1、第一章 绪论细胞生物学研究的内容和现状 细胞生物学是现代生命科学的重要基础学科 细胞生物学的主要研究内容 当前细胞生物学研究的总趋势与重点领域 细胞重大生命活动的相互关系细胞学与细胞生物学发展简史 细胞的发现 细胞学说的建立其意义 细胞学的经典时期 实验细胞学与细胞学的分支及其发展 细胞生物学学科的形成与发展 细胞生物学的主要学术组织、学术刊物与教科书细胞生物学 生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系，而细胞是生命体的结构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。 细胞生物学是研究细胞基本生命活动规律的科学，它是在不同层次（显微、亚显微与分子水平）上以研究细胞结构与功能、细胞增殖
2、、分化、衰老与凋亡、细胞信号传递、真核细胞基因表达与调控、细胞起源与进化等为主要内容。核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。主要内容细胞结构与功能、细胞重要生命活动：细胞核、染色体以及基因表达的研究生物膜与细胞器的研究细胞骨架体系的研究细胞增殖及其调控细胞分化及其调控细胞的衰老与凋亡细胞的起源与进化细胞工程总趋势细胞生物学与分子生物学(包括分子遗传学与生物化学) 相互渗透与交融是总的发展趋势。重点领域染色体DNA与蛋白质相互作用关系主要是非组蛋白对基因组的作用细胞增殖、分化、凋亡的相互关系及其调控细胞信号转导的研究细胞结构体系的组装美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（Scien
3、ce Citation Index）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（signal transduction）；细胞凋亡（cell apoptosis）；基因组与后基因组学研究（genome and post-genomic analysis）。美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为什麽是当今科研领域的热门话题？（“ What is popular in research today？”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是三种疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovascular diseases）爱滋病和肝
4、炎等传染病（infectious diseases：AIDS，hepatitis）五大研究方向：细胞周期调控（cell cycle control ）；细胞凋亡（ cell apoptosis）；细胞衰老（cellular senescence）；信号转导（signal transduction）；DNA的损伤与修复（DNA damage and repair）“细胞学说”的基本内容 认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成； 每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的 ”生命,又对与其它细胞共同组成的整体的生命有所助益； 新的细胞可以通过老的细胞繁殖产生。
5、Alberts B et al. Essential Cell Biology. New York and London：Garland publishing，Inc. 1998Alberts B et al. Molecuar Biology of the Cell, 3rd ed. New York and London：Garland Publishing，Inc. 1994Becker W.M. et al. The World of the Cell. Fourth Ed. The Benjamin/Cummings Publishing Company. 2000Gerald Ka
6、rp. Cell and Molecular Biology：concepts and experiments，2nd Edition. Published by John Wiley 生物膜(biomembrane) 细胞质膜的结构模型 膜脂生物膜的基本组成成分 膜蛋白 确定膜蛋白方向的实验程序 光脱色恢复技术 分子生物学技术在膜蛋白研究上的应用生物膜结构特征 细胞质膜的功能 膜骨架与细胞表面的特化结构第二节 细胞连接 细胞连接的功能分类 封闭连接 锚定连接通讯连接 细胞表面的粘连分子 一、胞质膜的结构模型研究简史结构模型生物膜结构 结构模型E.Gorter和FGrendel（1925）:“
7、蛋白质- 脂类-蛋白质 ”三夹板质膜结构模型J.D.Robertson（1959年）：单位膜模型(unit membrane model) S.J.Singer和G.Nicolson（1972）：生物膜的流动镶嵌模型(fluid mosaic model)K.Simons et al(1997): 脂筏模型（lipid rafts model）Functional rafts in Cell membranes. Nature 387:569-572生物膜结构磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分,尚未发现膜结构中起组织作用的蛋白；蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面, 膜蛋白是
