1
第三章 物质的跨膜运输与信号传递
（ 4学时）
? 物质的跨膜运输
? 细胞通讯与信号传递
2
第一节 物质的跨膜运输
● 被动运输 （ passive transport）
● 主动运输 （ active transport）
● 胞吞作用（ endocytosis）与胞吐作用
（ exocytosis）
物质的 跨膜运输 是细胞维持正常生命活动的基础之一。
3
第二节 细胞通讯与信号传递
● 细胞通讯与细胞识别
● 细胞的信号分子与受体
● 通过细胞内受体介导的信号传递
● 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
● 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递
● 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信
息
4
被动运输（ passive transport）
?什么是被动运输, 通过自由扩散或协助扩散, 使物质顺着浓度梯度 （ 或
电化学梯度 ）, 由高浓度向低浓度运动, 运动的动力来自浓度梯度, 不
需要由细胞提供代谢能量, 这种跨膜转运方式称被动运输 。
?类型, 简单扩散 （ simple diffusion）, 协助扩散 （ facilitated diffusion）
?协助扩散特征,速率高；最大转运速率；需膜转运蛋白
?膜转运蛋白,
?载体蛋白 （ carrier proteins） ——通透酶 （ permease） 性质；
介导被动运输与主动运输 。
?通道蛋白 （ channel proteins） ——具有离子选择性, 转运速率高；
离子通道是门控的；只介导被动运输
类型, 电压门通道 （ voltage-gated channel） ；配体门通道
（ ligand-gated channel） ； 压力激活通道 （ stress-activated channel）
5
主动运输 （ active transport）
● 在主动运输中, 物质逆着浓度梯度 （ 或电化学梯度 ） 由低浓度向高浓度
运输, 在此过程中需要与某种释放能量的过程相藕联 。
特点, ① 逆浓度梯度 （ 逆化学梯度 ） 运输； ② 需要能量； ③ 都有载体蛋白 。
● 类型, 三种基本类型
?由 ATP直接提供能量的主动运输 —
?钠钾泵 （ 结构 与 机制 ）, Na+-K+泵作用是,① 维持细胞的渗透性,
保持细胞的体积； ② 维持低 Na+高 K+的细胞内环境, 维持细胞的静息电位 。
?钙泵 （ Ca2+-ATP酶 ）
?质子泵, P-型质子泵, V-型质子泵, H+-ATP酶
?协同运输 （ cotransport）
由 Na+-K+泵 （ 或 H+-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 。
共运输 （ symport） 和对向运输 （ antiport）
?物质的跨膜转运与 膜电位
6
胞吞作用（ endocytosis）与
胞吐作用（ exocytosis）
作用,完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输, 在转运过
程中物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中, 又称膜泡运输； 或
称批量运输 （ bulk transport） 。 属于主动运输 。
● 胞吞作用
● 胞吐作用
7
胞吞作用
● 通 过 细 胞 膜 内 陷 形 成 囊 泡, 称胞吞泡 （ endocytic
vesicle）, 将外界物质裹进并输入细胞的过程 。
● 胞饮作用 （ pinocytosis） 与 吞噬作用 （ phagocytosis） 。
胞饮作用与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
吞噬作用
小于 150 nm
大于 250 nm 。
连续发生的过程
需受体介导的
信号触发过程
需要笼形蛋白形成包被
及 接合素蛋白连接
需要微丝及其结合蛋白的参
与
● 受体介导的内吞作用 及 包被的组装
● 胞内体（ endosome）及其分选作用
8
胞吐作用
● 组成型 的外排途径 （ constitutive exocytosis pathway）
所有真核细胞从高尔基体分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的连续
分泌过程 。 用于质膜更新 （ 膜脂, 膜蛋白, 胞外基质组分, 营养或信
号分子 ）
default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外,
其余蛋白的转运途径：粗面内质网 → 高尔基体 → 分泌泡 → 细胞表面
● 调节型 外排途径 （ regulated exocytosis pathway）
特化的分泌细胞
储存 ——刺激 ——释放
