从而引起一系列不同的生物学效应。⑶产生的第二信使DG结合于质膜上，活化与质膜结合的蛋白激酶C（PKC），非活性的PKC存在于细胞质中，由于它是Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖性酶，所以与质膜上的DG结合后，被Ca2+激活，活化的PKC可以使不同类型细胞中的不同靶蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，引起众多的生理过程，如细胞分泌、肌肉收缩等短期效应以及如细胞增殖、分化等长期生理效应。⑷IP3和DG通过细胞内存在的磷脂酰肌醇循环途径而失活。目前十五页\总数五十九页\编于十六点（3）酶偶联受体传递的通路受体：是跨膜一次的膜整合蛋白，主要介导控制细胞生长与分化信号的传递，因此与生长因子有关，已发现50多种不同的RTK，组成细胞表面一大类重要受体家族。包括6个亚族，即①表皮生长因子（EGF）受体；②血小板生长因子（PDGF）受体和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）受体；③胰岛素和胰岛素样生长因子1（IGF1）受体；④神经生长因子（NGF）受体；⑤成纤维细胞生长因子（FGF）受体；⑥血管内皮生长因子（HGF）。胞外区是结合配体结构域，胞内区肽段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。配体：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。目前十六页\总数五十九页\编于十六点酶偶联受体传递的通路

⑴配体和受体结合导致受体二聚化形成同源或异源二聚体，从而在二聚体内彼此相互磷酸化受体胞内肽段的酪氨酸残基，即实现受体的自磷酸化（也就是受体被激活）。⑵磷酸化的酪氨酸残基可被含有SH2结构域（与Src蛋白同源区的简称：Srchomologregion）的胞内信号蛋白所识别并与之结合，由此开启一系列的信号传递而引起细胞生理反应。⑶活化的RTK可以结合多种细胞溶质中带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白，因而可以引起多种不同的反应，例如RTK－Ras蛋白信号通路

目前十七页\总数五十九页\编于十六点RTK－Ras蛋白信号通路

配体→RTK→接头蛋白→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。①Ras是大鼠肉瘤（ratsarcoma,Ras）的英文缩写。Ras蛋白是原癌基因c-ras的表达产物，属单体GTP结合蛋白，具有弱的GTP酶活性。分布于质膜胞质一侧，结合GTP时为活化态，而结合GDP时为失活态。所以Ras具有分子开关的作用。②Ras蛋白释放GDP结合GTP而激活需要鸟氨酸释放因子（GRF）（由于只含有SH3结构域，因而与活化受体酪氨酸残基的结合需要通过既含有SH2，又含有SH3结构域的接头蛋白如Grb2蛋白的介导）参与；而Ras蛋白的失活，则需要GTP酶活化蛋白（GAP）（有SH2结构域，可直接与活化受体的酪氨酸残基结合）促进。③细胞表面酪氨酸激酶受体激活后，接头蛋白通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与GRF结合，GRF与膜上的Ras接触，从而活化Ras。而Ras的失活则由活化受体上已结合的GAP参与下进行，使Ras结合的GTP水解成GDP而失活。④活化的Ras蛋白对细胞的生长、分化、细胞骨架、蛋白质运输以及细胞分泌等都有影响。例如在生长因子信号经Ras的级联反应中，生长因子与酪氨酸激酶受体结合将Ras激活后，活化的Ras蛋白与一种称Raf的蛋白结合。Raf蛋白（MAPKKK）是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是有丝分裂原活化蛋白（MAP）激酶激酶的激酶,故Raf能够磷酸化MAPKK（MAPK蛋白激酶），MAPKK则磷酸化MAPK。激活后的MAPK进入细胞核内使一些与调节细胞周期和细胞分化有关的转录因子磷酸化，从而引起细胞生长分裂。另外，Raf蛋白（MAPKKK）也可被蛋白激酶C活化（见PIP2途径）。目前十八页\总数五十九页\编于十六点主动运输利用的三种能量形式目前十九页\总数五十九页\编于十六点钠钾泵的结构目前二十页\总数五十九页\编于十六点钠钾泵的工作机制目前二十一页\总数五十九页\编于十六点协同运输目前二十二页\总数五十九页\编于十六点细胞物质跨膜运输目前二十三页\总数五十九页\编于十六点人工脂双层膜对不同分子的相对透性目前二十四页\总数五十九页\编于十六点简单扩散与协助扩散的比较

目前二十五页\总数五十九页\编于十六点载体蛋白介导的被动运输目前二十六页\总数五十九页\编于十六点三种类型的门控离子通道目前二十七页\总数五十九页\编于十六点含羞草的闭叶反应目前二十八页\总数五十九页\编于十六点动物、植物细胞载体蛋白

介导的协同运输异同点比较目前二十九页\总数五十九页\编于十六点离子跨膜转运与膜电位目前三十页\总数五十九页\编于十六点胞饮作用目前三十一页\总数五十九页\编于十六点吞噬作用目前三十二页\总数五十九页\编于十六点受体介导的内吞作用目前三十三页\总数五十九页\编于十六点包被的组装目前三十四页\总数五十九页\编于十六点组成型的外排途径目前三十五页\总数五十九页\编于十六点调节型外排途径目前三十六页\总数五十九页\编于十六点膜流目前三十七页\总数五十九页\编于十六点（一）细胞通讯的方式目前三十八页\总数五十九页\编于十六点细胞信号的识别目前三十九页\总数五十九页\编于十六点Theotheriscell-surfacereceptors:Therearethreemainfamilies.Oneisthereceptorswithincells:steroidhormonesand受体的类型目前四十页\总数五十九页\编于十六点分子开关目前四十一页\总数五十九页\编于十六点（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目前四十二页\总数五十九页\编于十六点类固醇激素的早期和延迟反应目前四十三页\总数五十九页\编于十六点一氧化氮对血管壁的舒张作用目前四十四页\总数五十九页\编于十六点离子通道偶联受体传递的通路目前四十五页\总数五十九页\编于十六点G蛋白偶联的受体蛋白激酶A目前四十六页\总数五十九页\编于十六点磷脂酰肌醇信号通路目前四十七页\总数五十九页\编于十六点受体酪氨酸激酶目前四十八页\总数五十九页\编于十六点受体酪氨酸激酶信号通路目前四十九页\总数五十九页\编于十六点RTK-Ras信号通路目前五十页\总数五十九页\编于十六点四条胞内