細胞生物學CellBiology當前1頁，總共123頁。第五章物質的跨膜運輸與

信號傳遞

物質的跨膜運輸

細胞通訊與信號傳遞

當前2頁，總共123頁。第一節物質的跨膜運輸●被動運輸（passivetransport）●主動運輸（activetransport）●胞吞作用（endocytosis）與胞吐作用（exocytosis）物質的跨膜運輸是細胞維持正常生命活動的基礎之一當前3頁，總共123頁。

第二節細胞通訊與信號傳遞

●細胞通訊與細胞識別 ●細胞的信號分子與受體 ●通過細胞內受體介導的信號傳遞 ●通過細胞表面受體介導的信號跨膜傳遞 ●由細胞表面整聯蛋白介導的信號傳遞 ●細胞信號傳遞的基本特征與蛋白激酶的網絡整合信息當前4頁，總共123頁。被動運輸（passivetransport）

特點：運輸方向、跨膜動力、能量消耗、膜轉運蛋白類型：簡單擴散（simplediffusion）、協助擴散（facilitateddiffusion）膜轉運蛋白：

載體蛋白（carrierproteins）——通透酶（permease）性質； 介導被動運輸與主動運輸。

通道蛋白（channelproteins）——具有離子選擇性，轉運速率高； 離子通道是門控的；只介導被動運輸

類型：電壓門通道（voltage-gatedchannel） 配體門通道（ligand-gatedchannel）壓力激活通道（stress-activatedchannel）

物質運輸的船與橋當前5頁，總共123頁。當前6頁，總共123頁。水通道

水擴散通過人工膜的速率很低，人們推測膜上有水通道。1991年Agre發現第一個水通道蛋白CHIP28（28KD），他將CHIP28的mRNA注入非洲爪蟾的卵母細胞中，在低滲溶液中，卵母細胞迅速膨脹，5分鐘內破裂。細胞的這種吸水膨脹現象會被Hg2+抑制。2003年Agre與離子通道的研究者MacKinnon同獲諾貝爾化學獎。目前在人類細胞中已發現的此類蛋白至少有11種，被命名為水通道蛋白（Aquaporin，AQP）。當前7頁，總共123頁。2003年，美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農，分別因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。

PeterAgreRoderickMacKinnon

當前8頁，總共123頁。主動運輸（activetransport）

●特點：運輸方向、能量消耗、膜轉運蛋白●類型：主動運輸所需的能量來源主要有：三種基本類型

由ATP直接提供能量的主動運輸—

鈉鉀泵（結構與機制）

鈣泵（Ca2+-ATP酶）

質子泵：P-型、V-型、F-型協同運輸（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+-泵）與載體蛋白協同作用， 靠間接消耗ATP所完成的主動運輸方式

當前9頁，總共123頁。胞吞作用（endocytosis）

與胞吐作用（exocytosis）

作用：完成大分子與顆粒性物質的跨膜 運輸，又稱膜泡運輸或批量運輸 （bulktransport）。屬于主動運輸。

●胞吞作用

●胞吐作用當前10頁，總共123頁。胞吞作用

●胞飲作用（pinocytosis）與吞噬作用（phagocytosis）。 胞飲作用與吞噬作用主要有三點區別●受體介導的內吞作用及包被的組裝細胞代表中性顆粒白細胞和巨噬細胞原生動物白細胞、腎細胞、小腸上皮細胞、肝巨噬細胞和植物細胞當前11頁，總共123頁。

胞吐作用

●組成型的外排途徑（constitutiveexocytosispathway） 所有真核細胞，連續分泌過程，用于質膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基質組分、營養或信號分子）。defaultpathway：除某些有特殊標志的駐留蛋白和調節型分泌泡外，其余蛋白的轉運途徑：粗面內質網→高爾基體→分泌泡→細胞表面 ●調節型外排途徑（regulatedexocytosispathway） 特化的分泌細胞，儲存——刺激——釋放，產生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分選機制，分選信號存在于蛋白本身，分選主要由高爾基體TGN上的受體類蛋白來決定 ●膜流：動態過程對質膜更新和維持細胞的生存與生長是必要的 ●囊泡與靶膜的識別與融合當前12頁，總共123頁。細胞通訊與細胞識別●細胞通訊（cellcommunication）●細胞識別（cellrecognition）當前13頁，總共123頁。細胞通訊（cellcommunication）

