第四讲 细胞的跨膜信号传递

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。

细胞膜的跨膜信号转导及其主要方式细胞膜是细胞的外层，它起到了维持细胞内外环境的稳定性和选择性渗透的作用。

除此之外，细胞膜还承担着信号转导的重要功能，即将外界的信号转化为细胞内的生理响应。

细胞膜的跨膜信号转导是一系列复杂的分子事件，涉及到细胞膜上的受体、信号分子、转导蛋白以及细胞内的信号传递网络。

本文将介绍细胞膜的跨膜信号转导及其主要方式。

细胞膜上的信号转导通常可以分为三个主要步骤：信号的识别、信号的传递和信号的响应。

首先，信号分子在细胞膜上与特定的受体结合，形成信号复合物。

这些受体可以是单个蛋白质，也可以是复合物。

信号分子与受体的结合通常是高度选择性的，一种信号分子通常只能与特定的受体结合。

信号分子与受体结合后，信号就会被传递到细胞内部。

这通常涉及到一系列的分子事件，包括信号分子的磷酸化、酶的激活、蛋白质的结合等。

其中，磷酸化是最常见的信号传递方式之一。

通过酶的作用，信号分子上的磷酸基团被转移给特定的蛋白质，从而改变该蛋白质的活性。

这种磷酸化事件可以被转导蛋白识别和结合，进而触发下一步的信号传递。

信号的传递通常涉及到一系列的转导蛋白。

转导蛋白是一类能够与磷酸化蛋白结合的蛋白质，它们可以将信号从细胞膜传递到细胞内的信号传递网络中。

转导蛋白通常具有多个结构域，包括结合磷酸基团的结构域、与其他蛋白质相互作用的结构域等。

通过这些结构域的相互作用，转导蛋白能够将信号从细胞膜传递到细胞内的下游效应器上。

信号的响应是细胞对外界信号做出的生理反应。

这种响应可以是细胞内的代谢活性的改变、基因表达的调控、细胞骨架的重排等。

细胞膜上的信号转导通常涉及到一系列的信号分子和转导蛋白的相互作用，这种相互作用可以将信号从细胞膜传递到细胞内的下游效应器上，从而产生特定的生理响应。

细胞膜上的跨膜信号转导可以通过多种方式实现。

其中，最常见的方式是通过受体激活的酶级联反应来传递信号。

这种酶级联反应通常涉及到一系列的酶，包括激酶、磷酸酶等。

细胞跨膜信号转导的分子机制和调控细胞跨膜信号转导是指在细胞内外环境的相互作用下，通过跨越细胞膜的信号传递机制将外界信号传递到细胞内部，进而引发一系列生物学反应。

这种信号转导的分子机制和调控十分复杂，涉及多种蛋白质和分子信号，下面我们就来详细讨论。

一、细胞跨膜信号转导的基本原理在细胞界面发生的各种生物学反应主要涉及到细胞表面的受体蛋白和信号分子之间的作用。

在外向信号的刺激下，受体蛋白发生构象改变，促使细胞内部的信号转化成分子相互作用和进一步反应。

例如，一些细胞外部的环境因素，如激素、细胞因子或病原体，都可以与细胞膜上的受体蛋白相结合，进一步调节细胞内部的生物学反应。

这些受体蛋白主要分为两类：离子通道型受体和嵌入式受体。

前者的作用是改变细胞膜的通透性，让离子通过，从而影响细胞内部的化学反应。

后者则通过物理招募两个嵌入在膜内的酶相互结合来触发反应。

二、细胞跨膜信号转导的分子机制1. G蛋白偶联受体信号系统G蛋白偶联受体是跨膜受体的一种，其结构主要分为跨膜区域和胞浆区域两个部分。

当外界刺激到达跨膜区域时，胞浆区域中的G蛋白会释放出其α亚基，激活酶，同时信号分子会把α亚基缴回到胞内。

这些激活的酶主要是腺苷酸酰化酶，它们的作用是为反应提供了足够的能量，从而促使细胞内发生化学变化，形成细胞界面存储的信息库。

2. 酪氨酸激酶受体信号系统酪氨酸激酶受体是一类胞膜受体，主要由外层多肽G蛋白偶联受体与酪氨酸激酶受体嵌合而成。

在外界刺激的作用下，会引发受体内部的构象变化，使其活性化。

随后活性化的酪氨酸激酶就开始催化蛋白质的磷酸化反应。

而这种磷酸化反应则会导致蛋白质本身的构象发生改变，从而引发细胞内部的一系列反应。

3. 五磷酸酯酶受体信号系统五磷酸酯酶受体位于细胞膜上，其本身并没有输出信号的功能，但是可以通过交互作用的形式引发细胞内部信号的传递。

五磷酸酯酶受体是能够催化五磷酸酯酸化的酶，而这种反应可以使腺苷酸受体（如G蛋白偶联受体）变为不活跃状态。

细胞生物学课件第四章物质的跨膜运输与信号传递第四章物质的跨膜运输与信号传递第一节物质的跨膜运输跨膜运输是细胞维持生命活动的基础之一（图）一、被动运输(passive transport)特点：运输方向：顺浓度梯度；跨膜动力：浓度梯度；膜转运蛋白：通道载体类型：简单扩散（simple diffusion）（图）协助扩散（faciliated diffusion）:载体蛋白具有通透酶（permease）的性质，介导被动与主动运输通道蛋白（channel proteins）：具有粒子转运类型：（书p111 图5-4）电压门通道（voltage-gated channel）配体们通道（ligand-gated channel）压力激活通道:含羞草二、主动运输（active transport）1、特点：（与被动运输比较）特点简单扩散协助扩散主动运输运转的物质例子小，非极性氧Yes No No 大，非极性脂肪酸Yes No No小，极性水Yes No No大，极性葡萄糖No Yes Yes离子N+,K+,Ca2+No Yes Yes热力学特点与电化学梯度方向的关系顺顺逆对代谢能量的需要No No Yes动力学特点（1）由ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵：结构与机制（书p113 图5-6）（2）钙泵：（Ca-ATP酶）质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶（3）协同运输（Cotransport）由Na+、K+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。

