中国医科大学生理学-02-2细胞的跨膜信号转导功能
生理学-2细胞2-202
多种 蛋白 被活化
细胞 效应
6 钙离子激活 其他蛋白质
实例：M1-ACh受体介导的信号转导
三、酶耦联受体介导的信号转导
Signal transduction mediated by receptor-enzymes
酪氨酸激酶受体——受体分子具有酶的活性，即受体与酶 是同一蛋白分子（多种激素、生长因子、细胞因子）
鸟苷酸环化酶受体 （ guanylyl cyclase receptor） 配体 鸟苷酸环化酶（GC）受体
GTP
cGMP
(激活)蛋白激酶G(PKG)
底物蛋白磷酸化
生物效应
五、招募型受体介导的信号转导
胞内部分没有酶活性， 但当胞外域与配体结 合后，胞内域可招募 激酶或转接蛋白，激 活下游信号转导通路
跨膜信号转导
真核细胞内主要的跨膜信息转导途径大致可归 纳为：
离子通道受体介导的信号转导 G蛋白耦联受体介导的信号转导 酶联型受体介导的信号转导 招募型受体介导的信号转导 核受体介导的信号转导
二、离子通道型受体介导的信号转导
Signal transduction mediated by ion channel receptors
信号分子
3. G蛋白效应器（G Protein effector）
酶类：腺苷酸环化酶（AC），磷脂酶C（PLC）， 磷酸酶A2（PLA2)，磷酸二酯酶（PDE）
通道类
根据效应器种类的不同，G-protein 介导的信号转导途径 主要有以下几种类型： (1) 受体-G蛋白-AC途径 (2)受体-G蛋白-PLC途径 (3) G蛋白-离子通道途径
第二章 细胞的基本功能
Chapter 2. Basic function of the Cells
《细胞的基本功能》第二节 细胞的跨膜信号转导功能
• 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
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）。
IP3触发钙库释放Ca2+，激活钙结合蛋白（钙 调蛋白CaM）
பைடு நூலகம்
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 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
细胞内生物效应
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。
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
3、受体- G蛋白-磷脂酰肌醇（IP3,DG)信号 通路
磷脂酶介导的膜磷脂代谢
细胞的跨膜信号转导
细胞内信使
cAMP↑ cAMPຫໍສະໝຸດ Ca2+、IP3、DAG↑ cGMP↓
靶分子
PKA活性↑ PKA活性↓ PKC活化↑ Na+通道关闭
G蛋白的种类很多，每一类还有许多亚型
不同的G蛋白可激活不同的酶，产生不同的信使分子
（一）参与转导的信号分子
3．G 蛋白效应器（G protein effector）
（一）参与转导的信号分子
1. G蛋白偶联受体 2. G蛋白（鸟苷酸结合蛋白） 3. G 蛋白效应器 4. 第二信使
（一）参与转导的信号分子
1. G蛋白偶联受体：与配体结合后，通过构象变化结合 并激活G蛋白。
通过G蛋白发挥作用→称为G蛋白偶联受体； 不具备通道结构，无酶活性； 种类繁多，每种受体都由一条包含7次跨膜α螺旋
旁分泌(paracrine) 自分泌(autocrine)
化学突触(chemical synapse)
③ 间隙连接：如电突触、闰盘
④ 外泌体(exosomes )：
跨膜信号转导的基本过程
三个阶段：
胞外信 号的识别
胞内信 号转换和
放大
胞内效 应产生
构成信号转导系统的要素
❖ 受体：是一类存在于靶细胞膜上或胞内可识别并结合外
(1)主要是指催化生成（或分解）第二信使的酶
① 腺苷酸环化酶（adenylate cyclase, AC），作用是 催化细胞内的ATP生成第二信使cAMP;
② 磷脂酶C（phospholipas C, PLC），可催化细胞 膜上的磷脂酰肌醇生成第二信使DG和IP3；
③ 磷酸二酯酶（phosphodiesterase, PDE），可以水 解胞内的第二信使cGMP；
细胞的跨膜信号传递功能
第三节 细胞的跨膜电变化
(一) 神经和骨骼肌的生物电现象 神经-肌肉标本实验提示生物电现象的存在和意义. 兴奋性和兴奋概念的发展:
兴奋性: 活的组织和细胞对外界刺激发生反应的能力. 具有兴奋性的细胞 (组织) 称为可兴奋细胞(组织).
