第15章细胞信号转导

1、第第15章章细胞信息转导细胞信息转导Cellular Signal Transductiono细胞通讯（细胞通讯（cell communication）是体内一部是体内一部分细胞发出信号，另一部分细胞（分细胞发出信号，另一部分细胞（target cell）接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程。接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程。 o细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程称为变化及效应的全过程称为信号转导（信号转导（signal transduction）。 年度年度 重要发现重要发现 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者1923年年胰岛素胰

2、岛素Frederick Grant BantingJohn James Richard Macleod1936年年神经冲动的化学传递神经冲动的化学传递Henry Hallett DaleOtto Loewi1950年年肾上腺皮质激素肾上腺皮质激素Edward Calvin KendallPhilip Showalter HenchTadeus Reichstein1970年年神经末梢的神经递质的合成、释神经末梢的神经递质的合成、释放及灭活放及灭活Sir Bernard KatzUlf von EulerJulius Axelrod1971年年激素作用的第二信使机制激素作用的第二信使机制Earl

3、 Wilber Sutherland1982年年前列腺素及相关的生物活性物质前列腺素及相关的生物活性物质Sune K. BergstrmBengt I. SamuelssonJohn R. Vane1986年年生长因子生长因子Stanley CohenRita Levi-Montalcini年度年度重要发现重要发现诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者1992年年蛋白质可逆磷酸化调节机制蛋白质可逆磷酸化调节机制Edmond H. FischerEdwin G. Krebs1994年年G蛋白及其在信号转导中的作用蛋白及其在信号转导中的作用Alfred Gilman，Martin Rodbell1998年年

4、一氧化氮是心血管系统的信号分一氧化氮是心血管系统的信号分子子Robert F. Furchgott，Louis J. Ignarro，Ferid Murad2000年年神经系统有关信号转导神经系统有关信号转导Arvid Carlsson，Paul Greengard，Eric R. Kandel2001年年细胞周期的关键调节分子细胞周期的关键调节分子Leland H. HartwellR. Timothy HuntPaul M. Nurse2003 细胞膜离子通道作用机制细胞膜离子通道作用机制Peter AgreRoderick MacKinnon2004 嗅受体及其作用机制嗅受体及其作用机制

5、Richard Axel，Linda B. Buck2004 泛素介导的蛋白质降解泛素介导的蛋白质降解Aaron Ciechanover，Avram Hershko，Irwin Rose第一节第一节细胞信号转导概述细胞信号转导概述The General Information of Signal Transduction细胞应答反应细胞应答反应细胞外信号细胞外信号受体受体细胞内多种分子的浓度、活细胞内多种分子的浓度、活性、位置变化性、位置变化n细胞信号转导的基本路线细胞信号转导的基本路线 一、细胞外化学信号有可溶性和一、细胞外化学信号有可溶性和膜结合型两种形式膜结合型两种形式o生物体可感受任何

6、物理、化学和生物学生物体可感受任何物理、化学和生物学刺激信号，但最终通过换能途径将各类刺激信号，但最终通过换能途径将各类信号转换为细胞可直接感受的信号转换为细胞可直接感受的化学信号化学信号（chemical signaling）。o化学信号可以是化学信号可以是可溶性的可溶性的，也可以是，也可以是膜膜结合形式的结合形式的。 （一）化学信号通讯存在从简单到复杂的（一）化学信号通讯存在从简单到复杂的进化过程进化过程o化学信号通讯是生物适应环境不断变异、进化化学信号通讯是生物适应环境不断变异、进化的结果。的结果。 单细胞生物与外环境直接交换信息。单细胞生物与外环境直接交换信息。多细胞生物中的单个细胞不

7、仅需要适应环多细胞生物中的单个细胞不仅需要适应环境变化，而且还需要细胞与细胞之间在功境变化，而且还需要细胞与细胞之间在功能上的协调统一。能上的协调统一。 n多细胞生物细胞间的联系多细胞生物细胞间的联系 细胞与细胞的直接联系细胞与细胞的直接联系：物质直接交换，或者：物质直接交换，或者是通过细胞表面分子相互作用实现信息交流。是通过细胞表面分子相互作用实现信息交流。 激素调节：激素调节：适应远距离细胞之间的功能协调的适应远距离细胞之间的功能协调的信号系统。信号系统。 （二）可溶性分子信号作用距离不等（二）可溶性分子信号作用距离不等o多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细多细胞生物与邻近细胞或相对较远

8、距离的细胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶性化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）性化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）完成的。它们作用于周围的或相距较远的同完成的。它们作用于周围的或相距较远的同类或他类细胞（靶细胞），调节其功能。这类或他类细胞（靶细胞），调节其功能。这种通讯方式称为种通讯方式称为化学通讯化学通讯。n根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为三类：三类：作用距离最远的作用距离最远的内分泌（内分泌（endocrine）系统化学系统化学信号，称为信号，称为激素激素；属于属于旁分泌（旁分泌（parac

