第8章细胞信号转导课件

1、第一节 概述 细胞通讯信号转导系统及其特点 第二节 细胞内受体介导的信号转导 细胞内核受体及其对基因表达的调节 一氧化氮介导的信号通路第二节 细胞通讯与信号传递 细胞通讯与细胞识别 细胞的信号分子与受体 通过细胞内受体介导的信号传递 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息二、信号转导系统及其特点 信号转导系统的基本组成与信号蛋白细胞内信号蛋白的相互作用信号转导系统的主要特性 细胞内信号蛋白的相互作用 细胞内信号蛋白之间的相互作用是靠蛋白质模式结合域的特异性介导。信号转导系统的基本组成通过细胞表面受体介导的信号途径由4

2、个步骤组成： 细胞通过特异性受体识别胞外信号分子； 信号跨膜转导； 通过胞内级联反应实现信号放大作用，并最终导致细胞活性改变； 由于信号分子失活，细胞反应终止或下调。信号蛋白信号途径所需的信号蛋白：转承蛋白：简单地将信息下传；信使蛋白：携带信号传递其靶位；接头蛋白：连接信号蛋白；放大和转导蛋白：由酶或通道蛋白组成，介导产生信号级联反应；传感蛋白：信号不同形式的转换；分歧蛋白：将信号从一条途径传播到另外途径；整合蛋白：多条途径接受信号并整合下传；潜在基因调控蛋白：本身被受体激活，迁移到细胞核刺激基因转录。信号转导系统的主要特性1、特异性2、放大作用3、对信号的终止或下调4、对信号的整合细胞的命运

3、取决于对胞外信号的特殊组合进行程序性反应，表现不同的行为，或者存活、分裂、分化和死亡。一、细胞通讯 几个容易混淆的概念 细胞通讯方式 信号分子与受体几个容易混淆的概念 细胞信号发放(cell signaling，信号传导 )：细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。细胞通讯(cell communication）：指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。细胞识别(cell recognition)：指细胞与细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，引起细胞反应的现象。信号转导(signal transduction)： 指外界信号(如光、电、化学分子)引起细胞表面受体构象

4、改变，改变细胞内信使的浓度，进而引起细胞应答反应的一系列过程。两种信号转导途径 。两种信号转导途径 一种是通过G蛋白偶联方式，即信号分子同表面受体结合后激活G蛋白，再由G蛋白激活效应物，效应物产生细胞内信号；第二种转导途径是结合的配体激活受体的酶活性，然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物 细胞通讯的方式：3种分泌化学信号进行通讯 内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） 化学突触（chemical synapse） 接触性依赖的通讯: 细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 细胞间形成间隙连接，使细胞质相互沟通：动物细胞间 隙连接

5、、植物细胞胞间连丝通过交换小分子实现代谢偶联或电偶联的通讯方式。细胞识别（cell recognition） 概念： 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，而导致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。 细胞识别的种类细胞之间识别的作用方式信号通路（signaling pathway） 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。细胞识别的种类可分为四类：同种同类细胞之间的识别。如：胚胎发育与分化中的细胞聚集

6、；凝血过程中的血小板聚集。同种异类细胞之间的识别。如：受精过程中精子与卵子的识别；免疫细胞之间的相互作用。异种异类细胞之间的识别。如：细菌对动物的感染；寄生虫对宿主的寄生。异种（异体）同类细胞之间的识别。如：输血、器官移植等。 细胞之间识别的作用方式两细胞通过其表面特定分子结构而直接相互作用 受精过程是细胞间一个很重要的识别过程。生物界受精的成功，只有同种的精子和卵子才能实现。这是因为精子表面有一种称为结合素的蛋白质，而卵子透明带则有与之结合的受体，两者均为糖蛋白，透明带表面有N-乙酰葡萄糖胺及半乳糖残基，精子表面有唾液酸转移酶。同种精子、卵子相遇时，精子表面的糖基转移酶可将精子表面的唾液酸转