一個細胞發出的信息通過介質傳遞到另一個細胞產生相應的反應。細胞間的通訊對于多細胞生物體的發生和組織的構建，協調細胞的功能，控制細胞的生長、分裂、分化和凋亡是必須的。

●細胞通訊方式：

分泌化學信號進行通訊

內分泌（endocrine）

旁分泌（paracrine）

自分泌（autocrine）

化學突觸（chemicalsynapse）

接觸性依賴的通訊 細胞間直接接觸，信號分子與受體都是細胞的跨膜蛋白

間隙連接實現代謝偶聯或電偶聯當前14頁，總共123頁。細胞識別（cellrecognition）

●概念： 細胞通過其表面的受體與胞外信號物質分子（配體）選擇性地相互作用，進而導致胞內一系列生理生化變化，最終表現為細胞整體的生物學效應的過程。●信號通路（signalingpathway） 細胞識別是通過各種不同的信號通路實現的。 細胞接受外界信號，通過一整套特定的機制，將胞外信號轉導為胞內信號，最終調節特定基因的表達，引起細胞的應答反應，這種反應系列稱之為細胞信號通路。當前15頁，總共123頁。細胞的信號分子與受體

●信號分子（signalmolecule）

親脂性信號分子甾醇類激素（性激素、腎上腺皮質激素、蛻皮激素等）。

親水性信號分子神經遞質、生長因子、細胞因子、局部化學遞質和大部分激素。

氣體性信號分子(NO)

●受體（receptor）多為糖蛋白 ●第二信使（secondmessenger）和分子開關（molecularswitches））

榮獲1971年諾貝爾獎！當前16頁，總共123頁。●受體的類型

細胞內受體:為胞外親脂性信號分子所激活

激素激活的基因調控蛋白（胞內受體超家族）細胞表面受體:為胞外親水性信號分子所激活

細胞表面受體分屬三大家族：離子通道偶聯的受體（ion-channel-linkedreceptor）G-蛋白偶聯的受體（G-protein-linkedreceptor）酶偶連的受體（enzyme-linkedreceptor）當前17頁，總共123頁。受體的功能：

介導物質跨膜運輸(受體介導的內吞作用)信號轉導：受體的激活（activation）（級聯反應）；受體失敏（desensitization）關閉反應；減量調節（down-regulation）降低反應。當前18頁，總共123頁。cyclicAMP第一信使IP3/DAGCa2+ArachidonicAcidNitricOxidecyclicGMP

第二信使（secondarymessenger）

細胞外信號分子作用于細胞膜上的受體后，誘導產生的細胞內信號分子。當前19頁，總共123頁。通過細胞內受體介導的信號傳遞●甾類激素介導的信號通路

兩步反應階段：

初級反應階段：直接活化少數特殊基因轉錄，發生迅速；次級反應：初級反應產物再活化其它基因產生延遲的放大作用

當前20頁，總共123頁。通過細胞內受體介導的信號傳遞●一氧化氮介導的信號通路

NO作用于鄰近細胞。NO在血管內皮細胞和神經細胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L精氨酸為底物，NADPH為電子供體，生成NO和L瓜氨酸。

NO的作用機理：-乙酰膽堿→血管內皮→Ca2+濃度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌細胞→鳥苷酸環化酶→cGMP→血管平滑肌細胞的Ca2+離子濃度下降→平滑肌舒張→血管擴張、血流通暢。

