第九章 细胞信号转导

1、第九章第九章 细胞信号转导细胞信号转导概述概述细胞内受体介导的信号转导细胞内受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导蛋白耦联受体介导的信号转导酶联受体介导的信号转导酶联受体介导的信号转导信号的整合与控制信号的整合与控制第一节概述第一节概述细胞通讯（细胞通讯（cell communicationcell communication）信号分子与受体信号分子与受体信号转导系统及其特性信号转导系统及其特性一细胞通讯（一细胞通讯（cell communication）细胞通讯细胞通讯：一个信号产生细胞发出的：一个信号产生细胞发出的信息信息通过通过介质介质传递传递到另一个细胞，与到另一个细胞，与靶细胞

2、靶细胞相应的相应的受体受体相互作用，通过相互作用，通过细细胞信号转导胞信号转导，产生胞内一系列生理生化变化，最终表现，产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为为细胞整体的生物学效应细胞整体的生物学效应的过程。的过程。一细胞通讯（一细胞通讯（cell communication）（一）细胞通讯方式（一）细胞通讯方式：细胞通过细胞通过分泌化学信号分泌化学信号进行通讯进行通讯细胞间细胞间接触性依赖接触性依赖的通讯的通讯 间隙连接、胞间连丝间隙连接、胞间连丝实现代谢偶联或电偶联实现代谢偶联或电偶联 为为间接细胞通讯，间接细胞通讯，细胞分泌一些化学物质（如激素）细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为

3、信号分子作用于靶细胞，调节其功能，至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，又称为又称为化学通讯化学通讯，可分为，可分为4类。类。、细胞分泌化学信号、细胞分泌化学信号细胞分泌化学信号的作用方式细胞分泌化学信号的作用方式内分泌内分泌（endocrine） ：内分泌激素随血液循环输至：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：全身，作用于靶细胞。特点：低浓度低浓度（10-8-10-12M ），），全身性，全身性，长时效。长时效。旁分泌旁分泌（paracrine） ：信号分子通过扩散作用于邻：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：近的细胞。包括：各类各类细胞因子细胞因子；气体信号分子

4、气体信号分子。突触信号发放突触信号发放（neuronal signaling） ：神经递质由：神经递质由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。定的靶细胞。自分泌自分泌（autocrine） ：细胞对自身分泌的信号分子：细胞对自身分泌的信号分子产生反应，常见于癌变细胞。产生反应，常见于癌变细胞。不同的细胞通讯方式不同的细胞通讯方式、接触依赖性的通讯、接触依赖性的通讯为为细胞间直接接触细胞间直接接触，又称，又称细胞识别细胞识别，是细胞通过其，是细胞通过其表面信号分子（受体）与另一细胞表面的信号分子表面信号分子（受体）与另一细胞表

5、面的信号分子（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程。过程。如如：精子和卵子之间的识别，：精子和卵子之间的识别，T与与B淋巴细胞淋巴细胞间的识别。间的识别。、接触依赖性的通讯、接触依赖性的通讯接触依赖性的通讯方式：接触依赖性的通讯方式：（）细胞细胞黏着（）细胞细胞黏着（）细胞基质黏着（）细胞基质黏着作用：作用：胚胎发育过程中，对组织内相邻细胞的分化命运具胚胎发育过程中，对组织内相邻细胞的分化命运具有决定性影响。有决定性影响。例如：例如：胚胎上皮细胞层发育成神经系统，最初相邻细胞彼胚胎上皮细胞层发育成神经系统，最初相邻细胞彼此相同，发育时，某些

6、单个上皮细胞独立分化为神经元，此相同，发育时，某些单个上皮细胞独立分化为神经元，这是因为：这是因为：预分化形成神经元的细胞预分化形成神经元的细胞，通过膜结合的，通过膜结合的抑制抑制性信号分子性信号分子，与其接触的，与其接触的周边细胞周边细胞的膜受体相互作用，阻的膜受体相互作用，阻止它们分化为神经元。止它们分化为神经元。凝集素介导细胞间的凝集反应（相同受体共同连凝集素介导细胞间的凝集反应（相同受体共同连接一大分子）接一大分子）、细胞间隙连接、胞间连丝、细胞间隙连接、胞间连丝属通讯连接属通讯连接动物细胞间形成动物细胞间形成间隙连接间隙连接以及植物细胞间通过以及植物细胞间通过胞间连丝胞间连丝使细胞间

7、相互沟通，通过交换小分子使细胞间相互沟通，通过交换小分子物质来实现代谢偶联或电偶联。物质来实现代谢偶联或电偶联。第十七章第十七章细胞的社会联系细胞的社会联系详述。详述。connexon胞外信号介导的细胞通讯步骤胞外信号介导的细胞通讯步骤信号的合成与释放；信号的合成与释放；信号分子运至靶细胞；信号分子运至靶细胞；信号分子与靶细胞受体特异性结合并导致信号分子与靶细胞受体特异性结合并导致受体激活受体激活；活化受体启动胞内一种或多种活化受体启动胞内一种或多种信号转导途径信号转导途径；引发引发细胞代谢、功能或基因表达的改变细胞代谢、功能或基因表达的改变；信号的解除信号的解除并导致并导致细胞反应终止细胞反