● 膜流,膜流的含义
动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的
9
细胞通讯与细胞识别
多细胞生物是由各种细胞组成的细胞社会, 通过细胞间的通讯与信
号传导, 以协调不同细胞的行为, 如,① 调节代谢, 通过对代谢相关酶
活性的调节, 控制细胞的物质和能量代谢； ② 实现细胞功能, 如肌肉的
收缩和舒张, 腺体分泌物的释放； ③ 调节细胞周期, 使 DNA复制相关的
基因表达, 细胞进入分裂和增殖阶段； ④ 控制细胞分化, 使基因有选择
性地表达, 细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞； ⑤ 影响细胞的
存活 。
● 细胞通讯 （ cell communication）
● 细胞识别 （ cell recognition）
10
细胞通讯 （ cell communication）
细胞通讯是指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 。
细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建, 协调细胞的
功能, 控制细胞的生长, 分裂, 分化和凋亡是必须的 。
● 细胞通讯方式,
?分泌化学信号进行通讯
?内分泌 （ endocrine）
?旁分泌 （ paracrine）
?自分泌 （ autocrine）
?化学突触 （ chemical synapse）
?接触性依赖的通讯
细胞间直接接触, 信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白
?间隙连接实现代谢偶联或电偶联
11
细胞识别（ cell recognition）
● 概念：
细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子 （ 配体 ） 选择性地相
互作用, 进而导致胞内一系列生理生化变化, 最终表现为细胞整体的生
物学效应的过程 。
● 信号通路 （ signaling pathway）
细胞识别是通过各种 不同的 信号通路 实现的 。
细胞接受外界信号, 通过一整套特定的机制, 将胞外信号转导为胞内
信号, 最终调节特定基因的表达, 引起细胞的应答反应, 这种反应系列
称之为 细胞信号通路 。
● 信号转导 （ signal transduction）
能产生信号分子的细胞称为 信号细胞（ signaling cells） 。信号细胞
通过外排分泌和穿膜扩散释放出信号分子。受到信号分子的作用发生反应
的细胞称为 靶细胞（ target cells） 。靶细胞依靠受体识别专一的细胞外
信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内信号，这一转变过程称为 信号转
导 。细胞内信号分子经连锁的 级联反应 （ cascade） 进行细胞内信号传递，
引起细胞发生反应。
12
细胞的信号分子与受体
● 信号分子 （ signal molecule）, 是细胞内, 细胞之间的信息传递物
质
?亲脂性信号分子：甾类激素, 甲状腺素
?亲水性信号分子：神经递质, 生长因子, 激素等
?气体性信号分子 (NO),80年代后期发现,
● 受体 （ receptor） 多为糖蛋白
● 第二信使 （ second messenger）,
细胞间信号分子称为, 第一信使, （ first messenger） 。 细胞内信号分
子负责把信息传递到胞内特定部位和特定代谢系统, 产生特定的细胞效应,
它们被称为, 第二信使, 。
胞内信号分子包括 cAMP,IP3,DG,cGMP等 。 Ca2+被称为第三信使,
是因为其释放有赖于第二信使 。
● 分子开关 （ molecular switches）
13
?细胞内受体, 为胞外亲脂性信号分子所激活
激素激活的基因调控蛋白 （ 胞内受体超家族 ）
?细胞表面受体, 为胞外亲水性信号分子所激活
细胞 表面受体 分属三大家族：
?离子通道偶联的受体 （ ion-channel-linked receptor）
?G-蛋白偶联的受体 （ G-protein-linked receptor）
?酶偶连的受体 （ enzyme-linked receptor）
?受体的功能：
?介导物质跨膜运输 (受体介导的内吞作用 )
?信号转导：受体的激活（ activation） （级联反应）；
受体失敏（ desensitization） 关闭反应、
减量调节（ down-regulation） 降低反应。
14
通过细胞内受体介导的信号传递
● 细胞内受体的结构
● 甾类激素介导的信号通路：
两步反应 阶段,
?初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的, 发生迅速；
?次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用 。