(一) 单一细胞的跨膜静息电位和动作电位
• 细胞水平的生物电现象的观察和记录方法 微电极细胞外记录和细胞内记录:
• 细胞水平的生物电现象主要二种形式: 安静时保持的静息电位 受刺激时产生的动作电位
静息电位 (resting potential): 指细胞未受刺激时 存在于细胞膜内外 两侧的电位差. 故 也称跨膜静息电位.
也可随代谢活动或功能状况而变.
动作电位
(action potential) 可兴奋细胞受到刺激而兴 奋时, 在膜两侧所产生的快 速的、可逆的，并有扩布 性的电位倒转。 极化: polarization, 去极化: depolarization, 复极化: repolarization.
超极化: hyperpolarization,
• 电压门控通道 (voltage-gated channel) Na+,Ca+
K+
• 机械门控通道 (mechanically channel)
(二) 由膜的特异受体蛋白、G蛋白和膜的效应酶组成的 跨膜信号传递系统
受体 G-protein-coupled Metabotropic
G-蛋白
第二节 细胞的跨膜信号传递功能
一、跨膜信号转导概念的提出 不同形式的细胞接受不同的外来信号的刺激并引起相 应的反应时,存在着明显的共性: • 信号通常不进入细胞或直接影响细胞内过程, 先作用 于细胞表面(类固醇激素和甲状腺素除外),通过膜蛋白 的变构,以新的信号形式传递到膜内,引发细胞功能改变. 跨膜信号转导 (transmembrane signal transduction) 跨膜信号传递 (transmembrane signaling) • 信号和细胞反应形式多种,但传导过程都是通过少数 几类方式或途径实现的.
生命活动中跨膜传输和信号转导的机制研究
生命活动中跨膜传输和信号转导的机制研究生命活动是一个极其复杂的过程，需要涉及许多关键机制的调控。
其中，跨膜传输和信号转导是生命活动中的两个重要机制，负责许多生理过程的实现。
这些过程包括细胞内外分子间的相互作用、细胞间通讯、细胞分裂与增殖、细胞死亡等。
本文将介绍跨膜传输和信号转导的基本机制，并会谈到相关的研究工作。
一、跨膜传输跨膜传输是指分子跨越细胞膜，在细胞内外之间进行运输和传递。
细胞膜是由磷脂双层、膜蛋白等多种分子组成的，能够具备生物分子交流的媒介。
在跨膜传输过程中，需要突破细胞膜的这种生理屏障，通过某些通道等方式将物质跨越其中，实现内外分子的交流和运输。
1. 膜通道膜通道是指一些膜蛋白构成的贯通细胞膜的通道，不同的膜通道结构和度分子通过的机制不同。
离子通道就是一种具有典型代表意义的膜通道，负责跨膜离子传递。
离子通道是膜蛋白的一个主要类别，能够诱导阵发性的电势变化，从而影响细胞的生理行为。
目前，已经分离出数百种离子通道，其中包括电压门控离子通道、受体激活离子通道等多种类型。
这些离子通道的研究，为治疗一些离子通道的疾病提供了新的途径。
2. 糖蛋白糖蛋白具有复杂的糖基结构，因此在跨膜传输中的作用尤为关键。
糖蛋白负责细胞在体内外进行交流，成为了生物学界广泛关注的研究对象。
目前已经发现，糖蛋白最主要的功能是作为细胞表面重要的受体，对于调节细胞信号传递和作用很关键。
同时，糖蛋白还具有免疫调控、细胞-细胞粘附、细胞-基质黏附等多种重要的生物学作用。
