第三章 细胞的基本功能

第三章 细胞的生物电现象
第一节 细胞的跨膜信号转导 第二节 细胞的生物电现象与兴奋性 第三节 骨骼肌的收缩
第一节 细胞表面受体介导的信号跨膜转导 离子通道偶联的受体 G-蛋白偶联的受体 与酶偶联的受体
一、细胞跨膜信号转导的概念
信号: 信号: 含有信息内容的一种物质或刺激 人体内的信号: 人体内的信号: 存在于细胞外液中含有 信息内容的化学物质, 或机械的、电的、 信息内容的化学物质, 或机械的、电的、 电磁波等刺激
（6）小G蛋白：近年来研究发现小G蛋白，特别是一些原癌基因表达产物 具有广泛的调节功能。Ras蛋白主要参与细胞增殖和信号转导；Rho蛋白对 细胞骨架网络的构成发挥调节作用；Rab蛋白则参与调控细胞内膜交通 （membrane traffic）。此外，Rho和Rab亚家庭可能分别参与淋巴细胞极 化（polarization）和抗原的提呈。某些信号蛋白通过SH-3功能区将酪氨酸 激酶途径同一些由小G蛋白所控制的途径连接起来，如Rho（与Ras有30% 同源性）调节胞浆中微丝上肌动蛋白的聚合或解离，从而影响细胞形态。 这一事实解释了某些含有SH-3的蛋白同细胞骨架某些成份相关联或调节它 们的功能。
α亚单位与 亚单位分离 亚单位与βγ亚单位分离 亚单位与 与GTP结合成为激发状态 结合成为激发状态 效应器分子被激活 α亚单位水解 亚单位水解GTP成GDP 亚单位水解 成
G蛋白的种类已多达40余种，大多数存在于细胞膜上，由α、β、γ三个不 同亚单位构成，总分子量为100kDa左右。 目前研究发现，趋化因子受体家族（chemokine receptor family）以及一 些神经递质受体都属于G蛋白偶联的7次跨膜受体的超家族。 种类 （1）Gs：细胞表面受体与Gs（stimulating adenylate cyclase g protein,Gs）偶联激活腺苷酸环化酶，产生cAMP第二信使，继而激活 cAMP依赖的蛋白激酶。 （2）Gi：细胞表面受体同Gi（inhibitory adenylate cyclase g protein,Gi） 偶联则产生与Gs相反的生物学效应。 （3）Gt：可以激活cGMP磷酸二酯酶，同视觉有关。 （4）Go：可以产生百日咳杆菌毒不导致的一系列效应。 （5）Gq：同PLC偶联，在磷脂酰肌醇代谢途径信号传递过程中发挥重要 作用。
信号转导过程
配体
ANP心房钠尿肽
GC
受体
GTP
cGMP
PKG
五、离子通道介导的信号转导
信号转导过程
信号 胞膜上的通道蛋白 离子跨膜流动 离子
通道打开或关闭
膜电位变化（去极化、超极化） 细胞功能改变
化学信号—化学门控离子通道 1. 化学信号 化学门控离子通道
N2型Ach受体阳离子通道是 型 受体阳离子通道是 种不同的亚单位组成的5 由4种不同的亚单位组成的 种不同的亚单位组成的 聚体蛋白质， 聚体蛋白质，形成一种结构 的梅花状通道样结构； 为α2βγδ的梅花状通道样结构； 的梅花状通道样结构 每个亚单位的肽链都要反复 神经肌肉接头 乙酰胆硷 次；在5个亚单位中， 贯穿膜4次 个亚单位中， 贯穿膜 个亚单位中 Ach的结合位点在 亚单位上， 的结合位点在α亚单位上 的结合位点在 亚单位上， 结合后可引起通道结构的开 放，然后靠相应离子的易化 扩散而完成跨膜信号转导 神经突触谷氨酸，门冬氨酸， 神经突触谷氨酸，门冬氨酸，甘氨酸
四、酶耦联受体介导的信号转导
1. 酪氨酸激酶受体介导的信号转导 特点： 酶与受体是同一膜蛋白 这类受体一般只有一个α-螺旋，膜外 侧肽链有与配体结合位点， 膜内侧肽链有 蛋白激酶的活性。
GRB2是生长因子受体结合蛋白2 Growth factor receptor-bound protein 2 MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶 mitogen-activated protein kinase，MAPK SOS 能与GRB2结合， 本身是一种鸟嘌呤核苷酸交换因子， 并能与Ras蛋白结合 Ras Ras·GTP具有活性，Ras·GDP无活性， 在通过受体酪氨酸激酶介导的信号转导中 发挥中心作用，是一种关键成分 Raf 丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又 称MAPKKK）
3.G protein 效应器分子 效应器分子: 腺苷酸环化酶Adenylate cyclase, AC 腺苷酸环化酶 磷脂酶C 磷脂酶 Phospholipase C, PLC 4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成 ，4，5-三 ， 二磷酸磷脂酰肌醇 二磷酸磷脂酰肌醇（ ）水解成1， ， 三 磷酸肌醇（ ）和二酰基甘油（ ）两个第二信使， 磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使， 胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“ 胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双 信使系统” 信使系统”（double messenger system） ）
位于细胞膜、 位于细胞膜、 具有特异地 识别和结合 外来化学信 号物质的功 能蛋白质
2.G protein (GTP binding protein)
位于受体与 效应器之间
配体与 受体结合
受体构象改变与 G蛋白 亚单位结合 蛋白α亚单位结合 蛋白
α亚单位与效应器分子分离 亚单位与效应器分子分离 与βγ亚单位结合 亚单位结合 等待新信号 G蛋白的工作原理
信号的类型 化学信号 机械信号 电磁信号 电信号 激素, 递质, 细胞因子 激素, 递质, 声音 光 电流
