学习细胞信息传递

1、学习细胞信息传递概 述单细胞生物 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跨膜信号转导的一般步骤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 第 一 节 信 息 物 质Signal Molecules 一、细胞间信息物质定义细胞间信息物质(extracellular signal molecules)是由细胞分泌的调

2、节靶细胞生命活动的化学物质的统称，又称作第一信使。 化学性质* 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（一）神经递质又称突触分泌信号(synaptic signal)特点由神经元细胞分泌；通过突触间隙到达下一个神经细胞；作用时间较短。例如： 乙酰胆碱、去甲肾上腺素等分 类（二） 内分泌激素又称内分泌信号(endocrine signal)特点由特殊分化的内分泌细胞分泌 ；通过血液循环到达靶细胞 ；大多数作用时间较长。 例如胰岛素、甲

3、状腺素、肾上腺素等按内分泌激素的化学组成分为含氮激素如肾上腺素、甲状腺、 促甲状腺激素 、胰高血糖素、胰岛素、生长激素等 类固醇激素如性激素、皮质醇、醛固酮等 按激素受体的分布部位 ：胞内受体激素: 甲状腺素、类固醇激素 胞膜受体激素: 除甲状腺素外其他的含氮激素 （三）局部化学介质又称旁分泌信号(paracrine signal 特点由体内某些普通细胞分泌； 不进入血循环，通过扩散作用到达附近的靶细胞；一般作用时间较短。例如生长因子、前列腺素等。（四）气体信号 例如* NO合酶（NOS）通过氧化L-精氨酸的胍基而产生NO *血红素单加氧酶氧化血红素产生的CO 其他 有些细胞间信息物质能对同种

4、细胞或分泌细胞自身起调节作用，称为自分泌信号(autocrine signal)有些细胞间信息物质可在不同的个体间传递信息，如昆虫的性激素。 二、细胞内信息物质定 义细胞内信息物质(intracellular signal molecules) 第一信号物质经转导刺激细胞内产生的传递细胞调控信号的化学物质。化学性质无机离子：如 Ca2+ 脂类衍生物：如DAG、Cer糖类衍生物：如IP3核苷酸：如cAMP、cGMP信号蛋白分子第三信使(third messenger) 负责细胞核内外信息传递的物质，又称为DNA结合蛋白，是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，能调节基因的转录。如立早基因(imme

5、diate-early gene)的编码蛋白质 。在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代谢产物等。第二信使(secondary messenger)细胞间信息物质影响细胞功能的途径种类 信息物质受体 引起细胞内的变化神经递质乙酰胆碱、谷氨酸、 氨基丁酸质膜受体影响离子通道关闭生长因子类胰岛素样生长因 -1、表皮生长因子、 血小板衍生生长因子质膜受体引起酶蛋白和功能蛋白的磷酸化和去磷酸化，改变细胞的代谢和基因表达激素蛋白质、多肽及氨基酸衍生物类激素类固醇激素、甲状腺素质膜受体胞内受体同上调节转录维生素 维生素A、维生素D 胞内受体

6、 同上 第 二 节 受 体Receptor能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称 配体(ligand)。受体的定义是细胞膜上或细胞内能特别识别生物活性分子并与之结合的成分，它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。 根据细胞定位一、受体的分类、一般结构与功能存在于细胞质膜上的受体，绝大部分是镶嵌糖蛋白。根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：离子通道受体，G蛋白偶联受体和单跨膜受体。（一）膜受体(membrane receptor)目 录1. 环状受体 配体依赖性离子通道 乙酰胆碱受体2. G 蛋白偶联受体(G-protein coupl

7、ed receptors, GPCRs)又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体(serpentine receptor) G蛋白偶联受体的结构矩型代表-螺旋， N端被糖基化，C端的半胱氨酸被棕榈酰化。受体结构的特点* 受体的N端可有不同的糖基化。 * 受体内有一些高度保守的半胱氨酸残基，对维持受体的结构起到关键作用。 * 胞内的第二和第三个环能与G-蛋白相偶联 。 * C-末端的高度保守的Cys残基在肾上腺素能受体、肾上腺素能受体和视紫质受体中可被棕榈酰化，可稳定受体胞内部分的三级结构。 * 受体的C-末端和胞内第三环含有多个Thr和Ser残基可被磷酸化，与抑制蛋白-视紫红质抑制蛋白（arrestin

