细胞间的信息传递和跨膜信号转导
细胞生理
四）细胞的兴奋性与生物电现象
1、细胞的生物电现象及其产生机制：
一个活的细胞无论是它处于安静状态还是活动状态都是存在电活动， 这种电活动称为生物电现象。其中包括静息电位和动作电位。
（1）细胞的静息电位 （2）细胞的动作电位 （3）兴奋的引起与传导
产生生物电的生理基础
细胞的电现象主要是跨膜离子流动造成的
1）离子通道受体：不具有酶活性，接受信号后构象发生变化，开放通道：
2）G蛋白（三聚体GTP结合调节蛋白）偶联的受体：不具有酶活性， 接受信号后构象发生变化，能够与下游信号分子结合，传递信号： 配体－受体复合物要通过与G蛋白的相互作用，才能将胞外信号跨膜 传递到胞内
没有信号时，G蛋白与GDP结合 处于非活性状态
②通道蛋白：根据溶质大小和电荷进行 辩别，形成跨膜亲水性离子通道；
Na+通道、K+通道、Ca2+通道、Cl－通道等； 化学门控通道（膜两侧出现某化学信号才开放） 电压门控通道（膜两侧电位差的改变决定开闭）
主动转运
在细胞膜上载体的帮助下， 通过消耗ATP，将某种物质逆浓度 梯度进行转运的过程。
特
点：
二）细胞间的信息传递(细胞间的跨膜信号转导功能)
动物体各器官之间的相互协调以维持整体统一性，是靠信息 传递来完成。主要的信号转导系统有三条： 环腺苷酸信号转导系统 肌醇信号转导系统 酪氨酸激酶相连的信号转导系统
1、步骤：
产生信号的细胞合成并释放信号分子 →运送信号分子至靶细胞 →信号分子与靶细胞受体特异性结合并导致受体激活 →活化受体启动胞内一种或多种信号转导途径 →引发细胞功能、代谢或发育的改变 →信号的解除并导致细胞反应终止
2、信号分子的类型 •物理信号：声，光， 电和温度变化 •化学信号：激素、局 部介质、神经递质 3、受体： 能够识别和选择性结合配体（信号分子）的大分子。多数为蛋白 （糖蛋白），少数为糖脂或二者复合物。可位于细胞膜上，细胞质 内或细胞核内。 1)不具有酶活性，接受信号后构象发生变化，开放通道：离子通道 受体 2)不具有酶活性，接受信号后构象发生变化，能够与下游信号分子 结合，传递信号：G蛋白偶联受体 3)具有酶活性，接受信号后通过催化自身或下游信号分子发生化学 变化（如磷酸化）传递信号：酶联受体
细胞的信号转导
• 由膜上的腺苷酸环化酶（AC）环化胞浆内 • ATP形成cAMP。 • cAMP是最早确定的第二信使。 正常情况下，cAMP的生成与分解保持平衡，使 胞浆内cAMP浓度保持在10-7M以下。当配体与受体 结合后，1个AC可生成许多cAMP，使cAMP的水平 在几秒钟内增高20倍以上。
• • • • • • •
3. PLA 2 –AA信号转导系统 花生四烯酸（ AA）是通过磷脂酶水解膜磷脂释放的不饱
和脂肪酸。 1）PLA2的激活机制 ：
许多细胞外信号（如肾上腺素能激动剂、缓激肽、凝血
酶等）都可激活PLA2，有些PLA2通过G蛋白激活；有些 PLA2被PLC激活，PLC通过增加胞内Ca2+、或激活PKC间 接激活PLA2。细胞外信号刺激PLA2途径直接在sn-2位置 脱酯释放AA，是生成AA的重要途径，也是细胞调控AA生
期使用激动剂和拮抗剂的药理或病理情况下，将之除去后受体 数量和反应性均可恢复。
（2）根据调节的种类，分为
1）受体的数目与结合容量：促使受体数目或结合
容量增加的调节称为上调。反之称为下调。
2）反应性：在内环境影响下，受体反应性会产生增
敏、失敏等现象。 增敏：细胞在某种因素的作用下，受体与配体结合的
敏感性增加。如甲状腺素可增加细胞对儿茶酚胺、TSH、
第二节 细胞的跨膜信号转导功能
• 跨膜信号转导 • （transmembrane signal transduction）
（一）细胞信号转导
1. 细胞信号转导的概念
不同形式的外界信号作用于细胞时，通常并不进入细胞或 直接影响细胞内过程，而是作用于细胞膜表面（少数类固 醇激素和甲状腺激素除外）通过引起膜结构中一种或数种 特殊蛋白质分子的变构作用，将外界环境变化的信息以新
3.3 细胞的跨膜信号转导
真核细胞内主要的跨膜信息传导途径： u G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号传导 u 离子通道型受体介导 u 酶耦联受体介导
一、 Signal trnsduction mediated by G-ptotein-
linked receptor
