第五章物质的跨膜运输与细胞信号转导

第五章物质的跨膜运输与细胞信号转导第一节物质的跨膜运输第二节细胞通讯与信号传递

第一节物质的跨膜运输一、被动运输（passivetransport）二、主动运输（activetransport）三、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。

第二节细胞通讯与信号传递一、细胞通讯与细胞识别二、连接G蛋白受体的信号传递三、受体酪氨酸激酶（RTKs）及RTK-Ras蛋白信号通路四、由细胞表面整合蛋白介导的信号传递五、细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息一、被动运输（passivetransport）

㈠特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白

㈡类型：简单扩散、协助扩散㈢膜转运蛋白：

物质顺浓度梯度或电化学梯度从高浓度向低浓度运输，不需要细胞提供能量。

1、简单扩散

物质直接通过膜由高浓度向低浓度（顺浓度梯度或电化学梯度）扩散，不需要细胞提供能量，也没有膜蛋白的协助。转运速率与浓度梯度大小成正比。小的非极性分子易溶解于脂双分子层中，因此，能很快地扩散通过膜；不带电荷的极性分子，如果体积小，也能快速通过（如CO2、乙醇、尿素等）。2、协助扩散也称促进扩散，物质在特异膜蛋白的“协助”下，顺浓度或电化学梯度跨膜转运，不需要细胞提供能量。特异蛋白的“协助”使物质的转运速率增加，转运特异性增强。各种极性分子和无机离子，如糖、氨基酸、核苷酸以及细胞代谢物的跨膜转运。

3、膜转运蛋白

1、载体蛋白——几乎所有类型的生物膜上普遍存在的多次跨膜的蛋白分子，通过与特定溶质分子的结合，引起一系列构象改变以介导溶质分子的跨膜转运。既介导被动运输又介导主动运输。2、通道蛋白：形成跨膜的离子通道。由几个蛋白亚基在膜上形成孔道，孔道可调控：通过与一些信号分子（配体）结合后改变构象，称配体门通道，也可通过细胞内外离子浓度产生膜电位，膜电位发生变化控制开关，也称离子通道。只介导被动运输。类型：电压门通道；配体门通道；压力激活通道离子通道具有3个显著特征：

1、离子通道具有极高的转运速率。

2、离子通道没有饱和值。

3、离子通道并非连续开放而是门控的。

即离子通道的活性由通道开或关两种构象所调解，受控于适当的细胞信号。简单扩散简单扩散与协助扩散的比较载体蛋白通道蛋白的类型配体门通道压力门通道二、主动运输（activetransport）㈠特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白㈡类型：三种基本类型

1、由ATP直接提供能量的主动运输2、协同运输（cotransport）3、物质的跨膜转运与膜电位

物质逆浓度梯度或电化学梯度由低浓度向高浓度一侧进行跨膜转运的方式，需要细胞提供能量，需要载体蛋白的参与。对保持细胞内的离子成分并对输入一些细胞外比细胞内浓度低的溶质是必不可少的。

㈠ATP直接提供能量的主动运输

（ATP驱动泵）1、P-型离子泵：（1）钠钾泵（2）钙泵（Ca2+-ATP酶） 2、V-型质子泵3、F-型质子泵4、ABC超家族

这类泵本身就是一种载体蛋白，也是一种酶—ATP酶，它能催化ATP，由ATP水解提供能量，主动运输Na+、K+、Ca2+等。根据泵蛋白的结构和功能特性，ATP驱动泵分为4类：一、P-型离子泵

