分子生物学-信号转导.ppt

1、细胞信息转导 （signal transduction）,蒋小英 生物化学与分子生物学系 西 安 交 通 大 学 医 学 部基础医学院,单细胞生物 直接作出反应,多细胞生物 通过细胞间复杂的信号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。,外界环境变化时,细胞信息传递方式, 通过相邻细胞的直接接触, 通过细胞分泌各种化学物质来调节其他细胞的代谢和功能,具有调节细胞生命活动的化学物质称为信息物质。,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,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,跨膜信号转导的一般步骤,内 容,第一节 信息物质 第二节 受

2、体 第三节 信息的传递途径 第四节 信息传递途径的交互联系 第五节 信息传递与疾病,第一节 信息物质,一、细胞间信息物质 二、细胞内信息物质,一、细胞间信息物质,凡由细胞分泌的、调节靶细胞生命活动的化学物质统称为细胞间信息物质。 又称为第一信使。,细胞间信息物质的化学本质 * 蛋白质和肽类（如生长因子、细胞因子、胰岛素等） * 氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等） * 类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等） * 脂酸衍生物（如前列腺素） * 气体（如一氧化氮、一氧化碳）等,细胞间信息物质的化学本质,根据分泌方式分为四大类： 1、神经递质：又称突触分泌信号，由神经元突触前 膜释放，如

3、乙酰胆碱，作用时间短。 2、激素：又称内分泌信号，如胰岛素、肾上腺素等。 特点：通过血液循环到达靶细胞，作用时间长。 3、局部化学介质：又称旁分泌信号，如炎症介质 特点：通过扩散作用到达靶细胞，作用时间短 4、气体信号： NO 由NOS氧化精氨酸胍基生成 CO 由血红素加单氧酶氧化血红素产生,GAS MOLECULE,二、细胞内信息物质,在细胞内传递细胞调控信号的化学物质，称为细胞内信息物质。 通常将其中的小分子物质如Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP称为第二信使(secondary messenger)。,cAMP的生成,AC,cGMP的生成,GC,磷脂酰肌醇4,5-二磷酸

4、(PIP2),三磷酸肌醇(IP3),二脂酰甘油(DAG),磷脂酰肌醇特异的 磷脂酶C (PI-PLC),+,IP3和DAG的生成,第三信使,指负责细胞核内外信息传递的物质，是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，如立早基因编码蛋白。 c-fos c-jun AP1,第二节 受 体,受体(receptor)：细胞膜上或胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，把信号传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质。个别是糖脂。 配体(ligand)：能与受体呈特异性结合的生物活性分子，包括细胞间信息物质、药物、维生素、毒物等。,受体的分类：,（一）膜受体 （二）胞内受体,（一）膜受体,1、环状受体：配体

5、依赖性离子通道 2、G蛋白偶联受体： 七个跨膜受体 3、单个跨膜螺旋受体 4、具有GC活性的受体,乙酰胆碱受体,1. 环状受体 配体依赖性离子通道,1、环状受体 -配体依赖性离子通道,Acetylcholine 乙酰胆碱,Extracellular,Cytoplasmic,COOH-,-NH2,i1,i2,i3,e1,e2,e3,TM1,TM2,TM3,TM4,TM5,TM6,TM7,D,R,Y,2、G 蛋白偶联受体 （400-600个氨基酸残基组成的多肽）G-protein-coupled receptors,-S-S-,与配体结合,G蛋白作用部位,G蛋白偶联受体：1000多种,七个螺旋受体

6、 蛇型受体 特点：由一条肽链组成的糖蛋白，N端在胞外侧，C端在胞内，中段形成七个跨膜螺旋结构。有三个胞外环和三个胞内环，胞浆面第三个环能与G蛋白偶联。,G蛋白,一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜细胞浆面的外周蛋白，由三个亚基、组成。 非活化型：、三聚体结合GDP 活化型：与、解聚结合GTP 已发现多种G蛋白，常见的有激动型Gs，抑制型Gi和磷脂酶C型Gp。,两种构象,G蛋白由三个亚基组成： G：有GTP或GDP结合位点、GTP酶活性、ADP核糖基化位点及受体和效应器结合位点等。 G与G 结合紧密。,R,H,AC,GDP,GTP,AC,ATP,cAMP,G-proteins,inhibiti