8、应终止。本章重点讨论后四步！本章重点讨论后四步！二、细胞的信号分子和受体二、细胞的信号分子和受体 类型：类型： 、溶解性：、溶解性：亲脂性的信号分子亲脂性的信号分子 亲水性的信号分子亲水性的信号分子 、化学结构：、化学结构：短肽、蛋白质、气体分子等短肽、蛋白质、气体分子等 、产生和作用方式：、产生和作用方式：内分泌激素、神经递质、内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和局部化学介导因子和气体分子气体分子 特点：特点：特异性；特异性；高效性；高效性；被灭活性。被灭活性。、细胞的信号分子、细胞的信号分子亲脂性信号分子亲脂性信号分子（如（如甾类激素甾类激素和和甲状腺素甲状腺素）：分子小，疏）：分子小

9、，疏水性强，可直接穿过细胞膜进入靶细胞，与胞内受体结合，水性强，可直接穿过细胞膜进入靶细胞，与胞内受体结合，形成激素形成激素-受体复合物，调节基因表达。受体复合物，调节基因表达。亲水性信号分子亲水性信号分子（如（如神经递质神经递质、局部介质局部介质、多数肽类激多数肽类激素素）：不能穿过靶细胞膜，只能通过与靶细胞表面受体结）：不能穿过靶细胞膜，只能通过与靶细胞表面受体结合，经信号转换机制实现信号传递，所以这类信号分子又合，经信号转换机制实现信号传递，所以这类信号分子又称为称为第一信使第一信使（primary messenger）。）。气体信号分子气体信号分子。一氧化氮（明星分子）是首次发现的气体

10、。一氧化氮（明星分子）是首次发现的气体信号分子，可以进入细胞激活效应酶。信号分子，可以进入细胞激活效应酶。、受体（、受体（receptor）（）（）受体受体：一种能够：一种能够识别识别和和选择性结合选择性结合某种配某种配体（信号分子）的大分子物质。体（信号分子）的大分子物质。（）成分（）成分多为多为糖蛋白糖蛋白；少数为少数为糖脂糖脂；有的为有的为糖蛋白和糖脂组成的复合物糖蛋白和糖脂组成的复合物。、受体（、受体（receptor）（）（）类型类型细胞内受体细胞内受体（intracellular receptor）：位于细胞：位于细胞质基质或核基质中，主要质基质或核基质中，主要识别和结合小的脂溶性

11、信识别和结合小的脂溶性信号分子号分子（甾类激素和甲状腺素等）。（甾类激素和甲状腺素等）。细胞表面受体细胞表面受体（cell surface receptor）：主要）：主要识识别和结合亲水性信号分子别和结合亲水性信号分子，包括，包括分泌型信号分子分泌型信号分子：如神经递质、生长因子、多肽类激素，如神经递质、生长因子、多肽类激素，膜结合型膜结合型信号分子信号分子：细胞表面抗原、细胞表面黏着分子等。：细胞表面抗原、细胞表面黏着分子等。受体类型受体类型细细胞胞表表面面受受体体与与细细胞胞内内受受体体细胞表面受体的三大家族细胞表面受体的三大家族离子通道耦联受体离子通道耦联受体（ion-channel-

12、linked receptor）蛋白耦联受体蛋白耦联受体（G-protein-linked receptor）酶联受体酶联受体（enzyme-linked receptor）三种类型的细胞表面受体三种类型的细胞表面受体（）（）受体结构受体结构 至少包括两个功能区域：至少包括两个功能区域： 结合配体的功能域结合配体的功能域（结合特异性）（结合特异性） 产生效应的功能域产生效应的功能域 （效应特异性）。（效应特异性）。受体结合特异性配体受体激活受体结合特异性配体受体激活胞外信号转换为胞内信号引发细胞反应。胞外信号转换为胞内信号引发细胞反应。两种主要细胞反应两种主要细胞反应：影响细胞功能和代谢影响细

13、胞功能和代谢（快反应）（快反应）、影响细胞内特殊蛋白的表达量影响细胞内特殊蛋白的表达量（慢反应）。（慢反应）。信号转导信号转导细胞表面受体转导胞外信号引发两类主要反应细胞表面受体转导胞外信号引发两类主要反应不同细胞对同种化学信号可能有不同受体，因此会以不同方不同细胞对同种化学信号可能有不同受体，因此会以不同方式应答同一信号。式应答同一信号。例：例：乙酰胆碱乙酰胆碱能刺激能刺激骨骼肌细胞骨骼肌细胞收缩，却抑制心肌细胞收缩，收缩，却抑制心肌细胞收缩，而促使而促使唾腺细胞唾腺细胞分泌；分泌；不同细胞对同种信号可以具有相同受体，却反应不同；不同细胞对同种信号可以具有相同受体，却反应不同；同种细胞上不同

14、受体应答不同信号，但产生相同的效应。同种细胞上不同受体应答不同信号，但产生相同的效应。例：肝细胞的例：肝细胞的肾上腺素肾上腺素受体或受体或胰高血糖素胰高血糖素受体，分别被各自受体，分别被各自配体激活后，都是促进配体激活后，都是促进肝糖原肝糖原降解而造成血糖升高。降解而造成血糖升高。（）（）受体与信号分子的关系具多样性受体与信号分子的关系具多样性（）（）受体与配体（信号分子）间作用的主受体与配体（信号分子）间作用的主要特征要特征 特异性；特异性； 饱和性；饱和性； 高度的亲和力。高度的亲和力。 1965年，因阐明年，因阐明cAMP的功能并提出的功能并提出第二信使学说而获第二信使学说而获得得197

