东北师范大学细胞生物学8.1课件

1、第八章 细胞信号转导细胞信号途径的组成新陈代谢酶基因调控蛋白骨架蛋白靶蛋白 改变新陈代谢 改变基因表达 改变细胞形态或运动胞内信号分子受体信号分子第一节 概述 多细胞生物有赖于细胞通讯与信号传递, 以协调各种细胞的功能，维持一个繁忙而有序的细胞社会。 单细胞生物有时也需要细胞通讯与信号传递。概念：细胞识别与信号通路细胞识别(cell recognition)：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质（配体）选择性地相互作用，从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。信号通路（signaling pathway）： 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

2、内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应的过程。一、细胞通讯（cell communication）一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并产生相应的反应。1. 化学信号介导的细胞通讯（1）内分泌（endocrine）（2）化学突触（neuronal signaling）（3）旁分泌（paracrine）（4）自分泌（autocrine）信号细胞（二）信号分子与受体1. 信号分子（signal molecular）：物理信号，化学信号：根据溶解度分类：亲脂性的信号分子亲水性的信号分子化学结构：短肽、蛋白质、气体分子等产生和作用方式：内分泌激素、神经递 质、局部化学介导和气体分子特

3、点：特异性；高效性；失活性。2. 受体（receptor）概念：是一种能够识别和选择性结合某种配体的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域 。受体与配体间作用的主要特征 特异性； 饱和性； 高度的亲和力。信号转导的结果代谢基因表达类型：细胞内受体（intracellular receptor） 脂溶性信号分子细胞表面受体（cell surface receptor） 亲水性信号分子细胞表面受体的三大家族离子通道偶联受体：主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞G蛋白偶联受体酶联受体细胞内受体：位于胞质或核质识别和结合小的脂溶性信号分子，如甾类激素、甲状腺素、

4、维生素D和视黄酸3. 第二信使与分子开关第一信使：细胞外信号分子。1）第二信使第二信使(Second massenger) ：第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等。功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大。效应：激活蛋白激酶A（PKA） cAMP的生成 cGMP的生成激活蛋白激酶G（PKG），开启阳离子通道磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)三磷酸肌醇(IP3)二脂酰甘油(DAG)磷脂酰肌醇特异的磷脂酶C (PI-PLC)+ IP3和DAG的生成激活蛋白激酶C（PKC）开启内质网钙离子通道2）分子开关GTPase开关蛋白

5、：Ras和类Ras蛋白靶蛋白磷酸化和去磷酸化 G蛋白结合GDP时呈失活的关闭状态信号分子与G蛋白受体结合，GDP释放，G蛋白与GTP结合并激活，产生效应 GTP酶GTP GTP酶GDPGEFGAP, RGS 信号传递蛋白的组成 改变新陈代谢 改变基因表达新陈代谢酶基因调控蛋白骨架蛋白靶蛋白 改变细胞形态或运动受体信号分子转承蛋白支架蛋白接头蛋白信使蛋白分歧放大整合修饰放大(二)细胞内信号蛋白的相互作用蛋白质模式结构域特异性介导受体胞内段酪氨酸残基磷酸化PY蛋白激酶级联反应，传递信号第二节 细胞内受体介导的信号转导细胞内受体的本质：激素激活的基因调控蛋白。亲脂性小分子透过质膜与胞内受体结合靶基因

6、转录一、细胞内核受体及其对基因表达的调节组成：三部分特点：影响细胞分化的长期生物学效应。阶段:1直接激活少量基因转录2初级产物再活化受体与抑制蛋白结合，非活化激素配体与受体结合抑制物解离DNA结合位点结合靶序列锌指结构细胞内受体其实是一类含有锌指结构的特异性DNA结合蛋白，是RNA聚合酶的转录因子。 以Cys/Cys与Zn或His/His与 Zn形成配位键。每个结构约 9个氨基酸。二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合鸟苷酸环化酶模式图作用机制：NO激活靶细胞内鸟苷酸环化酶NO鸟苷酸环化酶，GCGC活性增强cGMP合成增多血管平滑肌舒张NO活化鸟苷酸环化酶（GC）NO在导致血管平滑肌舒

7、张中的作用NO信号分子的作用机制血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞，被激活的血管内皮细胞产生并释放NO，通过扩散进入临近平滑肌细胞，导致血管平滑肌舒张硝酸甘油治疗心绞痛细胞表面受体的三大家族离子通道偶联受体：主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞G蛋白偶联受体酶联受体（一）离子通道偶联的受体在突触处通过递质门离子通道实现化学信号转换为电信号 突触前膜释放的神经递质结合并开启突触后细胞膜上的递质门离子通道，结果导致突触后细胞膜离子流改变，从而将化学信号转换成电信号。Fig. G蛋白偶联受体结构图 （二）G蛋白偶联的受体G蛋白偶联的受体是指配体-受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道）的作用通过与G蛋

8、白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。Fig. 细胞外信号结合所诱导的G蛋白的活化第三节 G蛋白偶联受体的信号转导一、G蛋白偶联受体的结构与激活三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白。由、三个亚基组成， 和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。 特征：7次跨膜4个胞外肽段E4环结合胞外配体C3结构域是G蛋白作用位点G蛋白偶联受体的结构模式图开始转移序列与停止转移序列：开始转移

9、序列（start transfer sequence） ： 肽链上的一段序列，与内质网膜的亲合力较低，肽链能进入内质网腔。停止转移序列（stop transfer sequence ）： 肽链上的一段序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。意义：含信号肽，而无停止转移序列，多肽进入内质网腔。 含信号肽，中部有停止转移序列，形成跨膜蛋白。 含多个引导肽序列和多个停止转移序列，形成多次跨膜蛋白。跨膜蛋白合成信号分子解离配体诱导G蛋白的活化胞外信号结合所诱导的蛋白的活化二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路cAMPG蛋白偶联受体介导离子通道IP3和DAG双信使G