● 一氧化氮介导的 信号通路
15
通过细胞表面受体介导的信号传递
● 离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递
● G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递
● 细胞表面其它与酶偶联的受体
16
离子通道偶联的受体介导的信号传递
?信号途径
?特点：
?受体 /离子通道复合体, 四次 /六次跨膜蛋白
?跨膜信号转导无需中间步骤
?主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递
?有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性
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G-蛋白偶联的受体介导的信号传递
● G-蛋白偶联受体 和 G-蛋白
三体 GTP结合调节蛋白（ trimeric GTP－ binding regulatory
protein）,简称为 G蛋白（ G－ protein）,位于质膜胞质侧,由 α,β,γ三个
亚基组成 。
● cAMP信号通路
● 磷脂酰肌醇信号通路
G蛋白在信号传递中的功能
（ 1） 调节离子通道, G蛋白可调节 K+通道的开放, 从而参与心率的调节 。
（ 2）激活腺苷酸环化酶
（ 3）激活磷脂酶 C
18
与酶连接的受体
?受体酪氨酸激酶及 RTK-Ras蛋白信号通路
?受体丝氨酸 /苏氨酸激酶
?受体酪氨酸磷酸酯酶
?受体鸟苷酸环化酶 （ ANPs-signals）
?酪氨酸蛋白激酶联系的受体
两大家族：
?一是与 Src蛋白家族相联系的受体；
?二是与 Janus激酶家族联系的受体 。
19
cAMP信号通路
cAMP为第二信使, 由 腺苷酸环化酶催化 产生, 被磷酸二酯
酶降解 。
?组分及其分析, cAMP 信号通路由质膜上的 5种成分组成：
Rs,Ri,Gs,Gi和 腺苷酸环化酶
?Gs 的调节作用,
? Gi 的调节作用, Gi 对腺苷酸环化酶的抑制作用,α亚基结合 腺
苷酸环化酶； βγ亚基与游离的 Gs α亚基结合, 阻断其活性 。
?反应链,
激素 → G-蛋白偶联受体 → G-蛋白 → 腺苷酸环化酶 → cAMP→ cAMP
依赖的蛋白激酶 A→ 基因调控蛋白 → 基因转录
20
磷脂酰肌醇信号通路
在质膜脂双层的内层中的肌醇磷脂, 有磷脂酰肌醇 （ PI） 的 2个磷
酸化衍生物, 即 PI一磷酸 （ PI－ phosphate,PIP） 和 PI一二磷酸 （ PI－
biphosphate,PIP2） 。 信号分子与质膜上的 G蛋白关联受体结合后, PIP2
发生降解 。
?, 双信使系统, 反应链, 胞外信号分子 → G-蛋白偶联受体 → G-蛋白 →
→ IP3→ 胞内 Ca2+浓度升高 → Ca2+结合蛋白 (CaM)→ 细胞反应
磷脂酶 C(PLC)→
→ DG→ 激活 PKC→ 蛋白磷酸化或促 Na+/H+交换使胞内 pH?
21
细胞内的钙信号
– 细胞外和内质网腔中的 Ca2+浓度显著高于细胞质基质 。 因此, Ca2+
在质膜和内质网膜的膜两侧存在着跨膜浓度梯度 。 膜中的 Ca2+通道
一旦被打开, 细胞质基质中的 Ca2+浓度会迅即升高, 从而引发 Ca2+
反应蛋白 的变化 。
– 细胞内 Ca2+浓度的骤然提高产生许多重要的生理功能, 例如卵受精
后启动胚胎的发育；激起肌肉收缩；激发分泌细胞和神经细胞分泌 。
Ca2+的这些作用是通过影响 Ca2+敏感蛋白来实现的, 这种蛋白质称
为 钙调蛋白 （ 钙调素 ） （ calmodulin） 。 钙调蛋白是 Ca2+的受体蛋
白 。 钙调蛋白分子是由 150个氨基酸残基所组成, 分子中有 4个 Ca2+
结合位点 。 钙调蛋白分子结合 Ca2+后, 发生构象变化, 可参与多种
反应的调节过程 。
– Ca2+／钙调蛋白还要通过 Ca2+／钙调蛋白依赖蛋白质激酶 （ Ca2+／
calmodulin－ dependent protein kinases） 才能发挥作用, 后者又称
为 CaM激酶 （ CaM kinases） 。 能使蛋白质的丝氨酸或苏氨酸磷酸
化 。
22
– IP3主要的作用是提高细胞质溶质中的 Ca2+浓度, 而二脂酰甘油则是
激活蛋白质激酶 C（ protein kinase C） （ 又称 C激酶或 PKC） 。 IP3诱
发细胞质溶质的 Ca2+浓度升高, 引起 C激酶发生改变, C激酶便由细
胞质溶质转移到质膜的细胞质面 。 在 Ca2+,二脂酰甘油和带负电荷
的膜磷脂 （ 磷脂酰丝氨酸 ） 的共同作用下, C激酶被激活 。
– C激酶激活时, 根据细胞的类型使靶蛋白的专一丝氨酸或苏氨酸磷
酸化, 从而将靶蛋白激活 。 C激酶的激活可通过两条途径促进基因
转录：一条是, C激酶激活一条蛋白质激酶级联反应链, 使可与
DNA结合的基因调节蛋白磷酸化而被激活；另一条是, C激酶的激
