理学第八章细胞间信号传递

1、“ 饥肠辘辘”“狼吞虎咽” 生理学问题: 什么信号触发胰腺腺泡细胞的 分泌颗粒释放 (胰腺消化酶分泌)? 小肠 胰腺 第八章第八章 细胞信号转导细胞信号转导 细胞生活在社会中 单细胞：细胞与环境 多细胞：细胞与细胞、与环境 ? 细胞生存要求它们能感知环境中信号， 并对之作出反应。多细胞生物的不同 细胞之间需要协调互相关系，共同应 对环境信号。这些需求通过细胞通讯 和信号转导实现。 前言 细胞对信号的反应细胞对信号的反应: 1.细胞质：蛋白质活性改变 2.细胞核： 基因表达改变- 转录出新的或更多的蛋白质 物理性光、温度、压力、辐射等 化学性激素、生长因子、细胞因子、 神经递质、气体等 上世纪9

2、0年代以来信号转导研究领域 获诺贝尔奖的科学家 ? 1991，Nelzer和sokmann ：离子通道 ? 1992，Krebs 和Fisher ： 糖原代谢中蛋白质的可逆磷酸化 ? 1994，Gilman 和Rodbell ： G蛋白信号传导 ? 1998, Palmer，NO的信号传导 细胞信号转导细胞信号转导 第一节 概述 第二节 细胞内受体介导的信号转导 第三节 细胞表面受体介导的信号跨膜转导 离子通道偶联的受体介导的信号转导 G蛋白偶联受体介导的信号转导 酶连受体介导的信号转导 第四节 信号的整合与控制 第一节第一节 概述概述 一、细胞通讯一、细胞通讯 （一）细胞通讯的方式 （二）信

3、号分子与受体 二、信号转导系统及其特征 （一）信号转导系统及其特征 （二）细胞内信号蛋白的相互作用（二）细胞内信号蛋白的相互作用 一、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并与靶细 胞相应的受体相互作用，然后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。 概念 细胞信号转导是指细胞通过胞膜或胞内受体感受信息分子的 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。 细胞间识别、联络和相互作用的过程 细胞如何处理外来信息的过程 1、细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯 2、细胞间接触性依

4、赖的通讯 3、细胞间形成间隙连接或胞间连丝使细胞质相 互沟通，通过交换小分子来实现代谢偶联 或电偶联 （一）细胞通讯的方式（一）细胞通讯的方式 1、细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯 细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为 信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。 ?内分泌（endocrine ）： 内分泌细胞分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点： 低浓度10-8-10-12M ，全身性，长时效。 ?旁分泌（paracrine ）： 信号分子通过扩散作用于 邻近的细胞。包括：各类细胞因子（如表 皮生长因子）；气体信号分子（如：NO）。 ?自分泌（autocrine ）：

5、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。 ?通过化学突触传递神经信号： 神经递质经突触作用于特定的靶细胞。 神经元受刺激动作电位神经末梢Ca2+通道打开突触前产生化学 信号突触后膜电信号 内分泌内分泌 旁分泌旁分泌 自分泌自分泌 化学突触化学突触 2、细胞间接触性依赖的通讯 即细胞识别（ cell recognition ）：指细胞间 直接接触， 通过与质膜结合的信号分子影响其它细胞。 如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。 胚胎上皮细胞 神经元 抑制 非神经元状态细胞 细胞 周边细胞 3、细胞间形成间隙连接或胞间连丝使细胞质相互沟通， 通过交换小分子来实现代谢偶联或

6、电偶联 连丝微管 （二）细胞的信号分子与受体 1.细胞的信号分子 2.受体receptor 3.第二信使与分子开关 信号接收装置信号接收装置: 入室线座(电信号) -膜受体 信号转导装置信号转导装置: 座机-转导蛋白(分子开关) 信号传出装置信号传出装置: 听筒(声音) -第二信使 1. 1.细胞的信号分子细胞的信号分子 亲脂性信号分子（直接进入 Cell）：甾类激素、甲状腺素 亲水性信号分子（转换机制）：神经递质、生长因子、 局部 化学递质、大多数肽类激素 气体性信号分子：一氧化氮（ NO ） 信号分子:是细胞的信息载体，包括化学信号和物理信号 2.2.受体受体receptorrecepto

7、r 一种能够一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子） 的大分子，多为糖蛋白，当与配体结合后，通过 信号 转导作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号， 以启动一系列过程，最终表现为 生物学效应。 概念概念 性质性质 有时相同的信号可产生不同的效应 如如:Ach 可引起骨骼肌收缩、降低心肌 收缩频率，引起唾腺细胞分泌。 有时不同信号产生相同的效应 如如:肾上腺素、胰高血糖素，都能促进 肝糖原降解而升高血糖。 2.受体receptor 两个功能区域：配体结合区、效应区 受体的特征：高度的亲和力；饱和性；特异性。 两种类型：细胞内受体、细胞表面受体 离子通道离子通道耦耦联的受体联的受体 G蛋白蛋

