四川大学生物化学 细胞信息转导课件

1、第十五章 细胞信息转导 Cell Signal Transduction概述外界环境变化时: 单细胞生物: 直接作出反应 多细胞生物: 通过细胞间信号传递系 统传递信息,使机体作为一个有机 的整体来应对内外环境的变化细胞间传递信息的方式: 相邻细胞间的直接接触 通过细胞分泌化学物质来调节自身 和其他细胞的代谢和功能信息物质: 具有调节细胞生命活动功能 的化学物质裂隙连接 Stages of cell signaling Reception: target cell detection Transduction: single-step or series of changes Response

2、: triggering of a specific cellular response第一节 信息物质 Signaling Molecules 分类:(一) 神经递质 /突触分泌信号(synaptic signal)特点：由神经元突触前膜释放，作用时间较短 如:乙酰胆碱 去甲肾上腺素(二) 内分泌激素 /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, 作用时间较长内分泌激素的分类: 含氮激素: 多为水溶性分子,如胰岛素 类固醇激素: 脂溶性分子, 包括各种性激 素、皮质醇、醛固酮等(四) 气体信号: NO和CO(五) 其它： a. 自

3、分泌信号(autocrine signal): 对同种细胞或分泌细胞自身起调节 作用，如癌蛋白 b. 在不同的个体之间传递信息 如昆虫的性激素二、细胞内信息分子定义：指在细胞内传递细胞调控信号的化学物质 作用：将细胞接受的外来信息转导至细胞内,又称第二信使(secondary messenger)信号的接受信号转导生物学效应第二节 受体定义: 细胞膜上或细胞内能特异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 受体的化学本质多为蛋白质，个别是糖脂 配体(ligand): 能与受体特异性结合的生物活性分子一、受体的分类、结构及功能膜受

4、体: 位于细胞质膜上，多为镶嵌 糖蛋白胞内受体: 位于细胞浆和细胞核中, 为 DNA结合蛋白（一）膜受体按结构和功能:环状受体G-蛋白偶联受体单个跨膜螺旋受体2. G蛋白偶联受体 (G-protein coupled receptors, GPCR) 又称七个跨膜的螺旋受体(1) 结构与功能 参与细胞物质代谢的调节和基因转录的调控，配体包括多种激素和神经递质guanylate binding protien活化型非活化型G protein activation/inactivation cycleb. 分类 激动型G蛋白(stimulatory G protein, Gs): 激活AC 抑制型

5、G蛋白(inhibitory G protein, Gi) : 抑制AC 磷脂酶C型G蛋白(PI-PLC G protein, Gp) : 激活磷脂酰肌醇特异的磷脂酶C 3. 单个跨膜螺旋受体(1)酪氨酸蛋白激酶受体型 (催化型受体) a. 结构：由单条肽链构成 N端: 胞外配体结合区 中段: 跨膜区，含一个主要由疏水氨基酸 残基构成的螺旋 C端: 包括近膜区和功能区，功能区为酪 氨酸蛋白激酶结构域，含ATP结合 位点和底物结合位点型型型型N端胞外配体结合区跨膜区C端功能区亚基亚基b. 分类TPK: tyrosine protein kinasec. 功能： 与配体结合后即可表现出酪氨酸蛋白激

6、酶活性，既能导致受体自身磷酸化，又可催化底物蛋白的特定酪氨酸残基磷酸化； 与细胞的增殖、分化、分裂及癌变有关（2）非酪氨酸蛋白激酶受体型 本身不含酪氨酸蛋白激酶域，但与配体结合后，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(二) 胞内受体1. 结构： 单条肽链,包括四个区域： N端高度可变区: 长度不一, 具转录激活作用 DNA结合区：富含半胱氨酸并有锌指结构 铰链区：可与转录因子相互作用, 并触发受 体向核内移动 C端激素结合区：结合配体二、受体作用的特点1. 高度专一性2. 高度亲和力3. 可饱和性4. 可逆性5. 特定的作用模式 三、受体活性的调节 受体数目和受体

7、对配体的亲和力受多种因素的影响(受体上调/ 下调)常见调节机制: 磷酸化和脱磷酸化作用 膜磷脂代谢的影响 酶促水解作用 G蛋白的调节第三节 信息的转导途径 Signal Transduction Pathway一、膜受体介导的信息转导(一) cAMP-蛋白激酶途径 该途径以靶细胞内cAMP浓度改变和蛋白激酶A (protein kinase A, PKA)的激活为主要特征, 是激素调节物质代谢的主要途径 1. cAMP的合成与分解胰高血糖素肾上腺素促肾上腺皮质 生长激素抑制素胰岛素抗血管紧张素II cAMP的浓度与腺苷酸环化酶的关系cAMP的浓度与磷酸二酯酶的关系a. 胰岛素等激素能激活PDE

8、, 加速cAMP 降解b. 茶碱等药物能抑制磷酸二酯酶活性， 促使细胞内cAMP浓度升高 cAMP对细胞内物质代谢的调节作用主要通过激活PKA系统来实现 PKA, 一种cAMP 依赖性蛋白激酶2cAMP的作用机制3. PKA的作用(1) 对代谢的调节作用 以肾上腺素调节糖原分解的级联反应为例 （2）对基因表达的调节作用 活化的PKA可通过催化细胞核内某些转录因子磷酸化而调节其活性，从而诱导基因的转录表达 cAMP应答元件 (cAMP response element ,CRE) cAMP应答元件结合蛋白 (cAMP response element binding protein, CREB)