8、赋予生物膜功能的主要决定者；生物膜是磷脂双分子层嵌有蛋白质的二维流体。“Central dogma ” of membrane biology膜的流动性膜脂的流动性膜脂的流动性主要由脂分子本身的性质决定的,脂肪酸链越短,不饱和程度越高,膜脂的流动性越大。温度对膜脂的运动有明显的影响。在细菌和动物细胞中常通过增加不饱和脂肪酸的含量来调节膜脂的相变温度以维持膜脂的流动性。在动物细胞中，胆固醇对膜的流动性起重要的双向调节作用。 膜蛋白的流动荧光抗体免疫标记实验成斑现象(patching)或成帽现象(capping) 膜的流动性受多种因素影响；细胞骨架不但影响膜蛋白的运动，也影响其周围的膜脂的流动。膜
9、蛋白与膜脂分子的相互作用也是影响膜流动性的重要因素膜的不对称性细胞质膜各部分的名称 膜脂与糖脂的不对称性糖脂仅存在于质膜的ES面，是完成其生理功能的结构基础膜蛋白与糖蛋白的不对称性 膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性；糖蛋白糖残基均分布在质膜的ES面(GO+ 3HBH4 labeling)；膜蛋白的不对称性是生物膜完成复杂的在时间与空间上有序的各种生理功能的保证。二、膜脂 生物膜的基本组成成分成分：膜脂主要包括磷脂、糖脂和胆固 醇三种类型。 膜脂的种热运动方式 脂质体（liposome）膜脂成分磷脂：膜脂的基本成分（50以上）分为二类: 甘油磷脂和鞘磷脂 主要特征：
10、具有一个极性头和两个非极性的尾(脂肪酸链)（心磷脂除外）；脂肪酸碳链碳原子为偶数,多数碳链由16,18或20个组成；饱和脂肪酸(如软脂酸)及不饱和脂肪酸(如油酸)； 糖脂：糖脂普遍存在于原核和真核细胞的质膜上（5以下）,神经细胞糖脂含量较高；胆固醇：胆固醇存在于真核细胞膜上（30%以下），细菌质膜不含有胆固醇，但某些细菌的膜脂中含有甘油脂等中性脂类。运动方式沿膜平面的侧向运动（基本运动方式）,其扩散系数为10 -8cm2/s；脂分子围绕轴心的自旋运动；脂分子尾部的摆动； 双层脂分子之间的翻转运动，发生频率还不到脂分子侧向交换频率的10 10 。但在内质网膜上,新合成的磷脂分子翻转运动发生频率很
11、高。脂质体（liposome）脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。脂质体的类型。脂质体的应用脂质体的应用研究膜脂与膜蛋白及其生物学性质；脂质体中裹入DNA可用于基因转移；在临床治疗中,脂质体作为药物或酶等载体三、膜蛋白基本类型内在膜蛋白与膜脂结合的方式外在膜蛋白与膜脂结合的方式去垢剂(detergent)外在(外周)膜蛋白(extrinsic/peripheral membrane proteins )；水溶性蛋白,靠离子键或其它弱键与膜内表面的蛋白质分子或脂分子极性头部非共价结合，易分离。内在（整合）膜蛋白(intrinsic/ integral membr
12、ane proteins)。 水不溶性蛋白，形成跨膜螺旋，与膜结合紧密，需用去垢剂使膜崩解后才可分离。脂质锚定蛋白（lipid-anchored proteins) 通过磷脂或脂肪酸锚定，共价结合。膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过Ca2+、Mg 2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。去垢剂是一端亲水、另一端疏水的两性小分子,是分离与研究膜
13、蛋白的常用试剂。离子型去垢剂(SDS)和非离子型去垢剂（Triton X-100）SDS: CH3-(CH2)11-OSO3-Na+ CH3 CH3CH3 C CH2 C (O-CH2-CH2)10- OHCH3 CH3四、确定膜蛋白方向的实验程序 胰酶消化法 同位素标记法五、光脱色恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching, FRAP) 研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。 程序： 根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。膜的流动性：生物膜的基本特征之一, 细胞进行生命活动的必要条件。膜的不对称性膜的分相现象。七、细胞质膜的功
14、能 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境; 选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排除,其中伴随着能量的传递; 提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递; 为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行; 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。八、膜骨架与细胞表面的特化结构细胞质膜常常与膜下结构(主要是细胞骨架系统)相互联系,协同作用, 并形成细胞表面的某些特化结构以完成特定的功能。 膜骨架膜骨架的概念指细胞质膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构,它参与维持细胞质膜的形状并协助质膜完成多种生理功能。红细胞的生物学特性膜骨架赋予
