2.2.跨膜信号转导[第二次课(2)]
《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。
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）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+。
第二章2(2)细胞的跨膜信号转导
如：
终板膜变构=离子通道开放 Na+内流 终板膜电位 骨骼肌收缩
二、G蛋白偶联受体介导的信号转导 (一) cAMP信号通路
神经递质、激素等（第一信使） 结合G蛋白偶联受体
膜外N端：识别、结合第一信使 膜内C端：激活G蛋白
激活G蛋白(与β、γ亚单位分离) 兴奋性G蛋白(GS) 激活腺苷酸环化酶(AC) ATP cAMP（第二信使） 激活cAMP依赖的蛋白激酶A 细胞内生物效应
(二) 磷脂酰肌醇信号通路
激素（第一信使） 结合G蛋白偶联受体 激活G蛋白(与β、γ亚单位分离) 兴奋性G蛋白(GS) 激活磷脂酶C(PLC) PIP2
膜外N端：识别、结合第一信使
膜内C端：激活G蛋白
(第二信使）
IP3 和 DG
内质网 释放Ca2+
激活 蛋白激酶C
细胞内生物效应
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细胞质中激活的多是转录因 子的。
受体酪氨酸激酶介导的信号转导图示
复习思考题
1.细胞间通讯有哪些方式？各种方式之间有何 不同？ 2.通过细胞表面受体介导的跨膜信号转导有哪 几种方式？比较各种方式之间的异同。 3.试述细胞信号转导的基本特征。 4.试比较G蛋白偶联受体介导的几种信号通路之 间的异同。 5.概述受体酪氨酸酶介导的信号通路的组成、 特点及其主要功能。
第二节
细胞的跨膜信号转导功能
跨膜信号转导主要涉及到：胞外信号的识别与 结合、信号转导、பைடு நூலகம்内效应等三个环节。 跨膜信号转导方式大体有以下三类：
第二节 细胞膜的跨膜信号转导
第二节 细胞的跨膜信号转导功能
主 要 内 容
• • • • • • • 一、细胞间信息的传递 二、受体及细胞信号转导 （一）、膜受体介导的信号转导 1. G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导 2. 酶耦联受体介导的跨膜信号转导 3. 离子通道型受体介导的跨膜信号转导 （二）、胞内受体介导的信号转导
• Reception Transduction Response
一、细胞间信息的传递
细胞通讯
概念: 一个细胞发出的信息通过介质传递到 另一个细胞且产生反应的过程即细胞通讯 方式: ①通过细胞间的缝隙连接，允许无机离子和 水溶性小分子物质的沟通，如电传递； ②通过细胞产生的化学信号分子传递信息， 即化学传递。
Classification： G-protein coupled receptor tyrosine kinase receptor ion-channel-linked receptor nuclear receptor
（一）、膜受体介导的信号转导
• G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导
• 1: G蛋白 G-protein • guanine nucleotide-binding regulatory protein
酶耦联受体介导的跨膜信号转导
• 1：酶耦联受体概念
• 受体本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白，分为3个 结构区，即细胞外与配体的结合区，细胞内部具 有激酶活性的结构区和连接此两个部分的跨膜结 构区。使之既具有受体的功能，又具有把胞外信
号直接转化成胞内效应的能力。
• 酪氨酸蛋白激酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、鸟苷
• （2）细胞内通讯的信号分子 ： • cAMP, cGMP, Ca2+, IP3, DAG、NO、H2等。
跨膜信号转导
结合G蛋白偶联受体
激活G蛋白
兴奋性G蛋白
激活腺苷酸环化酶(AC)
ATP
cAMP（第二信使）
激活cAMP依赖的蛋白激酶A
细胞内生物效应
激素（第一信使）
结合G蛋白偶联受体
激活G蛋白
兴奋性G蛋白(GS)
激活磷脂酶C(PLC)
PIP2 (第二信使）IP3 和 DG