8、白耦耦联的受体 酶连受体酶连受体 3.第二信使与分子开关 第一信使：细胞外信号分子。 第二信使(Second massenger) ：第一信使与受体作用 后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP、Ca2+ 、 cGMP、 三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DAG)等。 功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大。 Fig. 细胞内信号传导过程中两类分子开关蛋白 蛋白激酶蛋白磷酸酶 分子开关(Molecular switches) GEF -GAP -RGS -GDI 磷酸化和去磷酸化GTP和GDP的交替结合 二、信号转导系统及其特征 信号接收装置 信号转导装置 靶蛋白 信号分子 效应 改变细胞运

9、动或形状 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 (一)信号转导系统的基本组成与信号蛋白 4个步骤：特异性、第二信使、信号放大和脱敏 1.转承蛋白-将信号传至相邻下游分子 2.信使蛋白-将信号传至细胞内另一亚区 3.接蛋头白-通过特定结构域偶联其上下分子 4.放大和转导蛋白-生成大量调节性小分 子即第二信使 5.传感蛋白-将信号转换成另一种形式 6.分歧蛋白-接收一条线路输出至多条 7.整合蛋白-接收多条线路并整合/输出至一条 8.潜在基因调节蛋白-膜受体自身活化后 移入核内 信号转导装置信号转导装置:信号蛋白信号蛋白 (二)细胞内信号蛋白的相互作用 组装成不同信

10、号转导复合物 蛋白质模式结合域蛋白质模式结合域 与之相匹配的基序 (三)信号转导系统的主要特征 主要特征：特异性、放大作用、信号终止或 下调和细胞对信号整合作用。 第二节 细胞内受体介导的信号转导 一、细胞内受体及其对基因表达的调控一、细胞内受体及其对基因表达的调控 二、一氧化氮介导的信号通路 （类固醇激素介导的信号通路） mRNA 细胞内受体的本质：依赖 激 素激活的基因调控蛋白 ，构 成细胞内受体蛋白超家族 。 三部分组成： 中部的DNA或Hsp90结合位点： 富含Cys、锌指结构 C-端激素结合位点 N-端转录激活结构域 一、细胞内受体及其对基因表达的调控 激素 激素反应元件 靶基因转录

11、 DNA 转录激活 结构域 抑制性蛋 白Hsp90 激素结 合位点 DNA结合位点 类固醇激素、甲状腺素、维生素D的受体在 细胞内,但前列腺素，其受体在细胞质膜上。 基因活化分两个阶段：基因活化分两个阶段： ?直接激活少数特殊基因转录的初级反应阶段 快速阶 段； ?初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟的次级初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟的次级 反应，对初级反应起放大作用。 脱皮激素唾腺染色体6个位点RNA转录100 RNA转录产生大量的蛋白质 1998年RFurchgott 等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。 Robert F. Furchg

12、ottLouis J. IgnarroFerid Murad 二、一氧化氮介导的信号通路 乙酰胆碱 血管内皮细胞 一氧化 氮合酶 精氨酸 平滑肌 细胞 鸟苷酸 环化酶 舒张 NO与鸟苷酸环化酶结合，使之活化 GTPcGMP含量升高 cGMP活化PKG抑制肌动-肌球蛋白复合物信号 通路引起血管平滑肌舒张，血管扩张、血流通畅。 血 管 内 皮 细 胞 血 管 平 滑 肌 细 胞 L-精氨酸+ O2 L-瓜氨酸 + NO 一氧化氮合酶 NADP H （乙酰胆碱 ） NO的作用机理： Ca2+ 血管腔 NO应用应用 脑缺血早期NOS激活NO 脑血管扩张、脑血流增加、抑 制血小板凝聚 。 脑缺血中晚期激

13、活 NOSNO神经毒 人类学习长期记忆的获得,有赖于前后突触的联系,在这一过 程中,有一种被称为“逆行信使”的物质就是NO. 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。 第三节 G蛋白耦联受体介导的信号转导 一、G蛋白耦联受体结构与激活 概念： 是指配体-受体复合物与靶蛋白的 作用要通过与G蛋白的耦联，在细胞 内产生第二信使，从而将胞外信号跨 膜传递到胞内影响细胞的行为。 （G-protein-coupled receptors，GPCRs） 类型： 多种神经递质、肽类激素和趋化 因子的受体； 味觉、视觉和嗅觉受体。 C3 E4 2012年诺贝