15、1年诺贝尔奖年诺贝尔奖、第二信使学说和分子开关、第二信使学说和分子开关、第二信使学说和分子开关、第二信使学说和分子开关第二信使学说第二信使学说（second messenger theory）：）： 由由Sutherland于于1970年代提出，认为：年代提出，认为：第一信使（胞外化学物质）作用于细胞表面受体第一信使（胞外化学物质）作用于细胞表面受体产生胞产生胞内第二信使内第二信使细胞应答细胞应答第二信使降解，信号作用终止。第二信使降解，信号作用终止。 第一信使第一信使：细胞外信号分子（：细胞外信号分子（如：亲脂性、亲水性信号分子等如：亲脂性、亲水性信号分子等） 第二信使第二信使：第一信使与表

16、面受体作用后在细胞内最早产生：第一信使与表面受体作用后在细胞内最早产生的胞内小分子，的胞内小分子，如：如：cAMPcAMP、cGMPcGMP、 Ca Ca2+2+、IPIP3 3（肌醇三磷酸）、（肌醇三磷酸）、DAGDAG（二（二酰甘油）等。酰甘油）等。第二信使的作用第二信使的作用：信号转换、信号放大信号转换、信号放大。分子开关分子开关 每一步反应既要有激活机制，又要有相应的失活机制，二者相辅相每一步反应既要有激活机制，又要有相应的失活机制，二者相辅相成。两开关蛋白起成。两开关蛋白起分子开关分子开关作用：作用：第一类分子开关：即第一类分子开关：即GTPase开关蛋白开关蛋白，当结合，当结合GT

17、P时活化，时活化，当结合当结合GDP时则失活。通过两种状态的转换，控制下游靶蛋时则失活。通过两种状态的转换，控制下游靶蛋白的活性。白的活性。 （19941994年，年，GilmanGilman和和RodbellRodbell因发现因发现G G蛋白及其在信号转导中蛋白及其在信号转导中的作用而获得诺贝尔生理医学奖。）的作用而获得诺贝尔生理医学奖。）第二类分子开关：第二类分子开关：由蛋白激酶使靶蛋白磷酸化而开启，而由由蛋白激酶使靶蛋白磷酸化而开启，而由蛋白磷酸水解酶使其去磷酸化而关闭，从而调节靶蛋白活性。蛋白磷酸水解酶使其去磷酸化而关闭，从而调节靶蛋白活性。 （19921992年，年， KrebsK

18、rebs 和和FischerFischer 因发现蛋白质磷酸化与去磷因发现蛋白质磷酸化与去磷酸化作为一种生物学调节机制而获得诺贝尔生理医学奖。）酸化作为一种生物学调节机制而获得诺贝尔生理医学奖。）GTP ase开关调控蛋白开关调控蛋白活化（开）活化（开）与与失活（关）失活（关）的转换的转换靶蛋白磷酸化和去磷酸化靶蛋白磷酸化和去磷酸化三、信号转导系统及其特性三、信号转导系统及其特性(略略)（一）通过细胞表面受体介导的信号途径的组成步骤（一）通过细胞表面受体介导的信号途径的组成步骤（）细胞表面（）细胞表面特异性受体识别特异性受体识别不同形式的胞外的信号刺激；不同形式的胞外的信号刺激；（）胞外信号通

19、过适当的分子开关机制实现（）胞外信号通过适当的分子开关机制实现信号跨膜转导信号跨膜转导，产生细胞内第二信使或活化的信号蛋白；产生细胞内第二信使或活化的信号蛋白；（）信号传递至胞内效应器蛋白，引发细胞内（）信号传递至胞内效应器蛋白，引发细胞内信号放大的级信号放大的级联反应联反应；（）（）细胞应答反应细胞应答反应（ 5 ）由于受体的脱敏或受体下调，）由于受体的脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应终止或降低细胞反应。细胞表面受体介导的细胞信号转导系统的组成细胞表面受体介导的细胞信号转导系统的组成（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（二）细胞内信号蛋白复合物的装配P163 图9-9（1 1）细胞表面受体和细

20、胞内某些信号蛋白通过与大的支）细胞表面受体和细胞内某些信号蛋白通过与大的支架蛋白结合预先形成细胞内复合物，结合胞外信号后，依架蛋白结合预先形成细胞内复合物，结合胞外信号后，依次向下游传递信号。次向下游传递信号。（2 2）依赖激活的细胞表面受体装配细胞内信号蛋白复合）依赖激活的细胞表面受体装配细胞内信号蛋白复合物，从而为细胞内不同的信号蛋白提供锚定位点，继续介物，从而为细胞内不同的信号蛋白提供锚定位点，继续介导不同的下游信号事件。导不同的下游信号事件。（3 3）受体结合胞外信号被激活后，在邻近质膜上形成修）受体结合胞外信号被激活后，在邻近质膜上形成修饰的肌醇磷脂分子，从而募集具有饰的肌醇磷脂分子