9、1) The -adrenergic receptor is a 7-transmembrane spanning protein. A negatively charged Asp residue on the 3rd transmembrane region (TM3), along with other charged, polar residues, allows a positively charged norepinephrine (NE) molecule to bind to the hydrophobic core of the receptor. (Click to see

10、 animation; click again for next step)2) Binding of NE causes the third intracellular loop (i3) of the receptor to change conformation and bind to the GDP-bound s subunit of the Gs protein.(Click to see animation; click again for next step)3) Binding of i3 to the s subunit of the Gs protein results

11、in a conformation change in s, causing GDP to dissociate and GTP to bind.(Click to see animation; click again for next step)4) The GTP-bound s subunit dissociates from the subunit and from the AR receptor and binds to adenyl cyclase (AC). (Meanwhile, norepinephrine may dissociate from the receptor,

12、but the s subunit can remain active for many seconds after this dissociation.)(Click to see animation; click again for next step)5) Activated adenyl cyclase produces many molecules of cAMP from ATP. (Click to see animation; click again for next step)6) After hydrolysis of GTP to GDP, the s subunit r

13、eturns to its original conformation, dissociates from AC (which then becomes inactive), and reforms the trimeric Gs protein complex. (Click to see animation; click again for next slide)GDPGTPTM1TM5TM4TM3TM2Asp - NE +NC-adrenergic receptorTM7TM6Gs proteinGDPsACi3 loopGTPsTM1TM5TM4TM3TM2NTM7TM6Asp - A

14、TPcAMPGDPsACcAMPcAMPcAMPCytoplasmExtracellular spaceRNA pol IICCcAMPcAMPcAMPcAMPPKACCRRCCCTATATBPDNACREBCREBPO4PO4CCBPCBPCREBCREBPO4PO4CBPCBPTranscription Begins 1) Protein kinase A (PKA) is a tetramer consisting of two regulatory (R) subunits and two catalytic (C) subunits. Binding of two cAMP mole

15、cules to each R subunit causes the C subunits to dissociate and become active. (Click to see animation; click again for next step)NucleusCytoplasm2) The active catalytic subunit of PKA travels into the nucleus and physphorylates CREB dimers located on DNA promoter regions. (Click to see animation; c

16、lick again for next step)3) CREB binding protein (CBP) can now bind to the phosphorylated CREB. This activated CREB/CBP complex comes in contact with and activates RNA polymerase II downstream on the DNA strand, enabling transcription of various genes. (CREB can also activate fos, regulating transcr

17、iption of slower-response genes.)(Click to see animation. Click again for next slide.)(二) Ca2+-依赖性蛋白激酶途径1. Ca2+-磷脂依赖性蛋白激酶途径 以IP3和DAG为第二信使的双信号 途径 2. Ca2+-钙调蛋白途径1. Ca2+-磷脂依赖性蛋白激酶途径(1) IP3和DAG的生物合成和功能促甲状腺释放激素等2233功能：a. IP3: 与内质网和肌浆网特异的IP3受体 结合,促进Ca2+的释放b. DAG: 在磷脂酰丝氨酸和Ca2+的配合 下激活PKCPKC 一种Ca2+和磷脂依赖性蛋白激

18、酶,由单一多肽链构成 C-末端: 亲水的催化结构域 N-末端: 疏水的调节结构域，含Ca2+ , DAG, 磷脂酰丝氨酸和佛波酯的 结合位点Protein Kinase C (PKC) a large family: at least 12 different isoforms present as inactive, soluble proteins in the cytoplasm(2) PKC的生理功能a. 对代谢的调节作用 PKC被激活后，可引起一系列靶蛋白(如质膜受体、膜蛋白和酶)的Ser/Thr残基磷酸化b. 对基因表达的调节作用PKC对基因的活化分早期反应和晚期反应两个阶段 Ca

19、2+-phospholipid dependent protein kinase pathway(DAG)2Ca2+-钙调蛋白途径 (Ca2+-CaM途径）(1) CaM的结构（2）Ca2+-CaM的功能a. 激活AC和PDE, 加速cAMP的生成和降解b. 参与调节PKA的激活和抑制c. 激活胰岛素受体的酪氨酸蛋白激酶 活性(三) cGMP-蛋白激酶途径1. cGMP的合成与降解2. cGMP的作用机制心钠素(四) 酪氨酸蛋白激酶途径1. TPK的分类 (1) 受体型TPK (2) 非受体型TPK型型型型N端胞外配体结合区跨膜区C端功能区亚基亚基TPK: tyrosine protein k

20、inase2. TPK的作用机制(1) 催化受体蛋白的Tyr磷酸化受体型TPKPDGF自身磷酸化(2) 受体中磷酸化的酪氨酸残基被细胞内 含SH2结构域的连接物蛋白所识别a. SH2结构域(src homology 2 domain): 与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶区同源的一段氨基酸序列,可识别结合磷酸化的Tyrb. 作用机制： 酪氨酸磷酸化的受体通过连接蛋白偶联其它酶蛋白，从而将胞外信息传递至细胞内Adaptor protein：GRB2SH2 domainSrc homology 2 domain, binds phosphotyrosine- containing peptidesSH3 domain binds to polyproline-hel