细胞生理2 细胞的跨膜信号转导功能 完整版

细胞的基本功能第一节细胞的跨膜物质转运功能第三节细胞的跨膜电变化第四节肌细胞的收缩功能第二节细胞的跨膜信号转导功能细胞的跨膜信号转导功能

多细胞生物体必须具备完善的信号转导系统以协调其正常的生理功能。细胞间传递信息的物质多达几百种：如递质、激素、细胞因子等。跨膜信号转导主要涉及到：胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应等三个环节。跨膜信号转导方式大体有以下三类：①离子通道介导的信号转导③酶偶联受体介导的信号转导②G蛋白偶联受体介导的信号转导细胞的信号分子根据其溶解性通常可分为：①

亲脂性信号分子，甾类激素和甲状腺素等可穿过细胞质膜进入细胞，与细胞质或细胞核中受体结合形成激素--受体复合物，调节基因表达②亲水性信号分子，包括神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素不能穿过靶细胞膜，只能与靶细胞表面受体结合经信号转换机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答

③一氧化氮，能进入细胞直接激活效应酶，参与体内众多的生理病理过程受体(receptor)：一种能够识别和选择性结合某种配基(信号分子)的大分子

当与配基(配体)结合后，通过信号转导(signaltransduction)作用将胞外信号转换为胞内的化学或物理信号，以启动一系列过程和生物学效应。受体的本质：多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域—与配基结合的区域

---产生效应的区域二者分别具有结合特异性和效应特异性。受体分类：根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为:细胞内受体(intracellularreceptor):受胞外亲脂性信号分子激活细胞表面受体(cell-surfacereceptor):受胞外亲水性信号分子激活激素作用的第二信使学说(secondmessengertheory)：胞外化学物质不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，导致胞内产生第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。

ATP细胞外信号分子＋膜受体→腺苷酸→↓—→胞内生理效应（第一信使）环化酶

cAMP

(第二信使)目前公认的第二信使有环磷酸腺苷cAMP、环磷酸鸟苷(cGMP)、三磷酸肌醇(Ip3)、二酰基甘油(DG)、Ca2+

等。

一、离子通道介导的信号转导离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道化学性胞外信号(ACh)ACh+

受体=复合体终板膜变构=离子通道开放Na+内流终板膜电位骨骼肌收缩乙酰胆碱受体的分子组成：由4种亚单位组成的五聚体α2βγδ，每个亚单位都由4个跨膜区段组成，共同围成一个离子通道。乙酰胆碱的结合位点在α亚单位的细胞膜外侧。

根据通道对离子的选择性，可以分为阳离子通道和阴离子通道两类，这与各亚单位靠近通道出、入口处的氨基酸残基所带电荷有密切的关系。阳离子通道(如N—乙酰胆碱通道)入口处的氨基酸多带负电荷阴离子通道(如GABA通道)则多带正电荷。二、G蛋白偶联受体介导的信号转导（一）G蛋白偶联受体有七个跨膜区段形成的多肽链组成3个胞外环、3个胞内环—氨基酸残基受体与配体选择性识别、结合→受体蛋白构型改变→激活G蛋白→将信号依次传至下游的信号分子（二）G蛋白(鸟苷酸结合蛋白)共同特征：1、静息时由αβγ3个亚单位组成三聚体2、两种形式：结合GDP的非活性形式结合GTP的活性形式3、激活后，GDP→GTP.

三聚体→βγ亚单位﹢α亚单位4、α亚单位上有鸟苷酸结合位点、受体与效应蛋白的作用位点，在信号转导中起重要作用。（三）G蛋白效应器受G蛋白活化后作用的一类蛋白质是能催化生成第二信使的酶（腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶）作用：把第一信使（激素、配体）携带的信息传递给第二信使，进而将信号传至胞内。(四）第二信使偶联的受体/离子通道系统受体通过G蛋白与一种酶偶联，酶的活性由递质与受体的结合调节神经递质（第一信使）+受体激活酶催化第二信使合成启动一系列活动影响或调制离子通道特性第二信使产生的暂时分子复合物介导了这些反应第二信使介导的多步反应中，每一步都有级联放大效应腺苷酸环化酶/cAMP-依赖性蛋白激酶系统鸟苷酸环化酶/cGMP-依赖性蛋白激酶系统磷脂酶介导的膜磷脂代谢：

--三磷酸肌醇(IP3)--二酰基甘油(DAG)--花生四稀酸(arachidonicacid,AA)第二信使的种类腺苷酸环化酶/cAMP-依赖性蛋白激酶系统ATP---腺苷酸环化酶

cAMP激活cAMP-依赖性蛋白激酶（两种亚单位组成的四聚体，无活性）cAMP+调节亚单位

cAMP从催化亚单位解离催化蛋白质（丝氨酸、苏氨酸）磷酸化（五）G蛋白偶联受体介导的信号转导途径1、受体-G蛋白-cAMP-PKA信号通路膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：激活G蛋白神经递质、激素等（第一信使）兴奋性G蛋白(GS)激活腺苷酸环化酶(AC)ATPcAMP（第二信使）细胞内生物效应激活cAMP依赖的蛋白激酶A(PKA)结合G蛋白偶联受体激活G蛋白(与β、γ亚单位分离)2、受体-G蛋白-cGMP-PKA通路作用机理与cAMP类似通过NMDA受体起作用的谷氨酸也能激活鸟苷酸环化酶，提高细胞内cGMP水平一氧化氮（NO)可激活鸟苷酸环化酶cGMP作用方式：--可以直接作用于离子通道--通过cGMP-依赖性蛋白激酶介导受体+G蛋白+磷脂酶C