21、，从而募集具有PHPH结构域的信号蛋白，结构域的信号蛋白，装配形成信号复合物。装配形成信号复合物。（三）信号转导系统的主要特性信号转导系统的主要特性信号识别的特异性信号识别的特异性信号的放大效应信号的放大效应网络化与反馈调节机制网络化与反馈调节机制细胞对信号的整合细胞对信号的整合 第二节第二节 细胞内受体介导的信号传递细胞内受体介导的信号传递细胞内受体超家族的本质：细胞内受体超家族的本质：依赖激素激活的依赖激素激活的基因调控蛋白。基因调控蛋白。细胞内受体细胞内受体含有三个功能结构域：含有三个功能结构域：端：端：转录激活结构域转录激活结构域；中部：中部：DNA或抑制性蛋白结合位点或抑制性蛋白结合

22、位点；端：端：结合激素的位点结合激素的位点。一、细胞内核受体及其对基因表达的调节一、细胞内核受体及其对基因表达的调节细胞内受体蛋白作用模型细胞内受体蛋白作用模型（1）细胞内受体与）细胞内受体与抑制性蛋白抑制性蛋白（如（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化）结合形成复合物，处于非活化状态；状态；（2）当配体（如皮质醇）与受体结合）当配体（如皮质醇）与受体结合后，抑制性蛋白从复合物上解离下来；后，抑制性蛋白从复合物上解离下来；（3）受体通过暴露它的）受体通过暴露它的DNA结合位点结合位点而被激活；而被激活；（4）配体）配体-受体复合物结合到特定的受体复合物结合到特定的DNA序列序列受体依赖的转

23、录增强子，受体依赖的转录增强子，启动基因的转录和表达。启动基因的转录和表达。图图 9-10类固醇、视黄酸、维生素类固醇、视黄酸、维生素D D和甲状腺素等为亲脂和甲状腺素等为亲脂性的小分子，性的小分子，在膜上没有特异的受体，其受体在细在膜上没有特异的受体，其受体在细胞核内，胞核内，它们通过它们通过简单扩散简单扩散跨越质膜进入细胞内；跨越质膜进入细胞内；通过核孔与特异性核受体结合形成通过核孔与特异性核受体结合形成激素激素- -受体复受体复合物合物，并改变受体构象，受体被激活；，并改变受体构象，受体被激活；激活的受体通过与激活的受体通过与特异的特异的DNADNA序列序列结合调节基结合调节基因的转录。

24、因的转录。类固醇等激素介导的信号通路类固醇等激素介导的信号通路类固醇激素介导的信号通路类固醇激素介导的信号通路类固醇激素诱导的基因活化分为两个阶段：类固醇激素诱导的基因活化分为两个阶段： 快速的初级反应阶段：快速的初级反应阶段：直接活化少数基因转录直接活化少数基因转录的初级反应阶段，发生迅速。的初级反应阶段，发生迅速。 延迟的次级反应阶段：延迟的次级反应阶段：初级反应的基因产物再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。起放大作用。1998年三位美国科学家因对年三位美国科学家因对NO信号转导机信号转导机制的研究而获得

25、诺贝尔生理和医学奖。制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。Robert F. Furchgott Louis J. Ignarro Ferid Murad 一氧化氮介导的信号通路一氧化氮介导的信号通路一氧化氮一氧化氮NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（化氮合酶（NOS）催化，以）催化，以L-精氨酸为底物，精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成为电子供体，生成NO和和L瓜氨酸。瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上N

26、O的多少直接与的多少直接与NO的合成有关。的合成有关。乙酰胆碱乙酰胆碱血管内皮细胞血管内皮细胞Ca2+浓度升高浓度升高一氧化氮合酶（一氧化氮合酶（NOS）活化）活化NO释放释放平滑肌细胞平滑肌细胞激活具有鸟苷酸环化酶（激活具有鸟苷酸环化酶（GC）活性的）活性的NO受体受体cGMP升高升高平滑肌细胞的平滑肌细胞的Ca2+浓度下降浓度下降平滑肌舒张平滑肌舒张血管扩张、血流血管扩张、血流通畅。通畅。硝酸甘油治疗心绞痛：硝酸甘油治疗心绞痛：其作用机理是在体内转化其作用机理是在体内转化为为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。 运动增强记忆：运动增强记忆：

27、中等强度的运动可以使海马中等强度的运动可以使海马NOS表达升高，表达升高，NO合成量增多，提高学习记忆能力合成量增多，提高学习记忆能力 （孙国（孙国欣等，欣等，20062006） ；然而，然而，大强度的训练刺激海马大强度的训练刺激海马NO/NOS 的过度表达，过量的的过度表达，过量的NO在中枢神经系统中具有毒性作在中枢神经系统中具有毒性作用，影响学习和记忆用，影响学习和记忆（刘鸿宇等，（刘鸿宇等，20062006） 。 细胞表面受体的类型：细胞表面受体的类型： 离子通道型受体（离子通道型受体（ion-channel-linked receptor） G蛋白偶联型受体（蛋白偶联型受体（G-pro

28、tein-linked receptor） 酶偶联的受体（酶偶联的受体（enzyme-linked receptor）一、一、G蛋白偶联受体的结构与激活蛋白偶联受体的结构与激活二、二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 1、G蛋白偶联受体介导蛋白偶联受体介导离子通路离子通路的调控的调控 2、以、以cAMP为为第二信使第二信使的信号转导的信号转导 3、磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇双信使双信使信号转导信号转导第三节第三节 蛋白偶联受体介导的信号转导蛋白偶联受体介导的信号转导一种与一种与G蛋白偶联的细胞表面受体，与配蛋白偶联的细胞表面受体，与配体结合后通过激活所偶联的体结合