（一) G蛋白耦联受体 receptor：一类Mw:290kD，α2βγδ 五聚体，形成中间一个 孔道样结构。有4个跨膜螺旋/亚单位，孔道的内 壁由5个亚单位的M2螺旋构成。 孔道：Na＋， K＋均可通过
u Ach 与2个α亚单位结合，通道开放， Na+内流， 少量K+外流，产生终板电位。
u 分布：肌细胞终板膜、神经细胞的突触后膜等， →终板电位、突触后电位及感受器电位。
2、分布：神经轴突和骨骼肌、心肌细胞的质膜中 →动作电位。
钠通道的α亚单位
S5，S6之间 的胞外环构 成孔道内壁
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失活：与结 构域Ⅲ和Ⅳ 之间胞内环 有关
（三）机械门控通道
Mechanically-gated channel: 存在于对机械刺 激敏感的细胞如内耳毛细胞、下丘脑的渗透压 敏感神经元。
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（二）电压门控通道
1、开放与关闭：由膜电位决定，即通道存在一些对 膜电位改变敏感的结构域或基团，后者诱发通道分 子功能状态改变，改变相应的离子跨膜扩散→细胞 生物电活动改变。 电压门控钠通道：α、β1、β2三个亚单位组成，α亚单 位是形成孔道的亚单位。
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细胞通讯和细胞信号转导
名称
合成部位 化学特性
主要作用
肾上腺素 肾上腺 酪氨酸衍生物 提高血压、心率、增强代谢
皮质醇
肾上腺 类固醇
在大多数组织中影响蛋白、糖、脂肪的代谢
雌二醇
卵巢
类固醇
诱导和保持雌性副性征
胰高血糖素 胰α细胞 肽
胰岛素
胰β细胞 蛋白质
睾酮
睾丸
类固醇
在肝、脂肪细胞刺激葡萄糖合成、糖原断裂、 脂断裂
刺激肝细胞等葡萄糖吸收、蛋白质及脂的合 成
亚基与催化亚基分开，被
激活的催化亚基可使底物
cAMP激活蛋白激酶A
➢ 蛋白激酶A的细胞质功能和细胞核功能
PKA既可直接修 饰细胞质中的底物蛋白， 使之磷酸化后立即起作 用，也可以进入细胞核 作用于基因表达的调控 蛋白,启动基因的表达。
cAMP与蛋白激酶对细胞活性的影响
蛋白激酶A的细胞质功能:
糖原分解：在脊椎动物中,糖原的分解受一些激素的控制,如肾上 腺素和胰高血糖素中的任何一种激素同细胞膜受体结合,都会激活磷酸 化酶,使糖原分解成1-磷酸葡萄糖,然后进一步分解为6-磷酸葡萄糖、 葡萄糖后进入血液 。
PKC系统的信号转导
由于该系统中的第二信使是磷脂肌醇,故此这一系统又称为磷脂 肌醇信号途径(phosphatidylinositol signal pathway)。
在这一信号转导途径中,膜受体与其相应的第一信使分子结合后， 激活膜上的Gq蛋白(一种G蛋白),然后由Gq蛋白激活磷酸脂酶Cβ (phos pholipase Cβ, PLC), 将膜上的脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinos itol biphosphate, PIP2)分解为两个细胞内的第二信使：二酰甘油( dia cylglycerol, DAG)和1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)。IP3动员细胞内钙库释放 Ca2+到细胞质中与钙调蛋白结合，随后参与一系列的反应；而DAG在 Ca2+的协同下激活蛋白激酶C，然后通过蛋白激酶C引起级联反应，进 行细胞的应答, 故此将该系统称为PKC系统,或称为IP3、DAG、Ca2+信 号通路。
细胞生物学第11章-细胞通讯与信号转导
（3）不同的细胞通过各自的受体，对胞外信号应答， 产生相同的效应。如：肝细胞肾上腺素受体和胰 高血糖素受体结合各自的配体激活以后，都能促 进血糖的升高。
（4）一种细胞具有一套多种类型的受体，应答多种 不同的胞外信号，从而启动细胞的不同生物学效 应。
（３）自分泌（autocrine）：
细胞对自身分泌物产生反应，常见于病理 条件下。如：肿瘤细胞合成释放生长因子刺 激自身。
（4）化学突触传递神经信号：
神经细胞兴奋后，动作电位的传递，引起突 触前突起终末分泌化学信号，扩散至突触后细 胞，实现电信号和化学信号之间的转换。
2 通过细胞的直接接触（contactdependent signaling）：即细胞间接 触性依赖的通讯
