生理学教学课件：第三章 细胞的跨膜信号转导

1、第三章 细胞的跨膜信号转导 第一节 细胞信号转导的概念和一般特性 细胞信号转导（cellular signal transduction）的概念 细胞信号转导涵盖范围的广泛性 跨膜信号转导（transmembrane signal transduction）：细胞如何感受外界环境的刺激并对这种刺激作出反应，亦即外界环境变化的信息如何跨越细胞膜传入细胞内并引起细胞内代谢和功能的相应变化（由外向内）。Signal transduction at the cellular level refers to the movement of signals from outside the cell to

2、 inside. 一、细胞可感受什么样的细胞外信号？ 化学信号：是细胞最常感受到的刺激信号 物理信号：温度、机械力、生物电、电磁波等. 在动物进化的过程中，这些物理性刺激信号大都由一些在结构上和功能上高度分化了的特殊的感受器（如视网膜、耳蜗、前庭器官、肌梭、环层小体等）来感受。 高等动物一般不存在对外界电变化起反应的能力 可兴奋细胞具有接受邻近发生的电变化而引发自身新的电反应的能力。二、不同的跨膜信号转导途径有三个共同特征 刺激信号一般不进入细胞或直接影响细胞内过程，而是作用于 细胞膜表面的相应受体（receptor）（核受体除外） 跨膜信号转导途径类似，数量较少，所涉及的几类膜蛋白质各 具有

3、很大的结构上的同源性，是由相近的基因家族编码的。 信号级联放大：一个上游信号分子可以激活几个下游信号分 子，以此类推，遂产生了信号的放大。 三大类受体 1. 离子通道受体： 如N2型乙酰胆碱受体 2. G蛋白耦联受体： 数量最多 3. 具有内在酶活性的受体（酶耦联受体）： 如GH受体第二节 跨膜信号转导的几种主要方式 一、化学门控离子通道 受体本身就是离子通道，又称为 配体门控通道（ligand-gated ion channel） 化学门控通道（chemically gated ion channel） 促离子型受体（ionotropic receptor） 例如：N2型乙酰胆碱（acety

4、lcholine, Ach）受体 A型-氨基丁酸受体；甘氨酸受体；促离子型谷氨酸受体 特点：路径简单，速度快，从递质与受体结合至产生细胞电 活动仅需0.5毫秒左右的时间。 电压门控通道（voltage-gated ion channel）和 机械门控通道（mechanically gated ion channel） 尽管在事实上是接受电信号和机械信号的受体，但 通常不称作受体。二、G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导 （一）G蛋白耦联受体跨膜信号转导通路的发现 第二信使（cAMP）的发现：1971年诺贝尔奖，Sutherland 1957年Sutherland在研究胰高血糖素和肾上腺素引起肝细胞

5、中糖原分解的作用原理时，发现如果使肾上腺素单独同分离出的肝细胞膜碎片相互作用，可生成一种耐热、可透析（小分子）的物质，当把这种物质同肝细胞的细胞质单独作用时，也能引起细胞质中糖原的分解，同肾上腺素作用于完整的肝细胞时有类似的效应。提示肾上腺素只作用于肝细胞的膜表面，通过某种发生在膜结构中的过程，先在膜内侧细胞质中生成上述小分子物质，后者再实现肾上腺素分解糖原的作用。这种小分子物质后来证明是环一磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate, cAMP）。 G protein的发现：1994年诺贝尔奖，美国人Gilman和Rodbell 前文所述的cAMP是如何产生的？后

6、来发现激素作用于相应受体后，又可激活膜内侧与受体靠近的另一种蛋白质，即鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding protein），简称G蛋白（G protein），其中一种亚型称为兴奋性G蛋白（Gs），可激活细胞膜靠近胞质侧的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC)，后者使胞质中的ATP水解和环化，生成起第二信使作用的cAMP。 PKA和蛋白质磷酸化的发现：1992年诺贝尔奖， Krebs Krebs发现cAMP可激活一种cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase，PKA），后者使糖原磷酸化酶磷酸化，导致糖原分