8、）结合 ，使受体不能再活化G蛋白而失活。 G蛋白(guanylate binding protein)是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、 三个亚基组成。有两种构象：非活化型；活化型两种G蛋白的活性型和非活性型的互变目 录RHACGDPGTP腺苷酸环化酶ACATPcAMP信息传递过程中的蛋白 此类受体的信息传递可归纳为 激素 受体蛋白酶 第二信使蛋白激酶酶或其他功能蛋白 生物学效应3. 单个跨膜螺旋受体 含TPK结构域的受体EGF:表皮生长因子 IGF-1:胰岛素样生长因子PDGF:血小板衍生生长因子 FGF:成纤维细胞生长因子与配体结合后具有酪氨酸蛋白激酶活性，如胰

9、岛素受体insulin growth factor receptor, IGF-R 表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGF-R)。与配体结合后，可与酪氨酸蛋白激酶偶联而表现出酶活性，如生长激素受体、干扰素受体。非酪氨酸蛋白激酶受体型酪氨酸蛋白激酶受体型（催化型受体）自身磷酸化(autophosphorylation) 当配体与单跨膜螺旋受体结合后，催化型受体(catalytic receptor)大多数发生二聚化，二聚体的酪氨酸蛋白激酶(tyrosine protein kinase, TPK)被激活，彼此使对方的某些酪氨酸残基磷酸化，这一

10、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 * 受体跨膜区由2226个氨基酸残基构成一个-螺旋，高度疏水。 * 胞外区为配体结合部位。 * 胞内区为酪氨酸蛋白激酶功能区（又称SH1, Scr homology 1 domain，与Src的酪氨酸蛋白激酶区同源） 位于C末端，包括ATP结合和底物结合两个功能区。 受体结构* 该受体的下游常含有 SH2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) 识别具有磷酸化的丝氨酸和苏氨酸的短肽，并能与G蛋白的复合物结合 ,还能与带电的磷脂结

11、合 TGF的型和型受体 4. 具有鸟嘌呤环化酶活性的受体 胞外胞内膜受体可溶性受体PKH GCGC 具有鸟苷酸环化酶活性的受体结构 PKH：激酶样结构域 GC： 鸟苷酸环化酶结构域 受体的结构（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。高度可变区位于N端，具有转录活性DNA结合区含有锌指结构激素结合区位于C端，结合激素、热休克蛋白，使受体二聚化，激活转录铰链区核受体结构示意图 相关配体类固醇激素、甲状腺素和维甲酸等 功 能 多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。 二、受体作用的特点可

12、逆性高度专一性高度亲和力 可饱和性特定的作用模式配体浓度受体饱和度（）配体受体结合曲线 三、受体活性的调节 磷酸化与脱磷酸化作用 膜磷脂的代谢的影响 酶促水解作用 蛋白的调节第 三 节信息的传递途径 Signal Transduction Pathway 一、膜受体介导的信息传递 cAMP- 蛋白激酶途径 Ca2+- 依赖性蛋白激酶途径 cGMP- 蛋白激酶途径 酪氨酸蛋白激酶途径 核因子 途径 TGF-途径 （一）cAMP - 蛋白激酶途径组成胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白激酶 A(protein kinase A，P

13、KA)1. cAMP 的合成与分解PPiATPACMg2+cAMP5-AMP 磷酸二酯酶H2OMg2+cAMPATPACPPiAMPPDEH2O磷酸二酯酶(phosphodiesterase, PDE)腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC)2cAMP的作用机理PKA的激活R 调节亚基 C 催化亚基RR（cAMP-dependent protein kinase，PKA）R： 调节亚基C： 催化亚基cAMP蛋白激酶A3PKA的作用 对代谢的调节作用通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。 磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶ATP磷酸化酶磷酸化酶ATP PPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶H

14、2OPPiPKA抑制物a抑制物b ATP磷蛋白磷酸酶PPi肾上腺素对糖原代谢的影响 肾上腺素 受体 肾上腺素 受体复合物激活蛋白 激活ACATPcAMPPKA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。(2) 对基因表达的调节作用GsACATPcAMPCCRRCC 蛋 白 磷 酸 化RR 2cAMP2cAMPCREBNPi Pi Pi 转录