7、移到卵的透明带表面的N-乙酰葡萄糖胺残基上，使透明带表面的精子结合素受体构型发生改变，精子才得以互相识别而发生受精作用。 两细胞通过凝集因子相互作用 如：将胚胎小脑和视网膜的细胞混合，培养一段时间后能重新形成具有原来结构的小脑和视网膜，不出现混杂的畸形组织。这是因为，这种混合细胞分别被两种特异性不同的凝集因子所凝集，小脑组织中的凝集因子特异地与甘露糖结合，而视网膜组织中的凝集因子特异地与N-乙酰氨基半乳糖特异结合。从这个例子中可以发现，不同细胞之间聚合因子氨基酸组成相似，但糖的组成则不同。只有同种的组织表面的受体和聚合因子间才能聚合。细胞的信号分子与受体 信号分子（signal molecul

8、e） 亲脂性信号分子 亲水性信号分子 气体性信号分子(NO) 第二信使 受体（receptor）多为糖蛋白 分子开关（molecular switches）细胞信号分子概念：信号分子是细胞的信息载体，包括化学信号：如各类激素、局部介质和神经递质等；物理信号：如声、光、电、温度变化等。根据信号分子的溶解性分类 ：特点： 特异性 高效性 可被灭活。根据信号分子的溶解性分类1）亲脂性化学信号分子：甾类激素和甲状腺素。分子小，直接跨膜，与细胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。2）亲水性化学信号分子：神经递质、局部介质、肽类激素。不能透过靶细胞质膜，只能与靶细胞表面受体结合，经信号转换机制，

9、在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使(primary messenger)。其转换方式主要有： 激活膜受体的激酶活性； 激活配体门通道； 引起第二信使的释放。3）气体信号分子：NO，进入细胞直接激活效应酶，参与体内生理或病理过程，即“明星分子”。有三种类型的信号分子 激素(hormone)：激素是由内分泌细胞(如肾上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体)合成的化学信号分子，一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素，参与细胞通讯的激素有三种类型:蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素。神经递质 (neurotransmi

10、tters)： 神经递质是由神经末梢释放出来的小分子物质，是神经元与靶细胞之间的化学信使。由于神经递质是神经细胞分泌的,所以这种信号又称为神经信号(neuronal signaling)。 局部介质(local mediators)局部介质是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子，它只能作用于周围的细胞。通常将这种信号传导称为旁分泌信号(paracrine signaling)，以便与自分泌信号相区别。 第二信使(second messengers) 细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使,而将细胞外的信号称为第一信使(first messengers)。第

11、二信使至少有两个基本特性 第二信使都是小的分子或离子。细胞内有五种最重要的第二信使。第二信使的作用：信号转换、信号放大。第二信使至少有两个基本特性是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、仅在细胞内部起作用的信号分子；能启动或调节细胞内稍晚出现的反应信号应答。细胞内有五种最重要的第二信使cAMP: 环腺嘌呤核苷酸 cGMP: 环鸟嘌呤核苷酸 DAG: 1,2-二酰甘油(diacylglycerol)IP3: 1,4,5-三磷酸肌醇(inosositol 1,4,5-trisphosphate)Ca2+ 等（ Ca2+也叫第三信使）。第二信使的作用：信号转换、信号放大 第二信使在细

12、胞信号转导中起重要作用，它们能够激活级联系统中酶的活性,以及非酶蛋白的活性。 第二信使在细胞内的浓度受第一信使的调节,它可以瞬间升高、且能快速降低,并由此调节细胞内代谢系统的酶活性,控制细胞的生命活动,包括:葡萄糖的摄取和利用、脂肪的储存和移动以及细胞产物的分泌。 第二信使也控制着细胞的增殖、分化和生存,并参与基因转录的调节。受体(receptor )是一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。受体与配体的结合具有三个主要的特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。受体具有两个功能受体可分为细胞内受体和细胞表面受体，二者

13、通过不同的机制介导不同的信号通路。受体与配体之间并不是简单的一对一的关系，有四种应答类型。受体具有两个功能：一是识别自己特异的信号物质配体，识别表现在于两者的结合。二是识别和接受的信号准确无误地放大，并传递到细胞内部，启动一系列胞内生化反应，最后导致特定的细胞反应。 因此要使胞间信号转换为胞内信号， 受体的两个功能缺一不可。细胞内受体(intracellular receptor)，与脂溶性信号分子结合，被胞外亲脂性信号分子所激活, 是激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）细胞表面受体:后者与水溶性信号分子结合。被胞外亲水性信号分子所激活。细胞表面受体分属三大家族： 离子通道偶联的受体（io