9、rine）系统的系统的细胞因子细胞因子，主，主要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为自自分泌（分泌（autocrine）。作用距离最短的是神经元突触内的作用距离最短的是神经元突触内的神经递质神经递质 （neurotransmitter）。 神经分泌神经分泌内分泌内分泌自分泌及旁分泌自分泌及旁分泌化学信号的名称化学信号的名称 神经递质神经递质激素激素细胞因子细胞因子作用距离作用距离nmmm受体位置受体位置膜受体膜受体膜或胞内受体膜或胞内受体膜受体膜受体举例举例乙酰胆碱乙酰胆碱谷氨酸谷氨酸胰岛素胰岛素生长激素生长激素表皮生长因子表皮生长因子神经生长因子神经生长

10、因子化学信号的分类化学信号的分类o无论是激素还是细胞因子，在高等动物体内的无论是激素还是细胞因子，在高等动物体内的作用方式都具有网络调节特点。作用方式都具有网络调节特点。一种细胞因子或激素的作用始终会受到其他一种细胞因子或激素的作用始终会受到其他细胞因子或激素的影响，或抑制，或促进。细胞因子或激素的影响，或抑制，或促进。发出信号的细胞随时又受到其他细胞信号的发出信号的细胞随时又受到其他细胞信号的调节。调节。o网络调节使得机体内的细胞因子或激素的作用网络调节使得机体内的细胞因子或激素的作用都具有一定程度的冗余和代偿性，单一缺陷不都具有一定程度的冗余和代偿性，单一缺陷不会导致对机体的严重损害。会导

11、致对机体的严重损害。 （三）细胞表面分子也是重要的细胞外信号（三）细胞表面分子也是重要的细胞外信号细胞通过细胞膜表面的蛋白质、糖蛋白、蛋细胞通过细胞膜表面的蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖与相邻细胞的膜表面分子特异性地识白聚糖与相邻细胞的膜表面分子特异性地识别和相互作用，达到功能上的相互协调。这别和相互作用，达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯膜表面分子接触通讯，也是一种细胞间直接通讯。也是一种细胞间直接通讯。 o细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。属于这一类通讯的有：属于这一类通讯的有：相邻细胞间粘附因子相邻细胞间

12、粘附因子的相互作用、的相互作用、T淋巴细淋巴细胞与胞与B淋巴细胞表面分淋巴细胞表面分子的相互作用等。子的相互作用等。 二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号o受体（受体（receptor）是细胞膜上或细胞内能识别是细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的成分，其化学本质外源化学信号并与之结合的成分，其化学本质是蛋白质，个别糖脂是蛋白质，个别糖脂 。o受体的作用：受体的作用：一是识别外源信号分子，即一是识别外源信号分子，即配体（配体（ligand）；二是转换配体信号，使之成为细胞内分子可识二是转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号，并传递至其他分子引

13、起细胞应答。别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。 （一）化学信号通过受体在细胞内转换和传递（一）化学信号通过受体在细胞内转换和传递o受体与信号分子结合的特性：受体与信号分子结合的特性：配体配体- -受体结合曲线受体结合曲线高度专一性高度专一性高度亲和力高度亲和力可饱和性可饱和性特定的作用模式特定的作用模式可逆性可逆性（二）受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内（二）受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内o受体按照其在细胞内的位置分为：受体按照其在细胞内的位置分为：l细胞表面受体细胞表面受体l细胞内受体细胞内受体 接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其它接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号

14、分子和其它细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等。分子、粘附分子等。 受体在膜表面的分布可以是区域性的，也可以是散在的。受体在膜表面的分布可以是区域性的，也可以是散在的。 接收的信号是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂接收的信号是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。溶性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。 三、信号分子结构、含量和分布变化是三、信号分子结构、含量和分布变化是信号转导网络工作的基础信号转导网络工作的基础o膜受体介导的信号向细胞内，尤其是细

15、胞核的膜受体介导的信号向细胞内，尤其是细胞核的转导过程需要多种分子参与，形成复杂的信号转导过程需要多种分子参与，形成复杂的信号转导网络系统。转导网络系统。o构成这一网络系统的是一些蛋白质分子构成这一网络系统的是一些蛋白质分子（信号信号转导分子，转导分子，signal transducer）和小分子活性和小分子活性物质物质（第二信使，（第二信使，second messenger）。o在细胞中，各种信号转导分子相互识别、相在细胞中，各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递，构成信号转互作用将信号进行转换和传递，构成信号转导通路（导通路（signal transduction path

16、way）。）。o不同的信号转导通路之间发生交叉调控不同的信号转导通路之间发生交叉调控（crosstalking），形成复杂的信号转导网络），形成复杂的信号转导网络（signal transduction network）系统）系统 。转录因子转录因子染色质相关蛋白染色质相关蛋白RNARNA加工蛋白加工蛋白RNARNA转运蛋白转运蛋白细胞周期蛋白细胞周期蛋白细胞骨架细胞骨架NH2AAAAAm7GTranslation信号转导网络信号转导网络信号接收信号接收信号转导信号转导 应答反应应答反应 细胞信号转导的基本方式示意图细胞信号转导的基本方式示意图o细胞在转导信号过程中所采用的基本方式包括：细胞在