7、解。越来越多的证据表明，蛋白质磷酸化是许多信号转导的下游公共通路。Krebs因发现蛋白质磷酸化在信息传递中的作用而获得了1992年诺贝尔生理学和医学奖。 NO作为信息分子的发现：1998年诺贝尔奖 Furchgott、Murad、Ignarro 进一步的研究发现，第二信使不只cAMP一种，环一磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）、三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3）、二酰甘油（diacylglycero1，DG）、Ca2+、和一氧化氮（nitric oxide, NO）等均可作为第二信使。其中NO是一种气态自由基，既可作

8、为第一信使，又可作为第二信使，可激活鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase, GC），使细胞内cGMP含量增加，引起细胞功能的改变。NO在心血管、免疫和神经系统等机体多个系统的功能调节中发挥重要作用。 Proto-oncogene的发现：1989年诺贝尔奖 Bishop 、Varmus 有些第二信使还可激活细胞核内正常染色体中的原癌基因（proto-oncogene），后者进行表达时称为癌基因（oncogene）。原癌基因是基因组中的正常基因，之所以被称为原癌基因，是因为它们的碱基排列顺序同一些能在动物引起肿瘤的病毒DNA（病毒癌基因）碱基排列顺序相一致。原癌基因的正常表达产物却是细

9、胞跨膜信号转导过程所必须的。原癌基因的表达产物作为转录因子，进入核内，诱导另一些基因的表达。由此可知，外界信号不仅可使细胞出现即时反应，而且可通过原癌基因等基因的激活而表达新的蛋白质，造成细胞反应能力的长时程改变。（二）G蛋白耦联受体跨膜信号转导通路的信号分子1. G蛋白耦联受体（G protein-coupled receptors, GPCRs）Structure: seven-spanning receptor, belong to a superfamilyLigand: 儿茶酚胺类激素、神经递质、ACh、5-羟色胺、引起嗅觉的物质、光量子、花生四烯酸类、淋巴细胞活性因子以及多数肽类激

10、素等 图3-2 推衍的人肾上腺素能2受体分子的二级结构（G protein-coupled receptor）2. G protein Structure: 有异源三聚体G蛋白（heterotrimeric G protein）和单体G蛋白（monomeric G protein）两类，通常所说的G蛋白是指三聚体G蛋白。三聚体G蛋白由、和三个亚单位组成，其中亚单位具有鸟苷酸结合位点和GTP酶活性。 Activation: 非活化的G蛋白在膜内是与受体分离的，其亚单位与GDP相结合。当配体与受体结合后，受体和G蛋白结合，并使之激活；激活的G蛋白亚单位对GTP具有高度亲和力，与GTP结合后，解离出

11、GDP。亚单位与GTP的结合使三聚体G蛋白分成两部分，即-GTP复合物和-二聚体，两部分均可进一步激活它们的靶蛋白。 Subtypes: Table 3-1图3-3 G蛋白的激活过程A: 配体; R: 受体; E: G蛋白效应器图3-1 G蛋白耦联受体介导的信号转导的主要步骤2. G protein effector 催化生成第二信使的酶： 腺昔酸环化酶（AC） 磷脂酶C（phospholipase C，PLC） 依赖于cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE） 磷脂酶A2（phospholipase A2） 分解第二信使的酶 离子通道： G蛋白可直接或间接（通过第二信

12、使）调控离子通道的活动。3. Second messengercAMPcGMPIP3DGNOCa2+Others 第二信使是细胞外信号分子作用于细胞膜后产生的细胞内信号分子，它们的作用是将细胞外信号分子作用于细胞膜的信息“传达”给胞内的靶蛋白，包括各种蛋白激酶和离子通道。 4. Protein kinases 蛋白激酶（protein kinase）可分为两大类： 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonine kinase）：可使底物蛋白中的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，占蛋白激酶中的大多数； 酪氨酸蛋白激酶（tyrosine kinase）：数量较少，主要在酶耦联受体的信号转导路径中

13、发挥作用。 根据对第二信使的依赖性分为：依赖cAMP的蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase）（PKA）依赖cGMP的蛋白激酶（cGMP-dependent protein kinase）（PKG）依赖于Ca2+的蛋白激酶（PKC）（二）几种G蛋白耦联受体跨膜信号转导通路cAMP-PKA signal pathway Ligand + G protein coupled receptorG protein activation (Gs)AC activation (Gi leads to cAMP )cAMP (5 folds) (degraded by PDE)

