《细胞信号转导》PPT课件.ppt

复习细胞内蛋白质分选有哪两条途径 共翻译转运途径 翻译后转运途径 英国诗人JohnDonne Nomanisanisland 第八章细胞信号转导 主要内容 概述细胞内受体介导的信号转导G蛋白耦联受体介导的信号转导酶连受体介导的信号转导信号的整合与控制 一 细胞通讯 第一节概述 细胞通讯 一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞 并与靶细胞相应的受体相互作用 再通过细胞信号转导产生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 细胞信号转导是细胞间实现通讯的关键过程 一 细胞通讯的方式 1 细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯 2 细胞间接触性依赖的通讯 3 细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通 通过交换小分子来实现代谢耦联或电耦联 3 细胞间隙连接 接触依赖性通讯 化学通讯 1 2 接触性依赖的通讯 通过分泌化学信号的细胞间通讯方式 通过胞外信号介导的细胞通讯的一般步骤 特定的细胞合成并释放信号分子 信号分子经扩散或血循环到达靶细胞 信号分子与靶细胞的受体特异性结合 受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统 靶细胞产生生物学效应 信号的解除 细胞反应终止 信号转导 信号传导 细胞通讯的方式及引起的某些反应 二 信号分子与受体 1 细胞的信号分子 是细胞的信息载体 包括化学信号 物理信号等 化学信号分子的类型 细胞间信号分子影响细胞功能的途径 2 受体 receptor 受体 是一种能够识别和选择结合某种配体 信号分子 并能引起细胞功能变化的生物大分子 绝大多数受体是糖蛋白 少数是糖脂 两个功能区域 配体结合区 效应区受体特点 能识别配体并与之特异性结合 能启动级联反应 将信号扩大 将信号转至效应器 两类受体 2 细胞表面受体 位于细胞质膜上 主要与大的信号分子或小的亲水性信号分子作用 1 细胞内受体 位于细胞核和胞质溶胶 主要识别能够穿过细胞质膜的小的脂溶性的信号分子 离子通道受体 蛋白偶联受体酶联受体 生长因子受体 1 表面受体的类型 细胞对信号应答的两种方式 信号分子与受体相互作用的复杂性 相同信号作用于不同的细胞可产生不同效应 不同信号可产生相同效应 如肾上腺素 胰高血糖素 都能促进肝糖原降解而升高血糖 3 第二信使与分子开关 第二信使的发现20世纪50年代 E W Sutherland在研究肝组织中糖原是如何分解时发现了cAMP 其后提出激素作用的第二信使学说 1971年获诺贝尔生理和医学奖 第一信使 细胞外信号分子 第二信使 第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子 目前公认的第二信使包括cAMP cGMP 三磷酸肌醇 IP3 二酰基甘油 DAG Ca2 等 功能 启动和协助细胞内信号的逐级放大 第二信使的特性 由第一信使同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现 能启动或调节细胞内稍晚出现的信号应答 仅在细胞内起作用 对信号的转导起到逐级放大和终止的作用 2 分子开关 对信号转导进行精确调控 通过磷酸化传递信号 通过GTP结合蛋白传递信号 蛋白激酶激活 蛋白磷酸酶去活性 Fig 细胞内信号转导过程中两类分子开关蛋白 二 信号转导系统及其特性 一 信号转导系统的基本组成与信号蛋白细胞信号转导是指细胞通过胞膜或胞内受体感受信号分子的刺激 经细胞内信号转导系统转换 从而影响细胞生物学功能的过程 胞外信号分子 受体 胞内信号分子 靶蛋白 新陈代谢酶 基因调控蛋白 细胞支架蛋白 改变新陈代谢 改变基因表达 改变细胞形状或运动 通过细胞表面受体介导的信号途径的组成 组成从细胞表面到细胞核的信号途径的各类信号蛋白组分 转承蛋白 信使蛋白 接头蛋白 放大和转导蛋白 传感蛋白 分歧蛋白 整合蛋白 潜在基因调控蛋白 转承蛋白 接头蛋白 分歧蛋白 放大和转导蛋白 整合蛋白 信使蛋白 潜在基因调控蛋白 细胞信号转导的特点 特异性 信号转换 逐级放大 