活是一种抑制蛋白 （ inhibitor protein） 磷酸化, 使原先在细胞质溶
质中与抑制蛋白结合的基因调节蛋白被释放出, 随之进人细胞核,
刺激专一基因转录 。
23
受体酪氨酸激酶及 RTK-Ras蛋白信号通路
?受体酪氨酸激酶 （ receptor tyrosine kinases,RTKs）
包括 6个亚族, 其胞外配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白
类激素, 包括胰岛素和多种生长因子 。
?信号转导,配体 → 受体 → 受体二聚化 → 受体的自磷酸化 →
激活 RTK→ 胞内信号蛋白 → 启动信号传导
?RTK- Ras信号通路,
配体 → RTK→ adaptor ←GRF→Ras→Raf （ MAPKKK）
→ MAPKK→MAPK→ 进入细胞核 → 其它激酶或基因调控蛋
白
（ 转录因子 ） 的磷酸化修钸 。
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由细胞表面整合蛋白介导的信号传递
● 整联蛋白与粘着斑
● 粘着斑的功能：
?一是机械结构功能；
?二是信号传递功能
● 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递 。
25
细胞信号传递的基本特征
与蛋白激酶的网络整合信息
● 细胞信号传递的基本特征,
多通路, 多环节, 多层次和高度复杂的可控过程 。
?具有 收敛 （ convergence） 或 发散 （ divergence） 的特点
?细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性
?信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存
?细胞以不同的方式产生对信号的适应 (失敏与减量调节 )
● 蛋白激酶的 网络整合信息 与 信号网络系统 中的 cross talk
26
27
28
简单扩散与协助扩散的比较
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31
32
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35
在动物、植物细胞由载体蛋白
介导的协同运输异同点的比较
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GPLR：种类繁多，真核
细胞普遍表达（ 7次跨膜）
信号分子包括：感觉信号
（光、嗅、声等；激素、
神经递质等）
GPLR的效应器：
AC,PLC,PLA2、
GRK（ GPLR 激酶）、
PDE,PI3K、离子通道等
50
51
（ A）细胞内受体蛋白作用模型 ;
（ B）几种胞内受体蛋白超家族成员
52
53
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乙酰胆碱 N受体（ 260KD）
外周型,5个亚基组成（ ?2???）
调节主要为 ?亚基变化
通道开启,Na+ 内流,K+外流，
膜去极化。
55
GPLR的 C端富含 Ser 和 Thr—磷酸化
位点 ---受体磷酸化失敏机制
56
57
?亚基 ---被异戊酰化（ isoprenylated）修饰连在膜上；
?亚基 ---被豆蔻酸化（ myristoylated）修饰连在膜上。
58
59
60
I n som e cel l s,an enz ym e P h osp h ol i p ase C is acti v ated
by a G pr ot ein ( G
q
), A h or m on e act iv at es GD P - G T P
exch ang e,and t h en G
q ?
- GTP act iv ate s P ho sp ho li pase C,
wh ich cl e ave s P I P
2
,
O P
O
?
O
H
2
C
C H
H
2
C
OCR
1
O O C
O
R
2
O H
H
O P O
3
2 ?
H
H
O P O
3
2 ?
H
O H
H
O
H O H
1 6
5
43
2
P I P
2
pho sphati dy li nosit ol -
4,5 - bisphosp hate
cl eav ag e by
P hosp holi pase C
61
62
63
64
65
66
67
68Converge on Ras
69
70
71
RTK GLR
Ligand Ligand
PLC
Ras AC
GP
Raf
DAG IP3
cAMP
MAPKK
MAPK
Transcription Factors
PKC
Ca2+
CaMK
PKA
PM
72
Signals transmitted from
the EGF receptor can
diverge along several
distinct pathways.