10、蛋白活化型G蛋白（Gs ）： Gs的调节作用：激活腺苷酸环化酶的活性抑制型G蛋白（Gi ）： Gi的调节作用：抑制腺苷酸环化酶的活性Gi 抑制腺苷酸环化酶的活性复合物与Gs 结合，阻断Gs 对腺苷酸环化酶的活化抑制性激素受体激活性激素受体肾上腺素胰高血糖素促肾上腺皮质激素前列腺素E1腺苷（一）以cAMP为第二信使的信号通路概念：细胞外信号和相应的受体结合，导致胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。组分及分析：受体；调节蛋白；腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）；蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）；环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodi

11、esterase，PDE）。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基因调控蛋白基因转录 腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase） 腺苷酸环化酶： 跨膜糖蛋白，跨膜12次。催化ATP生成cAMP 环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）： 可催化cAMP生成5-AMP，使cAMP的浓度下降，终止信号。 cAMP: 特异的活化cAMP依赖的蛋白激酶A12次跨膜蛋白2个胞质侧催化结构域2组膜整合结构域酰苷酸环化酶的结构示意图催化结构域Mg 2+Mn2+PDE5-AMP降解cAMP信号终止激素诱导腺苷酸环化酶激活 肾上腺素能受体 胰高血糖素受体激活GscAMPPK

12、A促进心肌钙转运心肌收缩性增强增加肝脏糖原分解进入核内PKA激活靶基因转录腺苷酸环化酶途径激素蛋白激酶A(PKA) 分子组成： 两个催化亚基和两个调节亚基组成 蛋白激酶A作用机制： PKA的细胞质与细胞核功能 细胞质功能：糖原的分解（肾上腺素、胰高糖素）、内质网中蛋白质的合成、脂肪的形成、细胞质膜的运输、糖原的合成、糖原的裂解 细胞核功能：PKA能激活细胞核中的CREB的转录因子， 促进几种与糖异生作用有关的酶的合成。RRCCcAMP与调节亚基结合催化亚基的底物结合位点暴露靶蛋白磷酸化调节代谢和细胞行为细胞快速应答胞外信号的过程激素激素受体复合物cAMP信号通路对基因转录的激活（慢应答通路）信

13、号分子与受体结合通过G蛋白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高激活蛋白激酶A，被活化的蛋白激酶A（催化亚基）转为进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答结合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。 跨膜信号转导:G蛋白偶联受体G蛋白的发现及其科学意义:罗德贝尔(M.Rodbell) (1925-1998) 罗德贝尔，美国科学院院士，发现G蛋白质以及它们在向细胞传导信号方面的作用。他在60年代末70年代初提出来G蛋白假说，指出G蛋白是一种细胞的信息转导物质因此获得1994年诺贝尔医学生理奖。罗德贝尔以前，人们只知道两种细胞信息环节:细胞膜上的激

14、素受体和细胞内的酶。罗德贝尔的贡献在于他认定这两者之间的信息转导物质是一族G蛋白。G蛋白的学说很快得到普遍认可，罗德贝尔的理论使人们对很多疾病有了更深一层的理解，如霍乱.糖尿病.酒精中毒和恶性肿瘤等。ACcAMPATPCl-、H2OGTPGDP霍乱毒素使患者出现严重腹泻的机理细菌毒素对G蛋白的修饰作用NADADP霍乱毒素霍乱毒素具有核糖转移酶活性Gs+GTPNADADP 百日咳毒素的致病机理Gene transcriptionCell proliferationCell survivalCell deathCell differentiationCell functionCell motili

15、tyImmune responsescAMP与蛋白激酶对细胞活性的影响激酶激酶激酶激酶激酶甘油三酯脂酶糖原合成酶磷酸化酶激酶磷酸化酶微管的组装与去组装内质网（二）磷脂酰肌醇双信使信号通路信号分子-受体G蛋白GDPG蛋白GTP磷酸酯酶C磷酸酯酶C磷脂酰肌醇二酯酰甘油三磷酸肌醇PKC胞质中钙离子增加钙调蛋白DG与IP3的信号终止DG与的信号终止：途经一：二酰基酯酶水解DG，生成单脂酰甘油途经二：在二酯酰甘油激酶作用下生成磷脂酸IP3的信号终止：在三磷酸肌醇磷酸酶的作用下，逐级去磷酸。DG 与 IP 的信号转导途径蛋白激酶C （PKC）分子结构（是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶） 功能区：催化活性中心、

16、与质膜结合区作用模式（书142页）胞质中的PKCDG/Ca2+质膜上PKC激活一条蛋白激酶的级联反应使抑制蛋白释放基因调控因子与细胞的生长分化有关Ca与钙调蛋白Ca2+生理功能：作为第二信使；活化各Ca2+结合蛋白Ca2+在胞质内的浓度：基态浓度:10-7维持基态浓度的两个原因：质膜上的钙泵将钙离子抽出细胞，内质网膜上的钙泵将钙离子抽入内质网。 钙调蛋白（CaM）：含4个结合Ca2+结构域的多肽链。Ca2+ 作用模式： CaMCaM- Ca靶酶由蛋白激酶C介导的某些反应组织反应组织反应血小板肾上腺髓质肝垂体细胞睾丸分泌血清紧张素分泌肾上腺素糖原水解分泌GH和LH睾丸酮的合成肥大细胞胰腺脂肪组织甲状腺神经元释放组胺分泌胰岛素脂肪合成分泌降钙素释放多巴胺由钙触发的哺乳