第五章 物质的跨膜运输与信号传递

物质的跨膜运输

细胞通讯与信号传递

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 ）

胞吐作用（ exocytosis ）

一、被动运输

概念：被动运输（ passive transport ）是通过简单扩散

或

协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜运

转。

特点：运输方向；跨膜动力；能量消耗；膜转运蛋白。

类型：简单扩散（ simple diffusion ）

协助扩散（ facilitated diffusion ）

（一）简单扩散

概念：又称为自由扩散（ free diffusion ），是疏水小分子或 小的不带电荷的极性分子，不需要能量也不需要膜蛋 白参与的跨膜运输方式。特点：①沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散；②不需要提供 能量；③没有膜蛋白的协助。

某种物质对膜的通透性（ P ）可以根据它在水和油中的分配

系数（ K ）及扩散系数（ D ）来计算： P=KD/t （ t 为膜的厚度）

概念：也称促进扩散，是极性分子和无机离子在膜转运蛋白协助 下顺浓度梯度（或电化学梯度）的跨膜运输。

特点：①转运速率高； ②存在最大转运速率； ③有膜转运蛋

白参与，有特异性。

膜转运蛋白是指镶嵌在膜上和物质运输有关的跨膜蛋白。分为

载体蛋白（ carrier protein ）和通道蛋白（ channel

protein ）。

（二）协助扩散

载体蛋白（ carrier protein ）

载体蛋白（ carrier protein ）是在生物膜上普遍存

在的多次跨膜蛋白分子。可以和特定的溶质分子结

合，通过构象改变介导溶质的主动和被动跨膜运输。

相同点：①特异性，有特异的结合位点；

② 有饱和动力曲线；

③ 受抑制剂的影响。

不同点：①可改变过程的平衡点；

② 不对溶质分子作任何共价修饰。

和酶的异同点：

通道蛋白（ channel protein ）

概念：通道蛋白（ channel protein ）是横跨质膜的亲水性通 道，允许适当大小的分子和带电荷的离子顺梯度通过， 又称为离子通道。

特征：一是离子通道具有选择性；二是离子通道是门控的。

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 ）

二、主动运输

概念：主动运输（ active transport ）是指由载体蛋白介导的 物质逆浓度梯度（或化学梯度）的由浓度低的一侧向 浓度 高的一侧的跨膜运输方式。特点： ①运输方向； ②膜转运蛋白； ③消耗能量。

主动运输所需能量的来源主要有：

1. ATP 直接提供能量　　 2. ATP 间接提供能量　　 3. 光能驱动

ATP 直接提供能量驱动的主动运输 钠钾泵（ Na+-K+ -ATP 酶）

结构和作用机制

作用：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（或 F –

型）ABC 转换器

钙泵（ Ca2+-ATP 酶）

质子泵

ABC 转换器

概念：协同运输（ cotransport ）是指一种物质的运输伴随另 一种物质的运输。它是一类靠间接提供能量完成的主动 运输方式。能量：钠钾泵或质子泵通过消耗 ATP 产生膜两侧的电化学浓度 梯度，驱动协同运输的进行。 动物细胞中常常利用膜两侧 Na+ 浓度梯度来驱动，植物 细胞和细菌常利用 H+ 浓度梯度来驱动。类型：共运输（同向协同（ symport ））

对运输（反向协同（ antiport ））　

ATP 间接提供能量的主动运输

物质的跨膜运输和膜电位

膜电位：细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。

静息电位（ resting potential ）：细胞在静息状态下的膜电位。

动作电位（ active potential ）：细胞在刺激作用下的膜电位。

极化：在静息电位状态下，质膜内为负值，外为正值的现象。

去极化：由于离子的跨膜运输使膜的静息电位减小或者消失。

反极化：离子的跨膜运输导致瞬间内正外负的动作电位的现象。

超极化：离子的跨膜运输导致静息电位超过原来的值。

三、膜泡运输

膜泡运输完成大分子和颗粒性物质的跨膜运输，因质膜形成

囊泡而得名，又称批量运输（ bulk transport ）。

根据物质的运输方向分为：胞吞作用（ endocytosis ）

胞吐作用（ exocytosis ）

（一）胞吞作用

概念：胞吞作用通过细胞膜内陷形成囊泡（胞吞泡），

将外界物质裹进并输入细胞的过程。

类型：胞饮作用（ pinocytosis ）

吞噬作用（ phagocytosis ）

胞饮作用

特点：胞吞物为液体和溶质； 形成的胞吞泡小（直径小于 150nm ）；

连续发生的过程； 网格蛋白和结合素蛋白。

有被小泡

胞吞泡的形成：配体和受体结合 网格蛋白聚集

有被小窝

去被的囊泡和胞内体融合

                                                                                                                                                                  

吞噬作用

特点：胞吞物为大分子和颗粒物质；

形成的胞吞泡大（直径大于 250nm ）；

信号触发过程；

微丝和结合蛋白。

作用：防御侵染和垃圾清除工。

胞饮作用和吞噬作用的区别

特 征 物质 胞吞泡的大小 转运方式 胞吞泡形成机制

胞饮作用 溶液 小于 150nm 连续的过程 网格蛋白和接合素蛋白

吞噬作用 大颗粒 大于 250nm 受体介导的信 微丝和结合蛋白

号触发过程

（ 1 ）网格蛋白衣被小泡是最早发现的衣被小泡，介导高尔基体到内体、溶酶体、植物液泡的运输，以及质膜到内膜区隔的膜泡运输。 （ 2 ） COP I衣被小泡负责回收、转运内质网逃逸蛋白返回内质网。起初发现于高尔基体碎片，在含有 ATP 的溶液中温育时，能形成非笼形蛋白包被的小泡。 （ 3 ） COP II 主要介导从内质网到高尔基体的物质运输。最早发现于酵母 ER 在 ATP 存在的细胞质液中温育时， ER 膜上能形成类似于 COP I 的衣被小泡，酵母 COP II衣被蛋白的变异体，会在内质网中积累蛋白质。　　