7、on of cAMP production inhibition of Ca2+ channels activation of GIRK K+ channels,G-protein subtypes,increased synthesis of cAMP activation of Ca2+ and K+ channels,activation of PLC leading to activation of PKC (DAG) intracellular Ca2+ release (IP3),mediates signalling between GPCRs and RhoA (GTPase)

8、 function under investigation,G蛋白的种类及功能,G蛋白的亚基的效应分子及其功能,两种G蛋白的作用,两种G蛋白的作用,G蛋白偶联受体的信息传递途径联受体的信息传递途径,酶,第二信使,蛋白激酶,酶或其他功能蛋白磷酸化,生物学效应,3、单个跨膜螺旋受体,酪氨酸蛋白激酶受体型 EGF IGF-1 PDGF FGF 非酪氨酸蛋白激酶受体型 GH IFN EPO IL-2、6,具有酪氨酸蛋白激酶的受体,具有丝/苏氨酸蛋白激酶的受体,转化生长因子受体 （TGF） 型 型,酪氨酸蛋白激酶受体型,自身磷酸化(autophosphorylation) 当配体与单跨膜螺旋受体结合后，

9、催化型受体大多数发生二聚化，二聚体的酪氨酸蛋白激酶被激活，彼此使对方的某些酪氨酸残基磷酸化，这一过程称为自身磷酸化。,该型受体与细胞的增殖、分化、分裂及癌变有关。,酪氨酸蛋白激酶受体型 IGF-1,非酪氨酸蛋白激酶受体型 IFN受体,TPK受体的下游分子常含有,SH2结构域 (Scr homology 2 domain) 与原癌基因scr编码的2结构域同源的结构域。此结构域能与酪氨酸残基磷酸化的多肽链结合。 SH3结构域 能与富含脯氨酸的肽段结合。,PH结构域(pleckstrin homology domain) 能识别具有磷酸化的丝氨酸和苏氨酸的短肽，并与之结合； 能与G蛋白的复合物结合；

10、 还能与带电的磷脂结合。,具有丝/苏氨酸蛋白激酶的受体 转化生长因子受体,TR- 能自身磷酸化和磷酸化型受体,4、具有鸟苷酸环化酶（GC）活性的受体,膜受体 由同源的三聚体或四聚体组成 配体 心钠素（ANP） 鸟苷蛋白 部位 心血管细胞 小肠 精子 视网膜杆状细胞 可溶性受体 、二聚体，具有GC结合域和血红素结合域 配体 NO CO 部位 脑 肺 肝 肾,具有鸟苷酸环化酶活性的受体,鸟苷酸环化酶 （GC）,（二）胞内受体(intracellular receptor),位于细胞浆和细胞核中的受体，全部为DNA结合蛋白。 胞内受体通常为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结

11、合，调节基因转录。 能与胞内受体结合的信息物质有类固醇激素、甲状腺素、维生素D3和维甲酸等。,（二）胞内受体,胞内受体,包含四个区 高度可变区 DNA结合区 激素结合区 铰链区,高度可变区,位于N端，具有转录激活功能,DNA结合区,位于中部，含有锌指结构,激素结合区,位于C端，结合配体或热休克蛋白，含有核定位信号，使受体二聚化，激活转录,铰链区,含有核定位信号,胞内受体,二、受体作用的特点,1、高度专一性 2、高度亲和力 3、可饱和性 4、可逆性 5、特定作用模式,第三节 信息的传递途径,一、膜受体介导的信息传递 cAMP-蛋白激酶A途径： Ca2+-依赖性蛋白激酶途径 cGMP-蛋白激酶途径