硝酸甘油治療心絞痛：硝酸甘油轉化為NO，舒張血管，減輕心臟負擔和心肌需氧量。

榮獲1998年諾貝爾獎！當前21頁，總共123頁。1998年R．Furchgott等三位美國科學家因對NO信號轉導機制的研究而獲得諾貝爾生理和醫學獎。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

當前22頁，總共123頁。通過細胞表面受體(膜受體)介導的

信號跨膜傳遞

●膜受體的結構●膜受體的類型●膜受體的生物學特征●信號跨膜傳遞當前23頁，總共123頁。膜受體的結構識別部

(discriminator）受體向著細胞外部分，多為糖蛋白的糖鏈，可識別不同的配體，狹義受體指此部位。識別部轉換部效應部轉換部（transducer）：識別部與效應部之間的偶聯部分，將識別部所接受的信號經過轉換傳給效應部。效應部（effector）：受體向著細胞質的部分，一般具有酶的活性，配體與受體結合前，它是無活性的，只有受體與配體結合后才被激活，引起一系列變化，產生相應的生物效應。當前24頁，總共123頁。膜受體的生物學特征1.特異性

2.高親和性3.飽和性4.可逆性5.特定的細胞定位當前25頁，總共123頁。膜受體的類型

●離子通道偶聯的受體

●G-蛋白偶聯的受體

●酶偶聯的受體(催化性受體)當前26頁，總共123頁。當前27頁，總共123頁。Cellsurfacereceptors當前28頁，總共123頁。通過細胞表面受體(膜受體)介導的信號跨膜傳遞

●離子通道偶聯的受體介導的信號跨膜傳遞

●G-蛋白偶聯的受體介導的信號跨膜傳遞

●酶偶聯的受體(催化性受體)介導的信號跨膜傳遞當前29頁，總共123頁。離子通道偶聯受體介導的信號跨膜傳遞由多亞基組成的受體-離子通道復合體，本身既有信號結合位點，又是離子通道。特點：

受體/離子通道復合體，四次/六次跨膜蛋白

跨膜信號轉導無需中間步驟

主要存在于神經細胞或其他可興奮細胞間的突觸信號傳遞

有選擇性：配體的特異性選擇和運輸離子的選擇性當前30頁，總共123頁。

離子通道受體（ionchannelreceptor）本身是離子通道，或者與離子通道相偶聯，離子通道的開關受細胞外配體的調節。例如：N-乙酰膽堿受體。當前31頁，總共123頁。G-蛋白偶聯受體介導的

信號跨膜傳遞●cAMP信號通路●磷脂酰肌醇信號通路配體-受體復合物與靶細胞（酶或離子通道）的作用要通過與G蛋白的偶聯，在細胞內產生第二信使，從而將胞外信號跨膜傳遞到胞內，影響細胞的行為。根據產生第二信使的不同分為：當前32頁，總共123頁。偶聯G蛋白受體（G-protein-linkedreceptor）是指受體和酶或離子通道之間的相互作用通過一種結合GTP的調節蛋白（GTP-bindingregulatoryprotein）介導來完成。例如M-乙酰膽堿受體、β腎上腺素受體。

當前33頁，總共123頁。

偶聯G蛋白受體結構當前34頁，總共123頁。3/8/2023G蛋白偶聯受體①多種神經遞質、肽類激素和趨化因子的受體。②味覺、視覺和嗅覺感受器。當前35頁，總共123頁。2004年Axel和Buck因發現氣味受體和化學感受器系統的組成而獲諾貝爾生理與醫學獎。RichardAxelLindaB.Buck當前36頁，總共123頁。G蛋白的結構

G蛋白是三聚體GTP結合調節蛋白。由аβγ三個亞基組成βγ二聚體通過共價結合錨于膜上起穩定а作用，а亞基具有GTP酶活性當前37頁，總共123頁。cAMP信號通路反應鏈：激素→G-蛋白偶聯受體→G-蛋白→腺苷酸環化酶→cAMP→ cAMP依賴的蛋白激酶A→基因調控蛋白→基因轉錄組分及其分析