1、钠钾泵（Na+-K+泵）⑴结构：Na+-K+ATP酶由2个亚单位构成：1个大的多次跨膜的催化亚单位（α亚基）和1个小的单次跨膜具组织特异性的糖蛋白（β亚基）。前者对Na+和ATP的结合位点在细胞质面，对K+的结合位点在膜的外表面，糖蛋白的功能尚不清楚。⑵机制：在细胞内侧，α亚基与Na+相结合促进ATP水解，α亚基上的一个天门冬氨酸残基磷酸化引起α亚基构象发生变化，将Na+泵出细胞外，同时细胞外的K+与α亚基的另一个位点结合，使其去磷酸化，α亚基构象再度发生变化将K+泵进细胞，完成整个循环。Na+依赖的磷酸化和K+依赖的去磷酸化引起构象变化有序交替发生。每个循环消耗一个ATP分子，泵出3个Na+和泵进2个K+。钠钾泵的结构钠钾泵的机制2、钙泵（Ca2+-ATP酶）

Ca2+-泵的运输机制类似于Na+-K+泵，每1个ATP分子水解，运输2个Ca2+，并可逆向运输1个Mg2+。Ca2+-泵主要存在于细胞质膜和内质网膜上，将Ca2+输出细胞或泵入内质网腔中储存起来，以维持细胞内低浓度的游离Ca2+。肌质网内Ca2+的储存，对调节肌细胞的收缩与舒张起重要作用。将Ca2+泵出细胞，使Ca2+浓度在细胞质中维持低水平，对细胞基本功能具有重要作用。有些细胞如红细胞位于质膜的Ca2+泵，将Ca2+运输出细胞；在肌细胞肌质网膜内，Ca2+泵运输Ca2+从细胞质到肌质网内，在肌质网内贮存Ca2+，从肌质网释放Ca2+到肌细胞液中引起收缩，通过Ca2+-ATP酶快速地去除Ca2+使其得以弛缓。二、质子泵

（1）V-型质子泵：H+的转运不伴随跨膜蛋白的磷酸化和去磷酸化，不形成磷酸化的中间体。利用ATP水解供能从细胞质基质中逆H+电化学梯度泵出H+进入细胞器，以维持细胞质基质PH中性和细胞器内的PH酸性。广泛存在于动物细胞溶酶体膜及植物、酵母和其他真菌细胞液泡膜上。（2）F-型质子泵：伴随着H+顺浓度梯度或电化学梯度运输，偶联ATP的形成。如线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化。存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体类囊体膜上。三、ABC超家族

ABC超家族也是一类ATP驱动泵，但含有更多的成员，也更为多样。ABC超家族含有几百种不同的转运蛋白，广泛分布在从细菌到人类各种生物中。在正常生理条件下，ABC蛋白是细菌质膜上糖、氨基酸、磷脂和肽的转运蛋白，是哺乳类细胞质膜上磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运蛋白。㈡协同转运

是一类由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。物质跨膜运动所需要的直接动力来自膜两侧离子的电化学梯度，而维持这种离子的电化学梯度则是通过Na+-K+泵（或H+-泵）消耗ATP所实现的。

根据物质运输方向与离子顺电化学梯度的转移方向的关系，协同转运可分为同向转运（物质被运输方向与离子转移方向相同）和反向转运（物质被运输方向与离子转移方向相反）。

协同运输小肠上皮细胞吸收葡萄糖示意图三、胞吞作用与胞吐作用㈠胞吞作用㈡胞吐作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，运输过程通过质膜,主要由囊泡运输来完成,又称膜泡运输或批量运输，属于主动运输。㈠胞吞作用1、胞饮作用与吞噬作用2、受体介导的内吞作用及包被的组装3、胞内体（endosome）及其分选作用细胞摄取大分子和颗粒性物质时，细胞膜向内凹陷形成囊泡，将物质裹进并输入细胞的过程。1、胞饮作用与吞噬作用根据形成的囊泡大小和内容物不同可分为胞饮作用与吞噬作用：⑴胞饮作用：胞吞物为溶液或极小的颗粒，形成的囊泡较小，是一个连续的摄入过程。⑵吞噬作用：胞吞物为大的颗粒性物质（如细菌、细胞碎片等），形成的囊泡较大，是一个受体介导的触发过程。胞饮作用吞噬作用胞饮作用与吞噬作用主要区别特征内吞泡的大小转运的方式胞吞泡形成的机制胞饮作用小于150nm连续进行需要网格蛋白形成包被及与整合素蛋白连接吞噬作用大于250nm需受体介导的信号触发过程需要微丝及其结合蛋白质的参与2、受体介导的内吞作用及包被的组装●