（3）气体信号分子： 第一个发现的气体信号分子是NO，可以进入细胞直 接激活效应酶，参与体内众多的生理和病理过程。
2. 受体（receptor）
是一种能够识别和选择性结合某种配体的大分子, 通过和配体的结合，经信号转导作用，最终表现为生 物学效应。
▪ 受体的结构特点：
多为糖蛋白，至少包含配体结合区和效应区2个 功能区域，分别具有结合特异性和效应特异性。
▪ 特异性 ▪ 放大作用 ▪ 信号终止或下调特征 ▪ 整合作用
第二节
细胞内受体介导的信号传递
一、细胞内受体与基因表达
细胞内受体活化的机制：
激活前：受体和抑制性蛋白结合成复合物 激活后：如果甾类激素和受体结合，导致抑制
性蛋白从复合物上解离下来，使受体暴露出 DNA结合位点，激素－受体复合物与基因调 控区（激素应答元件，hormone response element, HRE）结合，影响基因的转录。
生理学学习资料：第三课信号转导
黑色基本掌握划线重点蓝色不要求，选看细胞的跨膜信号转导第一节概念以及一般特性细胞信号转导（ce11u1arsigna1transduction）：细胞感受外界环境的刺激并对刺激做出反应反攻卜界环境变化的信息跨越细胞膜进入细胞并引起内部代谢与功能变化的过程刺激来源：1、化学信号一一来自临近细胞（旁分泌、神经递质）或远隔部位（内分泌）穿过细胞膜或者为受体蛋白接收是主要的信号来源2、物理性刺激——温度、机械力、生物电（高等生物主要由膜感受细胞水平生物电，不感受外界电变化）、电磁波由高度特化的感受器接收种类数量不如化学刺激跨膜转导途径的三大特征：（经典放大通路）激活后续一系列信号分子（信号通路），以引起细胞功能变化转导途径具有很大同源性信息放大功能第二节主要途径化学门控离子通道（chemica11y-gatedionchanne1;1igand-gatedionchanne1;ionotropicreceptor）与配体结合开放离子通道，造成去极化或超极化，途径简单，传导速度快N2型ACh受体：位于骨骼肌细胞运动终板膜上与Aeh结合、通道放进Na、K离子，膜去极化产生终板电位，激活周围肌细胞A型Y-氨基丁酸受体：位于神经元细胞膜上与GABA结合，通道放进C1离子，产生抑制性突触后电位IPSP电压门控和机械门控离子通道1型Ca离子通道：心肌细胞T管膜上的电压门控通道动作电位传递，T管膜去极化，Ca内流并作为第二信使释放肌浆膜内的Ca离子此通道在心肌工作细胞中。
期激活，二期复极化提供主要内向电流非选择性阳离子通道以及K选择性通道：血管内皮细胞上血流切应力刺激，两通道开放有助于Ca进入细胞，激活NOS,使精氨酸产生NO,使血管舒张G蛋白耦联受体介导的跨膜传导发现：肾上腺素与肝细胞膜碎片反应，再用反应物（cAMP）与肝细胞质作用可产生效果，说明肾上腺素与膜上某结构反应再引起胞内反应原癌基因oncogen：碱基排列顺序与一些能在动物内引起肿瘤的病毒DNA相同的基因本身为正常基因，转录产物是正常代谢所必须的，但过度表达时成为癌基因G蛋白通路主要构成：G蛋白耦联受体GPCR、G蛋白、效应器、第二信使、蛋白激酶G蛋白耦联受体：最大的细胞膜受体家族，接受儿茶酚胺、Ach、5-HT等多种激动剂7次跨膜、N外C内、外3环内3环G蛋白：异源三聚体、目前分为6个亚族反应过程见图中文书3-3注意α亚基同时具有结合GTP和激活下游蛋白的功能，另两亚基抑制作用GTP 取代GDP与α亚基结合，结合后GTP被水解为GDP和PiG蛋白效应器：1、下游酶催化生成（或分解）第二信使AC、P1C、PDE等2、离子通道第二信使：细胞外信号分子作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子CAMP、CGMP、IP3、DG、NO等蛋白激酶：按机制分类：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threoninekinase）可将底物蛋白的丝氨酸或苏氨酸P化，占大多数酪氨酸蛋白激酶（tyrosinekinase）可将底物蛋白的酪氨酸P化，数量少，主要在酶耦联受体的信号转导按上游第二信使分类：PKC（Ca离子）、PKA（CAMP）、PKG（cGMP）经典通路：cAMP-PKAB型肾上腺素能受体、促肾上腺皮质激素、胰高血糖素等一一G蛋白激活一AC激活--- cAMP上升 --- PKA ------- 