15、红细胞质膜既有很好的弹性又具有较高强度。 红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白及膜骨架红细胞质膜蛋白的SDS-PAGE 红细胞膜骨架的结构一、细胞连接的功能分类封闭连接(occluding junctions)紧密连接(tight junction)锚定连接(anchoring junctions)通讯连接(communicating junctions)间隙连接(gap junction)；神经细胞间的化学突触(chemical synapse)；植物细胞中的胞间连丝(plasmodesmata) 。锚定连接(anchoring junctions)与中间纤维相关的锚定连接：桥粒(desmo
16、some)半桥粒(hemidesm osome);与肌动蛋白纤维相关的锚定连接：粘合带(adhesion belt)；粘合斑(focal adhesion)二、封闭连接紧密连接是封闭连接的主要形式，存在于上皮细胞之间紧密连接的结构 紧密连接的功能形成渗漏屏障，起重要的封闭作用；隔离作用，使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能；支持功能紧密连接嵴线中的两类蛋白：封闭蛋白（occludin），跨膜四次的膜蛋白（60KD）；claudin蛋白家族（现已发现15种以上） 三、锚定连接锚定连接在组织内分布很广泛,在上皮组织,心肌和子宫颈等组织中含量尤为丰富锚定连接的类型、结构与功能锚定连接的
17、结构组成 锚定连接的类型、结构与功能与中间纤维相连的锚定连接桥粒: 铆接相邻细胞，提供细胞内中间纤维的锚定位点，形成整体网络，起支持和抵抗外界压力与张力的作用。半桥粒: 半桥粒与桥粒形态类似,但功能和化学组成不同。它通过细胞质膜上的膜蛋白整合素将上皮细胞固着在基底膜上, 在半桥粒中，中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。与肌动蛋白纤维相连的锚定连接粘合带： ,1520nm,(belt desmosome): 细胞通过肌动蛋白纤维和整连蛋白与细胞外基质之间的连接方式。锚定连接的结构组成 通过锚定连接将相邻细胞的骨架系统或将细胞与基质相连形成一个坚挺、有序的细胞群体。锚定连接具有两种不同形式
18、:与中间纤维相连的锚定连接主要包括桥粒和半桥粒；与肌动蛋白纤维相连的锚定连接主要包括粘合带与粘合斑。构成锚定连接的蛋白可分成两类:细胞内附着蛋白(attachment proteins),将特定的细胞骨架成分(中间纤维或微丝) 同连接复合体结合在一起 (desmoplakin)跨膜连接的糖蛋白,其细胞内的部分与附着蛋白相连, 细胞外的部分与相邻细胞的跨膜连接糖蛋白相互作用或与胞外基质相互作用。(desmoglein, desmocollin)四、通讯连接 间隙连接：分布广泛，几乎所有的动物组织中都存在间隙连接。 神经细胞间的化学突触 存在于可兴奋细胞之间的细胞连接方式,它通过释放神经递质来传导
19、神经冲动。胞间连丝：高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接,完成细胞间的通讯联络。胞间连丝结构 胞间连丝的功能间隙连接 间隙连接结构 间隙连接的蛋白成分间隙连接的功能及其调节机制间隙连接的通透性是可以调节的 间隙连接结构 间隙连接处相邻细胞质膜间的间隙为23nm 。连接子( connexon) 是间隙连接的基本单位。每个连接子由6个connexin分子组成。连接子中心形成一个直径约1.5nm的孔道。连接单位由两个连接子对接构成。间隙连接的蛋白成分 已分离20余种构成连接子的蛋白,属同一蛋白家族,其分子量2660KD不等；连接子蛋白具有4个-螺旋的跨膜区，是该蛋白家族最保守的区域。连接子蛋白的一级
20、结构都比较保守, 并有相似的抗原性。不同类型细胞表达不同的连接子蛋白，间隙连接的孔径与调控机制有所不同。 间隙连接的功能及其调节机制 间隙连接在代谢偶联中的作用间隙连接允许小分子代谢物和信号分子通过, 是细胞间代谢偶联的基础代谢偶联现象在体外培养细胞中的证实 代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能方面起重要作用.间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用电突触(electronic junction) 快速实现细胞间信号通讯 间隙连接调节和修饰相互独立的神经元群的行为间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用胚胎发育中细胞间的偶联提供信号物质的通路, 从而为某一特定细胞提供它的“位置信息” ，并
21、根据其位置影响其分化。肿瘤细胞之间间隙的连接明显减少或消失，间隙联接类似“肿瘤抑制因子 ”。 间隙连接的通透性是可以调节的 降低胞质中的pH值和提高自由Ca 2+的浓度都可以使其通透性降低间隙连接的通透性受两侧电压梯度的调控及细胞外化学信号的调控胞间连丝胞间连丝结构 相邻细胞质膜共同构成的直径20-40nm的管状结构胞间连丝的功能实现细胞间由信号介导的物质有择性的转运；实现细胞间的电传导；在发育过程中，胞间连丝结构的改变可以调节植物细胞间的物质运输。 五、细胞表面的粘连分子 同种类型细胞间的彼此粘连是许多组织结构的基本特征。细胞与细胞间的粘连是由特定的细胞粘连分子所介导的。粘连分子的特征与类型