29、后通过激活所偶联的G蛋白，启动不同的信号转导通蛋白，启动不同的信号转导通路，并导致各种不同的生物学效应。路，并导致各种不同的生物学效应。由由、三个亚基三个亚基组成，组成，二聚体锚定于质膜内二聚体锚定于质膜内侧，稳定侧，稳定亚基亚基 。G蛋白在信号转导过程中起着蛋白在信号转导过程中起着分子开关分子开关的的作用。作用。 （19941994年，由于阐明了细胞外信号如何转换为胞内信号的机制，年，由于阐明了细胞外信号如何转换为胞内信号的机制，对对G G蛋白的发现作出重要贡献的蛋白的发现作出重要贡献的A.G.GilmanA.G.Gilman和和M.RodbellM.Rodbell因此因此获得诺贝尔生理医学

30、奖。）获得诺贝尔生理医学奖。）7次跨膜蛋白次跨膜蛋白，胞外结构域胞外结构域识别信号分子，识别信号分子，胞内结构域胞内结构域与与G蛋白偶联，调节相关酶活性，在细胞内蛋白偶联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使。产生第二信使。 2012年，美国科学家罗伯特年，美国科学家罗伯特莱夫科维茨（莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz）和布莱恩）和布莱恩克比尔卡（克比尔卡（Brian K. Kobilka）因）因“突突破性地揭示破性地揭示G蛋白偶联受体这一重要受体家族的蛋白偶联受体这一重要受体家族的内在工作机内在工作机制制 ”获得诺贝尔化学奖。获得诺贝尔化学奖。与与G蛋白偶联受体相联系的效应蛋

31、白的激活普遍机制蛋白偶联受体相联系的效应蛋白的激活普遍机制二、二、G蛋白偶联受体介导的信号通路蛋白偶联受体介导的信号通路（一）激活离子通道的（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体介导的信蛋白偶联受体介导的信号通路号通路（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受蛋白偶联受体（以体（以cAMP为为第二信使）第二信使）（三）激活磷脂酶（三）激活磷脂酶C、以、以IP3和和DAG为双信使为双信使G蛋白偶联受体介导的信号通路蛋白偶联受体介导的信号通路 受体本身为离子通道，通过偶联受体本身为离子通道，通过偶联G G蛋白的分子开关作蛋白的分子开关作用，调控跨膜离子通道的开启与关闭。主

32、要存在于用，调控跨膜离子通道的开启与关闭。主要存在于神经、神经、肌肉肌肉等可兴奋细胞细胞膜上，其信号分子为等可兴奋细胞细胞膜上，其信号分子为神经递质。神经递质。举如下两例介绍：举如下两例介绍：（1）心肌细胞上）心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活乙酰胆碱受体激活G蛋白开启蛋白开启K+通道通道（2）Gt蛋白偶联的光敏感受体的活化诱发蛋白偶联的光敏感受体的活化诱发cGMP门控阳门控阳离子通道的关闭离子通道的关闭 （一）激活离子通道的G蛋白偶联受体介导的信号通路（1）心肌细胞上）心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活乙酰胆碱受体激活G蛋白开启蛋白开启K+通道通道G蛋白偶联受体蛋白偶联受体，效应器蛋白效应器蛋白是是钠离

33、钠离子或钾离子通道。子或钾离子通道。G蛋白偶联蛋白偶联K+外流，心肌细胞收缩频率减缓。外流，心肌细胞收缩频率减缓。2、Gt蛋白偶联的光受体的活化诱发蛋白偶联的光受体的活化诱发cGMP-门控阳离门控阳离子通道的关闭子通道的关闭人类视网膜含有两类光受体：人类视网膜含有两类光受体：视锥细胞光受体（负责初级感受）视锥细胞光受体（负责初级感受）和和视杆视杆细胞光受体（负责弱光刺激）。细胞光受体（负责弱光刺激）。视紫红质（视紫红质（rhodopsin, Rh）是是视杆细胞视杆细胞Gt蛋白偶联的光受体蛋白偶联的光受体，为一个为一个7次跨膜的次跨膜的视蛋白视蛋白，使人类视网膜接受弱光刺激；，使人类视网膜接受弱

34、光刺激；传导素：传导素：三聚体三聚体G蛋白蛋白，与，与Rh相偶联。相偶联。工作原理：工作原理： 暗适应条件下，暗适应条件下，视杆细胞中视杆细胞中cGMP浓度较高浓度较高，cGMP门控门控Na+离子通道离子通道开放，钠离子内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。开放，钠离子内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时，有光时，光的吸收产生光的吸收产生激活的视蛋白激活的视蛋白O*，cGMP浓度下降的负效应浓度下降的负效应起起传递光刺激传递光刺激的作用。的作用。光信号光信号Rh激活激活Gt活化活化cGMP磷酸二酯酶激活磷酸二酯酶激活胞内胞内cGMP减少减少Na+离子通道关闭离子通道关闭