17、转导信号过程中所采用的基本方式包括：改变细胞内各种信号转导分子的构象改变细胞内各种信号转导分子的构象改变信号转导分子的细胞内定位改变信号转导分子的细胞内定位促进各种信号转导分子复合物的形成或解聚促进各种信号转导分子复合物的形成或解聚改变小分子信使的细胞内浓度或分布改变小分子信使的细胞内浓度或分布第二节第二节细胞内信号转导相关分子细胞内信号转导相关分子Intracellular Signal Molecules一、第二信使的浓度和分布变化是一、第二信使的浓度和分布变化是重要的信号转导方式重要的信号转导方式1957年，年，E. Sutherland在研究肾上腺素促进肝在研究肾上腺素促进肝糖原分解的

18、机制时发现，这些激素的作用依赖于细糖原分解的机制时发现，这些激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP），从而提出了），从而提出了cAMP是激素在细胞内的第是激素在细胞内的第二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。 o小分子细胞内信使的特点：小分子细胞内信使的特点： 在完整细胞中，该分子的浓度或分布在细胞外信在完整细胞中，该分子的浓度或分布在细胞外信号的作用下发生迅速改变；号的作用下发生迅速改变；该分子类似物可模拟细胞外信号的作用；该分子类似物可模拟细胞外信号的作用；阻断该分子的变化可阻断

19、细胞对外源信号的反应。阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应。作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子。作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子。 o细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节。信号转导分子的调节。( (一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使o目前已知的细胞内环核苷酸类第二信使有目前已知的细胞内环核苷酸类第二信使有cAMP和和cGM

20、P两种。两种。 ocAMP和和cGMP的结构及其代谢的结构及其代谢1核苷酸环化酶催化核苷酸环化酶催化cAMP和和cGMP生成生成 （adenylate cyclase，AC） （guanylate cyclase，GC）2细胞中存在多种催化环核苷酸水解的磷酸二酯酶细胞中存在多种催化环核苷酸水解的磷酸二酯酶o细胞内有水解细胞内有水解cAMP和和cGMP的磷酸二酯酶的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）；）；oPDE对对cAMP和和cGMP的水解具有相对特异性；的水解具有相对特异性；如，如，PDE2可水解可水解cGMP和和cAMP， ocAMP特异性特异性PDE有有PDE3和和

21、PDE4。 3环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性o环核苷酸作为第二信使的作用机制：环核苷酸作为第二信使的作用机制：cAMP和和cGMP在细胞可以作用于蛋白质分子，使后者在细胞可以作用于蛋白质分子，使后者发生构象变化，从而改变活性。发生构象变化，从而改变活性。o蛋白激酶是一类重要的信号转导分子，也是许蛋白激酶是一类重要的信号转导分子，也是许多小分子第二信使直接作用的靶分子。多小分子第二信使直接作用的靶分子。 蛋白激酶蛋白激酶A是是cAMP的靶分子的靶分子ocAMP作用于作用于cAMP依赖性蛋白激酶（依赖性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kin

22、ase，cAPK），即蛋白激），即蛋白激酶酶A（protein kinase A，PKA）。）。 oPKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子通道和某些转录因子 。cAMP激活激活 PKA影响糖代谢示意图影响糖代谢示意图底物底物(酶或蛋白质酶或蛋白质)名称名称受调节的通路受调节的通路糖原合酶糖原合酶糖原合成糖原合成磷酸化酶磷酸化酶 b 激酶激酶糖原分解糖原分解丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶

23、丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A激素敏感脂酶激素敏感脂酶甘油三脂分解和脂肪酸氧化甘油三脂分解和脂肪酸氧化酪氨酸羟化酶酪氨酸羟化酶多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素合成素合成组蛋白组蛋白H1 、组蛋白、组蛋白 H2BDNA聚集聚集蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶1抑制因子抑制因子1蛋白去磷酸化蛋白去磷酸化转录因子转录因子CREB转录调控转录调控PKA底物举例底物举例 蛋白激酶蛋白激酶G是是cGMP的靶分子的靶分子 ocGMP作用于作用于cGMP依赖性蛋白激酶（依赖性蛋白激酶（cGMP-dependent protein kinase，cGPK），即蛋白激），即蛋白激酶酶G（protei

24、n kinase G，PKG）。）。 cGMP激活激活PKG示意图示意图4蛋白激酶不是蛋白激酶不是cAMP和和cGMP的唯一靶分子的唯一靶分子o一些离子通道也可以直接受一些离子通道也可以直接受cAMP或或cGMP的的别构调节。别构调节。 视杆细胞膜上富含视杆细胞膜上富含cGMP-门控阳离子通道门控阳离子通道 嗅觉细胞核苷酸嗅觉细胞核苷酸-门控钙通道门控钙通道 （二）脂类也可作为胞内第二信使（二）脂类也可作为胞内第二信使o具有第二信使特征的脂类衍生物具有第二信使特征的脂类衍生物: 二脂酰甘油（二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG） 花生四烯酸（花生四烯酸（arachidonic ac