14、n-channel-linked receptor） G-蛋白偶联的受体（G-protein-linked receptor） 酶偶连的受体（enzyme-linked receptor） 受体与配体之间并不是简单的一对一的关系，有四种应答类型：1.不同类型受体以不同的方式应答于相同的配体 骨骼肌细胞 引起细胞收缩 （N型受体）乙酰胆碱 心肌细胞 降低收缩频率 (M型受体）2.相同受体（都为M型）对同一配体产生不同反应 心肌、平滑肌 引起收缩频率的变化乙酰胆碱 唾腺细胞(分泌细胞） 引起细胞分泌 3.同一细胞中的不同受体可应答不同的胞外配体，但 可产生相同的反应胰高血糖素 A受体 肝细胞 糖原

15、分解并释放到血液肾上腺素 B受体4.一种细胞具有多种受体可应答多种配体 存活 启动不同生物学效应 分裂多种信号 多种受体 分化 死亡一、细胞内核受体及其对基因表达的调节概念： 位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体(intracellular receptor)。细胞内受体主要是同脂溶性的小信号分子相作用。该类受体的有三个结构域。细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。激素与受体结合 受体与抑制性蛋白分离活化的受体与特异DNA序列结合 启动基因的转录和表达 受体结合的DNA序列是受体依赖的转录增强子。 甾类激素介导的信号通路 三个结构域：C 端：激素结合部位。中部：特异DNA序列结合部位

16、。N端：转录激活结构域 。 在没有与配体结合时,则由抑制蛋白抑制了受体与DNA的结合,若是有相应的配体,则释放出抑制蛋白 。 细胞内受体与抑制性蛋白(如Hsp90)结合形成复合物，处于非活化状态。配体(如皮质醇)与受体结合，导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。分子开关 分子开关是指在细胞内一系列信号传递的级联反应中， 控制正、负两种相辅相成的反馈机制。即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制，而且两者对系统的功能同等重要。细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分为两类： 一类开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷

17、酸化而关闭； 另一类主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。 通过磷酸化传递信号 通过结合蛋白传递信号细胞内信号传递过程中两类分子开关蛋白 关开蛋白激酶使开关蛋白磷酸化而开启由蛋白磷酸脂酶使开关蛋白磷酸化而关闭结合GTP开关蛋白活化结合GDP开关蛋白失活甾类激素介导的信号通路 信号通路：甾类激素经扩散进入胞内与受体结合，形成激素受体复合物，受体蛋白构象改变穿核孔进入核内受体与特异DNA序列结合调控基因的表达 甾类激素分子相对质量为300Da左右，这类激素通常表现为 影响细胞分化等长期的生物学效应。甾类激素诱导的基因活化分为两步反应阶段： 直接活化少数基因转录的初级

18、反应阶段，发生迅速。 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。个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。一氧化氮介导的信号通路 NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)催化，以L精氨酸为底物，以NADPH（还原型辅酶II ）作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。NO的作用机理： 乙酰胆碱血管内皮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

19、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，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。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。第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导 G蛋白偶联的受体的结构与激活 G蛋白藕联受体所介导的细胞信号通路 一、G蛋白偶联的受体的结构与激活 G蛋白G蛋白偶联受体 配体与受体结合后激活相邻的G-蛋白, 被激活的G-蛋白又可激活或抑制一种产生特异第二信使的酶或离子通道,引起膜电位的变化。由于这种受体参与的信号转导作用要与GTP结合的调节蛋白相