35、离子浓度下降离子浓度下降膜超极化膜超极化神经递质神经递质释放减少释放减少视觉反应。视觉反应。磷酸二酯酶磷酸二酯酶（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体（1）受体：）受体：组分及分析组分及分析RsHACGDPGTPACATPcAMP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶（2）G蛋白：蛋白： 刺激型刺激型G蛋白（蛋白（Gs）:结合结合GTP后，由其后，由其亚基亚基结合腺苷酸环化结合腺苷酸环化酶，产生酶，产生cAMP。 抑制型抑制型G蛋白（蛋白（Gi）:可由活化的可由活化的Gi亚基亚基直接结合直接结合腺苷环化酶腺苷环化酶来抑制其活性。来抑制其活性。G蛋白的活化过程如下：蛋白的活化过程如下： （3）腺苷酸环化

36、酶腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）：跨膜跨膜12次。在次。在Mg2+或或Mn2+的存在下，的存在下，催化催化ATP生成生成cAMP，用来调节细胞内第二用来调节细胞内第二信使信使cAMP的的水平。水平。Adenylate cyclase（4）蛋白激酶）蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）由两个由两个催化亚基催化亚基和两个和两个调节亚基调节亚基组成。组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。的活性。 （5）环腺苷磷酸二酯酶）环腺苷磷酸二酯酶（c

37、AMP phosphodiesterase, PDE）：）：降解降解cAMP生成生成5-AMP，起终止信号的作用。，起终止信号的作用。Degredation of cAMP 刺激性的激素（如刺激性的激素（如肾上腺素肾上腺素型型）和抑制性的激素（如）和抑制性的激素（如肾上腺素肾上腺素型型）可同时协调作用于腺苷酸环化酶，来调节可同时协调作用于腺苷酸环化酶，来调节cAMP水平。水平。2 2、cAMPcAMP途径的信号解除和抑制途径的信号解除和抑制信号解除信号解除通过通过磷酸二酯酶磷酸二酯酶将将cAMPcAMP降解降解, ,形成形成5-AMP5-AMP；信号抑制信号抑制通过通过抑制型的信号抑制型的信号

38、作用于作用于RiRi, , 然后通过然后通过GiGi起作用起作用3、cAMP信号通路的主要效应信号通路的主要效应主要效应：通过主要效应：通过蛋白激酶蛋白激酶A（PKA）来）来激活下激活下游靶酶游靶酶和和开启基因表达开启基因表达。快速反应快速反应（几秒至几分钟）：（几秒至几分钟）：蛋白激酶蛋白激酶A导致导致下游靶蛋白磷酸化下游靶蛋白磷酸化，从而快速从而快速影响影响细胞代谢细胞代谢和和细胞行为细胞行为 例如：由肾上腺素刺激，导致例如：由肾上腺素刺激，导致骨骼肌细胞骨骼肌细胞内的糖原分内的糖原分解（解（糖代谢稳态的维持，图糖代谢稳态的维持，图9-19）；也导致）；也导致脂肪细胞脂肪细胞内内的甘油三脂

39、分解。的甘油三脂分解。慢速反应慢速反应（几分钟至几小时）：开启基因表达。（几分钟至几小时）：开启基因表达。 反应链：反应链：激素激素G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体G-蛋白蛋白腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 cAMPcAMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因调控蛋白基因转录。基因转录。不同的信号通过类似的机制会引发不同的细胞反应，为什不同的信号通过类似的机制会引发不同的细胞反应，为什么？么？ 答：答：蛋白偶联受体的特异性蛋白偶联受体的特异性 受体的多样性：受体的多样性：对某一特定的配体，受体可以不同的对某一特定的配体，受体可以不同的异构异构体体形式存在，对该配体和特定的蛋白有不同的亲合性。形

40、式存在，对该配体和特定的蛋白有不同的亲合性。 不同的不同的G蛋白：蛋白：存在不同的存在不同的G、 G、G； 不同的不同的腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶。 以上组合的多样性以上组合的多样性决定了通过类似机制可产生多样性决定了通过类似机制可产生多样性的细胞反应。的细胞反应。4、不同信号引发不同细胞反应的机制、不同信号引发不同细胞反应的机制霍乱毒素：霍乱毒素：能催化能催化ADPADP核糖基共价结合到核糖基共价结合到GsGs的的亚基上，亚基上，使使亚基丧失亚基丧失GTPGTP酶的活性，酶的活性，处于处于持续活化持续活化状态。导致霍乱病患者细胞内状态。导致霍乱病患者细胞内NaNa+ +和水持续外流，产生严重腹

41、泻而脱水。和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。百日咳毒素：百日咳毒素：则是则是诱导诱导GiGi的失活的失活，阻断了阻断了对腺苷酸环化酶的抑制对腺苷酸环化酶的抑制，而引起痉挛性咳嗽，而引起痉挛性咳嗽的恶果。的恶果。5、细菌毒素对、细菌毒素对G蛋白的修饰作用蛋白的修饰作用该信号通路是将胞外信号同时转导为该信号通路是将胞外信号同时转导为两个胞内信号，分别启动两个胞内信号，分别启动IP3-Ca2+ 和和DAG-PKC这两条途径，实现细胞对外界这两条途径，实现细胞对外界信号的应答，故称之为信号的应答，故称之为“双信使系统双信使系统”。（三）磷脂酰肌醇（三）磷脂酰肌醇双信使双信使信号通路信号通路反应链反应链