二、信号转导信号转导是指生物体内外分子通过一系列复杂的过程传递信息和调节细胞行为的过程。
信号转导机制是生物体内重要调节系统之一，能够对内源性、外源性刺激产生的信息进行识别、转导和响应。
通过细胞膜、细胞内分子间信息和能量传递，实现内外世界之间联络。
信号转导对于细胞的生长、增殖、分化、凋亡、应激反应、免疫调节等生理过程具有重要的调控作用。
1. 信号修饰通常情况下，细胞外信号分子与细胞膜上的相关结构或配体结合后，会引起一系列内部反应。
第二节细胞的跨膜信号传递功能
第二节细胞的跨膜信号传递功能第二节细胞的跨膜信号传递功能不论是单细胞生物或组成多细胞有机体的每一个细胞，在它们的生命过程中，都会不断受到来自外部环境的各种理化因素的影响。
在多细胞动物，由于绝大多数细胞是生活在直接浸浴它们的细胞外液、即内环境之中，因此出现在内环境中的各种化学分子，是它们最常能感受到的外来刺激：这不仅是指存在于细胞外液中的激素或其他体液性调节因子；而且就是在神经调节过程中，当神经信息由一个神经元向其他神经元传递或由神经元传给它的效应器细胞时，在绝大多数情况下，也都要通过一种或多种神经递质和调质为中介，通过这些化学分子在距离极小的突触间隙液中的扩散，才能作用到下一级神经元或效应器细胞。
尽管激素和递质（或调质）等分子作为化学信号在细胞外液中播散的距离和范围有所不同，但对接受它们影响的靶细胞并不存在本质的差别。
细胞外液中的各种化学分子，并不需要自身进入它们的靶细胞后才能起作用（一些脂溶性的小分子类固醇激素和甲状腺激素例外，详见第十一章）它们大多数是选择性地同靶细胞膜上具有特异的受体性结构相结合，再通过跨膜信号传递（ transembrane signaling）或跨膜信号转换（transmembrane sognal transduction）过程，最后才间接地引起靶细胞膜的电变化或其他细胞内功能的改变。
机体和细胞也可能受到化学信号以外的其他性质的刺激，如机械的、电的和一定波长电磁波等来自外界环境的刺激的影响；但在动物进化的过程中，这些刺激信号大都由一些在结构和功能上高度分化了的特殊的感受器细胞来感受，引起相应的感受器细胞出现某种电反应。
仔细分析各种感受器细胞接受它们所能感受的某种特异刺激信号的过程时发现（如耳蜗毛细胞接受声波振动和视网膜光感受细胞接受光刺激等），它们也涉及到外来刺激信号的跨膜传递，即刺激信号也要先作用于膜结构中的感受性结构，才能引起感受器细胞的电变化和随后的传入神经冲动。
细胞的跨膜信号转导功能
静息电位（resting potential，RP）是指细胞在静 息状态下（未受刺激）存在于细胞膜两侧的电位差。
生 理 学
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生 理 学
细胞的跨膜信号转 导功能
细胞的跨膜信号转导功能
机体各种器官、组织和细胞的活动是相互联系的， 通过神经和体液调节成为一个有机整体，并与环境相适 应。因此，细胞之间必须存在传递信息的信号交流机 制，保证机体功能活动的完整性和统一性。能在细胞间 传递信息，并能与受体发生特异性结合的信号物质称为 配体（ligand），如神经递质、激素、细胞因子等。
细胞的跨膜信号转导功能
三、 酶耦联型受体介导的信号转导