信号终止或下调在信号转导途径中 上游蛋白对下游蛋白活性的改变主要是通过添加或除去磷酸集团进行的 二 信号转导系统的主要特性 对信号具有整合作用 细胞的信号转导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 分化和死亡是必须的 细胞外信号不同的组合可以引起动物细胞不同的应答 第二节细胞内受体介导的信号转导 一 细胞内核受体及其对基因表达的调控 细胞内受体超家族的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白 有3个功能结构域 核受体结构示意图 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 抑制蛋白复合物 激素结合位点 转录激活结构域 DNA结合结构域 激素 甾类激素介导的信号通路 初级反应阶段 直接活化少数特殊基因的转录 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 类固醇激素诱导的基因活化通常分为两个阶段 NO的作用机理 乙酰胆碱 血管内皮细胞 Ca2 浓度升高 一氧化氮合酶 NO 平滑肌细胞 鸟苷酸环化酶 cGMP 血管平滑肌细胞的Ca2 离子浓度下降 平滑肌舒张 血管扩张 血流通畅 硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史 其作用机理是在体内转化为NO 二 NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合 由于NO的半衰期很短 5 10秒钟 所以它只能作用于相邻细胞 1998年三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖 RobertF Furchgott LouisJ Ignarro FeridMurad 由三部分组成 7次跨膜的受体G蛋白效应物 酶 第三节G蛋白耦联受体介导的信号转导 一 G蛋白耦联受体的结构与激活 G蛋白耦联受体 G蛋白的结构与功能 G蛋白 GTP结合蛋白 参与细胞的多种生命活动 细胞通讯 核糖体与内质网的结合 小泡运输 微管组装 蛋白质合成 组成 由三个亚基 组成 两亚基通常紧密结合在一起 只有蛋白变性时才分开 近年来发现了小分子G蛋白家族 为单聚体 共50多种 这些小分子G蛋白为重要的信号转导物质 包括Ras家族 Rho家族 Rab家族和其他等四类 亚基上有GTP结合位点 具有GTP激酶的活性结构域 ADP核糖化位点 G蛋白在信号转导过程中起分子开关的作用 非活化型 活化型 GDP GTP R H AC GDP GTP 腺苷酸环化酶 AC ATP cAMP 二 G蛋白偶联受体介导的细胞信号通路 根据引起的级联反应的不同 分为 cAMP信号通路 磷脂酰肌醇信号通路 一 以cAMP为第二信使的信号通路 细胞外信号与相应受体结合 导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路 cAMP作为第二信使主要通过激活蛋白激酶A进行信号放大 cAMP信号通路组成 激活型 Rs 抑制型 Ri 活化型 Gs 抑制型 Gi 效应物 即腺苷酸环化酶 AC 受体 G蛋白 接受激活型信号后通过Gs激活腺苷酸环化酶的活性 通过Gi抑制腺苷酸环化酶的活性 降低细胞质中cAMP的水平 激活腺苷酸环化酶的活性 提高细胞质中cAMP的水平 抑制腺苷酸环化酶的活性 降低细胞质中cAMP的水平 在信号传递中 必有正 负两种相辅相成的反馈机制来调控其传递 激活型由激活型的信号作用于激活型的受体 经激活型的G蛋白去激活腺苷酸环化酶 从而提高cAMP的浓度引起细胞的反应 抑制型通过抑制型的信号分子作用于抑制型的受体 经抑制型的G蛋白去抑制腺苷酸环化酶的活性 激活型与抑制型受体进行信号传导的效应 在该系统中 G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用 将信号从受体传递给效应物 包括三个过程 配体 信号分子 受体受体的构型改变 提高与G蛋白的亲和力 受体 G蛋白受体 G蛋白复合物 亚基 GTPG蛋白活化激活效应物 腺苷酸环化酶 G蛋白被受体激活 G蛋白将信号向效应物转移 信号作用终止 Gs的调节作用 配体结合改变受体构象 