14、尔化学奖被授予两位美国科 学家：罗伯特?莱夫科维茨和布莱恩? 科比 尔卡，以表彰他们在G蛋白偶联受体研究 上所做的突出贡献。 罗德贝尔(M.Rodbell) (1925-1998) 罗德贝尔，美国科学院院士，指出 G蛋白是一种细胞的信息转导物质，并因此 获得1994年诺贝尔医学生理奖。 一、一、G蛋白耦联受体结构与激活蛋白耦联受体结构与激活 G蛋白：即：trimeric GTP-binding regulatory protein 。由三个亚基， 和亚基属于脂锚 定蛋白，亚基具有GTP酶活性，能催化所结合 的GTP水解，恢复无活性的三聚体状态。 作用：分子开关 亚基+GDP关闭 亚基+ GTP

15、 开启 G蛋白的激活过程： 二、G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路 第二信使 或 受体-配体 激活型G蛋白 激活的 G蛋白效应器 依赖于第二信使的酶或通道激活或抑制 生物效应 G蛋白 G蛋白效应器 配体 受体 （一）cAMP途径：以cAMP为第二信使 （二）磷脂酰肌醇途径：以 IP3和DAG（二酰基甘油DG ）为第二信使 （三） G蛋白耦联离子通道的信号通路 （一）（一）cAMP信号途径信号途径 环腺苷酸二酯酶环腺苷酸二酯酶 清除 下游靶蛋白磷酸化下游靶蛋白磷酸化细胞代谢和细胞行为 胞质内ATP转化成cAMP 受体-配体 激活型Gs 激活的 腺苷酸环化酶 蛋白激酶A（PKA）激活 基因调控蛋

16、白磷酸化 兴奋型G蛋白(Gs) 腺苷酸环化酶(AC) 配体 受体 基因转录 主要组分：主要组分： 激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri）； 激活型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）； （一）（一）cAMP信号途径信号途径 cAMP ?亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。 ?亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子（K+通道)。 霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，使 亚基丧失GTP酶的活性，处于持续活化状态。导致霍乱 病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。 Gs调节模型: 通过亚基(Gi )与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性； 通过亚基复合物与游离Gs

17、的亚基结合，阻断Gs的亚基对 腺苷酸环化酶的活化。 百日咳毒素催化ADP核糖基共价结合到Gi的亚基上抑制结合 GTP，腺苷酸环化酶的抑制受阻，粘液分泌减少。 Gi调节模型调节模型 ? 腺苷酸环化酶： 跨膜12次。在Mg 2+ 或Mn2+的存在下， 催 化 ATP 生 成 cAMP。 Adenylate cyclase 蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个）：由两个催化亚基和两 个个调节亚基组成。组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚 基基解离，释放出催化亚基，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。的活性。 功能：将ATP上的

18、磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残残 基上进行磷酸化x-Arg-(Arg/Lys)-x-(Ser/Thr)-, 被蛋白激酶磷酸 化了的蛋白质可以调节靶蛋白的活性。 ? 环腺苷酸磷酸二酯酶（环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP- phosphodiesterase,PDE ） ： 降解cAMP 生成5-AMP，起终止起终止 信号的作用。信号的作用。 Degredation of cAMP （二）磷脂酰肌醇途径 内质网释放Ca 2+ 生物效应 胞质内IP3DAG(细胞膜内侧) 细胞膜内PIP 2 激活PKC 某些蛋白质磷酸化 钙调蛋白- Ca 2+ 复合物 激活蛋白激酶 受体-配体 激活型Gq 激

19、活的磷脂酶C Gq蛋白 磷脂酶C(PLC) 配体 受体 4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2） 1，4，5-三磷酸肌醇（IP3） 二酰基甘油（DAG） 磷脂酶C 4，5- 二磷酸 磷脂酰肌醇 1，4，5- 三磷酸肌醇 二酰基甘油 蛋 白 激 酶 C （二）磷脂酰肌醇途径 蛋白激酶C增强特殊基因转录的两条途径 ?蛋白激酶C位于细胞质， Ca2+浓度升高时， PKC转位到质膜内表面，被 DAG活化，PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。 ?IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。Ca2+被质膜上 的钙泵和Na+- Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。 ?DAG通过两