胞内体（endosome）及其分选作用受体介导的胞吞作用是大多数动物细胞通过网格蛋白有被小泡从胞外摄取特定大分子的有效途径。在受体介导过程中，被运送的大分子物质结合到细胞表面受体，这些受体所处的质膜部位的胞质面，聚集多个蛋白形成的蛋白被，由于蛋白被组装的作用，该处质膜凹陷称为有被小窝，有被小窝进一步凹陷，从膜上脱落下来形成有被小泡。这一过程的速度很快，能使细胞大量地摄入特定的大分子，又避免了吸入大量的细胞外液体。这是一种选择浓缩的机制。3、胞内体及其分选作用

胞内体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新摄入的物质到溶酶体被降解。在受体介导的胞吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的胞内体分选途径：（1）大部分受体返回它们原来的质膜结构域。（2）有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体被消化。（3）有些受体被运至质膜不同的结构域，该过程称为转胞吞作用。胞吞作用是真核细胞用以调节营养物的内化、信号转导和质膜更新的重要方式。㈡胞吐作用细胞排出大分子和颗粒性物质时，通过形成囊泡从细胞内部移至细胞表面，囊泡的膜与质膜融合，将物质排出细胞外的过程。所有真核细胞都有组成型胞吐途径，特化的分泌细胞还有一种调节型胞吐途径。胞吐作用一、

细胞通讯与细胞识别㈠细胞通讯（cellcommunication）㈡细胞识别（cellrecognition）㈢细胞信号分子与靶细胞效应㈣细胞表面受体蛋白的种类㈤蛋白磷酸化在信号传递中的作用㈠细胞通讯（cellcommunication）1、细胞通讯与信号转导2、细胞通讯的方式3、分泌信号传递信息的方式

1、细胞通讯与信号转导

细胞通讯：一个细胞发出的信息通过介质（又称配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生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。

信号转导：化学信号分子可与细胞内或细胞表面的受体相结合形成复合物，并将受体激活，激活的受体可将外界信号转换成细胞能感知的信号，从而使细胞对外界信号作出相应的反应，这种由细胞外信号转换为细胞内信使的过程称为信号转导。

2、细胞通讯的方式⑴细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯：是多细胞生物普遍采用的通讯方式。⑵细胞间接触依赖性的通讯：信号分子结合在细胞的质膜上，通过细胞间的直接接触将信号传递给靶细胞，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白。⑶动物细胞间形成间隙连接及植物细胞间形成胞间连丝的信号传递。

细胞通讯方式3、分泌信号传递信息的方式

⑴内分泌信号传递：内分泌信号分子随血液循环，输至全身到达靶细胞。特点：有强特异性，范围广；浓度低；传递速度较慢。⑵旁分泌信号传递：信号分子作用于邻近细胞。特点：有强特异性；范围小；浓度高；传递速度快。⑶自分泌信号传递：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞。特点：有强特异性；范围小；浓度高；传递更快。⑷化学突触信号传递：神经递质经突触作用于与靶细胞。特点：强特异性；范围较小；浓度较高；速度快。信号传递方式㈡细胞识别（cellrecognition

）1、细胞识别：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。2、信号通路（signalingpathway）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一系列反应系统称之为细胞信号通路。信号通路㈢细胞信号分子与靶细胞效应1、信号分子（signalmolecule）2、受体（receptor）3、第二信使（secondmessenger）4、信号分子与靶细胞效应1、信号分子⑴亲脂性信号分子⑵亲水性信号分子⑶气体性信号分子(NO、CO、植物中的乙烯)