（二）受体介导的胞吞作用

受体介导的胞吞作用：配体和受体结合 网格蛋白聚集

有被小窝

去被的囊泡和胞内体融合

有被小泡

胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用摄入的物质到溶酶体中被降解。

溶酶体

                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                            

不同类型受体的胞内体的分选途径：

（ 1 ）返回原来的质膜结构域，重新发挥受体的作用；

（ 2 ）进入溶酶体中被消化掉，称为受体下行调节；

（ 3 ）被运至质膜的不同结构域，称为跨细胞的转运。

（三）胞吐作用

第二节 细胞通讯与信号传递

● 细胞通讯与细胞识别

● 细胞信号传递

● 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息

一、细胞通讯与细胞识别

●细胞通讯（ cell

communication ）

●细胞识别（ cell recognition ）

细胞通讯（ cell communication ）

●概念：细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传

递到另一个细胞并产生相应的反应。

●细胞通讯方式：

接触性依赖的通讯

间隙连接实现代谢偶联或电偶联

分泌化学信号进行通讯

内分泌（ endocrine ）：①低浓度；②全身性；③长时效。

旁分泌（ paracrine ）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用

于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。

自分泌（ autocrine ）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同

一细胞，常见于癌变细胞。

化学突触（ chemical synapse ）：神经递质由突触前膜释

放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。

●概念：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性地相

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

反应的过程称为细胞信号通路。

细胞识别（ cell recognition ）

二、细胞信号传递

细胞的信号分子和受体

细胞内受体介导的信号传递

细胞表面受体介导的信号传递

细胞表面的整联蛋白介导的信号传递

（一）细胞的信号分子和受体

类型： 溶解性：亲脂性的信号分子 亲水性的信号分子 化学结构：短肽、蛋白质、气体分子等 产生和作用方式：内分泌激素、神经递质、局部 化学介导因子和气体分子 特点：①特异性；②高效性；③被灭活性。

●细胞的信号分子

●受体（ receptor ）

概念：受体是一种能够识别和选择性结合某种配体（信 号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少 包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效 应的区域 。

类型：细胞内受体（ intracellular receptor ）

细胞表面受体（ cell surface receptor ）

钝化途径：

① 受体失活 (receptor inactivation) 。

② 受体隐蔽（ receptor sequestration ）

③ 受体下行调节（ receptor down-regulation ）

受体与配体（信号分子）间作用的主要特征

① 特异性；

② 饱和性；

③ 高度的亲和力。 

第二信使学说和分子开关

第二信使学说（ second messenger theory ）： 由 Sutherland 于 70年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。第 二 信使有 cAMP 、 cGMP 、三磷酸肌醇、二酰基甘油等。

分子开关：①磷酸化和去磷酸化

②GTP 和 GDP 的交替结合

蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 γ 磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化。 蛋白激酶在信号转导中有两个方面的作用：一是通过磷酸化调节蛋白质的活性；二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。

蛋白激酶

GTP 结合蛋白（ GTP-binding regulatory protein ）

（三）细胞内受体介导的信号传导

● 甾类激素介导的信号通路

●一氧化氮介导的信号通路

血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内 Ca2+ 浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放 NO ， NO 扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（ GTP-cyclase ， GC ）活性中心的 Fe2 ＋结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和 cGMP 合成增多。 cGMP

可降低血管平滑肌中的 Ca2+ 离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛，其作用机理是在体内转化为 NO ，可舒张

血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量 。

（四）细胞表面受体介导的信号传递

细胞表面受体的类型：

① 离子通道型受体（ ion-channel-linked receptor ）

②G 蛋白耦联型受体（ G-protein-linked receptor ）

③ 酶耦联的受体（ enzyme-linked receptor ）

介导的信号传递：

1. G-1. G- 蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递

三聚体 GTP 结合调节蛋白（ trimeric GTP-binding

regulatory protein ）简称 G 蛋白。由 α 、 β 、 γ 三个亚基组

成， α 和 γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。 G

蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当 α亚基与 GDP

结合时处于关闭状态，与 GTP 结合时处于开启状态。

G 蛋白耦联型受体为 7 次跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与 G 蛋白耦联。通过与 G

蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。

cAMPcAMP 信号通路信号通路

概念：细胞外信号和相应的受体结合，导致胞内第二信使

cAMP 的水平变化而引起细胞反应的信号通路。

组分及分析：

受体；调节蛋白；腺苷酸环化酶（ Adenylyl

cyclase ）；

蛋白激酶 A （ Protein Kinase A ， PKA ）；环腺苷酸磷酸二 酯酶（ cAMP phosphodiesterase ）。

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

磷脂酰肌醇信号通路磷脂酰肌醇信号通路

概念：

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

2. 离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递

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

3. 与酶连接的受体介导的信号跨膜传递

类型：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

特点：①通常为单次跨膜蛋白；

② 接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。

受体酪氨酸激酶

由细胞表面整合蛋白介导的信号传递● 整合蛋白与粘着斑

● 导致粘着斑装配的信号通路有两条

● 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通路： 由细胞表面到细胞核的信号通路

由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路

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：

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

本章内容回顾

重点：物质跨膜运输的类型 钠钾泵的结构和作用机理 受体介导的胞吞作用 受体和信号分子 cAMP 信号通路和磷脂酰肌醇信号通路磷脂酰肌醇信号通路