暴露出与Gs结合位点 配体 受体复合物与Gs结合 GDP解离 GTP取代与之结合 导致 亚基从Gs复合物上解离 亚基结合并活化腺苷酸环化酶 产生cAMP 同时配体与受体解离 受体恢复原来构象 GTP水解导致 亚基脱离腺苷酸环化酶并与 复合物结合成Gs蛋白 Gi的调节作用 Gi对腺苷酸环化酶的抑制通过两条途径 Gi的 亚基与 亚基解离后 通过 亚基与腺苷酸环化酶结合 直接抑制酶的活性 通过 亚基与游离的Gs 亚基结合 阻断Gs的 亚基对腺苷酸环化酶的活化 cAMP的合成与分解 由腺苷酸环化酶催化ATP生成 第二信使 cAMP 腺苷酸环化酶 跨膜蛋白 在Mg2 或Mn2 的存在下可催化ATP生成cAMP 通过cAMP介导的激素应答实例 组织激素应答 肝肾上腺素和胰高血糖素糖原水解 葡萄糖合成糖原合成的抑制 心肌肾上腺素加快收缩 肾加压素提高表皮细胞对水的通透性 脂肪肾上腺素和胰高血糖素三酰甘油降解 cAMP的作用机制通过活化cAMP依赖的蛋白激酶A 蛋白激酶A PKA 是由四个亚基组成的四聚体 两个调节亚基 R亚基 两个催化亚基 C亚基 蛋白激酶A的激活 cAMP信号通路 蛋白激酶A的作用机理 被激活的蛋白激酶A可以以两种方式起作用 PKA使其靶酶磷酸化 将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸和苏氨酸残基 X Arg Arg Lys X Ser Thr 上进行磷酸化 快速应答 直接激活特定的基因调控蛋白 CREB 慢速应答 对代谢的调节 快速应答 对基因表达的调节作用 缓慢应答 cAMP也能启动基因的表达cAMP蛋白激酶A激活转录因子 细胞核 DNA特定位点 cAMP反应元件 CREB 基因转录 ATP cAMP 蛋白磷酸化 结构基因 细胞核 DNA 蛋白质 cAMP信号的终止 细胞内cAMP浓度的升高对细胞的代谢及基因的表达有重要影响 因此对cAMP的浓度必须进行严格控制 以免细胞一直处于过敏状态 信号解除有两种方式 将cAMP迅速降解 通过磷酸二酯酶 通过抑制型的信号作用于RiGiGi 与腺苷酸环化酶结合抑制腺苷酸环化酶的活性 细菌毒素对G蛋白的修饰作用 1 霍乱毒素具有ADP 核糖转移酶活性可以催化Gs的 亚基ADP 核糖基化 使 亚基结合的GTP不能水解 因而处于持续活化状态 2 百日咳毒素催化Gi的 亚基ADP 核糖基化 使Gi的 亚基不能活化 阻断了Ri受体引起的对AC的抑制作用 二 磷脂酰肌醇双信使信号通路 第二信使 IP3 二酰基甘油DG 4 5 二磷酸磷脂酰肌醇 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 浓度升高磷脂酶C PLC DG 激活PKC Ca2 结合蛋白 CaM 细胞反应 蛋白磷酸化或促Na H 交换使胞内pH 组成 受体 G蛋白 效应物 磷脂酶C 处于静息状态的磷脂酰肌醇信号通路 第二信使的产生 磷脂酶C的激活 第二信使IP3 DG的生成4 5 二磷酸磷脂酰肌醇 PIP2 二酰基甘油 DG 三磷酸肌醇 IP3 IP3启动第三信使Ca2 的释放 蛋白激酶C的激活 蛋白激酶C非活性时是水溶性的 激活后成为膜结合酶 其激活是脂和Ca2 依赖性在IP3 DG和Ca2 共同作用下被激活作用 蛋白激酶C可将靶蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化 参与细胞内生化反应的调控 同时也能作用于细胞核中的转录因子 参与基因的调控 对基因表达的调节作用 蛋白激酶C激活蛋白激酶蛋白激酶磷酸化激活特定基因表达的调控蛋白 蛋白激酶C激活基因表达调控蛋白的抑制蛋白 磷酸化 释放基因调控蛋白基因转录 两条途径 Ca2 的作用 Ca2 除了参与蛋白激酶C的激活外 在细胞分裂 分泌活动 内吞作用 受精 突触传递 代谢以及细胞运动等都有重要作用 细胞中Ca2 浓度 静息状态时 细胞中Ca2 浓度非常低 10 7M 细胞外和ER中Ca2 浓度要高10000倍 细胞质中Ca2 浓度的调节 细胞中Ca2 浓度的调节 IP3受体通道 氨酸激酶受体 Ca2 泵 ER中Ca2 泵 钙离子通道 钙调蛋白 CaM 存在于真核细胞中与Ca结合形成Ca2 钙调蛋白复合物 Ca2 CaM 激活CaM 蛋白激酶靶蛋白磷酸化影响细胞的生命活动 钙调蛋白 IP3 DG Ca2 信号的终止 