20、偶联,因此将它称为G蛋白偶联受 体。 二、G蛋白藕联受体所介导的细胞信号通路 以cAMP为第二信使的信号通路 磷脂酰肌醇双信使信号通路 G蛋白藕联受体介导离子通道的调控 离子通道偶联受体及其信号转导 G蛋白偶联受体介导的离子通道及其调控 Gt蛋白偶联的光受体的活化诱发cGMP-门控阳离子通道的关闭3、Gt蛋白偶联的光受体的活化诱发cGMP-门控阳离子通道的关闭人类每个眼球的视网膜内约有1.2亿个视杆细胞，其树突呈细杆抓哏内，称为视杆，视杆外节的视盘除基部少数视盘仍与胞膜相连，其余大部分均在边缘处与胞膜脱离，成为独立的视盘。视盘的更新是由外节基部不断产生，其顶端不断被色素上皮细胞所吞噬。视盘上镶

21、嵌有感光物质，称视紫红质(rhodopsin)，能感受弱光。视紫红质是由11-顺视黄醛(11-cisretinae)和视蛋白(oposin)组成，前者是维生素A的衍生物，当维生素A缺乏时，视紫红质合成不足，则患夜盲症。视杆细胞体较小，核圆形染色较深，其轴突末梢不分之呈球型，与双极细胞的树突形成突触。 视杆细胞中Gt蛋白偶联的光受体（视紫红质）诱导的阳离子通道的关闭黑暗条件下视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。视紫红质(rhodopsin, Rh)为7次跨膜蛋白，其介导的信号转换可表述为： 光信号 Rh激活 G蛋白（tr

22、ansducin Gt)活化 cGMP磷酸二酯酶激活(PDE) 胞内cGMP减少 Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。G蛋白偶联受体介导的离子通道及其调控神经递质与受体结合引发G蛋白偶联的离子通道的开放或关闭，进而导致膜电位的改:（a）神经递质乙酰胆碱与心肌 细胞的膜受体结合，使得G蛋白的亚基与、亚基分开；（b）激活的、亚基复合物同K+离子通道结合并将K+离子通道打开；（c）亚基中的GTP水解，导致亚基与、亚基重新结合，使G蛋白处于非活性状态，使K+离子通道关闭。G蛋白偶联受体能够激活心肌质膜的K+离子通道打开 离子通道偶联受体及其信号转导信号途径特点： 受体/离子

23、通道复合体，四次/六次跨膜蛋白 跨膜信号转导无需中间步骤 主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递 有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性 细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由G-蛋白介导的信号转导。这种信号转导系统有两个重要的特点:系统由三个部分组成:7次跨膜的受体、G蛋白和效应物(酶); 产生第二信使。第四节 酶连受体介导的信号转导受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路细胞表面其他与酶偶的受体细胞表面整联蛋白介导的信号转导概述已知六类：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

24、的趋化性有关)。酶偶联型受体的共同点： 单次跨膜蛋白；但胰岛素和胰岛素样的生长因子-1(IGF-I)受体有a 和b 两种亚基，组成四聚体型受体。 接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。G蛋白G蛋白：即三聚体GTP结合调节蛋白(trimeric GTP-binding regulatory protein)位置：质膜胞质侧。组成：三个亚基， 二聚体通过共价结合锚于膜上起稳定亚基的作用。G蛋白可分为三类：即Gs家族、Gi家族和Gq家族，这一分类是基于组成G蛋白的亚单位的结构与活性，对效应蛋白起激活作用亚单位为s亚单位，由此亚单位构成的G蛋白则为Gs蛋白；对效应蛋白起抑制作用的亚单位为i亚

25、单位，由此构成的G蛋白则为Gi蛋白。对Gq家族的功能尚不完全清楚。作用：相当于分子开关，亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态。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，其GTP酶的活性能被GAP（GTPase activating protein）增强。G-蛋白活化与调节G蛋白组成：三个亚基， 二聚体通过共价结合锚于膜上起稳定亚基的作用G蛋白的分子由三条分子链构成：链(茶色)、链（蓝色）和链（绿色）。红色的部分是在链/亚基表面的对信号传递起重要作用的部分。 G蛋白利用GTP作为自己的开关。在活跃的形式里，GTP最后的一个磷酸基和蛋白质表面的凹陷结合，