2、受体（receptor）一种能够识别和选择性地结合某种配体的大分子。与配体结合后，通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内信号，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体与信号分子空间结构的互补性是两者特异结合的主要因素。

⑴细胞内受体：为胞外亲脂性信号分子所激活⑵细胞表面受体：为胞外亲水性信号分子所激活受体的类型受体与配体的关系1、不同细胞对同一信号分子可能具有不同受体，从而诱导不同的反应2、一种细胞对同一信号分子具备了两个或更多受体，启动不同的反应3、同一受体出现在不同细胞上，与同一信号分子结合时，产生不同反应4、一种细胞中不同的受体诱发相同的反应3、第二信使（secondmessenger）第一信使：细胞外信号分子，是水溶性信号分子（如神经递质），不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，这类信号分子称为第一信使。第二信使：第一信使与受体结合后，在胞内最早产生的信号分子。最重要的第二信使有cAMP、cGMP、IP3、DG等。作用：信号转换、信号放大。在细胞信号转导过程中，除细胞表面受体和第二信使分子外，还有两组进化上保守的胞内蛋白在信号转导中行使功能，这两类蛋白起着分子开关作用。

一类是GTPase开关蛋白。

另一类是蛋白激酶/蛋白磷酸酶开关蛋白。

通过细胞表面受体介导的信号途径由下列4个步骤组成：

（1）不同形式的胞外信号刺激首先被细胞表面特异性受体所识别。

（2）胞外信号（第一信使）通过适当的分子开关机制实现信号的跨膜转导，产生细胞内第二信使或活化的信号蛋白。

（3）信号放大：信号传递至胞内效应器蛋白，引发细胞内信号放大的级联反应。

（4）细胞反应由于受体脱敏或受体下调，启动反馈机制从而终止或降低细胞反应。4、信号分子与靶细胞效应⑴每种类型的细胞受到多种信号的调控

⑵不同细胞对相同信号的反应各异

㈣细胞表面受体蛋白的种类1、连接离子通道的受体2、连接G-蛋白的受体

3、连接酶的受体1、连接离子通道的受体

受体是一种多次跨膜的蛋白，本身既是信号结合位点又是离子通道的组成蛋白。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。神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性。2、连接G-蛋白的受体G-蛋白：由GTP控制活性的蛋白，当与GTP结合时具活性，当与GDP结合时无活性，既有单体形式（ras蛋白），也有三聚体形式（Gs蛋白）。在信号转导过程中起着分子开关的作用。此类受体为一条跨膜7次的多肽表面受体，其N端位于细胞外，C端位于细胞内，受体的胞外区负责与配体结合，与G蛋白结合的区域位于胞内，通过激活G蛋白作用于与G蛋白偶联的靶蛋白，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。

3、连接酶的受体这类受体为单跨膜的多肽链，既是受体又是一种酶，结合配体的区域位于质膜外，受体本身具有酶的活性，当受体激活时，便能行使酶的功能。

细胞表面受体蛋白种类㈤蛋白磷酸化在信号传递中的作用

蛋白磷酸化是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTP的磷酸基团转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程；其逆转过程是由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质去磷酸化。蛋白磷酸化通常有两种方式：一种是在蛋白激酶催化下直接连接上磷酸基团，另一种是被诱导与GTP结合。磷酸化通路通常是由两种主要的蛋白激酶介导的：一种是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，另一种是酪氨酸蛋白激酶。

二、连接G蛋白受体的信号传递㈠连接G蛋白受体㈡异三聚体G蛋白㈢cAMP信号通路㈣磷脂酰肌醇信号通路

㈠连接G蛋白受体G蛋白偶联的受体是细胞表面由单条多肽经7次跨膜形成的受体，N端在细胞外，C端在细胞内。连接G蛋白受体是一个很大的细胞表面受体家族，在所有真核生物从单细胞酵母到多细胞哺乳类都具有相似的7次跨膜结构。这类受体在进化上是相当古老的。刺激型受体（Rs）和抑制型受体（Ri）

㈡异三聚