DG信号的解除 1 被DG磷酸激酶磷酸化 生成磷脂酸 2 被DG酯酶水解生成单脂酰甘油IP3信号的解除 1 IP3被水解 在5 磷酸酶的作用下 水解为1 4 二磷酸肌醇肌醇 2 被磷酸化生成肌醇 1 3 4 5 四磷酸 再水解成无活性的肌醇 1 3 4三磷酸 Ca2 信号的解除 通过降低胞质溶胶中的Ca2 浓度需要四磷酸肌醇参与 打开细胞质膜上Ca2 通道 细胞外Ca2 进入细胞内 Ca2 浓度升高钙调蛋白活化与膜上Ca2 ATP酶结合 提高对钙的亲和力将Ca2 迅速泵到细胞外及内质网内使胞质的Ca2 浓度恢复基态水平CaM 蛋白激酶复合物解离 PKA与PKC系统的不同点 产生的第二信使不同 PKA cAMP PKC IP3 DAG 效应物不同 PKC 磷脂酶C 蛋白激酶C PKA 腺苷酸环化酶 蛋白激酶A PKC有Ga2 的参与 共同点 都是与G蛋白耦联 一 受体酪氨酸激酶及RTK Ras蛋白信号通路 受体酪氨酸激酶包括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 第四节酶联受体介导的信号转导 受体酪氨酸激酶 简称RTK 是最大的一类酶联受体 Ras是原癌基因c ras表达的产物 RTK Ras信号通路 配体 RTK adaptor GEF 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 的磷酸化修饰 MAP 有丝分裂原活化蛋白 二聚体彼此相互磷酸化受体胞内酪氨酸残基 磷酸化的酪氨酸残基可被含有SH2结构域的胞内信号蛋白或结合蛋白识别并结合 GRB 2是一种接头蛋白 起偶联作用 GRB 2同时具有SH2和SH3结构域 Ras激活蛋白 GEF 无SH2结构域 只有SH3结构域 SH2 SH3结构域 Src同源区 GRB 2 Ras蛋白具有分子开关作用 Sos是Ras蛋白激活蛋白Ras蛋白从失活态活化态需GEF参与GAP可促进Ras蛋白结合的GTP水解为GDP 导致Ras蛋白从活化态失活态 Ras蛋白的活化对诱导不同类型细胞的分化或增殖是必要而充分的 约30 的人类恶性肿瘤与ras基因突变有关 由RTK介导的信号通路具有广泛的功能 调节细胞的增殖与分化 促进细胞存活等 主线 RTK介导的信号通过活化的Ras蛋白激活一系列激酶磷酸化级联反应 使信号向下游传递 配体是转化生长因子 s家族成员 包括TGF 1 5 依细胞类型不同 可抑制细胞增殖 刺激胞外基质合成 刺激骨骼的形成 通过趋化性吸引细胞 作为胚胎发育过程中的诱导信号等 一 受体丝氨酸 苏氨酸激酶 二 细胞表面其他酶连受体 使特异的胞内信号蛋白去磷酸化 控制磷酸酪氨酸残基的寿命 使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基水平 与酪氨酸激酶协同工作 如参与细胞周期调控 二 受体酪氨酸磷酯酶 位于肾和血管平滑肌细胞 配体为ANP或BNP 血压升高时 心房肌细胞分泌ANP 促进肾细胞排水 排钠 血管平滑肌松弛 血压下降 信号途径为 配体 受体鸟苷酸环化酶 cGMP 依赖cGMP的蛋白激酶G PKG 靶蛋白的丝氨酸 苏氨酸残基磷酸化而活化 三 受体鸟苷酸环化酶 受体 鸟苷酸环化酶 配体 心房排钠肽 结果 促进肾细胞排水 排钠 同时导致血管平滑肌细胞松弛 使血压下降 效应物 蛋白激酶G 包括各类细胞因子 如干扰素 的受体 在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用 受体本身不具有酶活性 但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶 如JAK 信号途径为JAK STAT或RAS途径 四 酪氨酸蛋白激酶联系的受体 JAK属非受体酪氨酸激酶 底物为STAT 即信号转导子和转录激活子 配体 受体二聚化 JAK STAT 基因表达 JAK STATPathway 三 由细胞表面整联蛋白介导的信号转导 整联蛋白与粘着斑 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 通过粘着斑由整联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 第五节信号的整合与控制 一 细胞对信号反应表现收敛性 con