内质网 释放Ca2+
激活蛋白激酶C
细胞内生物效应
机械门控通道: 能感受机械刺激引起离子流动的变化，把信 号传递到细胞内部的通道。如血压升高对血管壁的牵张刺激可激 活血管平滑肌细胞的机械门控离子通道，使通道开放，引起Ca2+ 内流，引起血管收缩。
G-蛋白耦联受体介导的信号转导
G-蛋白耦联受体介导的信号转导是通过膜受体、G蛋白、G蛋白效应 器和第二信使等一系列存在于细胞膜和胞质中的信号分子活动实现的。 Ｇ蛋白耦联受体也称促代谢性受体，不具备通道结构，也无酶活性。大 多数激素都以此方式进行信号转导，是最常见的跨膜信号转导系统。
第2节 细胞跨膜信号转导
信号转导：信号分子通过刺激细胞膜受体或细胞内受体从而影响 细胞功能改变的过程。
配体：细胞之间传递信息的物质，如激素、神经递质、细胞因子及 气体分子等。
脂溶性配体：类固醇激素、一氧化氮、脂肪酸等可扩散透过细胞膜， 与胞内特异性受体结合后发挥作用。
水溶性配体：本身不能透过细胞膜进入靶细胞内，需要通过与细胞 膜表面的特异性受体结合，经过一系列的信号转导过程，才能发挥作用。
G蛋白效应器 G蛋白效应器的激活可以引致胞浆中
第二信使物质的生成增加。 G蛋白效应器有：1、腺苷酸环化酶
(AC)2、磷脂酶C(PLC)
第二信使：细胞内产生的信号分子 的物质，可以激活胞质内的蛋白激酶。
2-3细胞的跨膜信号转导
MEK ERK
靶基因 转录
三、电突触传递
连接子（connexin） 连接体 ：6个连接蛋白围绕形成孔道(2 nm) 连接体通道：2个连接体对接形成（分子量<1000） 功能意义：细胞群的同步性活动
再见
• 受体-G蛋白-腺苷酸环化酶（AC） • 受体-G蛋白-磷脂酶C（PLC） • 受体-G蛋白-离子通道
（1）cAMP信号通路
受体
Rs
Gs
Gi
＋
－
腺苷酸环化酶
α2受体
MRi受体
靶蛋白 磷酸化
ห้องสมุดไป่ตู้
cAMP
PKA
靶基因 转录
（2）磷脂酰肌醇信号通路
PIP2
PLCβ Gq
IP3
Ca2＋ 靶蛋白 磷酸化
DAG PKC
二、跨膜信号转导
（一）离子通道耦联受体介导的信号转导 阳离子通道:nAch、谷氨酸受体 阴离子通道：GABAA受体 细胞器：IP3受体
（二）G蛋白耦联受体介导的信号转导
1、信号通路中的信号分子
1）G蛋白耦联受体 2）G蛋白：GTP结合调节蛋白 3）G蛋白效应器 4）第二信使
2、G蛋白耦联受体信号转导途径
靶基因 转录
（三）酶耦联受体介导的信号转导
当配体与受体结合即激活受体胞内段的 酶活性。
1、酪氨酸激酶受体 2、丝氨酸/苏氨酸激酶受体 3、酪氨酸磷酸脂酶受体 4、鸟苷酸环化酶受体
（四）整合蛋白介导的信号转导
细胞与胞外基质之间的相互作用
酪氨酸激酶受体
GDP Ras Sos Grb2
GTP
P
Raf
靶蛋白 磷酸化
跨膜信号转导
cAMP的发现者
Earl Wilber Sutherland
跨膜信号转导
跨膜信号转导
跨膜信号转导
cAMP的作用机制
cAMP对细胞的调节是通过激活cAMP依赖性 蛋白激酶（protein kinase A, PKA)实现的。
PKA含有催化亚基和调节亚基，两个亚基结合 时PKA为无活性状态。调节亚基上有两个 cAMP结合位点，催化亚基具有催化底物丝/苏 氨基酸磷酸化的功能。
▪ G蛋白可偶联受体与效应器（酶或离子通道）。
▪ G-蛋白由、和三个亚基组成，可与GTP或 GDP结合。
▪ 非活化型G-蛋白： 三聚体存在并与GDP结 合，此时为非活化型。
▪ 活化型G-蛋白： 亚基与GTP结合并导致二 聚体脱落，此时为活化型。
跨膜信号转导
跨膜信号转导
跨膜信号转导
G蛋白质敲开了诺贝尔奖大门
▪ 特点：胞内第二和第三个环能与鸟苷酸结合蛋 白（G-protein, G-蛋白）相偶联。
▪ 受体可通过不同G-蛋白影响腺苷酸环化酶或磷 脂酶C等的活性，再引起胞内产生第二信使。
▪ G-蛋白有激动型（Gs)、抑制型(Gi)和磷脂酶C 型（Gp)
跨膜信号转导
跨膜信号转导
跨膜信号转导
跨膜信号转导
G-蛋白及两种构象
第二信使：是细胞外信号分子作用于细 胞受体后在细胞内产生的信号分子，其 作用是将细胞第一信使携带的信息“转达” 给胞内靶蛋白。
Second messenger: Substances that serve as a direct relay from the plasma membrane to the biochemical machinery inside the cell.