14、PKA activationTarget protein phosphoralationBiological effects2. IP3-Ca2+ signal pathway Ligand + G protein coupled receptorGq protein activationPLC activation PIP2 decomposition IP3, DGIP3 receptorCa2+ release channelCa2+ releaseCa2+ + CalmodulinCaM dependent protein kinaseBiological effects3. DG-P

15、KC signal pathway Ligand + G protein coupled receptorGq protein activationPLC activation PIP2 decomposition DG, IP3 PKC activationTarget protein phosphoralationBiological effects4. G protein-ion channel signal pathway Example 1: in cardiomyocyteAch + M2 receptorGi protein activationAch-gated K+ chan

16、nel opening hyperpolarization4. G protein-ion channel signal pathway Example 2: in rod cell of retinaPhoton + photon receptor (rhodopsin)Gt protein activationcGMP-dependent phosphodiesterase activation cGMP decompositioncGMP-dependnet Na+ channel closingHyperpolarization三、 酶耦联受体跨膜信号转导通路 特点：受体本身具有激酶、

17、磷酸酶或环化酶活性（结合酪氨酸激酶的受体除外），不需要G蛋白和第二信使的参与，受体本身也没有通道结构，而是催化受体自身或其它靶蛋白磷酸化或脱磷酸化，从而影响细胞的功能。 配体：生长因子，胰岛素，白细胞介素等 三、 酶耦联受体跨膜信号转导通路 特点：受体本身具有激酶、磷酸酶或环化酶活性（结合酪氨酸激酶的受体除外），不需要G蛋白和第二信使的参与，受体本身也没有通道结构，而是催化受体自身或其它靶蛋白磷酸化或脱磷酸化，从而影响细胞的功能。 配体：生长因子，胰岛素，白细胞介素等 （一）酪氨酸激酶受体介导的跨膜信号转导 特点：受体本身具有激酶、磷酸酶或环化酶活性（结合酪氨酸激酶的受体除外），不需要G蛋白和

18、第二信使的参与，受体本身也没有通道结构，而是催化受体自身或其它靶蛋白磷酸化或脱磷酸化，从而影响细胞的功能。 配体：生长因子，胰岛素，白细胞介素等 酪氨酸激酶受体（tyrosine kinase receptor）分类： 具有酪氨酸激酶活性的受体：受体蛋白本身具有酪氨酸激酶的活性。 结合酪氨酸激酶的受体：受体本身没有酶的活性，但当它被配体激活时，立即与酪氨酸激酶结合并使之激活。图3-4 受体酪氨酸激酶介导的信号转导图3-5 结合酪氨酸激酶的受体介导的信号转导 GH与其受体的结合首先诱导受体分子的二聚化，二聚化的受体与酪氨酸激酶JAK结合并使之激活，引起受体和JAK自身的磷酸化（二）受体丝氨酸/苏

19、氨酸激酶跨膜信号转导通路 特点：有些生长因子（如TGF- 超家族）的受体具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性 。因而称为受体丝氨酸/苏氨酸激酶（receptor serine/threonine kinase，RSTK）。 过程：TGF-作用于细胞时，先与II型RSTK结合，结合后的复合物再与I型RSTK结合，II型RSTK使I型RSTK磷酸化，从而完成跨膜信号转导。 作用：TGF-对cell cycle有重要调节作用。 非受体型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（non-receptor serine/threonine kinases） 这类激酶没有与配基结合的结构域，不能识别和结合细胞外配基，通常位于胞质，是第二信使的下游信号分子。这类激酶有以下四大类型：（1）cAMP依赖性蛋白激酶（PKA）；（2）Ca2+/磷脂依赖性蛋白激酶；（3）Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（PKC）；（4）cGMP依赖性蛋白激酶（PKG）。（三）受体鸟苷酸环化酶跨膜信号转导通路 特点：此类受体具有内在GC活性，因此称为受体鸟苷酸环化酶（receptor guan