G-蛋白偶聯的受體

G-蛋白活化與調節

效應酶——腺苷酸環化酶

當前38頁，總共123頁。cAMP信號體系的組成

cAMP信號體系5種成分：Rs:激活型激素受體Gs:與GDP結合的活化型調節受體Ri:抑制型激素受體Gi:與GDP結合的抑制型調節受體AC:腺苷酸環化酶

當前39頁，總共123頁。5種成分：Rs:激活型激素受體Gs:與GDP結合的活化型調節受體Ri:抑制型激素受體Gi:與GDP結合的抑制型調節受體AC:腺苷酸環化酶

當前40頁，總共123頁。刺激型cAMP信號體系當前41頁，總共123頁。刺激型cAMP信號體系當前42頁，總共123頁。刺激型cAMP信號體系當前43頁，總共123頁。抑制型cAMP信號體系RαsβγcyclaseRβγαicyclase抑制腺苷酸環化酶活性L當前44頁，總共123頁。當前45頁，總共123頁。亞基---被異戊酰化（isoprenylated）修飾連在膜上；亞基---被豆蔻酸化（myristoylated）修飾連在膜上。當前46頁，總共123頁。cAMP的形成與降解腺苷酸環化酶磷酸二酯酶當前47頁，總共123頁。cAMP的生物學效應：特異性活化蛋白激酶A139調節亞基無活性催化亞基cAMP-調節亞基復合物活化的催化亞基無活性蛋白激酶A當前48頁，總共123頁。cAMP信號體系產生生物學效應（例）139無活性磷酸化激酶有活性磷酸化激酶無活性糖原磷酸化酶有活性糖原磷酸化酶糖原1-磷酸葡萄糖當前49頁，總共123頁。（cAMP應答元件結合蛋白）當前50頁，總共123頁。磷脂酰肌醇信號通路

“雙信使系統”反應鏈：胞外信號分子→G-蛋白偶聯受體→G-蛋白→

→IP3→胞內Ca2+濃度升高→Ca2+結合蛋白(CaM)→細胞反應磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交換使胞內pH

當前51頁，總共123頁。酶偶聯的受體或催化受體（catalyticreceptor）受體的胞質側部分具有酪氨酸蛋白激酶活性。當配體與受體結合后，可激活其酪氨酸蛋白激酶活性，使靶蛋白的酪氨酸殘基磷酸化，觸發細胞內一系列生理活動的變化。例如：EGF受體。當前52頁，總共123頁。①單次跨膜蛋白；②接受配體后發生二聚化，啟動下游信號轉導。酶偶聯的受體當前53頁，總共123頁。酶偶聯的受體包括5類：受體酪氨酸激酶

受體絲氨酸/蘇氨酸激酶受體酪氨酸磷酸酯酶受體鳥苷酸環化酶（ANPs-signals）酪氨酸蛋白激酶聯系的受體

當前54頁，總共123頁。受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路

受體酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs） 是細胞表面一大類重要酶聯受體家族。包括6個亞族

信號轉導：配體→受體→受體二聚化→受體的自磷酸化→激活RTK→胞內信號蛋白→啟動信號傳導當前55頁，總共123頁。受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路

RTK-Ras信號通路的基本模式：

配體→RTK→adaptor←GRF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→進入細胞核→其它激酶或基因調控蛋白（轉錄因子）的磷酸化修鈽。功能：調節細胞的增值與分化，促進細胞存活，細胞代謝過程中的調節與校正作用蛋白激酶磷酸化級聯反應的步驟

當前56頁，總共123頁。受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路RTK結合蛋白（接頭蛋白:GRB-2）--信號分子間的識別結構域