25、id，AA） 磷脂酸（磷脂酸（phosphatidic acid， PA） 溶血磷脂酸（溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid，LPA） 4-磷酸磷脂酰肌醇（磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate，PIP） 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二磷酸(phosphatidylinositol -4,5-diphosphate，PIP2) 肌醇肌醇-1,4,5-三磷酸（三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3） o这些脂类衍生物都是由体内磷脂代谢产生的。这些脂类衍生物都是由体内磷脂代谢产生的。 磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成磷脂酶和

26、磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成o催化这些信使生成的酶有两类：催化这些信使生成的酶有两类：一类是磷脂酶（一类是磷脂酶（phospholipase，PL），催），催化磷脂水解，其中最重要的是磷脂酶化磷脂水解，其中最重要的是磷脂酶C（phospholipase C，PLC）；）；另一类是各种特异性激酶，即磷脂酰肌醇激另一类是各种特异性激酶，即磷脂酰肌醇激酶类（酶类（phosphatidylinositol kinases, PIKs），），催化磷脂酰肌醇（催化磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷酸化。磷酸化。 磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使的生成磷脂酶和磷脂酰肌

27、醇激酶催化脂类第二信使的生成磷脂酶磷脂酶C催化催化DAG和和IP3的生成的生成 o磷脂酰肌醇特异性磷脂酶磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C（PI-PLC，简称，简称PLC）可将）可将PIP2分解成为甘油二酯（分解成为甘油二酯（DAG）和肌醇三磷酸（和肌醇三磷酸（IP3）。）。PIP2甘油二酯（甘油二酯（DAG）+ 肌醇三磷酸（肌醇三磷酸（IP3） PLCoPI-PLC广泛分布于哺乳动物组织细胞内，主要广泛分布于哺乳动物组织细胞内，主要有有PLC 、PLC 、PLC 、PLC 和和PLC 等等5种亚型。种亚型。PLC 通过受体偶联的通过受体偶联的G蛋白而活化；蛋白而活化；PLC则通过受体型酪氨酸激酶活化。

28、则通过受体型酪氨酸激酶活化。 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-3激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇PIPIPPIP2 PI-3-PPI-3,4-P2PI-3,4,5-P3 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-3激酶激酶（PI-3K） 催化亚基（催化亚基（P110）调节亚基（调节亚基（P85） PI-3Ko细胞中其他种类的细胞中其他种类的PLC和和PIK同样具有重要同样具有重要的信号转导作用，催化许多重要的小分子信的信号转导作用，催化许多重要的小分子信使生成。使生成。 o近年来，一些鞘磷脂衍生物的第二信使作用近年来，一些鞘磷脂衍生物的第二信使作用也受到关注。例如，由神经节苷酯衍生的神也受到

29、关注。例如，由神经节苷酯衍生的神经酰胺（经酰胺（ceramide）对细胞凋亡信号转导具）对细胞凋亡信号转导具有调节作用。有调节作用。 2脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子 o脂类第二信使作用于靶分子，引起靶分子的脂类第二信使作用于靶分子，引起靶分子的构象变化。构象变化。o第二信使种类、靶分子不同，构象改变后的第二信使种类、靶分子不同，构象改变后的效应也不同。效应也不同。 IP3的靶分子是钙离子通道的靶分子是钙离子通道oIP3为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，与内质网或肌质网膜上的中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体

30、结合。受体结合。IP3 IP3受体受体钙离子通道开放，细胞内钙释放钙离子通道开放，细胞内钙释放细胞内钙离子浓度迅速增加细胞内钙离子浓度迅速增加淋巴细胞和嗅觉细胞淋巴细胞和嗅觉细胞 IP3 IP3受体（细胞膜上）受体（细胞膜上）钙离子通道开放，细胞外钙内流钙离子通道开放，细胞外钙内流细胞内钙离子浓度迅速增加细胞内钙离子浓度迅速增加DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶和钙离子的靶分子是蛋白激酶Co蛋白激酶蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），属于），属于丝丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理活动。活动。 oPKC作用的底物包括质膜受体、膜蛋

31、白、多种作用的底物包括质膜受体、膜蛋白、多种酶和转录因子等，参与多种生理功能的调节。酶和转录因子等，参与多种生理功能的调节。o目前发现的目前发现的PKC同工酶有同工酶有12种以上，不同的同工种以上，不同的同工酶有不同的酶学特性、特异的组织分布和亚细胞酶有不同的酶学特性、特异的组织分布和亚细胞定位，对辅助激活剂的依赖性亦不同。定位，对辅助激活剂的依赖性亦不同。催化结构域催化结构域Ca2+DAG磷磷脂脂酰酰丝丝氨氨酸酸调调节节结结 构构 域域催化结构域催化结构域底物底物Ca2+DAG磷磷脂脂酰酰丝丝氨氨酸酸调节结构域调节结构域假底物结合区假底物结合区DAC活化活化PKC的作用机制示意图的作用机制示