42、：胞外信号分子：胞外信号分子G-G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体G-G-蛋白蛋白 IPIP3 3 胞内胞内CaCa2+2+浓度升高浓度升高CaCa2+2+结合蛋白结合蛋白 ( (CaMCaM)细胞反应细胞反应磷脂酶磷脂酶C(PLC) C(PLC) DAGDAG激活激活PKCPKC底物蛋白磷酸化或促底物蛋白磷酸化或促NaNa+ +/H/H+ +交换使胞内交换使胞内pHpHPIP2磷脂酰肌醇双信使信号通路磷脂酰肌醇双信使信号通路IP3：作为胞内配体，可作为胞内配体，可打开内质网膜的打开内质网膜的Ca2+通道通道，使细胞质中的游离使细胞质中的游离Ca2+增多，引起增多，引起PKC转位转位到质膜内到质膜内

43、表面，被表面，被DAG活化活化。钙调蛋白（钙调蛋白（calmodulin，CaM）：）：真核细胞中普真核细胞中普遍存在的遍存在的Ca2+应答蛋白应答蛋白，可结合钙离子形成活化态的可结合钙离子形成活化态的Ca2+-CaM复合体复合体，将靶蛋白（如：，将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活）活化，可引起分子记忆等多种细胞反应。化，可引起分子记忆等多种细胞反应。1、IP3-Ca2+途径途径CaMCaM激酶：激酶：磷酸化多种功能蛋白质的丝氨酸、苏氨酸残基，启动磷酸化多种功能蛋白质的丝氨酸、苏氨酸残基，启动生物学功能，生物学功能，如：启动受精后胚胎发育、肌细胞收缩、内分泌如：启动受精后胚胎发育、肌细胞收

44、缩、内分泌细胞和神经元的分泌等细胞和神经元的分泌等。激素受体G蛋白酶或功能蛋白磷酸化生物学效应PLCIP3CaM激酶Ca2+CaM IP3-Ca2+途径反应链途径反应链启动受精后胚胎发育、肌细胞收缩、内分泌细胞和神经元的分泌启动受精后胚胎发育、肌细胞收缩、内分泌细胞和神经元的分泌细胞内细胞内Ca2+Ca2+水平调控示意图水平调控示意图20ms 20ms 心肌细胞钙火花心肌细胞钙火花蛋白激酶蛋白激酶C（PKC）：）：CaCa 依赖性，有两个功能区依赖性，有两个功能区：亲水的亲水的催化活性中心催化活性中心；疏水的；疏水的膜结合区膜结合区。PKC的活化：的活化：在未受到刺激的细胞中：在未受到刺激的细

45、胞中：PKCPKC以以非活性非活性形式分布于细形式分布于细胞质中。胞质中。当细胞接受外界信号时：当细胞接受外界信号时：PIPPIP 水解，细胞内水解，细胞内CaCa 浓浓度的升高，引起度的升高，引起PKCPKC转位到质膜内表面，被转位到质膜内表面，被DAGDAG活化活化。2、DAG-PKC途径途径DAGPKC途径的效应之一：途径的效应之一：PKCPKC使各种底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，使各种底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，从而导致了细胞分泌、收缩等从而导致了细胞分泌、收缩等“短期生理效应短期生理效应”，也导致了细胞增殖、分化等也导致了细胞增殖、分化等“长期生理效应长期生理效应”。

46、n 注意：注意：DAGDAG代谢周期很短，不能长期维持代谢周期很短，不能长期维持PKCPKC的活性。磷脂的活性。磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生DAGDAG，用于维持，用于维持PKCPKC长长期的活性。期的活性。DAGPKC途径的效应之二：途径的效应之二： PKCPKC活化可调节某些基因的转录，活化可调节某些基因的转录，一是一是通过蛋白激酶级联反应，通过蛋白激酶级联反应，二是二是导致基因调控蛋白摆脱了抑制状态。导致基因调控蛋白摆脱了抑制状态。（1）IP3信号的解除信号的解除 在在55磷酸酶的作用下磷酸酶的作用下, ,水解水解为为IPIP2 2, ,并进一并进

47、一步水解成肌醇。步水解成肌醇。在胞浆的肌醇在胞浆的肌醇3 3磷酸脂磷酸脂- -激酶的作用下激酶的作用下IPIP3 3被被磷酸化磷酸化成成IPIP4 4。3、信号的终止、信号的终止（2 2）Ca2+信号解除信号解除IPIP4 4参与打开细胞参与打开细胞质膜上的质膜上的CaCa2+2+通道通道，使细胞质中的，使细胞质中的CaCa2+2+较为持久地增高。较为持久地增高。胞内胞内CaCa2+2+浓度持久地升高，激活浓度持久地升高，激活CaCa2+2+-ATP-ATP酶（质膜、酶（质膜、内质网膜的内质网膜的钙泵钙泵）、质膜上）、质膜上NaNa+ +-Ca-Ca2+2+交换器交换器，从而，从而降低胞质中的

48、降低胞质中的 CaCa2+2+，使胞质中的，使胞质中的CaCa2+2+迅速恢复到基迅速恢复到基态水平态水平(10(10-7-7 M) M)，并使，并使活性活性CaMCaM- -酶复合物解离酶复合物解离，从，从而酶失去活性，而酶失去活性，细胞反应终止细胞反应终止。（3）DAG信使作用的终止信使作用的终止被被DAG激酶激酶磷酸化磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇代谢途径；酰肌醇代谢途径；被被DAG脂酶脂酶水解水解成单脂酰甘油。成单脂酰甘油。3、信号的终止信号的终止第四节酶连受体介导的信号转导第四节酶连受体介导的信号转导类型类型：受体酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶受体丝氨酸受体丝氨酸/