26、非常牢固。GTP以球体表示，而凹陷则着以红色。当GTP转化成GDP，由于磷酸基团脱落了，它无法再和这个凹陷结合。这样就形成了一个松散结构的不活跃三聚体 G蛋白偶联受体(G-protein linked receptor) G蛋白偶联型受体：7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，将胞外信号转为胞内信号。类型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，味觉、视觉和嗅觉感受器。cAMP信号通路 通过调节第二信使cAMP的浓度变化，将细胞外信号转变 为细胞内信号。反应链：激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A

27、基因调控蛋白基因转录 组分及其分析 Gs调节模型Gi调节模型细菌毒素对G蛋白的修饰作用 cAMP信号通路对基因转录的激活 cAMP信使体系的特性组分及其分析激活型激素受体(Rs)或抑制型激素受体(Ri)； Rs 与Ri是由单条多肽链经7次跨膜所组成。N末端在细胞外，C末端在细胞内，跨膜的肽链是一条 -螺旋构象。受体胞外区与配体结合，胞内区与G蛋白结合。刺激型受体通过Gs刺激腺苷酸环化酶的活性，提高胞内的cAMP的水平。 活化型调节蛋白(Gs)或抑制型调节蛋白(Gi)；G-protein linked receptor 腺苷酸环化酶(Adenylyl cyclase) ：跨膜12次。在Mg2+或

28、Mn2+的存在下，催化ATP 生成cAMP。效应酶蛋白激酶A(Protein Kinase A，PKA)：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP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A的活性。 环腺苷酸磷酸二酯酶 (cAMPphosphodiesterase, PDE)：降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。Degredation of cAMPGs调节模型 激素配体与Rs结合，导致Rs构象改变，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的亚基构象改变，排斥GDP，结合GTP而活化，Gs蛋白解离出亚基和基复合物。 亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP

29、。 亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子。 Gs调节作用图解 在静止状态，细胞没有受到激素的刺激，激素不和受体结合，Gs蛋白的和亚基呈结合状态，Ga与GDP结合，cAMPase没有活性。腺苷酸环化酶cAMPase受体蛋白激素配体结合改变受体构象，暴露出与Gs结合的位点通过扩散，导致配体-受体复合物与Gs结合从而大大降低了Gs对GDP的亲和性GDP解离，GTP取代与之结合，从而导致a亚基从Gs复合物上解离亚基结合并活化cAMPase,产生cAMP，同时，配体与受体解离，受体恢复原来的构象GTP水解导致a亚基脱离cAMPase并与复合物结合形成Gs蛋白 因为Gsa-GTP具有GTP酶活性，水解GT

30、P成GDP，导致Ga和腺苷酸环化酶互相分离，终止了腺苷酸环化酶的活化作用，a和亚基重新组合，使细胞恢复到静止态。Gs-GTP与腺苷酸环化酶作用，使之活化，使ATP转化成cAMP, 和亚基也能活化腺苷酸环化酶 GDP从Ga释放，GTP与Gs的a亚基结合，使Gs形成活化构象，然后引起和亚基与a亚基解离。 激素和Rs受体结合，导致受体构象变化，Gs在Mg2+存在时与构象改变的受体高亲和地结合。Gi调节模型 通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性； 通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。 百日咳毒素抑制Gi的活性。磷脂酰肌醇信号通路 “双信使系统”反应链：胞外信

31、号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白 IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应 磷脂酶C(PLC) DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH 反应的终止 钙调蛋白（calmodulin, CaM)磷脂酰肌醇信号通路 通过G蛋白偶联的受体介导的另一条信号通路。 这一通路的首要效应酶是磷脂酶C(PLC)，通过激活质膜上的PLC，使二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解成三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG)两个第二信使。使胞外信号转换为胞内信号。IP3动员细胞内源钙到细胞溶质，使胞内Ca2+浓度升高；DG激活蛋白激酶C(PKC)，活化的PKC进一步使底物蛋白磷酸化，并可活化