22、粘连分子均为整合膜蛋白，在胞内与细胞骨架成分相连；多数要依赖Ca 2+或Mg 2+才起作用。粘连分子类型及细胞间粘着方式类型 粘着方式 类型 钙粘素（Cadherins）选择素（Selectin）免疫球蛋白超家族的CAM(Ig-Superfamily ， IgSF)整合素（Integrins）质膜整合蛋白聚糖也介导细胞间的粘着。Cadherins： 属同亲性依赖Ca 2+的细胞粘连糖蛋白，介导依赖 Ca2+的细胞粘着和从ECM到细胞质传递信号。对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有主要作用。（30多个成员的糖蛋白家族）E- Cadherins(epithelial),N
23、- Cadherins(neural) ， P- Cadherins(placental)，桥粒钙粘素。 Selectin： 属异亲性依赖于Ca 2+的能与特异糖基识别并相结合的糖蛋白，其胞外部分具有凝集素样结构域(lectin-like domain) 。主要参与白细胞与脉管内皮细胞之间的识别与粘着。P(Platelet)选择素、E(Endothelial)选择素和L(Leukocyte)选择素。 Ig-Superfamily，IgSF ： 分子结构中具有与免疫球蛋白类似的结构域的CAM超家族。介导同亲性细胞粘着或介导异亲性细胞粘着,但其粘着作用不依赖Ca 2+，其中N-CAMs 在神经组织
24、细胞间的粘着中起主要作用。 粘着方式细胞中主要的粘连分子家族 与细胞锚定连接相关的粘连分子非锚定连接（nonjunctional adhesion ）的细胞粘连分子及其作用部位与细胞锚定连接相关的粘连分子 第三节 细胞外被与细胞外基质 基本概念 胶原(collagen) 氨基聚糖和蛋白聚糖 层粘连蛋白和纤粘连蛋白 弹性蛋白(elastin) 植物细胞壁 一、基本概念细胞外被(cell coat) 又称糖萼(glycocalyx) 细胞外基质(extracellular matrix) 真核细胞的细胞外结构（extracellular structures ） 二、胶原(collagen) 胶原
25、是胞外基质最基本结构成份之一，动物体内含量最丰富的蛋白（总量的30以上）。常见的胶原类型及其在组织中的分布 胶原及其分子结构 胶原的合成与加工 胶原的功能 三、氨基聚糖和蛋白聚糖氨基聚糖(glycosaminoglycan,GAGs) 蛋白聚糖(proteoglycan) 四、层粘连蛋白和纤粘连蛋白层粘连蛋白(laminin) 纤粘连蛋白(fibronectin) 五、弹性蛋白(elastin)弹性蛋白是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺。弹性纤维与胶原纤维共同存在,分别赋予组织以弹性及抗张性。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征:构象呈无规则卷曲状态;通过Lys残基相互
26、交连成网状结构。 六、植物细胞壁植物细胞壁的组成植物细胞壁的功能增加细胞强度，提供支持功能；信息储存库的功能：产生多种寡糖素作为信号物质，或抵抗病、虫害，或作为细胞生长和发育的信号物质。 细胞外基质(extracellular matrix) 结构组成：指分布于细胞外空间, 由细胞分泌的蛋白和多糖所构成的网络结构主要功能：构成支持细胞的框架，负责组织的构建；胞外基质三维结构及成份的变化,改变细胞微环境从而对细胞形态、生长、分裂、分化和凋亡起重要的调控作用。胞外基质的信号功能 细胞外被 (cell coat)又称糖萼(glycocalyx)结构组成：指细胞质膜外表面覆盖的一层粘多糖物质，实际指细
27、胞表面与质膜中的蛋白或脂类分子共价结合的寡糖链。功能：不仅对膜蛋白起保护作用,而且在细胞识别中起重要作用。 真核细胞的细胞外结构（extracellular structures）常见的胶原类型及其在组织中的分布胶原是细胞外基质中最主要的水不溶性纤维蛋白；型胶原含量最丰富,形成类似的纤维结构；但并非所有胶原都形成纤维；型胶原纤维束, 主要分布于皮肤、肌腱、韧带及骨中,具有很强的抗张强度;型胶原主要存在于软骨中;型胶原形成微细的原纤维网,广泛分布于伸展性的组织,如疏松结缔组织;型胶原形成二维网格样结构,是基膜的主要成分及支架。 胶原及其分子结构 胶原纤维的基本结构单位是原胶原；原胶原是由三条肽链
28、盘绕成的三股螺旋结构；原胶原肽链具有Gly-x-y重复序列，对胶原纤维的高级结构的形成是重要的； 在胶原纤维内部,原胶原蛋白分子呈1/4交替平行排列,形成周期性横纹。 胶原的合成与加工 前体肽链在粗面内质网合成，并形成前原胶原 (preprocollagen)；前原胶原(preprocollagen)是原胶原的前体和分泌形式，在粗面内质网合成、加工与组装，经高尔基体分泌；前原胶原在细胞外由两种专一性不同的蛋白水解酶作用, 分别切去N-末端前肽及C-末端前肽, 成为原胶原（procollagen）；原胶原进而聚合装配成胶原原纤维（collagen fibril ）和胶原纤维（collagen f