磷脂酰肌醇-4-5-二磷酸（(PIP2)三磷酸肌醇(IP3)

二酰基甘油(DAG)

花生四稀酸（AA)IP3+内质网受体钙通道开放DAG+膜上蛋白激酶C

蛋白质磷酸化AA产生生物活性物质（前列腺素、白三烯），蛋白激酶C活化剂磷脂酶介导的膜磷脂代谢3、受体-G蛋白-磷脂酰肌醇（IP3,DG)信号通路■受体-G蛋白-IP3/Ca2+途径■受体-G蛋白-DG/PKC途径

胞外信号分子+细胞激活质膜上表面G蛋白偶联受体→磷脂酶C(PLC)

→4，5—二磷酸→三磷酸肌醇(IP3)磷脂酰肌醇(PIP2)→二酰基甘油(DG)

→动员内质网Ca2+释放→胞内Ca2+

↑→激活蛋白激酶C(PKC)→底物蛋白磷酸化膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：激活G蛋白激素（第一信使）兴奋性G蛋白(GS)激活磷脂酶C(PLC)PIP2(第二信使）IP3和DG激活蛋白激酶C内质网释放Ca2+激活G蛋白(与β、γ亚单位分离)细胞内生物效应结合G蛋白偶联受体磷脂酰肌醇通路的特点:双信使系统胞外信号被膜受体接受后，同时产生两种胞内信使，分别激动两个信号传递途径（IP3／Ca2+和DG／PKC），实现细胞对外界信号的应答，因此这一信号系统又称为双信使系统(doublemessengersystem)。4.Ca2+信号系统IP3触发钙库释放Ca2+，激活钙结合蛋白（钙调蛋白CaM）三、酶偶联受体介导的信号转导

受体本身具有酶的活性，又称受体酪氨酸激酶。生长因子与受体酪氨酸激酶结合细胞内生物效应膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：具有酪氨酸激酶活性特点：①信号转导与G蛋白无关；②无第二信使的产生；③无细胞质中蛋白激酶的激活。受体酪氨酸激酶介导的信号转导酶偶联受体作用过程：配体+受体→激活受体的酪氨酸蛋白激酶活性→一系列磷酸化级联反应→细胞生理和／或基因表达的改变信号通路的特点：1、不需信号偶联蛋白(G蛋白)2、没有第二信使的产生和细胞质中蛋白激酶的激活3、通过受体本身的酪氨酸蛋白激酶的激活来完成信号跨膜转导。

三、核受体（细胞内受体）存在于胞浆或核内的一类特异蛋白质分类：

类固醇激素受体：肾上腺皮质激素、性激素受体家族

甲状腺激素受体家族

维生素D受体家族受体活化：指核受体由无转录活性→能与靶基因结合，并启动转录的过程核受体活化是配体依赖性的，并受磷酸化修饰第三节细胞的跨膜电变化人体及生物体活细胞在安静和活动时都存在电活动，这种电活动称为生物电现象（bioelectricity）。细胞生物电现象是普遍存在的（心电图、脑电图、肌电图及视网膜电图等）。一、细胞的生物电现象静息电位：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的恒定电位差。动作电位：细胞活动时，细胞膜内外存在的变化的电位波动。（一）静息电位(restingpotential，RP)

1.概念：细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。2.实验现象：3.证明RP的实验：（甲）当A、B电极都位于细胞膜外，无电位改变，证明膜外无电位差。（乙）当A电极位于细胞膜外，B电极插入膜内时，有电位改变，证明膜内、外间有电位差。（丙）当A、B电极都位于细胞膜内，无电位改变，证明膜内无电位差。

4.与RP相关的概念：静息电位:细胞处于相对安静状态时，细胞膜内外存在的电位差。膜电位:因电位差存在于膜的两侧所以又称为膜电位（membranepotential）。习惯叫法:因膜内电位低于膜外，习惯上RP指的是膜内负电位。RP值:哺乳动物的神经、骨骼肌和心肌细胞为-70～-90mV，红细胞约为-10mV左右。RP值描述:RP↑→膜内负电位↑(-70→-90mV)=超极化

RP↓→膜内负电位↓(-70→-50mV)=去极化（二）动作电位(actionpotential,AP)

1.概念：可兴奋细胞受到刺激，细胞膜在静息电位基础上发生一次短暂的、可逆的,并可向周围扩布的电位波动称为动作电位。2.AP实验现象：去极化上升支下降支3.动作电位的图形刺激局部电位阈电位去极化零电位反极化（超射）复极化（负、正）后电位4.动作电位的特征：①是非衰减式传导的电位。②具有“全或无”的现象：即同一细胞上的AP大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象。

5.动作电位的意义：

AP的产生是细胞兴奋的标志。

6.与AP相关的概念:极化:以膜为界，外正内负的状态。去极化:膜内外电位差向小于RP值的方向变化的过程。超极化:膜内外电位差向大于RP值的方向变化的过程。复极化:去极化后再向极化状态恢复的过程。后电位：锋电位下降支最后恢复到RP水平以前，一种时间较长、波动较小的电位变化过程。包括：负后电位=去极化后电位，

正后电位=超去极化后电位。局部电位:低于阈电位的去极化电位。阈电位:引发AP的临界膜电位数值。反极化:细胞膜由外正内负的极化状态变为内正外负的极性反转过程。二、生物电现象的产生机制（一）化学现象

要在膜两侧形成电位差，必须具备两个条件：①膜两侧的离子分布不均，存在浓度差；②对离子有选择性通透的膜。膜两侧[K+]差