An example of crosstalk
between two major
signaling pathways
第三章 物质的跨膜运输与信号传递
（ 4学时）
? 物质的跨膜运输
? 细胞通讯与信号传递
2
第一节 物质的跨膜运输
● 被动运输 （ passive transport）
● 主动运输 （ active transport）
● 胞吞作用（ endocytosis）与胞吐作用
（ exocytosis）
物质的 跨膜运输 是细胞维持正常生命活动的基础之一。
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第二节 细胞通讯与信号传递
● 细胞通讯与细胞识别
● 细胞的信号分子与受体
● 通过细胞内受体介导的信号传递
● 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
● 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递
● 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信
息
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被动运输（ passive transport）
?什么是被动运输, 通过自由扩散或协助扩散, 使物质顺着浓度梯度 （ 或
电化学梯度 ）, 由高浓度向低浓度运动, 运动的动力来自浓度梯度, 不
需要由细胞提供代谢能量, 这种跨膜转运方式称被动运输 。
?类型, 简单扩散 （ simple diffusion）, 协助扩散 （ facilitated diffusion）
?协助扩散特征,速率高；最大转运速率；需膜转运蛋白
?膜转运蛋白,
?载体蛋白 （ carrier proteins） ——通透酶 （ permease） 性质；
介导被动运输与主动运输 。
?通道蛋白 （ channel proteins） ——具有离子选择性, 转运速率高；
离子通道是门控的；只介导被动运输
类型, 电压门通道 （ voltage-gated channel） ；配体门通道
（ ligand-gated channel） ； 压力激活通道 （ stress-activated channel）
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主动运输 （ active transport）
● 在主动运输中, 物质逆着浓度梯度 （ 或电化学梯度 ） 由低浓度向高浓度
运输, 在此过程中需要与某种释放能量的过程相藕联 。
特点, ① 逆浓度梯度 （ 逆化学梯度 ） 运输； ② 需要能量； ③ 都有载体蛋白 。
● 类型, 三种基本类型
?由 ATP直接提供能量的主动运输 —
?钠钾泵 （ 结构 与 机制 ）, Na+-K+泵作用是,① 维持细胞的渗透性,
保持细胞的体积； ② 维持低 Na+高 K+的细胞内环境, 维持细胞的静息电位 。
?钙泵 （ Ca2+-ATP酶 ）
?质子泵, P-型质子泵, V-型质子泵, H+-ATP酶
?协同运输 （ cotransport）
由 Na+-K+泵 （ 或 H+-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 。
共运输 （ symport） 和对向运输 （ antiport）
?物质的跨膜转运与 膜电位
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胞吞作用（ endocytosis）与
胞吐作用（ exocytosis）
作用,完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输, 在转运过
程中物质包裹在脂双层膜围绕的囊泡中, 又称膜泡运输； 或
称批量运输 （ bulk transport） 。 属于主动运输 。
● 胞吞作用
● 胞吐作用
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胞吞作用
● 通 过 细 胞 膜 内 陷 形 成 囊 泡, 称胞吞泡 （ endocytic
vesicle）, 将外界物质裹进并输入细胞的过程 。
● 胞饮作用 （ pinocytosis） 与 吞噬作用 （ phagocytosis） 。
胞饮作用与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
吞噬作用
小于 150 nm
大于 250 nm 。
连续发生的过程
需受体介导的
信号触发过程
需要笼形蛋白形成包被
及 接合素蛋白连接
需要微丝及其结合蛋白的参
与
● 受体介导的内吞作用 及 包被的组装
● 胞内体（ endosome）及其分选作用
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胞吐作用
● 组成型 的外排途径 （ constitutive exocytosis pathway）
所有真核细胞从高尔基体分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的连续
分泌过程 。 用于质膜更新 （ 膜脂, 膜蛋白, 胞外基质组分, 营养或信
号分子 ）
default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外,
其余蛋白的转运途径：粗面内质网 → 高尔基体 → 分泌泡 → 细胞表面
● 调节型 外排途径 （ regulated exocytosis pathway）
特化的分泌细胞
储存 ——刺激 ——释放
● 膜流,膜流的含义