多种作用IP3-CaG蛋白——P1C分解PIP2为IP3和DGIP3——结合肌浆网上的受体，释放Ca离子入细胞质DG ------ 与phosphatidy1serine结合，激活PKC -------- 多种作用第二信使Ca的部分作用回顾：1、在骨骼肌细胞中与troponin结合，使tropomyosin移位，露出actin与myosin的结合位点，开始收缩2、在平滑肌中与一种受体钙调蛋白Camodu1in结合，激活肌球蛋白轻链激酶M1CK,开始收缩3、在血管内皮中与CamOdU1in结合，激活NoS,分解精氨酸生成NO,舒张血管（老师上课说的Viagra的作用机理）G蛋白（及下游第二信使）介导的离子通道举例KaCh通道一一迷走狸经兴奋时释放Ach,通过G蛋白激活此通道，K离子外流,使心肌静息电位增大（超级化），兴奋性降低Kca通道一一高钙（第二信使）时激活，酸思期使心肌超极峪2M⅛Jk≡鱼通道内向电流，使平台期延长酶耦联受体介导的跨膜信号转导包括酪氨酸激酶受体、酪氨酸磷酸酶受体、鸟甘环化酶受体、S/T蛋白激酶受体受体本身具有激酶、环化酶、磷酸酶的作用，不需要与膜耦联的G蛋白和第二信使酪氨酸激酶受体：1、同时具有受体和酪氨酸激酶的功能单肽链蛋白，膜外链与受体结合，膜内链发挥激酶作用与受体结合后P化鹿内链和靶蛋自的酪氨酸通路中RAS为单体G蛋白，不与膜耦联，所以不和定义违背2、受体与激酶分离S/T蛋白激酶受体（RSTK）：接受TGF-B超家族（与细胞周期有调节相关）受体结合RSTKII,RSTKII结合并激活RSTKI鸟昔环化酶受体RGC受体结合后不需要G蛋白直接激活GC,合成CGMP,激活PKG,产生多种效应心房钠尿肽、NO（胞质内的可溶性GC）。
细胞膜的跨膜信号转导及其主要方式
细胞膜的跨膜信号转导及其主要方式细胞膜是细胞内外环境之间的重要隔离屏障，同时也是细胞与外界相互作用的关键界面。
细胞膜上存在着许多重要的蛋白质，它们能够感知外界的信号，并将这些信号转导到细胞内部，从而引发一系列细胞内的生理反应，这一过程被称为细胞膜的跨膜信号转导。
细胞膜的跨膜信号转导主要通过以下几种方式进行。
一、离子通道介导的跨膜信号转导细胞膜上存在多种离子通道，如钙离子通道、钠离子通道、钾离子通道等，它们能够感知细胞外环境的信号，例如电位变化、荷电物质浓度变化等，并将这些信号转导到细胞内部。
离子通道的开启或关闭可以导致细胞内离子浓度的变化，从而引发细胞内的生理反应。
比如钙离子通道的开启会导致细胞内钙离子浓度的增加，进而激活一系列钙信号通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡等过程。
二、酶-受体介导的跨膜信号转导细胞膜上存在多种酶-受体，如酪氨酸激酶受体、酪氨酸激酶相关受体、酪氨酸激酶受体等，它们能够与细胞外的配体结合，激活其内在的酶活性，从而引发细胞内的生理反应。
这种跨膜信号转导的方式常见于生长因子、激素等信号分子的传递过程。
例如，胰岛素受体是一种酪氨酸激酶受体，当胰岛素结合到胰岛素受体上时，会激活胰岛素受体内在的酪氨酸激酶活性，进而引发细胞内的糖代谢等反应。
三、G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导G蛋白偶联受体是一类跨膜蛋白，它们能够与细胞外的信号分子结合，并通过活性的G蛋白介导信号传递到细胞内部。
当G蛋白偶联受体与配体结合时，G蛋白会从其不活性的GDP结合态转变为活性的GTP结合态，从而激活或抑制下游效应物质的活性。
G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导广泛参与调控细胞的生理过程，如细胞的收缩、分化、增殖等。
举个例子，肌球蛋白收缩过程中，肌纤维收缩由G蛋白偶联受体介导，通过激活蛋白激酶C和磷酸酶等下游效应物质，最终引发肌肉的收缩。
四、穿梭蛋白介导的跨膜信号转导穿梭蛋白是一类能够穿越细胞膜的蛋白质，它们能够感知细胞外的信号，并将这些信号转导到细胞内部。
基因工程考试名词解释
30、增强子（Enhancer）： 增强子是一段DNA序列，其中含有多个能被反式作用因子识别与结合的顺式作用元件。
31、酶（Enzymes） ： 酶是由活细胞合成的，对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。