酶耦联型受体（enzyme-linked receptor）是 存在于细胞膜上的一些蛋白质，它们既有受体的作 用，又有酶的活性，或能激活与之相连的酶，从而 能够完成信号的转导。其中，较重要的有酪氨酸激 酶受体、鸟苷酸环化酶受体和酪氨酸激酶结合型受 体三种类型。
细胞的跨膜信号转导功能
1.酪氨酸激酶受体
酪氨酸激酶受体的配 体结合位点位于细胞 外侧，而伸入细胞质 的一侧具有酪氨酸激 酶活性。
鸟苷酸环化酶受体 的配体结合位点位 于细胞外侧，而胞 质的一侧则具有鸟 苷酸环化酶活性。
酪氨酸激酶结合型受 体本身没有蛋白激酶 活性，但其与细胞外 配体结合后，引起细 胞内效应。
细胞的跨膜信号转导功能
一、 G蛋白耦联受体介导的信号转导
图 1-8 G 蛋白耦联受体介导的信号转导示意图
细胞的跨膜信号转导功能
二、 离子通道型受体介导的信号转导
离子通道型受体是一种同时具有受体和离子通道 两种功能的蛋白质，通常是指化学门控通道。通道 的开放（或关闭）不仅涉及离子的跨膜转运，还可 以实现化学信号的跨膜转导，因而这一信号转导途 径称为离子通道型受体介导的信号转导。
细胞的跨膜信号转导
细胞的跨膜信号转导1、跨膜信号转导或跨膜信号传递的共性各种外界信号(物理、生物、化学等信号)↓膜蛋白构型变化↓信号传递到膜内↓靶细胞功能变化(如电变化)２、跨膜信号转导的方式有3种:①离子通道介导②G蛋白耦联介导③酶耦联受体介导3、受体定义:能与激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并引起其功能的改变的生物大分子分类:部位——胞膜、胞浆、胞核受体配基——胆碱能、肾上腺素能、多巴胺能受体结构——离子通道、Ｇ蛋白、酶、转录调控受体特征: ①高度特异性②饱与性③竞争抑制④亲与力⑤可逆性⑥高效性功能:①识别与结合②传递信息一、由离子通道介导的跨膜信号传导(一)、化学门控通道——配体门控通道定义:当膜外特定的化学信号(配体)与膜上的受体结合后通道就开放,因而称为化学门控通道或配体门控通道,也称为通道型受体分布:神经元突触后膜,肌细胞终板膜受体—化学信号结合位点-促离子型受体转到途径:化学信号膜通道蛋白↘↙通道蛋白变构↓通道开放↓离子异化扩散↓完成跨膜信号传导↓产生效应(二)、电压门控通道分布在除突触后膜与终板膜以外的细胞膜(三)、机械门控通道定义:感受机械刺激引发细胞功能改变的通道结构二、由G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导1、G蛋白耦联受体就是一种与细胞内侧Ｇ蛋白的激活有关的独立受体蛋白质分子2、G蛋白就是鸟苷酸结合蛋白:G蛋白未被激活时,她与一个分子的GDP结合,G蛋白的激活很短暂3、G蛋白效应器,:催化生成第二信使的酶与离子通道４、蛋白激酶:丝氨酸∕苏氨酸激酶可就是底物蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化, 包括:蛋白激酶A、蛋白激酶G、蛋白激酶C5、几条主要跨膜信号转导途径①受体－G蛋白－AC信号转导途径Gs ＡTP→cＡＭP↑﹢↗↘﹢﹢↗↘配体+受体Ａ C PKA﹢↘↗﹣﹣↘↗GｉＡTP→ｃAMＰ↑②受体-Ｇ蛋白－ＰＬＣ信号转导途径IP3+IP３受体→内质网或肌浆网释放Ga+ＰLC ↗PIL2→→→Gｉ﹨Gp↘DG→→受体。