动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的
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细胞通讯与细胞识别
多细胞生物是由各种细胞组成的细胞社会, 通过细胞间的通讯与信
号传导, 以协调不同细胞的行为, 如,① 调节代谢, 通过对代谢相关酶
活性的调节, 控制细胞的物质和能量代谢； ② 实现细胞功能, 如肌肉的
收缩和舒张, 腺体分泌物的释放； ③ 调节细胞周期, 使 DNA复制相关的
基因表达, 细胞进入分裂和增殖阶段； ④ 控制细胞分化, 使基因有选择
性地表达, 细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞； ⑤ 影响细胞的
存活 。
● 细胞通讯 （ cell communication）
● 细胞识别 （ cell recognition）
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细胞通讯 （ cell communication）
细胞通讯是指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 。
细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建, 协调细胞的
功能, 控制细胞的生长, 分裂, 分化和凋亡是必须的 。
● 细胞通讯方式,
?分泌化学信号进行通讯
?内分泌 （ endocrine）
?旁分泌 （ paracrine）
?自分泌 （ autocrine）
?化学突触 （ chemical synapse）
?接触性依赖的通讯
细胞间直接接触, 信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白
?间隙连接实现代谢偶联或电偶联
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细胞识别（ cell recognition）
● 概念：
细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子 （ 配体 ） 选择性地相
互作用, 进而导致胞内一系列生理生化变化, 最终表现为细胞整体的生
物学效应的过程 。
● 信号通路 （ signaling pathway）
细胞识别是通过各种 不同的 信号通路 实现的 。
细胞接受外界信号, 通过一整套特定的机制, 将胞外信号转导为胞内
信号, 最终调节特定基因的表达, 引起细胞的应答反应, 这种反应系列
称之为 细胞信号通路 。
● 信号转导 （ signal transduction）
能产生信号分子的细胞称为 信号细胞（ signaling cells） 。信号细胞
通过外排分泌和穿膜扩散释放出信号分子。受到信号分子的作用发生反应
的细胞称为 靶细胞（ target cells） 。靶细胞依靠受体识别专一的细胞外
信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内信号，这一转变过程称为 信号转
导 。细胞内信号分子经连锁的 级联反应 （ cascade） 进行细胞内信号传递，
引起细胞发生反应。
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细胞的信号分子与受体
● 信号分子 （ signal molecule）, 是细胞内, 细胞之间的信息传递物
质
?亲脂性信号分子：甾类激素, 甲状腺素
?亲水性信号分子：神经递质, 生长因子, 激素等
?气体性信号分子 (NO),80年代后期发现,
● 受体 （ receptor） 多为糖蛋白
● 第二信使 （ second messenger）,
细胞间信号分子称为, 第一信使, （ first messenger） 。 细胞内信号分
子负责把信息传递到胞内特定部位和特定代谢系统, 产生特定的细胞效应,
它们被称为, 第二信使, 。
胞内信号分子包括 cAMP,IP3,DG,cGMP等 。 Ca2+被称为第三信使,
是因为其释放有赖于第二信使 。
● 分子开关 （ molecular switches）
13
?细胞内受体, 为胞外亲脂性信号分子所激活
激素激活的基因调控蛋白 （ 胞内受体超家族 ）
?细胞表面受体, 为胞外亲水性信号分子所激活
细胞 表面受体 分属三大家族：
?离子通道偶联的受体 （ ion-channel-linked receptor）
?G-蛋白偶联的受体 （ G-protein-linked receptor）
?酶偶连的受体 （ enzyme-linked receptor）
?受体的功能：
?介导物质跨膜运输 (受体介导的内吞作用 )
?信号转导：受体的激活（ activation） （级联反应）；
受体失敏（ desensitization） 关闭反应、
减量调节（ down-regulation） 降低反应。
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通过细胞内受体介导的信号传递
● 细胞内受体的结构
● 甾类激素介导的信号通路：
两步反应 阶段,
?初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的, 发生迅速；
?次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用 。
● 一氧化氮介导的 信号通路
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通过细胞表面受体介导的信号传递