49、/苏氨酸激酶苏氨酸激酶 受体酪氨酸磷酸酯酶受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶（受体鸟苷酸环化酶（ANPsANPs-signals-signals） 酪氨酸蛋白激酶联系的受体酪氨酸蛋白激酶联系的受体受体酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTK）：又称酪）：又称酪氨酸蛋白激酶受体，是细胞表面一大类重要受体家族，包括氨酸蛋白激酶受体，是细胞表面一大类重要受体家族，包括7个亚族个亚族。一、受体酪氨酸激酶及一、受体酪氨酸激酶及RTK-RTK-RasRas蛋白信号通路蛋白信号通路RTK结构：结构：通常为通常为单次跨膜蛋白，单次跨膜蛋白，包含以下三个结构域。包含

50、以下三个结构域。 一个一个细胞外结构域细胞外结构域（配体结合域）、（配体结合域）、 一个一个疏水的跨膜疏水的跨膜螺旋螺旋 一个一个胞质结构域胞质结构域（酪氨酸激酶结构域，具有酪氨酸激酶结构域，具有自磷酸化自磷酸化位点位点）RTK胞外胞外配体：配体：可溶性的或膜结合的多肽或蛋白类激素。可溶性的或膜结合的多肽或蛋白类激素。 如：胰岛素、胰岛素样生长因子等多种生长因子如：胰岛素、胰岛素样生长因子等多种生长因子 。 RTK接接受配体后发生受配体后发生二聚化而激活二聚化而激活，启动其下游信号转导，启动其下游信号转导.（一（一) ) 受体酪氨酸激酶概述受体酪氨酸激酶概述配体结合诱导配体结合诱导RTK的二聚

51、化与自磷酸化的二聚化与自磷酸化1、受体酪氨酸激酶二聚化和自磷酸化、受体酪氨酸激酶二聚化和自磷酸化（二）（二）RTK的激活机理的激活机理2、胞内信号分子间的识别结构域、胞内信号分子间的识别结构域 RTK RTK结合蛋白特征：结合蛋白特征：均具有结构域，分为以下三种：均具有结构域，分为以下三种：（SH2SH2和和SH3SH3是两个高度保守而无催化活性的结构域）是两个高度保守而无催化活性的结构域）其中，含其中，含SH2结构域的信号分子分为两类：结构域的信号分子分为两类：接头蛋白：接头蛋白： GRB2（生长因子受体结合蛋白（生长因子受体结合蛋白2），偶联），偶联活化受体与其他信号蛋白，参与构成信号活化

52、受体与其他信号蛋白，参与构成信号转导复合物。转导复合物。信号通路中相关酶类：信号通路中相关酶类：例如：例如：GAP（GTP酶活化蛋白）、磷脂酶酶活化蛋白）、磷脂酶C等。等。配体结合诱导配体结合诱导RTK的的二聚化与自磷酸二聚化与自磷酸化，激活化，激活RTK的活性；的活性；活化的活化的RTK以以磷酸化的酪氨酸残基磷酸化的酪氨酸残基为下游信号为下游信号的锚定位点；的锚定位点；含有含有SH2结构域结构域的蛋白与锚定位点结合；的蛋白与锚定位点结合；进而启动下游信号的转导。进而启动下游信号的转导。3、RTK的激活机理的激活机理RTK介导的信号途径主要有：介导的信号途径主要有： RTK-Ras途径途径 P

53、I3K-Akt途径途径 磷脂酰肌醇途径等磷脂酰肌醇途径等RTK介导的信号通路效应：介导的信号通路效应： 调节细胞生长、增殖、分化、存活、凋亡调节细胞生长、增殖、分化、存活、凋亡等等多向性效应；多向性效应；1. Ras蛋白蛋白：原癌基因产物，类似于原癌基因产物，类似于G蛋白的蛋白的G亚基，亚基，因其分子量小而被称为因其分子量小而被称为小小G蛋白蛋白。Ras蛋白蛋白GTP-GDP转换机制转换机制（三）（三）RTK-Ras信号途径信号途径2、 Raf蛋白蛋白（MAPKKK)：具有丝氨酸苏氨：具有丝氨酸苏氨酸蛋白激酶活性。酸蛋白激酶活性。3、MAPK系统系统(mitogen-activated pro

54、tein kinase)：包括：包括MAPK、MAPK激酶激酶（MAPKK）、）、MAPKK激酶（激酶（MAPKKK），），是一组酶兼底物的蛋白分子。是一组酶兼底物的蛋白分子。活化的活化的RTK激活激活Ras蛋白蛋白活化的活化的Ras蛋白激活的蛋白激活的MAPK磷酸化级联反应磷酸化级联反应配体配体RTKadaptorGEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰化修饰基因表达。基因表达。RTK-Ras信号途径反应链信号途径反应链（从反应链可以看出：（从反应链可以看出：RTK-RasRTK-Ras信号通路向下游传导，信号通路向下游传导，扳动丝氨酸扳动丝氨酸/ /苏氨酸蛋白激酶的苏氨酸蛋白激酶的磷酸化级联反应磷酸