（4）物质的跨膜运输与膜电位三、胞吞作用（endocytosis）1、胞吐作用（exocytosis）作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，又称膜泡运输（bulk transport）,属于消耗能量的主动运输胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagecytosis）胞饮作用于吞噬作用主要有三点区别特征内吞泡的大小转运方式内吞泡形成机制胞饮作用小于150nm 连续发生的过程笼形蛋白、接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微丝及结合蛋白的参于2、受体介导的内吞作用及包被的组装（书p120 图5-12）3、胞内体（endosome）及其分选作用四、胞吐作用1、组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway）所有真核细胞连续分泌过程，用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养与信号分子）default pathway:粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面2、调节型外排途径（regulated exooytosis pathway）特化的分泌细胞储存---刺激----释放产生的分泌物：如激素、粘液或消化酶具有共同的分选机制、分选信号存在于蛋白本身分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白决定3、膜流：是指膜泡动态流动的过程，对于质膜更新和维持细胞的生存和生长是必要的第二节细胞通讯与信号传递一、细胞通讯（cell communication）一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。

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。

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）J膜蛋白构型变化J信号传递到膜内J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饱和性③竞争抑制④亲和力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J 通道开放J离子异化扩散J完成跨膜信号传导J产生效应二）、电压门控通道 分布在除突触后膜和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 、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 蛋白是鸟苷酸结合蛋白： G 蛋白未被激活时，他与一个分子的GDP 吉合，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和离子通道4、 蛋白激酶：丝氨酸/苏氨酸激酶可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C 5、 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 TcAMPf+ /\ + + /\配体＋受体ACPKA+ \/--\/GiATPt cAMP f②受体 -G 蛋白 - PLC 信 号转导途径PIL2 rn Gi \ Gp \DG受体IP3+IP3PLC /受体T 内质网或肌浆网释放Ga+。

细胞跨膜信号传导的细节机理和调控细胞跨膜信号传导是指细胞内外环境变化引起细胞内外信息传递，并实现细胞的功能调节和适应性变化的过程。

它可以通过生化反应、离子运输和细胞骨架运动等多种方式实现。

在这个过程中，跨膜受体和信号传递分子发挥着重要作用。

下面，我们将从细胞跨膜信号传导的机理和调控等方面进行探讨。

一、跨膜受体的传递机理跨膜受体是细胞膜上的一种蛋白质，具有从细胞外界“识别”信号物质的功能，进而将信号引导到细胞内部。

据最新的研究发现，跨膜受体的传递机理是如下图所示：如图，外界信号分子与跨膜受体之间形成化学键，从而引发受体构象变化和配体结合区域的位移，激活被激活的受体施加力量，在膜内侧聚集多个配体结合区域，从而促进信号传递。

这个思路与学习动力学中的习得门控理论非常相似。

二、跨膜信号传递分子的作用机理跨膜信号传递分子是通过跨膜受体将信号从细胞外界传递到细胞内部的分子。

他们通过特定的信号转导通路，在相对应的细胞内部甚至细胞器中发挥作用，调控分子的转录、翻译和进一步的下游反应。

跨膜信号传递分子的作用机理一般有以下几种：1. 磷酸化反应在细胞内部，许多蛋白质会通过与酶催化的反应进行磷酸化，如蛋白激酶等。

当跨膜受体被外界信号激活时，下游相应的信号分子会通过此机制进行进一步的调节活动。

2. 钙离子转移钙离子是细胞内部信号传递的关键物质之一，可以通过唤醒信号通道、胞质受体等形式进行传递。

因此，在跨膜信号传递过程中，钙离子也会发挥重要作用，参与跨膜信号分子的转导和调控。

3. 二级信号通路跨膜信号分子还可以借助二级信号通路进行进一步的调控。

二级信号通路可以是单向或双向增强信号通路，促进或抑制两种反应。

当跨膜受体被激活时，相关的二级信号通路也会被激活，进而对细胞的生物学活性产生影响。

三、跨膜信号传导的调控跨膜信号传导的调控是细胞跨膜信号传导过程中的一个重要环节。

调控过程可以是通过对跨膜受体、信号分子成分或环境因素的调控，实现跨膜信号传导的精准和有效。