● 离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递
● G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递
● 细胞表面其它与酶偶联的受体
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离子通道偶联的受体介导的信号传递
?信号途径
?特点：
?受体 /离子通道复合体, 四次 /六次跨膜蛋白
?跨膜信号转导无需中间步骤
?主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递
?有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性
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G-蛋白偶联的受体介导的信号传递
● G-蛋白偶联受体 和 G-蛋白
三体 GTP结合调节蛋白（ trimeric GTP－ binding regulatory
protein）,简称为 G蛋白（ G－ protein）,位于质膜胞质侧,由 α,β,γ三个
亚基组成 。
● cAMP信号通路
● 磷脂酰肌醇信号通路
G蛋白在信号传递中的功能
（ 1） 调节离子通道, G蛋白可调节 K+通道的开放, 从而参与心率的调节 。
（ 2）激活腺苷酸环化酶
（ 3）激活磷脂酶 C
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与酶连接的受体
?受体酪氨酸激酶及 RTK-Ras蛋白信号通路
?受体丝氨酸 /苏氨酸激酶
?受体酪氨酸磷酸酯酶
?受体鸟苷酸环化酶 （ ANPs-signals）
?酪氨酸蛋白激酶联系的受体
两大家族：
?一是与 Src蛋白家族相联系的受体；
?二是与 Janus激酶家族联系的受体 。
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cAMP信号通路
cAMP为第二信使, 由 腺苷酸环化酶催化 产生, 被磷酸二酯
酶降解 。
?组分及其分析, cAMP 信号通路由质膜上的 5种成分组成：
Rs,Ri,Gs,Gi和 腺苷酸环化酶
?Gs 的调节作用,
? Gi 的调节作用, Gi 对腺苷酸环化酶的抑制作用,α亚基结合 腺
苷酸环化酶； βγ亚基与游离的 Gs α亚基结合, 阻断其活性 。
?反应链,
激素 → G-蛋白偶联受体 → G-蛋白 → 腺苷酸环化酶 → cAMP→ cAMP
依赖的蛋白激酶 A→ 基因调控蛋白 → 基因转录
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磷脂酰肌醇信号通路
在质膜脂双层的内层中的肌醇磷脂, 有磷脂酰肌醇 （ PI） 的 2个磷
酸化衍生物, 即 PI一磷酸 （ PI－ phosphate,PIP） 和 PI一二磷酸 （ PI－
biphosphate,PIP2） 。 信号分子与质膜上的 G蛋白关联受体结合后, PIP2
发生降解 。
?, 双信使系统, 反应链, 胞外信号分子 → G-蛋白偶联受体 → G-蛋白 →
→ IP3→ 胞内 Ca2+浓度升高 → Ca2+结合蛋白 (CaM)→ 细胞反应
磷脂酶 C(PLC)→
→ DG→ 激活 PKC→ 蛋白磷酸化或促 Na+/H+交换使胞内 pH?
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细胞内的钙信号
– 细胞外和内质网腔中的 Ca2+浓度显著高于细胞质基质 。 因此, Ca2+
在质膜和内质网膜的膜两侧存在着跨膜浓度梯度 。 膜中的 Ca2+通道
一旦被打开, 细胞质基质中的 Ca2+浓度会迅即升高, 从而引发 Ca2+
反应蛋白 的变化 。
– 细胞内 Ca2+浓度的骤然提高产生许多重要的生理功能, 例如卵受精
后启动胚胎的发育；激起肌肉收缩；激发分泌细胞和神经细胞分泌 。
Ca2+的这些作用是通过影响 Ca2+敏感蛋白来实现的, 这种蛋白质称
为 钙调蛋白 （ 钙调素 ） （ calmodulin） 。 钙调蛋白是 Ca2+的受体蛋
白 。 钙调蛋白分子是由 150个氨基酸残基所组成, 分子中有 4个 Ca2+
结合位点 。 钙调蛋白分子结合 Ca2+后, 发生构象变化, 可参与多种
反应的调节过程 。
– Ca2+／钙调蛋白还要通过 Ca2+／钙调蛋白依赖蛋白质激酶 （ Ca2+／
calmodulin－ dependent protein kinases） 才能发挥作用, 后者又称
为 CaM激酶 （ CaM kinases） 。 能使蛋白质的丝氨酸或苏氨酸磷酸
化 。
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– IP3主要的作用是提高细胞质溶质中的 Ca2+浓度, 而二脂酰甘油则是
激活蛋白质激酶 C（ protein kinase C） （ 又称 C激酶或 PKC） 。 IP3诱
发细胞质溶质的 Ca2+浓度升高, 引起 C激酶发生改变, C激酶便由细
胞质溶质转移到质膜的细胞质面 。 在 Ca2+,二脂酰甘油和带负电荷
的膜磷脂 （ 磷脂酰丝氨酸 ） 的共同作用下, C激酶被激活 。
– C激酶激活时, 根据细胞的类型使靶蛋白的专一丝氨酸或苏氨酸磷
酸化, 从而将靶蛋白激活 。 C激酶的激活可通过两条途径促进基因
转录：一条是, C激酶激活一条蛋白质激酶级联反应链, 使可与
DNA结合的基因调节蛋白磷酸化而被激活；另一条是, C激酶的激
活是一种抑制蛋白 （ inhibitor protein） 磷酸化, 使原先在细胞质溶
质中与抑制蛋白结合的基因调节蛋白被释放出, 随之进人细胞核,
刺激专一基因转录 。