32、意图PIP3的靶分子是蛋白激酶的靶分子是蛋白激酶Bo蛋白激酶蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）也是一）也是一类丝类丝/苏氨酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与苏氨酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与PKA（68）和）和PKC（73）高度同源。）高度同源。o由于由于PKB分子又与分子又与T细胞淋巴瘤中的逆转录病细胞淋巴瘤中的逆转录病毒癌基因毒癌基因v-akt编码的蛋白编码的蛋白Akt同源，又被称为同源，又被称为Akt。 oPKB的底物有糖原合酶激酶的底物有糖原合酶激酶-3、核糖体蛋白、核糖体蛋白S6激酶、某些转录因子、翻译因子抑制剂激酶、某些转录因子、翻译因子抑制剂4E-BPI以及细胞凋

33、亡相关蛋白以及细胞凋亡相关蛋白BAD等。等。PKB被认为是重要的细胞存活信号分子。被认为是重要的细胞存活信号分子。 oPKB在体内参与许多重要生理过程：在体内参与许多重要生理过程： 参与胰岛素促进糖类由血液转入细胞、糖原参与胰岛素促进糖类由血液转入细胞、糖原合成及蛋白质合成过程。合成及蛋白质合成过程。 PKB还参与多种生长因子如还参与多种生长因子如PDGF、EGF、NGF等信号的转导。等信号的转导。 在细胞外基质与细胞相互作用的信号转导过在细胞外基质与细胞相互作用的信号转导过程中，程中，PKB亦是关键信号分子。亦是关键信号分子。 （三）钙离子可以激活信号转导有关的酶类（三）钙离子可以激活信号转

34、导有关的酶类1钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征 细胞外液游离钙浓度高（细胞外液游离钙浓度高（1.121.23mmol/L）；）；细胞内液的钙离子含量很低，且细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离Ca2+的含量极少（基础浓度只有的含量极少（基础浓度只有0.010.1mol/L）。）。 o导致胞液游离导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种：浓度升高的反应有两种： 一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流；一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流；二是细胞内钙库膜上的

35、钙通道开放，引起钙释放。二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。 o胞液胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵（泵（Ca2+-ATP酶）返回细胞外或胞内钙库，以酶）返回细胞外或胞内钙库，以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。 2钙离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现钙离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现o钙调蛋白钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细）可看作是细胞内胞内Ca2+的受体。的受体。乙酰胆碱、儿茶酚胺、乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素加压素、血管紧张素和胰高血糖素等和胰高血糖素等 胞

36、液胞液Ca2+浓度升高浓度升高 CaMCaMCa2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ oCaM发生构象变化后，作用于发生构象变化后，作用于Ca 2+/CaM-依赖依赖性激酶（性激酶（CaM-K） 。 专一功能专一功能CaM-K 多功能多功能CaM-K肌球蛋白轻链激酶肌球蛋白轻链激酶:调节肌肉收缩调节肌肉收缩磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶:调节糖原分解调节糖原分解延长因子延长因子2激酶激酶:调节蛋白合成调节蛋白合成Ca2+/CaM-依赖性激酶依赖性激酶 I Ca2+/CaM-依赖性激酶依赖性激酶 II （四）（四）NO的信使功能与的信使功能与cGMP相关相关 oNO合酶介导合酶介导NO生成生成 NO合酶

37、合酶 胍氨酸胍氨酸精氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NOo三种形式的三种形式的 NO合酶（合酶（nitric oxide synthase，NOS） 组成型组成型NOS (cNOS) 可诱导型可诱导型NOS（iNOS）神经型神经型NOS（nNOS）内皮型内皮型NOS（eNOS）NOS NOS NOS NOS主要分布于外周神经、中枢神经系统和主要分布于外周神经、中枢神经系统和肾（致密斑和髓质内集合管），其中外周神经肾（致密斑和髓质内集合管），其中外周神经主要为非肾上腺能主要为非肾上腺能/非胆碱能神经和肾上腺能神非胆碱能神经和肾上腺能神经末梢。经末梢。NOS

38、分布最广泛，包括肝细胞、心肌细胞、分布最广泛，包括肝细胞、心肌细胞、血管平滑肌细胞、免疫细胞、成纤维细胞等。血管平滑肌细胞、免疫细胞、成纤维细胞等。NOS的分布于内皮细胞、心肌细胞和脑。的分布于内皮细胞、心肌细胞和脑。 o钙调蛋白是钙调蛋白是NOS的主要调节分子，的主要调节分子，3种种NOS均含均含有钙调节蛋白结合位点。有钙调节蛋白结合位点。o凡是引起细胞内凡是引起细胞内Ca2+升高的信号均有可能作用升高的信号均有可能作用于于NOS。 NO在细胞内外可产生多种生理、病理效应在细胞内外可产生多种生理、病理效应oNO在很多组织、系统发挥生理或病理作用。在很多组织、系统发挥生理或病理作用。 NONO

39、作用作用酶和蛋白质酶和蛋白质激活激活抑制抑制激活或抑制激活或抑制ADP-ADP-核糖转移酶，可溶性鸟苷酸环化酶核糖转移酶，可溶性鸟苷酸环化酶, , 环氧化酶环氧化酶细胞色素，顺乌头酸酶，质子细胞色素，顺乌头酸酶，质子ATPATP酶，运铁蛋白，酶，运铁蛋白，核糖核苷酸还原酶，脂加氧酶核糖核苷酸还原酶，脂加氧酶氨基的亚硝基化，巯基的亚硝基化氨基的亚硝基化，巯基的亚硝基化受受NO激活和抑制的酶和蛋白质激活和抑制的酶和蛋白质oNO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶、的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶、ADP-核糖转移酶和环氧化酶完成。核糖转移酶和环氧化酶完成。 NO与可溶性鸟苷酸环化酶分子中的