SH2結構域：介導信號分子與含磷酸酪氨酸的蛋白結合-受體。SH3結構域：介導信號分子與富含脯氨酸的蛋白結合-GRF(鳥苷酸釋放因子)或Sos蛋白（Ras蛋白激活因子）。Ras具有分子開關作用：失活態→活化態：鳥苷酸釋放因子（GRF:SH3）接頭蛋白SH2---Ras激活蛋白活化態→失活態:GTP酶活化蛋白（GAP:SH2）---Ras蛋白結合的GTP水解成GDPG蛋白大G蛋白小分子量G蛋白：如Ras蛋白當前57頁，總共123頁。由細胞表面整聯蛋白介導的信號傳遞●整聯蛋白與粘著斑●通過粘著斑由整聯蛋白介導的信號傳遞通路：由細胞表面到細胞核的信號通路由細胞表面到細胞質核糖體的信號通路當前58頁，總共123頁。細胞信號傳遞的基本特征

與蛋白激酶的網絡整合信息●細胞信號傳遞是多通路、多環節、多層次和高度復雜的可控過程。細胞信號傳遞的基本特征：具有收斂（convergence）或發散（divergence）的特點細胞的信號傳導既具有專一性又有作用機制的相似性信號的放大作用和信號所啟動的作用的終止并存細胞以不同的方式產生對信號的適應(失敏與減量調節)●細胞信號傳遞構成復雜的網絡系統，具有高度的非線性特點，即信號網絡系統中各通路之間存在crosstalking的相互關系.蛋白激酶的網絡整合信息與信號網絡系統中的crosstalking

當前59頁，總共123頁。乙醛酸循環體過氧化物酶體當前60頁，總共123頁。109疏水分子小的不帶電荷的極性分子甘油乙醇葡萄糖離子較大不帶電荷的極性分子當前61頁，總共123頁。簡單擴散與協助擴散的比較

特點：

①比自由擴散轉運速率高；②運輸速率同物質濃度成非線性關系；③特異性；飽和性。當前62頁，總共123頁。110當前63頁，總共123頁。

載體蛋白是存在于細胞膜上的多次跨膜的蛋白分子。每種載體蛋白能與特定的溶質分子結合，通過一系列構象的改變介導溶質分子的跨膜轉運。

載體蛋白的特點：有特異性的結合位點；轉運過程具有飽和動力學特征；可被競爭性抑制和非競爭性抑制。當前64頁，總共123頁。110載體蛋白通過構象改變介導溶質被動運輸的假象模型當前65頁，總共123頁。載體蛋白介導的協助擴散

通過載體蛋白與特定物質相結合，發生可逆性構象變化，順濃度梯度進行物質運輸。當前66頁，總共123頁。（1）通道蛋白：通道蛋白所介導的被動運輸不需要與溶質分子結合，它橫跨膜形成親水通道，允許適宜大小的分子和帶電荷的離子通過。當前67頁，總共123頁。111電壓門控型配體門控型（胞外配體）配體門控型（胞內配體）壓力激活型胞質側當前68頁，總共123頁。載體蛋白船通道蛋白橋當前69頁，總共123頁。112偶聯轉運蛋白ATP驅動泵光驅動泵電化學梯度當前70頁，總共123頁。寡糖當前71頁，總共123頁。當前72頁，總共123頁。ATPADP激發酶活性構象改變構象改變去磷酸化構象改變Na+-K+泵的工作機制當前73頁，總共123頁。Na+-K+泵的工作機制當前74頁，總共123頁。質子泵1、P型：利用ATP自磷酸化發生構象的改變來轉移質子如植物細胞膜上的H+泵、動物胃表皮細胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。