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二、几种主要的跨膜信号转导方式
(一）通过通道蛋白质完成的跨膜信号 转导（三类通道） 转导（三类通道） 1.化学门控通道 化学门控通道： 1.化学门控通道： 化学物质（递质、激素） 化学物质（递质、激素）→膜上 通道型受体蛋白→形成通道、 通道型受体蛋白→形成通道、允 许离子通过，故称促离子型受体。 许离子通过，故称促离子型受体。
（二）跨膜信号转导的特征： 跨膜信号转导的特征：
1.各类刺激信号只改变膜结构中一种或 1.各类刺激信号只改变膜结构中一种或 数种蛋白质分子结构， 数种蛋白质分子结构，从而将细胞外 的信息转变成细胞内的信息， 的信息转变成细胞内的信息，这一信 息引发细胞功能变化。 息引发细胞功能变化。 2.体内需要转导的信号数 体内需要转导的信号数， 2.体内需要转导的信号数，接受信号的 靶细胞种类以及引发的功能变化都是 多样的， 多样的，但它们的转导过程仅限少数 途径。 途径。
（二）由膜的特异性受体蛋白、Ｇ蛋白 由膜的特异性受体蛋白、Ｇ蛋白 、Ｇ 和膜的效应器酶组成的跨膜信号 转导系统 1.激素结合膜上[G蛋白耦联 激素结合膜上[G蛋白耦联] 1.激素结合膜上[G蛋白耦联]受体 亚单位结合GTP→G蛋白(+) GTP→G蛋白 →α亚单位结合GTP→G蛋白(+) 2.Ｇ蛋白(+)→(膜效应器酶) (+)→(膜效应器酶 2.Ｇ蛋白(+)→(膜效应器酶)腺苷 酸环化酶(+) 酸环化酶(+) ↓(细胞内 细胞内) 3. ↓(细胞内) ATP →cAMP↑(第二信使) →cAMP↑(第二信使) 第二信使
Ｇ蛋白耦联受体也称促代谢性受体， 蛋白耦联受体也称促代谢性受体， 效应器酶除腺苷酸环化酶外，还有磷 效应器酶除腺苷酸环化酶外， 脂酶Ｃ； 脂酶Ｃ； 第二信使除cAMP外还有IP 第二信使除cAMP外还有IP3（三磷酸 cAMP外还有 肌醇）、DG（二酰甘油）、钙离子等 ）、DG 肌醇）、DG（二酰甘油）、钙离子等 ）、
( 三)
由酪氨酸激酶受体完 成的跨膜信号转导
肽类激素 结合膜受体蛋白膜外肽段 细胞因子 膜内肽段激活 激活的膜内肽段有磷酸激酶活性： 激活的膜内肽段有磷酸激酶活性： (1)使肽段中酪氨酸残基磷酸化 (1)使肽段中酪氨酸残基磷酸化 (2)使胞内蛋白质酪氨酸残基磷酸化 (2)使胞内蛋白质酪氨酸残基磷酸化 磷酸化使细胞功能改变 以上分别为已确定的三种类型的跨 膜信号转导。 膜信号转导。
第二节 细胞的跨膜信号转导功能
掌握内容：细胞的跨膜信号转导 掌握内容： 通道蛋白完成的跨膜信号转导 化学门控,电压门控,机械门控 化学门控,电压门控, Ｇ蛋白和膜的效应器酶组成导的概念和特征
（一）概念： 概念： 各类刺激信号通过改变靶细胞 膜上的蛋白质构型， 膜上的蛋白质构型，从而引起 靶细胞功能改变的过程。 靶细胞功能改变的过程。 这一过程也可理解为跨膜信号 传递。 传递。
2.电压门控通道蛋白 改变膜电位→ 改变膜电位→通道型蛋白质构型改变 →通道开、相应离子易化扩散 通道开、 3.机械门控通道蛋白： 3.机械门控通道蛋白：存在内耳毛细胞 机械门控通道蛋白 内耳淋巴液振动→ 内耳淋巴液振动→毛细胞受切向力弯 曲→通道开→离子易化扩散→毛细胞 通道开→离子易化扩散→ 兴奋（Ap） 兴奋（Ap）→沿神经传至听中枢