跨膜信号转导 (transmembrane tranduction)
外界信号 细胞膜表面 一种或几 胞内信号分子
种膜蛋白分子构象改变 变化 引起相应的效应
二、细胞跨膜信号转导的方式
G蛋白耦联受体介导信号转导 蛋白耦联受体介导信号转导 酶耦联受体介导的信号转导 离子通道介导的信号转导
3机械信号-机械门控离子通道 机械信号机械信号（声） 机械信号（ 耳蜗毛细胞纤毛弯曲 离子跨
毛细胞上机械门控离子通道开放 膜流动 耳蜗微音器电位
离子通道型受体
离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体， 离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体， 即配体门通道（ ）。主要 即配体门通道（ligand-gated channel）。主要 ）。 存在于神经、肌肉等可兴奋细胞， 存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为 神经递质。 神经递质。
3'-5'-cyclic adenosine monophosphate 3'-5'-cyclic guanosine monophosphate
inositol triphosphate
5. Protein kinase 分类： 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 酪氨酸蛋白激酶 另一分类： cAMP-dependent protein kinase, PKA Calcium-dependent protein kinase, PKC
三、G蛋白耦联受体介导的 蛋白耦联受体介导的 信号转导 （signal transduction mediated by G protein-linked receptor)
G蛋白是鸟苷酸结 蛋白是鸟苷酸结 合蛋白的简称
1. G protein- linked receptor protein-
关键点： 关键点： α亚单位具有 亚单位具有ATP酶的活性，并有与 酶的活性， 亚单位具有 酶的活性 并有与GTP/GDT结合 结合 的位点，是发挥功能的重要部分。 的位点，是发挥功能的重要部分。 α亚单位与 亚单位与GDP or GTP结合而具有失活或激活两 亚单位与 结合而具有失活或激活两 种形式，这取决于G蛋白是否与受体结合 蛋白是否与受体结合。 种形式，这取决于 蛋白是否与受体结合。 α亚单位在信号转导过程中发挥重要的分子开关作 亚单位在信号转导过程中发挥重要的分子开关作 用。
2. 结合酪氨酸激酶的受体 特点： 特点： 受体本身没有酶的活性， 受体本身没有酶的活性，当它与配体结 合后，就可与酪氨酸激酶结合， 合后，就可与酪氨酸激酶结合，并激活酪氨 酸激酶 促红细胞生成素 生长激素 催乳素
3. 具有鸟苷酸环化酶的受体 特点： 特点： 只有一个跨膜α-螺旋 螺旋， 只有一个跨膜 螺旋，膜外侧肽链 （N端）有与配体结合位点，而膜内侧 端 有与配体结合位点， 肽链（ 端 有鸟苷酸环化酶（ 肽链（C端）有鸟苷酸环化酶（guanylyl cyclase,GC） ）
电压门控通道又称电压依赖性或电压敏感性离子 通道:因膜电位变化而开启和关闭 因膜电位变化而开启和关闭， 通道 因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过 的离子命名， 通道4种主 的离子命名，如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道 种主 要类型，各类型又分若干亚型。 要类型，各类型又分若干亚型。 分子结构与化学门控通道类似， 分子结构与化学门控通道类似，但分子结构中存 在一些对跨膜电位的改变敏感的结构域或亚单位， 在一些对跨膜电位的改变敏感的结构域或亚单位， 诱发整个通道分子功能状态的改变。 诱发整个通道分子功能状态的改变。
6.cAMP-PKA pathway
Ligand
receptor
Gs
AC
PDE
5’-AMP ATP cAM P 蛋白激酶A
PKA
7. IP3
Ligan d
2+ /DG-PKC -Ca
pathway
recepto r
Gq
PLC
PIP2
IP3 DG PK C
IP3与内质网上的 3配体门钙通道结合，开启钙通道， 与内质网上的IP 配体门钙通道结合，开启钙通道， 使胞内Ca 浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。 使胞内 2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。用 Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似 载体离子霉素（ ） 的结果。 的结果。 DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C， 结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶 ， 结合于质膜上 PKC可以使蛋白质的丝氨酸 苏氨酸残基磷酸化使不同 可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化使不同 可以使蛋白质的丝氨酸 的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞 的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、 增殖和分化等。 的作用可用佛波醇酯 的作用可用佛波醇酯（ 增殖和分化等。DG的作用可用佛波醇酯（phorbol ester）模拟。 ）模拟。