2、V型：存在于各類小泡膜上，水解ATP產生能量，但不發生自磷酸化，位于溶酶體膜、內體、植物液泡膜上。3、F型：利用質子動力勢合成ATP，即ATP合酶，位于細菌質膜、線粒體內膜、類囊體膜上。當前75頁，總共123頁。P型當前76頁，總共123頁。V型當前77頁，總共123頁。F型當前78頁，總共123頁。載體蛋白的單運輸、共運輸和對向運輸當前79頁，總共123頁。共運輸當前80頁，總共123頁。對向運輸當前81頁，總共123頁。腸上皮細胞的轉運蛋白不對稱分布造成葡萄糖從腸腔到血液的跨細胞膜轉運當前82頁，總共123頁。在動物、植物細胞由載體蛋白介導的協同運輸異同點的比較Na+驅動的共運輸H+驅動的共運輸當前83頁，總共123頁。當前84頁，總共123頁。當前85頁，總共123頁。有被小泡形成轉運分子受體胞外區胞質轉運分子成籠蛋白接合素蛋白脫去衣被接合素蛋白在參與衣被形成中的作用圖解接合素蛋白光滑小泡當前86頁，總共123頁。當前87頁，總共123頁。巨噬細胞吞噬衰老的紅細胞當前88頁，總共123頁。當前89頁，總共123頁。3/8/2023質膜有被小泡光滑小泡晚期內吞體運輸小泡溶酶體水解酶脫去衣被早期內吞體出芽LDL受體再循環游離膽固醇細胞經有被小泡以LDL顆粒的形式吸收膽固醇的過程圖解LDL內吞LDL受體酸性環境：LDL與LDL受體分離LDLLDL顆粒中的蛋白質分子可為LDL顆粒與LDL受體的結合提供結合位點：當前90頁，總共123頁。受體介導膽固醇的胞吞作用低密度脂蛋白的形成當前91頁，總共123頁。受體介導的胞吞作用低密度脂蛋白（LDL）轉運膽固醇；LDL與細胞表面的LDL受體結合；細胞膜內陷形成有被小窩，進而形成有被小泡；有被小泡脫被形成胞內體；當前92頁，總共123頁。受體介導的胞吞作用胞內體融合，胞內體的低pH使LDL與LDL受體分離；LDL受體返回細胞表面再利用；胞內體與溶酶體融合，LDL被分解，膽固醇釋放。當前93頁，總共123頁。網格蛋白與三腳蛋白復合體當前94頁，總共123頁。三腳蛋白復合體構成籃網結構

當前95頁，總共123頁。當前96頁，總共123頁。122組成型分泌調節型分泌激素或神經遞質受調節膜融合非調節性膜融合高爾基體組成型分泌新合成的可溶性蛋白儲存分泌蛋白的分泌泡當前97頁，總共123頁。當前98頁，總共123頁。Rab是小分子GTP結合蛋白Ras超家族中最大的亞家族,在囊泡運輸的不同階段發揮著調節作用。在與GTP結合后,Rab可募集特異的效應蛋白到膜上。近來發現,許多Rab可募集與微管和肌動蛋白相關的馬達分子到靶膜,從而調節相應囊泡的轉運。Rab所具有的分子開關特性,使其可在空間和時間上對囊泡轉運進行調控。Rab27A是Ras超家族中唯一一個明確涉及到人類遺傳性疾病的成員.Rab27A對人乳腺癌細胞生物學特性產生影響當前99頁，總共123頁。當前100頁，總共123頁。滲透性當前101頁，總共123頁。當前102頁，總共123頁。當前103頁，總共123頁。通過磷酸化傳遞信號通過結合蛋白傳遞信號激酶磷酸酶分子開關蛋白：在細胞內一系列信號傳遞的級聯反應中，作為分子開關的蛋白質，含有精確控制正、負兩種相輔相成反饋機制。細胞內信號傳導過程中兩類分子開關蛋白當前104頁，總共123頁。（A）細胞內受體蛋白作用模型;（B）幾種胞內受體蛋白超家族成員激素結合位點擬制蛋白復合物DNA結合結構域轉錄激活結構域鉸鏈區DNA結合部位暴露皮質醇受體雌激素受體孕酮受體維生素D受體甲狀腺素受體視黃酸受體甾類激素當前105頁，總共123頁。當前106頁，總共123頁。谷氨酸、乙酰膽堿、組胺等（Ca2+/鈣調素敏感蛋白）一氧化氮信號(NOS)當前107頁，總共123頁。當前108頁，總共123頁。當前109頁，總共123頁。甘油二酯、三磷酸肌醇雙信使的產生及效應