32、真核细胞（Eukaryote）： 单细胞或多细胞生物，具有复杂的细胞结构，可通过内部的细胞结构，多染色体和单个核而鉴定。
92、核糖体（ribosome）： rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体。
94、RNA酶（RNase）： 将RNA降解成更小的RNA片段或核糖核苷酸的一类酶。
95、第二信使（second messenger）： 通常将Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP等这类在细胞内传递信息的小分子化合物称为第二信使。
21、感受态细胞（Competent cells）： 大肠杆菌悬浮在Cacl2溶液中，并置于低温（0-50℃）环境下一段时间，钙离子使细胞膜的结构发生变化，通透性增加，从而具有摄取外源DNA的能力，这种细胞称为感受态细胞。
26、DNase： 将DNA降解为更小的DNA片段或脱氧核糖核酸的酶。
27、电泳（Electrophoresis）： 通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术，称为电泳。
29、末端标记（End labeling） 在DNA或RNA的5'-或3'-加上标记性群体（放射性或非放射性）。较典型的有用激酶标记5'-末端，或用DNA聚合酶或末端转移酶标记3'-末端。
8、碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase)： 能去除DNA/RNA 5'端的磷酸根的一种酶。制备载体时，用碱性磷酸酶处理后，可防止载体自身连接，提高重组效率。
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细胞间的信息传递
（一）缝隙连接 ( Japjunction )
（二）旁分泌和自分泌（Paracrine and autocrine） （三）长距离信息传递（Long distance communication） （四）细胞因子（ Cytokine ）
跨膜信号转导
鸟苷酸环化酶（guanylyl cyclase，GC）的受体
一个跨膜α螺旋 膜外侧的N端：配体结合位点 膜内侧的C端：鸟苷酸环化酶
cGMP 作 为 第 二 信 使 激 活 cGMP 依 赖 性 的 蛋 白 激 酶
（cGMP-dependent protein kinase），或称蛋白激酶 G （proten kinase G, PKG）
NO diffusion to nearby cells Smooth muscle cells Cyclic GMP PKG
Guanylate cyclase
GTP
Protein + ATP
Protein-P + ADP
Nitric oxide-guanylate cyclase signaling
Ca2+ entry due to shear stress Endothelial cells Citrulline + NO (瓜氨酸)
Arginine (精氨酸)
Nitric oxide synthase (NO合酶)
能否通过细胞膜，化学信号可分为： 1、脂溶性信使：如类固醇激素 2 、非脂溶性信使 ①第一信使（first messenger） ②第二信使（second messenger）： cAMP, IP3，DAG和Ca2+等
③蛋白激酶（protein kinase）
跨膜信号转导途径的分类：
1. G蛋白藕联受体介导的信号转导
酶藕联受体介导的信号转导
1 酪氨酸激酶受体（ tyrosine kinase receptor） 是贯穿细胞膜脂质双层的膜蛋白
膜外侧面的受体部分
伸入胞浆内的酪氨酸激酶结构域部分
无需G-蛋白的参与。
Tyrosine kinases: membrane receptor enzyme
e.g., growth factors, insulin
① 受体－ G蛋白－AC途径
② 受体－ G蛋白－PLC途径2. 离子通道受体介导的信号转导
① 化学门控通道
② 电压门控通道
③ 机械门控通道
3. 酶藕联受体介导的信号转导
cAMP作为第二信使的
信号转导通路示意图
磷脂酶C
三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）作为 第二信使的信号转导通路示意图
Ca2+/CaMKⅡ途径