40、血红素铁结合与可溶性鸟苷酸环化酶分子中的血红素铁结合生成的生成的cGMP引起鸟苷酸环化酶构象改变引起鸟苷酸环化酶构象改变.酶活性增高酶活性增高cGMP作为第二信使，产生生理效应作为第二信使，产生生理效应GTPo除了除了NO以外，一氧化碳（以外，一氧化碳（carbon monoxide，CO）、硫化氢（）、硫化氢（sulfureted hydrogen，H2S）的第二信使作用近年来也得到证实。的第二信使作用近年来也得到证实。 二、蛋白质作为细胞内信号转导分子二、蛋白质作为细胞内信号转导分子o蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递信号蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递信号的原理是发生构象变化。的原

41、理是发生构象变化。增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性；增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性；许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域，转位（域，转位（translocation）至细胞膜或细胞核；）至细胞膜或细胞核；募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用分子解离。分子解离。 o构象变化主要引起构象变化主要引起3种效应：种效应：o引起信号转导分子发生构象变化的因素有引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种：种：化学修饰改变蛋白质构象，如磷酸化与去化学修饰改变蛋白质构象，如磷酸化与去磷酸化、乙酰化

42、、甲基化等；磷酸化、乙酰化、甲基化等；小分子信使作为别位效应剂引起靶分子构小分子信使作为别位效应剂引起靶分子构象变化，如象变化，如cAMP激活激活PKA； 蛋白质相互作用可导致信号转导分子构象蛋白质相互作用可导致信号转导分子构象变化。变化。 o信号转导分子浓度的改变将影响信号传递和信号转导分子浓度的改变将影响信号传递和细胞应答。细胞应答。 o信号转导分子的细胞内定位改变也是信号转信号转导分子的细胞内定位改变也是信号转导调节的重要方式。导调节的重要方式。o定位变化既可以是位于细胞质的分子转位至定位变化既可以是位于细胞质的分子转位至细胞膜，也可以是向细胞核或其它细胞器的细胞膜，也可以是向细胞核或其

43、它细胞器的转位，从而将信号传递至相应的应答部位。转位，从而将信号传递至相应的应答部位。（一）蛋白激酶（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子蛋白磷酸酶是信号通路开关分子o蛋白激酶（蛋白激酶（protein kinase）与蛋白磷酸酶）与蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化蛋白质的可逆）催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰。性磷酸化修饰。o蛋白质的磷酸化与去磷酸化是控制信号转导蛋白质的磷酸化与去磷酸化是控制信号转导分子活性的最主要方式。分子活性的最主要方式。o磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能降低其活性，取决于酶的构象变化是否有利降低其活

44、性，取决于酶的构象变化是否有利于酶的作用。于酶的作用。蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的磷酸化的酶蛋白酶蛋白 蛋白丝氨酸蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶的蛋白激酶o蛋白激酶是催化蛋白激酶是催化ATP -ATP -磷酸基转移至靶蛋白的磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶。特定氨基酸残基上的一大类酶。

45、激酶激酶磷酸基团的受体磷酸基团的受体蛋白丝氨酸蛋白丝氨酸/ /苏氨酸激酶苏氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白组蛋白组/ /赖赖/ /精氨酸激酶精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸蛋白天冬氨酸/ /谷氨酸激酶谷氨酸激酶丝氨酸丝氨酸/ /苏氨酸羟基苏氨酸羟基酪氨酸的酚羟基酪氨酸的酚羟基咪唑环，胍基，咪唑环，胍基，- -氨基氨基巯基巯基酰基酰基蛋白激酶的分类蛋白激酶的分类 MAPK级联激活是多种信号通路的中心级联激活是多种信号通路的中心o丝裂原激活的蛋白激酶（丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）属于蛋白丝）属于蛋白丝/苏氨酸激酶类，是接收膜受体转换与传递的信苏氨酸激酶类，是接收膜

46、受体转换与传递的信号并将其带入细胞核内的一类重要分子，在多号并将其带入细胞核内的一类重要分子，在多种受体信号传递途径中均具有关键性作用。种受体信号传递途径中均具有关键性作用。 MAPK的磷酸化与活化示意图的磷酸化与活化示意图MAPKKKMAPKKMAPKThrTyrThr TyrPPphosphataseoffonMAPKoMAPK作用机制：被激活后转移至细胞核内，作用机制：被激活后转移至细胞核内，使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因表达的状态。另外，它也可以使一些其它的酶表达的状态。另外，它也可以使一些其它的酶发生磷酸化使之活性发生改变。发生磷酸化