15、活化域DNA结合域细胞膜核 膜结构基因细胞核PiPiPiPiDNA蛋白质（二）Ca2+依赖性蛋白激酶途径1. Ca2+ 磷脂依赖性蛋白激酶途径组成胞外信息分子，G蛋白蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)磷脂酶C(phospholipase C, PLC)甘油二脂(diacylglycerol, DAG)三磷酸肌醇( inositol 1, 4, 5 triphosphate, IP3 )(1) DAG，IP3的生物合成和功能PIP2PLCDAG + IP除PLC能特异性地水解PIP2生成DAG外，还可通过下面途径生成DAG 。磷脂酰胆碱(PC) 磷脂酸(PA)+胆碱 DAG

16、 磷脂酶D(PLD) DAG，IP3的 功 能DAG：在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下激活PKCIP3 ：与内质网和肌浆网上的受体结合，促使细胞内 Ca2+释放(2) PKC 的结构与生理功能结构与分型：其氨基酸序列有四个保守区（C1、C2、C3、C4 )和可变区（），分为调节域和催化域。C1：富含 Cys，DAG、TPA 结合部位C2：Ca2+ 结合部位 调节域C3：ATP 结合部位C4：结合底物并进行磷酸化转移的场所 催化域 分 类Ca2+ 依赖型：，Ca2+ 非依赖型： 、 调节域 催化域C1C2C3C4，C1C3C4、C3 C4C1 调节基因表达PKC 对基因的活化分为早期反应和晚期反应

17、。 * PKC的生理功能 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。PKC 对基因的早期活化和晚期活化2. Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径受体、G蛋白、PLC、IP3、Ca2+、钙调蛋白、CaM激酶( Ca2+ CaM激酶途径 )钙调蛋白(calmodulin , CaM)有四个Ca2+结合位点。与Ca2+一起激活CaM激酶，磷酸化多种功能蛋白质（丝、苏氨基酸残基）。组成（三）cGMP-蛋白激酶G途径受体，鸟苷酸环化酶(guanylate cyclase, GC)，cGMP, 蛋白激酶G (protein kinase G，PKG

18、)组成cGMP的合成和降解 GTPGMg2+PPicGMP 磷酸二酯酶H2OCa2+ 或 Mg2+5- GMP使有关蛋白或酶类的丝、苏氨酸残基磷酸化PKG的功能NOGCPKG 蛋白质磷酸化GCG蛋白GTPcGMP激素R胞 膜* 生理效应：如心钠素、NO舒张血管平滑肌。 （四）酪氨酸蛋白激酶途径(tyrosine protein kinase, TPK)酪氨酸蛋白激酶分 类受体型TPK（位于细胞质膜上）如胰岛素受体、生长因子受体及原癌基因（erb-B、 kit、fins等）编码的受体非受体型TPK（位于胞浆）如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的TPK1. 受体型TP

19、K-Ras-MAPK途径GRB2 (growth factor receptor bound protein 2）SH2 域 (src homology 2 domain) 细胞内某些连接物蛋白共有的氨基酸序列，与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶区同源，该区域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合。 组成：催化性受体，GRB2, SOS, Ras蛋白, Raf蛋白，MAPK系统SH2SH3 SOS (son of sevenless)富含脯氨酸，可与SH3结合，促使Ras的GDP换成GTP。Ras蛋白：原癌基因产物，类似与G蛋白的G亚基Raf蛋白：具有丝苏氨酸蛋白激酶活性MAPK系统 (mito

20、gen-activated protein kinase)包括MAPK、MAPK激酶（MAPKK）、MAPKK激酶（MAPKKK），是一组酶兼底物的蛋白分子。 细胞外信号EGF、PDGF等具PTK活性的受体GRB2 PSOS PRas-GTP PRaf调节其他蛋白活性MAPKKMAPK P P P细胞核反式作用因子调控基因表达细胞膜二聚化2. JAKs-STAT途径* 非催化性受体* JAKs (janus kinases)* 信号转导子和转录激动子 (signal transductors and activators of transcription ，STAT)组成干扰素诱导JAK、STAT复合体核内转移及调节基因转录机制（五）核因子B途径核因子B (nuclear factor- B