32、Na+/H+交换引起细胞内pH升高。 该信号通路的最大特点是胞外信号被膜受体接受后，同时产生两个胞内信使，分别启动两个信号传递途径即IP3-Ca2+和DG-PKC途径，实现细胞对外界信号的应答。该信号系统也成为双信使系统。 激素与受体结合活化G蛋白，G蛋白活化磷脂酶C，磷脂酶C使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇断裂成1，4，5三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油(DG)，IP3通过细胞溶质扩散结合并打开内质网上Ca2+通道，引起Ca2+从钙库中释放到细胞溶质中，通过钙调节蛋白引起细胞反应，DG与Ca2+活化PKC，PKC磷酸化蛋白引起细胞反应。胞外信号分子激活的磷脂酶C激活的蛋白激酶C 内质网二酰基甘油（

33、DG)Ca2+IP3是一种水溶性分子，其主要作用是将储存在内质网中的Ca2+转移到细胞质基质中，使胞质中游离Ca2+浓度提高。二酰基甘油(DG)作为第二信使可活化与质膜结合的蛋白激酶C(PKC)。PKC位于细胞质， 是钙和磷脂酰丝氨酸依赖性酶，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化，PKC使底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。 PKC具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，既涉及许多细胞“短期生理效应”如细胞分泌、肌肉收缩等，又涉及细胞增殖、分化等“长期生理效应”。蛋白激酶（PKC）的活化可增强特殊基因的转录。 钙调蛋白(calmodulin，CaM)可结合钙离子将靶蛋白(如：

34、CaM-Kinase)活化。蛋白激酶（PKC）的活化可增强特殊基因的转录1）PKC激活MAP激酶，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白（Eik-1）磷酸化和激活，进而增强特殊基因的转录。 2）PKC的活化，导致一种抑制蛋白的磷酸化，从而使细胞质中基因调控蛋白(NF-B)摆脱抑制状态而释放出来，进入细胞核，刺激特殊基因的转录。活化的PKC激活基因的两条细胞内途径磷脂酰肌醇代谢途径肌醇三磷酸（IP3）和二酰甘油（DAG）的合成来自于膜结合的磷脂酰肌醇（PI）反应的终止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

35、膜上的钙泵抽回内质网。DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。其它G蛋白偶联型受体 1化学感受器中的G蛋白存在于嗅觉和味觉化学感受器中，类型繁多，不同细胞具有不同的受体，感受不同的气味。气味分子与G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道(cAMP-gatedcation channel)，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。2视觉感受器中的G蛋白黑暗条件下视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神

36、经元释放递质。视紫红质(rhodopsin, Rh)为7次跨膜蛋白，其介导的信号转换可表述为： 光信号Rh激活G蛋白（transducin Gt)活化cGMP磷酸二酯酶（PDE）激活胞内cGMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用。一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路 受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 包括6个亚族 受体酪氨酸激酶的激活 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 Ras蛋白(Ras protein) RT

37、K- Ras信号通路：配体RTK adaptor GEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸。 Ras蛋白 Ras蛋白(Ras protein) Ras是大鼠肉瘤(rat sarcoma,Ras)的英文缩写。Ras蛋白是原癌基因c-ras的表达产物，相对分子质量为21kDa，系单体 GTP结合蛋白，具有弱的 GTP酶活性。其活性则是通过与GTP或GDP的结合进行调节 Ras蛋白的活性调节：由GEF和GAP调节其活性 鸟苷交换因子 GTP酶激活蛋白 细胞表面其它与酶偶联的受体1、受体丝氨酸/苏氨酸激酶2、受体酪氨酸磷酸酯酶3、受体

38、鸟苷酸环化酶4、酪氨酸蛋白激酶联系的受体（细胞因子受体）受体丝氨酸/苏氨酸激酶配体是转化生长因子-s (transforming growth factor-s，TGF-s。)家族成员。包括TGF-1TGF-5种成员。具有多方面的效应，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和作为胚胎发育过程中的诱导信号等。BMP（骨形态发生蛋白，bone morphogenetic protein）是TGF-（转化生长因子，transforming growth factor-）超家族中的重要成员。它通过调节一系列下游基因的活性，控制着诸如中胚层形成、神经系统分化