20、种途径终止其信使作用： 一是被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸， 进入磷脂酰肌醇代谢途径；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。 ?钙调蛋白（ calmodulin ，CaM）:可结合钙离子将靶蛋白（如：CaM- Kinase ）活化。 主要组分： （二）磷脂酰肌醇途径 1、离子通道耦 耦联受体及其信号转导 Fig. 在突触处通过递质门离子通道实现化学信号转换为电信号 突触前膜突触前膜释放的神经递质 结合并开启突触后细胞膜 上的递质门离子通道，结 果导致突触后细胞膜离子 流改变，从而将化学信号 转换成电信号。 （三）（三） G蛋白耦联受体介导离子通道的调控蛋白耦联受体介导离子通道的调控 2、G蛋白耦联受

21、体介导的离子通道及其调控 乙酰胆碱 Gi的 K +通道 光受体介导的信号转导 Na+ +通道 光信号光信号 磷酸二酯酶 细胞膜 cGMP5 -GMP G蛋白 光感受受体 （视紫红质）（视紫红质） 光信号通过光感受细胞 激活G蛋白，再激活磷酸二酯酶 后者使cGMP分解为5 -GMP， 抑制cGMP对Na+通道的活化， 使细胞膜处于超极化状态，以此传递兴奋信息。 3 3、G Gt t蛋白耦联的光受体的活化诱发蛋白耦联的光受体的活化诱发cGMP-门控阳离子通道的关闭 活化 第四节 酶连受体介导的信号转导 两种模式： 1.同一蛋白质分子，既是酶又是受体， 如：酪氨酸激酶受体 配体与受体膜外段的配体结合

22、区域结合受体分子内信号 传导激活受体膜内段的酪氨酸激酶胞质内一系列变化。 2.受体分子活化后的下游靶蛋白具有激酶功能， 如：酪氨酸激酶耦联受体 。 已知六类：受体酪氨酸激酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶、 受体酪氨酸磷脂酶、 酪氨酸激酶连接的受体、 受体鸟苷酸 环化酶、 组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。 Fig. 受体酪氨酸激酶（RTKs）的 6个亚族 一、 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras通路通路 ? 酶偶联型受体的共同点： ? 单次跨膜蛋白； ? 接受配体后发生二聚化， 起动下游信号转导。 Receptor tyrosine kinases RTK-Ras 信号途径可概括如下： 配 体

23、 RTK 接 头 蛋 白 GEFRasRaf （ MAPKKK ） MAPKKMAPK 进入细胞核转录因子基因表达。 ?Ras释放GDP需要鸟苷酸释交换因子（ GEF）参与； GEF有 SH3结构域，但没有 SH2结构域，不能直接和受体结合，需要 接头蛋白（如Grb2）的连接。 ?活化Ras在GAP（具有SH3 ）的参与下失活。 1、 RTK-Ras 信号途径 RTK-Ras Pathway 有丝分裂原活化蛋白激酶有丝分裂原活化蛋白激酶 GEF 二、二、 细胞表面其他与酶偶联的受体细胞表面其他与酶偶联的受体 （1）受体丝氨酸/苏氨酸激酶 （2）受体酪氨酸磷酸酯酶 （3）受体鸟苷酸环化酶 （4）

24、酪氨酸蛋白激酶联系的受体 ? 配配 体体 是是转 化 生长 因 子 -s 。 （ transforminggrowth factor- s，TGF-s。）家族成员。包括。）家族成员。包括TGF-1-5。 ? 依细胞类型不同，可依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外、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。程中的诱导信号等。 （1）受体丝氨酸/苏氨酸激酶 ? 可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化去磷酸化， 其作用是控制磷酸酪氨酸残基的其作用是控

25、制磷酸酪氨酸残基的寿命寿命，使静止细胞具有较，使静止细胞具有较 低的磷酸酪氨酸残基的水平。低的磷酸酪氨酸残基的水平。 ? 与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控细胞周期调控。 ? 白细胞表面的白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体尚不了解。属这类受体，对具体配体尚不了解。 ? 和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。 （2）受体酪氨酸磷酯酶 ? 分布在分布在 肾和血管平滑肌细胞肾和血管平滑肌细胞表面，配体为表面，配体为 心房排钠肽心房排钠肽 （atrial natriuretic peptide ，ANP）或BNP。 ? 当血压升高时，心房肌细胞分泌当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，

26、促进肾细胞排水、，促进肾细胞排水、 排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。 ? 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。 （3）受体鸟苷酸环化酶 ? 包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在 造血细胞和免造血细胞和免 疫细胞通讯疫细胞通讯上起作用。上起作用。 ? 受体本身不具有酶活性，但可连接受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶 （如（如JAK），信号途径为），信号途径为JAKSTAT或或RAS途径。途径。 ? JAK（janus kinase ）属非受体酪氨酸激酶家族。）属非受体酪氨酸激酶家族。 ? JAK的底物为的底物为STAT，即，即信号转导子和转录激活子（signal transduce