47、使之活性发生改变。oMAPK家族成员的底物大部分是转录因子、蛋家族成员的底物大部分是转录因子、蛋白激酶等。白激酶等。 oMAPK调控的生物学效应：参与多种细胞功能调控的生物学效应：参与多种细胞功能的调控，尤其是在细胞增殖、分化及凋亡过程的调控，尤其是在细胞增殖、分化及凋亡过程中，是多种信号转导途径的共同作用部位。中，是多种信号转导途径的共同作用部位。o哺乳动物细胞重要的哺乳动物细胞重要的MAPK亚家族：亚家族： 细胞外调节激酶（细胞外调节激酶（extracellular regulated kinase，ERK） c-Jun N -末端激酶末端激酶/应激激活的蛋白激酶（应激激活的蛋白激酶（c-

48、Jun N-terminal kinase/stress-activated protein kinase，JNK/SAPK） p-38-MAPK MAP种类种类转录因子转录因子蛋白激酶蛋白激酶ERKElk-1、 c-Fos、c-JunRsk2、P70S6KJNKc-Jun 、SP-1、ATF-2P38c-Myc、CREB、SP-1、ATF-2PRAK、MSK部分部分MAPK底物举例：底物举例： ERK途径包括途径包括Raf-MEK-MAPK级联反应级联反应o ERK亚家族包括亚家族包括ERK1、ERK2和和ERK3等。等。o ERK的级联激活过程：的级联激活过程： Raf（MAPKKK）ME

49、K（MAPKK）ERK（MAPK） oERK广泛存在于各种组织细胞，参与细胞增殖广泛存在于各种组织细胞，参与细胞增殖与分化的调控。与分化的调控。o多种生长因子受体、营养相关因子受体等都需多种生长因子受体、营养相关因子受体等都需要要ERK的活化来完成信号转导过程。的活化来完成信号转导过程。 JNK/SAPK途径参与应激途径参与应激(反应反应) oJNK/SAPK的级联激活过程：的级联激活过程： MEKK（MAPKKK） JNKK（MAPKK） JNK/SAPK（MAPK） oJNK至少又由至少又由JNK1、JNK2和和JNK3三个亚类三个亚类组成。组成。oJNK家族是细胞对各种应激原诱导的信号转

50、导家族是细胞对各种应激原诱导的信号转导的关键分子，参与细胞对射线辐射、渗透压、的关键分子，参与细胞对射线辐射、渗透压、温度变化等的应激反应。一些细胞因子，如温度变化等的应激反应。一些细胞因子，如TGF-也可通过也可通过JNK发挥作用。发挥作用。 P38-MAPK亚家族介导炎症、凋亡等应激（反应）亚家族介导炎症、凋亡等应激（反应） oP38-MAPK的级联激活过程：的级联激活过程： 凋亡信号调节激酶凋亡信号调节激酶（apoptosis signal regulating kinase 1，ASK1）（MAPKKK） MKK3/MKK6（MAPKK） P38-MAPK oP38-MAPK家族也是转

51、导细胞应激反应的重要家族也是转导细胞应激反应的重要分子，主要参与紫外辐射、炎症细胞因子、凋分子，主要参与紫外辐射、炎症细胞因子、凋亡相关受体（亡相关受体（Fas）等信号转导。）等信号转导。 蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号o蛋白质酪氨酸激酶（蛋白质酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase，PTK）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。受体型受体型PTK：胞内部分含有胞内部分含有PTK的催化结构域；的催化结构域； 非受体型非受体型PTK ：主要作用是作为受体和效应分子主要作用是作为受体和效应分子之间的信

52、号转导分子之间的信号转导分子 ；核内核内PTK：细胞核内存在的细胞核内存在的PTK。 生长因子类受体属于生长因子类受体属于PTK 部分受体型部分受体型PTK结构示意图结构示意图Src家族家族/ZAP70家族家族/Tec家族家族/JAK家族属于家族属于非受体型非受体型PTK 非受体型非受体型PTK的结构的结构Src 家族家族SH3SH1SH2MyrPSH3SH1SH2SH3SH1SH2PHSH1 likeSH1ZAP70 家族家族Tec 家族家族JAK 家族家族基因家族名称基因家族名称举例举例细胞内定位细胞内定位主要功能主要功能Src家族家族Src、Fyn、Lck、Lyn等等常与受体结合存常与受

53、体结合存在于质膜内侧在于质膜内侧接受受体传递的信号发生磷酸化接受受体传递的信号发生磷酸化而激活，通过催化底物的酪氨酸而激活，通过催化底物的酪氨酸磷酸化向下游传递信号磷酸化向下游传递信号ZAP70家族家族ZAP70、Syk与受体结合存在与受体结合存在于质膜内侧于质膜内侧接受接受T淋巴细胞的抗原受体或淋巴细胞的抗原受体或B淋巴细胞的抗原受体的信号淋巴细胞的抗原受体的信号Tec家族家族Btk、Itk、Tec等等存在于细胞质存在于细胞质位于位于ZAP70和和Src家族下游接受家族下游接受T淋巴细胞的抗原受体或淋巴细胞的抗原受体或B淋巴细淋巴细胞的抗原受体的信号胞的抗原受体的信号JAK家族家族JAK1、