39、、牙齿和骨骼发育以及癌症发生等许多重要的生物学过程。BMP信号的传递主要通过配体BMP与细胞膜上的丝氨酸/苏氨酸激酶受体（BMP receptor, BMPR）特异性结合，形成配体受体二元复合物。同时，型受体（BMPR2）能够活化I型受体（BMPR1），并进一步将信号传递给细胞内的Smad分子。在BMP和TGF-信号由细胞膜传递至细胞核的过程中，Smad蛋白起到了关键性的作用。活化的I型受体（BMPR1）进一步磷酸化Smad蛋白（Smad1、Smad5和Smad8），促使Smad分子从细胞膜受体上脱离下来，并在胞质内结合Smad4分子（common Smad，Co-Smad）后进入细胞核。在细

40、胞核内，Smad多元复合物在其它DNA结合蛋白的参与下作用于特异的靶基因，调控靶基因的转录 2. 受体酪氨酸磷酯酶受体酪氨酸磷酯酶（receptor tyrosine phosphatases）为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是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的水平。它的作用不是简单的与RTK相反，可能与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体的尚不了解。和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。3. 受体鸟苷酸

41、环化酶受体鸟苷酸环化酶（receptor guanylate cyclase）是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体心房排钠肽（atrial natriuretic peptides，ANPs）和脑排钠肽（brain natriuretic peptides，BNPs）。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，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。细胞内有两种形式的鸟苷酸环化酶(guanylate cyclas

42、e, GC):与细胞膜结合的膜结合型GC和胞浆可溶型GC。作为酶联受体信号途径的主要是膜结合型GC(membrane-bound form of guanylate cyclase, mGC)。mGC是一种跨膜蛋白, 氨基末端在膜外侧,是激素配体结合区;膜内侧约为多肽链的1/2，含有一个类蛋白激酶区以及羧基末端的催化区域 与信号转导有关的两种鸟苷酸环化酶 4.细胞因子受体超家族包括各类细胞因子（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JAKSTAT或RAS途径。JAK(janus kinase)属非受体酪氨酸激

43、酶家族。JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子(signal transducer and activator of transcription，STAT) 。JAK/STATPathway:配体与受体结合导致受体二聚化；二聚化受体激活JAK；JAK将STAT磷酸化；STAT形成二聚体，暴露出入核信号；STAT进入核内，调节基因表达。细胞表面整联蛋白介导的信号转导 整联蛋白细胞与细胞外基质之间形成的粘着斑具有两方面的功能： （1）机械结构功能：粘着斑的装配受信号的控制，通过肌动蛋白纤维和多种肌动蛋白的结合蛋白而完成； (2)信号传递功能：通过酪氨酸激酶Src和粘着斑激酶（focal

44、adhesion kinase，FAK）而实现。导致粘着斑装配的信号通路通过粘着斑由整合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由细胞表面到细胞核的信号通路整联蛋白与胞外配体结合整联蛋白簇集和粘着斑处质膜下酪氨酸激酶Src活化粘着斑激酶（FAK）的酪氨酸残基磷酸化然后结合接头蛋白（Grb2）和胞内鸟苷酸释放蛋白（Sos) 活化的Grb2-Sos复合物引起Ras蛋白GTP-GDT交换而活化 Ras GTP通过MAPK级联反应激活涉及细胞生长与增殖相关的基因转录。整联蛋白整联蛋白（integrin）是细胞表面的跨膜蛋白，由和两个亚基组成的异二聚体，其胞

45、外段具有多种胞外基质组分的结合位点，包括纤连蛋白、胶原和蛋白聚糖。因此，整联蛋白不仅介导细胞附着到胞外基质上，更重要的是提供了一种细胞外环境调控细胞内活性的渠道。第五节 信号的整合与控制细胞对信号的整合 细胞信号传递的基本特征：多通路、多途径、多层次和高度复杂 的可控过程。 细胞信号传递各途径的相互关系可分为三大类:信号收敛（convergence）、信号发散（divergence）和交叉对话（cross talking）。构成一个复杂的信号网络系统（signal network system ）。细胞对信号的控制 细胞对信号的控制细胞解除和终止信号的重要方式是在信号浓度过高或细胞长时间暴露在