29、iber）。 胶原的功能 胶原在胞外基质中含量最高,刚性及抗张力强度最大,构成细胞外基质的骨架结构,细胞外基质中的其它组分通过与胶原结合形成结构与功能的复合体在不同组织中，胶原组装成不同的纤维形式,以适应特定功能的需要； 胶原可被胶原酶特异降解，而参入胞外基质信号传递的调控网络中。 氨基聚糖氨基聚糖是由重复的二糖单位构成的长链多糖二糖单位之一是氨基己糖(氨基葡萄糖或氨基半乳糖) + 糖醛酸;氨基聚糖: 透明质酸、4-硫酸软骨素、6-硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素和硫酸角质素等。透明质酸( hyaluronic acid)及其生物学功能透明质酸是增殖细胞和迁移细胞的胞外基质主要成分,
30、也是蛋白聚糖的主要结构组分透明质酸在结缔组织中起强化、弹性和润滑作用 透明质酸使细胞保持彼此分离,使细胞易于运动迁移和增殖并阻止细胞分化 蛋白聚糖蛋白聚糖见于所有结缔组织和细胞外基质及许多细胞表面蛋白聚糖由氨基聚糖与核心蛋白(core protein)的丝氨酸残基共价连接形成的巨分子若干蛋白聚糖单体借连接蛋白以非共价键与透明质酸结合形成多聚体蛋白聚糖的特性与功能显著特点是多态性：不同的核心蛋白, 不同的氨基聚糖；软骨中的蛋白聚糖是最大巨分子之一, 赋予软骨以凝胶样特性和抗变形能力；蛋白聚糖可视为细胞外的激素富集与储存库，可与多种生长因子结合，完成信号的传导。 层粘连蛋白(laminin)层粘连
31、蛋白是高分子糖蛋白（820KD）,动物胚胎及成体组织的基膜的主要结构组分之一；层粘连蛋白的结构由一条重链和两条轻链构成细胞通过层粘连蛋白锚定于基膜上；层粘连蛋白中至少存在两个不同的受体结合部位：与型胶原的结合部位；与细胞质膜上的整合素结合的Arg-Gly-Asp(R-G-D)序列。层粘连蛋白在胚胎发育及组织分化中具有重要作用；层粘连蛋白也与肿瘤细胞的转移有关。纤粘连蛋白(fibronectin)纤粘连蛋白是高分子量糖蛋白（220-250KD）纤粘连蛋白分型：纤粘连蛋白的主要功能：介导细胞粘着，进而调节细胞的形状和细胞骨架的组织,促进细胞铺展；在胚胎发生过程中,纤粘连蛋白对于许多类型细胞的迁移和
32、分化是必须的；在创伤修复中,纤粘连蛋白促进巨噬细胞和其它免疫细胞迁移到受损部位；在血凝块形成中,纤粘连蛋白促进血小板附着于血管受损部位。血浆纤粘连蛋白是二聚体,由两条相似的A链及链组成,整个分子呈V形。细胞纤粘连蛋白是多聚体。 纤粘连蛋白不同的亚单位为同一基因的表达产物, 每个亚单位由数个结构域构成，RGD三肽序列是为细胞识别的最小结构单位纤粘连蛋白的膜蛋白受体为整合素家族成员之一,在其细胞外功能区有与RGD高亲和性结合部位。植物细胞壁的组成纤维素分子纤维素微原纤维（microfibril ）,为细胞壁提供了抗张强度半纤维素（hemicellulose ）: 木糖、半乳糖和葡萄糖等组成的高度分
33、支的多糖介导微原纤维连接彼此连接或介导微原纤维与其它基质成分（果胶质）连接果胶质（pectin）：含有大量携带负电荷的糖，结合Ca2+等阳离子 ,被高度水化形成凝胶果胶质与半纤维素横向连接,参与细胞壁复杂网架的形成。 伸展蛋白( extensin)：糖蛋白,在初生壁中含量可多达15，糖的总量约占65。木质素( lignin)：由酚残基形成的水不溶性多聚体。参与次生壁形成,并以共价键与细胞壁多糖交联,大大增加了细胞壁的强度与抗降解 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 tra
34、nsport）胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）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被动运输（passive transport）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 ）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
35、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）主动运输（active transport）特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白被动与主动运输的比较 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）钙泵（Ca 2+-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 +
36、-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 物质的跨膜转运与膜电位 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，又称膜泡运输或批量运输（bulk transport ）。属于主动运输。胞吞作用胞吐作用胞吐作用 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