12、 酪氨酸蛋白激酶（TPK）途径 核因子-B途径 TGF途径 二、胞内受体介导的信息传递,1.cAMP-蛋白激酶A途径,G蛋白的调节 cAMP的生成与降解 cAMP的作用机制 PKA的作用,激素（H） HR G蛋白 腺苷酸环化酶（AC） cAMP 受体（R） 蛋白激酶A（PKA） 酶或功能蛋白磷酸化 生物学效应,cAMP-蛋白激酶A途径,与第二信使cAMP有关的激素,激活腺苷酸环化酶（促cAMP 生成 ）的激素,抑制腺苷酸环化酶（抑 cAMP 生成 ）的激素,促肾上腺皮质素（ACTH） 乙酰胆碱,抗利尿激素(ADH) 血管紧张素,肾上腺素 肾上腺素,降钙素 类鸦片,卵泡刺激素（FSH） 生长激素

13、释放抑制因子,黄体生成激素（LH）,甲状旁腺素（PTH）,促甲状腺素（TSH）,胰高血糖素,1. G蛋白的调节,2. cAMP 的合成与分解,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE),腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase,AC),C2R2 +4cAMP R2-4cAMP +C2 无活性PKA 有活性PKA,3.cAMP的作用机制:,4.PKA的作用 Ser/Thr残基磷酸化,对代谢的调节作用 对基因表达的调节作用 cAMP应答元件（cAMP response element,CRE） cAMP应答元件结合蛋白（cAMP respons

14、e element binding protein,CREB) 对功能蛋白的调节作用,肾上腺素能受体 胰高血糖素受体,激活Gs增加AC活性,cAMP,PKA,促进心肌钙转运 心肌收缩性增强,增加肝脏 糖原分解,进入核内PKA 激活靶基因转录,肾上腺素+受体,肾上腺素-受体复合物,PKA,cAMP,磷酸化酶b激酶,磷酸化酶a,糖原合成酶,ATP,磷酸化酶b,磷蛋白磷酸酶,糖原合成,糖原分解,血糖,肾上腺素对糖代谢的调节,G蛋白,AC,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMP response element , CRE)。 可

15、与cAMP应答元件结合蛋白 (cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。,对基因表达的调节作用,DNA,CREB,PKA,Transcription,mRNA,CREB,PKA,2、Ca 2+-依赖性蛋白激酶途径,在收缩、运动、分泌和分裂等复杂的生命活动中，需要Ca 2+ 参与，胞浆内Ca2+浓度在0.01-1mol/L比细胞外Ca2+浓度（约2.5mmol/L）低得多。,H HR G蛋白(Gp) PI-PLC 膜上PIP2水解 R DAG 蛋白激酶C(PKC) 生物学效应 IP3 胞内Ca2+ 升高 CaM,Ca 2+ -依

16、赖性蛋白激酶途径,通过磷脂酰肌醇信息传递的激素,激素 作用及部位,促甲状腺素释放激素（TRH） 促垂体前叶释放激素(TSH),促性腺激素释放激素（GnRH） 促垂体前叶释放LH及 FSH,血管加压素（AVP） 协助促垂体前叶释放ACTH,促甲状腺素(TSH) 促甲状腺滤释放甲状腺素,血管紧张素/ 促肾上腺皮质释放醛固酮,肾上腺素 促血小板释出ADP/5羟色胺,(1) IP3和DAG的生物合成和功能,IP3,DAG,PIP2,PLC,DAG，IP3的 功 能,DAG：在磷脂酰丝氨酸和Ca2+ 协同下激活PKC,IP3 ：与内质网和肌浆网上的受体结合，促使细胞内Ca2+ 释放,（2）钙调蛋白 (

17、Calmodulin,CaM ),钙结合蛋白,一条多肽链组成,人体的CaM有4个Ca2+结合位点,当胞浆Ca2+10-2mmol/L时, Ca2+与CaM结合,导致CaM构象改变,激活Ca2+- CaM激酶,后者可使某些酶或蛋白质的特定Ser/Thr残基磷酸化而改变其活性.,CaM,CaM与靶蛋白结合,钙调图,可被Ca2+- CaM调节的酶,腺苷酸环化酶 肌球蛋白激酶,Ca2+依赖PKC NAD激酶,Ca2+ /CaM-ATP酶 磷脂酶A2,Ca/磷脂依赖的蛋白激酶 磷酸化酶b激酶,环核苷酸磷酸二酯酶 磷酸化蛋白磷酸酶2B,3-磷酸甘油脱氢酶 丙酮酸羧化酶,糖原合成酶 丙酮酸脱氢酶,鸟苷酸环化