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复习思考题
1．试述细胞膜物质转运的形式及机制。 2. 何谓钠泵？其运转机制以及生理意义是什么？ 3． 试述主要的信号跨膜转导路径。 4． 简述G蛋白耦联受体介导的信号转导过程。
神经递质、肽类激素
（三）细胞间信号传递的过程
1. 信号分子的合成和分泌
2. 信号分子转运至靶细胞 3. 细胞上的特异受体与信号分子的相互 识别与结合 4. 信号分子—受体复合物经细胞内信号传 递系统的级联生物化学反应，最终导致 细胞功能的变化 5. 信号分子的清除、终止靶细胞的反应。
第二节 细胞的跨膜信号转导
二酰甘油 + 三磷酸肌醇
（DG） （ IP3）
肌浆网释放Ca2+
蛋白激酶C (PKC)
钙调蛋白 (CaM)
（三） 离子通道受体（Ion-channel receptor）
ACh
骨骼肌N2型ACh受体
Na+ 、K+的跨膜流动 终板电位
（三）酪氨酸激酶受体 (Tyrosine kinase receptor)
第二节 细胞的跨膜信号转导
一、概述
（一）信号分子来源
内分泌 (Endocrine) 旁分泌 (Paracrine) 接触性通讯 突触传递(Synaptic transmission) 间隙连接
第二节 细胞的跨膜信号转导
（二） 信号分子的作用方式 1.亲脂性信号分子——进入到细胞内发挥作用 甾体激素、甲状腺素 2.亲水性信号分子——通过与细胞膜上受体结 合起作用
神经末梢递质的释放
第一节 y
• 物质转运形式有两种：主动运转和被动运转。 • 介导易化扩散的蛋白质有：载体和通道，前者特异性较 强，后者的转运效率高。 • 主动运转的能量直接或间接地由Na+泵提供。
• 亲水性信号物质，由于不能直接通过细胞膜，只能作用 于细胞膜上的受体，通过受体将信息传入细胞内。
特点：膜外为一糖基化的肽段,跨膜结构为一 螺旋，膜内结构域具有酪氨酸激酶活性。
3.出胞和出胞 (endocytosis and exocytosis)
/.../endosomes.html
/VUV/home-page/hot-topics/endo.html
二、 G蛋白偶联受体介导的信号转导
G-蛋白（Guanine nucleotide-binding protein， 简称G-protein）
G-蛋白偶联受体特点：
由细胞外、跨膜（一般为七个）和细胞内3个 功能结构域组成。 与G-蛋白偶联的受体有：
ACh受体、肾上腺素能、受体、5-羟色氨受体等。
第二节 细胞的跨膜信号转导
吞噬：phagocytosis 吞饮： pinocytosis
受体介导的入胞： receptor-mediated endocytosis
液相入胞： fluid-phase endocytosis
exocytosis
/.../synapticfunction.html
1. 受体-G蛋白-AC 途径
配体-受体结合
or
刺激性 G蛋白(Gs)
(+)
抑制性 G蛋白(Gi)
(-)
腺苷酸环化酶
ATP cAMP (第二信使) 活化蛋白激酶 生理效应
第二节 细胞的跨膜信号转导
2. 受体-G蛋白-PLC 途径
激素
受体
细 胞 膜
G-蛋白
磷脂酶C (PLC)
磷脂酰二磷酸肌醇
（PIP2）