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受体酪氨酸激酶及 RTK-Ras蛋白信号通路
?受体酪氨酸激酶 （ receptor tyrosine kinases,RTKs）
包括 6个亚族, 其胞外配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白
类激素, 包括胰岛素和多种生长因子 。
?信号转导,配体 → 受体 → 受体二聚化 → 受体的自磷酸化 →
激活 RTK→ 胞内信号蛋白 → 启动信号传导
?RTK- Ras信号通路,
配体 → RTK→ adaptor ←GRF→Ras→Raf （ MAPKKK）
→ MAPKK→MAPK→ 进入细胞核 → 其它激酶或基因调控蛋
白
（ 转录因子 ） 的磷酸化修钸 。
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由细胞表面整合蛋白介导的信号传递
● 整联蛋白与粘着斑
● 粘着斑的功能：
?一是机械结构功能；
?二是信号传递功能
● 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递 。
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细胞信号传递的基本特征
与蛋白激酶的网络整合信息
● 细胞信号传递的基本特征,
多通路, 多环节, 多层次和高度复杂的可控过程 。
?具有 收敛 （ convergence） 或 发散 （ divergence） 的特点
?细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性
?信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存
?细胞以不同的方式产生对信号的适应 (失敏与减量调节 )
● 蛋白激酶的 网络整合信息 与 信号网络系统 中的 cross talk
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简单扩散与协助扩散的比较
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在动物、植物细胞由载体蛋白
介导的协同运输异同点的比较
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GPLR：种类繁多，真核
细胞普遍表达（ 7次跨膜）
信号分子包括：感觉信号
（光、嗅、声等；激素、
神经递质等）
GPLR的效应器：
AC,PLC,PLA2、
GRK（ GPLR 激酶）、
PDE,PI3K、离子通道等
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（ A）细胞内受体蛋白作用模型 ;
（ B）几种胞内受体蛋白超家族成员
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乙酰胆碱 N受体（ 260KD）
外周型,5个亚基组成（ ?2???）
调节主要为 ?亚基变化
通道开启,Na+ 内流,K+外流，
膜去极化。
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GPLR的 C端富含 Ser 和 Thr—磷酸化
位点 ---受体磷酸化失敏机制
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?亚基 ---被异戊酰化（ isoprenylated）修饰连在膜上；
?亚基 ---被豆蔻酸化（ myristoylated）修饰连在膜上。
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I n som e cel l s,an enz ym e P h osp h ol i p ase C is acti v ated
by a G pr ot ein ( G
q
), A h or m on e act iv at es GD P - G T P
exch ang e,and t h en G
q ?
- GTP act iv ate s P ho sp ho li pase C,
wh ich cl e ave s P I P
2
,
O P
O
?
O
H
2
C
C H
H
2
C
OCR
1
O O C
O
R
2
O H
H
O P O
3
2 ?
H
H
O P O
3
2 ?
H
O H
H
O
H O H
1 6
5
43
2
P I P
2
pho sphati dy li nosit ol -
4,5 - bisphosp hate
cl eav ag e by
P hosp holi pase C
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68Converge on Ras
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RTK GLR
Ligand Ligand
PLC
Ras AC
GP
Raf
DAG IP3
cAMP
MAPKK
MAPK
Transcription Factors
PKC
Ca2+
CaMK
PKA
PM
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Signals transmitted from
the EGF receptor can
diverge along several
distinct pathways.
An example of crosstalk
between two major
signaling pathways