18、酶 丙酮酸激酶,钙调蛋白依赖的蛋白激酶,IP3、Ca2+钙调蛋白激酶途径,1肾上腺素能受体 内皮素受体 血管紧张素受体,与Gp结合,PLC,质膜上的磷脂酶肌醇二磷酸（PIP2）,IP 3,DG,肌浆网上的IP3操纵的钙通道开放,释放钙离子,作为第二信使调 节细胞多种功能,与钙调蛋白结合 发挥生物学效应,PKC,一条多肽链组成，N端为调节区段，C端为催化区段。 调节区段与DAG、磷脂酰丝氨酸、 Ca2+ 结合时，PKC构象改变发挥活性，使底物蛋白Ser/Thr残基磷酸化。 PKC对代谢、基因表达、细胞分化和增殖起作用。, 调节基因表达 PKC 对基因的活化分为早期反应和晚期反应。,（3） PKC

19、的生理功能功能, 调节代谢 活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝 、苏氨酸残基磷酸化。 靶蛋白包括： 质膜受体、膜蛋白和多种酶。,AP-1,PKC对基因的活化 的活化,DG-蛋白激酶C途径,DG + Ca2+,PKC活化,细胞膜Na+/H+ 交换蛋白磷酸化,磷酸化转录因子 （AP-1、NF-B）,H+外流增加、 Na+内流增加,促进靶基因 转录,GTP,GC,cGMP,PDE,Ca2+ /Mg2+,5- GMP,PPi,H2O,3、cGMP-蛋白激酶途径,cGMP的作用是激活蛋白激酶G（PKG），使有关蛋白Ser/Thr残基磷酸化而发挥生物学作用。,磷酸二酯酶 (phosphodiesterase

20、, PDE),鸟苷酸环化酶（GC）,膜结合型GC 胞浆可溶型GC,精氨酸,使有关蛋白或酶类的丝、苏氨酸残基磷酸化。 生物学效应 ANP：松弛血管平滑肌、利尿利钠、降血压。 NO：松弛血管平滑肌、扩张血管。,PKG的功能,鸟苷酸环化酶信号转导途径 (此途径多存在于心血管系统与脑组织内),激活胞浆可溶性,心钠素 脑钠素,激活膜结合性,GTP cGMP,激活PKG,磷酸化靶蛋白,引起血管舒张等生物学效应,4、酪氨酸蛋白激酶（TPK）途径,. 受体酪氨酸蛋白激酶途径 受体型TPK-Ras-MAPK途径 . 非受体酪氨酸蛋白激酶途径 JAKs-STAT途径,非酪氨酸蛋白激酶受体型 GH IFN EPO

21、IL-2、6,酪氨酸蛋白激酶受体型 EGF IGF-1 PDGF FGF,.受体型TPK-Ras-MAPK途径,EGF IGF-1 PDGF FGF,二聚体化,GRB2、 SOS具有SH2、SH3结构域、 静息时两者结合，游离在胞浆,ras蛋白 又称小G蛋白 无活性 Ras-GDP 有活性 Ras-GTP,磷酸化的sos可促进GDP从ras上解离,raf蛋白:具有Ser/Thr protein kinase,raf蛋白的底物是MAPK系统,MAPKmitogen activated protein kinase,丝/苏氨酸蛋白激酶 酪氨酸蛋白激酶 被MAPKK磷酸化激活，转移至核内，可使一些转录因子磷酸化，从而改变基因表达状态。 作用：接受膜受体转换和传递的信号并将其带入细胞核内，参与细胞增殖、分化及调亡等多种细胞功能的调控。,1. 受体型TPK-Ras-MAPK途径,TPK - PLCPKC图,2. 经PLC激活蛋白酶C,活化受体TPK,激活PLC,PIP2,IP 3,DG,Ca2+,PKC,Raf,ERK(MAPK、K、K),靶基因转录,(一)受体酪氨酸蛋白激酶途径,3. 经AC激活蛋白酶A,.非受体酪氨酸蛋白激酶信号转导途径 JAKs-STAT途径,受体本身无酪氨酸蛋白激酶活性，常见的配体为一些细胞因子，如白介素（IL)、