46、一种信号刺激的情况下，细胞自身以不同的机制使受体脱敏。通过G蛋白偶联的受体激酶（GRKs）使受体胞质域特定氨基酸残基磷酸化是G蛋白偶联受体脱敏的重要方式。此外，G蛋白偶联受体的脱敏也依赖于PKA，PKC和CaMK2对受体的磷酸化。靶细胞对信号分子脱敏的5种方式G蛋白偶联受体在G蛋白偶联受体激酶（GRKs）作用下发生磷酸化而脱敏靶细胞对信号分子脱敏的5种方式细胞无时无刻不处在复杂环境的“信息轰炸”之下，这些信号分别或协同启动细胞各种信号传递途径，最终作出合理的应答反应。因此，细胞各种不同的信号通路决不可能是彼此独立的。细胞信号的传递最重要的特征之一是构成一个复杂的信号网络系统（signal ne

47、twork system ）。信号途径间交叉对话是指不同信号转导途径间的相互影响,即通常所说的“相互作用”(interaction)。如：在某些细胞中，G蛋白偶联系统的受体在肾上腺素等细胞外信使的作用下，产生第二信使cAMP，cAMP激活PKA，然后通过PKA抑制Raf，从而阻断了从Ras到Raf的信号传导。PKA系统与受体酪氨酸激酶系统间的相互干扰. 信号发散信号发散是指同一种信号与受体作用后在细胞内分成几个不同的信号途径进行传递,最典型的是受体酪氨酸激酶的信号转导。来自于EGF受体的信号能够分成几个不同的途径进行传递 信号收敛信号传导途径的收敛是指不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最

48、后的效应物是相同的。图中所示是将来自G蛋白偶联受体、整联蛋白、受体酪氨酸激酶的信号通过Grb2-Sos汇集到Ras，然后沿着MAP激酶级联系统进行传递 。其结果,将不同受体结合的信号汇集起来,引起靶细胞中一套相同的促进细胞分裂的基因转录和翻译。 化学通讯化学通讯是间接的细胞通讯, 指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。根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为以下4类：1.内分泌（endocrine）：内分泌细胞分泌的激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。其特点是：低浓度，仅为10-8-10-12M；全身性，随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥

49、作用；长时效，激素产生后经过漫长的运送过程才起作用，而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。2.旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：各类细胞因子；气体信号分子（如：NO）3.突触信号发放：神经递质（如乙酰胆碱）由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。4.自分泌（autocrine）：与上述三类不同的是，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。如：大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和ras p21等癌基因表达，从而促进癌细胞的增殖。B. The forms of cell communic

50、ation- Different types of chemical signals can be received by cells1. A,b,c:chemical signals dependent cell communication, including chemical synapse; 2. D: contact-dependent cell communication; 3. Chemical and electronic coupling by Gap junction.内分泌旁分泌突触信号发放自分泌通过间隙连接直接联系Receptors include two classe

51、s: glycoproteinsThe other is cell-surface receptors:There are three main families.One is the receptors within cells: steroid hormonesand（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 乙酰胆碱Guanylate cyclaseNO 和cGMP的信号转导途径 Robert F. Furchgott Louis J. Ignarro Ferid Murad离子通道偶联受体与信号传导动作电位到达突触末端,引起暂时性的去极化;去极化作用打开了电位门控钙

52、离子通道,导致钙离子进入突触球;Ca2+浓度提高诱导分离的含神经递质分泌泡的分泌,释放神经递质;Ca2+引起储存小泡分泌释放神经递质;分泌的神经递质分子经扩散到达突触后细胞的表面受体;神经递质与受体的结合,改变受体的性质;离子通道开放,离子得以进入突触后细胞;突触后细胞中产生动作电位。3. Signal transduction mediated by the receptors on the cell surfaceA. Mediated by the Ion-Linked Receptors which convert chemical signals into electrical ones4 or 6-helix transmembrane receptor SH结构域,GRB2 Ras的激活 SH结构域(SH domain): SH结构域是Src同源结构域(Src homology domain)的缩写(Src是一种癌基因，最初在Rous sarcoma virus 中发现)，SH2大约由100个氨基酸组成。SH3结构域最初也是在Src中鉴定到的由50个氨基酸组成的组件，后来在其他一些蛋白质中也发现了SH3结构域 GRB2(growth factor receptor-