37、径（regulated exocytosis 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 上的受体类蛋白来决定 膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的 囊泡与靶膜的识别与融合 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）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
38、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
39、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。细胞的信号分子与受体信号分子（signal molecule）亲脂性信号分子亲水性信号分子气体性信号分子(NO) 受体（receptor）多为糖蛋白 第二信使（second messenger） 分子开关 （molecular switches ）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-protei
40、n-linked receptor）酶偶连的受体（enzyme-linked receptor）通过细胞内受体介导的信号传递 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通过细胞表面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 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离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递信号途径特点：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
41、选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递 cAMP 信号通路 磷脂酰肌醇信号通路受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路细胞表面其它与酶偶联的受体受体丝氨酸/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。 信号转导子和转录激活子（signal transducer and actvator of transcription，STAT）与JAK-STAT途径。cAMP信号通路反应链：激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cA
42、MPcAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录 组分及其分析 G-蛋白偶联受体 G-蛋白活化与调节效应酶 腺苷酸环化酶GPLR的失敏（ desensitization）与减量调节细菌毒素对G蛋白的修饰作用GPLR的失敏：例：肾上腺素受体被激活后，10-15秒cAMP骤增，然后在不到1min内反应速降，以至消失。受体活性快速丧失（速发相）-失敏（desensitization）；机制：受体磷酸化 受体与Gs解偶联，cAMP反应停止并被PDE降解。两种Ser/Thr 磷酸化激酶： PKA 和 肾上腺素受体激酶（ ARK）， 负责受体磷酸化；胞内协作因子 扑获蛋白（ arrestin）-结合磷酸化
43、的受体，抑制其功能活性（ arrestin 已克隆、定位11q13）。 反应减弱（迟发相）-减量调节（down-regulation）机制：受体-配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现 arrestin可直接与Clathrin结合，在内吞中起adeptors 作用； 受体减量调节与内吞后受体的分选有关。磷脂酰肌醇信号通路 “双信使系统” 反应链：胞外信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白IP 3胞内Ca 2+浓度升高Ca 2+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受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路受体酪氨酸激酶（recepto
44、r tyrosine kinases，RTKs ）包括6个亚族 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 RasRaf （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。G蛋白偶联受体介导的MAPK 的激活 RTKs的失敏（desensitization）G蛋白偶联受体介导的MAPK 的激活MAPK（Mitogen-activated protein kinase）又称ERK（extracelular signal-regulated kinase）-真核细胞广泛存在的Ser/Thr 蛋白激酶。 MAPK的底物：膜蛋白（受体、酶）、胞浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子-在细胞增殖和分化中具有重要调控作用。 PTX敏感性G蛋白（Gi，Go）的亚基依赖于Ras激活MAPK，具体机制还有待深入研究；