54、JAK2、JAK3等等与一些白细胞介与一些白细胞介素受体结合存在素受体结合存在于质膜内侧于质膜内侧介导白细胞介素受体活化信号介导白细胞介素受体活化信号核内核内PTK Abl、Wee细胞核细胞核参与转录过程和细胞周期的调节参与转录过程和细胞周期的调节非受体型非受体型PTK的主要作用的主要作用 蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号o蛋白质磷酸（酯）酶蛋白质磷酸（酯）酶(phosphatidase)催化磷酸催化磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同化的蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同构成了蛋白质活性的开关系统。构成了蛋白质活性的开关系统。o无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是

55、正调节无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是正调节还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号。起的变化产生衰减信号。白磷酸酶衰减蛋白激酶信号白磷酸酶衰减蛋白激酶信号PTKPTK无活性无活性活化活化P自自我我磷磷酸酸化化PTPPTPSSP无活性无活性活化活化Src family PTK无活性无活性Src family PTKPTPPPTK活化活化 活化活化信号信号抑制抑制信号信号o蛋白磷酸酶的特性：蛋白磷酸酶的特性： 底物特异性（催化作用的特异性）底物特异性（催化作用的特异性） 细胞内的分布特异性细胞内的分布特异性决定了信号转导途径的精确性决

56、定了信号转导途径的精确性 o根据蛋白磷酸酶所作用的氨基酸残基而分类：根据蛋白磷酸酶所作用的氨基酸残基而分类： 蛋白丝氨酸蛋白丝氨酸/ /苏氨酸磷酸酶苏氨酸磷酸酶 蛋白酪氨酸磷酸酶蛋白酪氨酸磷酸酶 个别的蛋白磷酸酶具有双重作用，即可同个别的蛋白磷酸酶具有双重作用，即可同时作用于酪氨酸和丝时作用于酪氨酸和丝/ /苏氨酸残基。苏氨酸残基。 （二）（二）G蛋白的蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路结合状态决定信号通路的开关的开关 o鸟苷酸结合蛋白鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide binding protein，G protein）简称）简称G蛋白蛋白，亦称，亦称GTP结结合蛋白

57、，是一类信号转导分子，在各种细胞信合蛋白，是一类信号转导分子，在各种细胞信号转导途径中转导信号给不同的效应蛋白。号转导途径中转导信号给不同的效应蛋白。oG蛋白结合的核苷酸为蛋白结合的核苷酸为GTP时为活化形式，作时为活化形式，作用于下游分子使相应信号途径开放；当结合的用于下游分子使相应信号途径开放；当结合的GTP水解为水解为GDP时则回到非活化状态，使信号时则回到非活化状态，使信号途径关闭。途径关闭。 oG蛋白主要有两大类：蛋白主要有两大类： 异源三聚体异源三聚体G蛋白：蛋白：与与7次跨膜受体结合，次跨膜受体结合，以以亚基（亚基（G）和）和、亚基亚基(G)三聚体的三聚体的形式存在于细胞质膜内侧

58、。形式存在于细胞质膜内侧。 低分子量低分子量G蛋白（蛋白（21kD） 介导七跨膜受体信号转导的异源三聚体介导七跨膜受体信号转导的异源三聚体G蛋白蛋白亚基亚基（G）、亚基亚基(G) 具有多个具有多个功能位点功能位点亚基具有亚基具有GTP酶活性酶活性与受体结合并受其活化调节的部位与受体结合并受其活化调节的部位亚基结合部位亚基结合部位GDP/GTP结合部位结合部位与下游效应分子相互作用部位与下游效应分子相互作用部位主要作用是与主要作用是与亚基形成复合体并定位于质膜内侧；亚基形成复合体并定位于质膜内侧；在哺乳细胞，在哺乳细胞，亚基也可直接调节某些效应蛋白。亚基也可直接调节某些效应蛋白。 oG蛋白通过蛋

59、白通过G蛋白偶联受体（蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs）与各种下游效应分子，如）与各种下游效应分子，如离子通道、腺苷酸环化酶、离子通道、腺苷酸环化酶、PLC联系，调节各联系，调节各种细胞功能。种细胞功能。 重要的信号转导分子低分子质量重要的信号转导分子低分子质量G蛋白蛋白o低分子量低分子量G蛋白（蛋白（21kD），它们在多种细胞信），它们在多种细胞信号转导途径中亦具有开关作用。号转导途径中亦具有开关作用。 oRas是第一个被发现的小是第一个被发现的小G蛋白，因此这类蛋白蛋白，因此这类蛋白质被称为质被称为Ras家族，因为它们均由一个家族，因为它们均

60、由一个GTP酶酶结构域构成，故又称结构域构成，故又称Ras样样GTP酶。酶。 o在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小G蛋白活性：蛋白活性：增强其活性的因子：增强其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸交换因子如鸟嘌呤核苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factor，GEF）和鸟）和鸟苷酸释放蛋白（苷酸释放蛋白（guanine nucleotide release protein，GNRP）；）；降低其活性的因子：降低其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸解离抑制如鸟嘌呤核苷酸解离抑制因子（因子（guanine nucleotide diss