医学分子生物学原理之细胞通讯和信号分子

细胞信息转导的分子机制

细胞通讯和信号分子

CellCommunicationandSignalMolecules细胞信息传递方式①通过相邻细胞的直接接触②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(间接通讯)

调节细胞生命活动的化学物质称为信息物质signalmolecules

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(targetcell)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细胞通讯(方式之一)直接通讯directivecommunication

间隙连接gapjunction

由连接蛋白connexin

形成,允许小分子和离子通过

细胞表面分子互相识别、粘附介导的通讯,糖蛋白glycoprotein,蛋白聚糖参与

突触连接介导的通讯(神经系统)细胞通讯(方式之二)

间接通讯

由细胞间信号分子介导的非直接通讯

内分泌信号

(endocrinesignal)

激素hormone

旁分泌信号(paracrinesignal)

cytokine,growthfactor,神经递质,NO,CO,PG

自分泌信号

（autocrinesignal）细胞间信号分子：细胞内信号分子

（IntracellularSignalmolecules）蛋白激酶（Proteinkinases）蛋白磷酸酶（Proteinphosphatases）

GTP结合蛋白（GTPbindingproteins）异三聚体G-蛋白(αβγ);小G-蛋白(Ras,Rho..)第二信使（Secondmessengers）

cAMP，cGMP，IP3，DAG，Ca2+，Cer

其他蛋白质和酶一、ProteinKinasesPKA,proteinkinaseA，activatedbycAMPPKG.proteinkinaseG，activatedbycGMPPKC,proteinkinaseC，activatedbyDAGandCa2+

PKB(Akt).activatedbyPIP3

CaM(calmodulin,钙调蛋白)

CaM-PK

，

calmodulindependentproteinkinase

activatedbyCa2+andCaM

MAPK丝裂原激活蛋白激酶，activatedbyMAPKKPTK,proteintyrosinekinase，蛋白酪氨酸激酶1.蛋白激酶APKA

cAMPdependentProteinkinase

由四个亚基组成：

R2C2

R-调节亚基C-催化亚基被cAMP激活：

R2C2(无活性)＋4cAMP→R2(cAMP)4＋2C(有活性)C催化多种蛋白质丝/苏氨酸磷酸化cAMP激活蛋白激酶ARRCC(无活性)+4cAMPCC+（有活性）变构-cAMPRR-cAMPcAMPcAMPRRCC-cAMP-cAMPcAMPcAMP2.PKG

cGMPDependentProteinkinase

由两个相同亚基组成被cGMP激活信号通路：ANP（心钠素）,NO,细菌内毒素等→作用于具有GC活性的受体→GC激活→cGMP↑→PKG活性↑→蛋白磷酸化→生理效应3.蛋白激酶CPKC己知有十多种同工酶多种同工酶受Ca2+

和DAG(diacylglycerol,二酰基甘油)激活参与细胞多项生理活动4.蛋白激酶BPKB与病毒癌基因v-akt编码的蛋白Akt同源，又称为Akt为单链结构，有三种亚型可与PIP3结合而间接被激活与细胞代谢、凋亡、癌变有关

5.钙调蛋白依赖性激酶

Calmodulindependentproteinkinase，CaM-PKCalmodulin(CaM),由146aa

组成，MW17kDa,可与4个Ca2+

结合Ca2+/CaM复合物可结合并激活多种蛋白激酶，如MLCK和数种CaM-PKCa2+/CaM复合物还可结合并激活：AC,GC,PDE,Ca2+–Mg2+-ATP酶等6.丝裂原激活蛋白激酶

MAPK,mitogen-activatedproteinkinaseMAPK是蛋白激酶家族,包括ERK,JNK和p-38-MAPK三个亚家族激活级联反应：

MAPKKK→MAPKK→MAPK→生理作用

(Raf)(MEK)(ERK)MAPK是多条信号通路的交汇点,与调节细胞生长、分化、凋亡有关7.蛋白酪氨酸激酶

proteintyrosinekinase,

PTKorTPK此类激酶促进蛋白质中酪氨酸的磷酸化分为两大类:

受体型PTK—许多生长因子受体非受体型PTK,如src,abl,FAKPTK与细胞生长、增殖、癌变有关PTK抑制剂中可筛选抗癌药二、GTP结合蛋白

GTPbindingprotein,GproteinG蛋白是多种膜受体传入信号的“开关”异三聚体Gprotein由三个亚基α,β,γ组成。巳知17种α亚基,5种β亚基,7种γ亚基,故G蛋白是一个大家族α亚基可结合GTP或GDP,并有GTP酶活性,α-GTP可活化下游信号分子,βγ亚基是调节亚基G-proteinCycle小分子G蛋白分子量2万-3万的单链结构，功能类似异三聚体Gprotein的α亚基，可结合GTP或GDP,并有GTP酶活性巳知50多种小分子G蛋白，最重要的是癌基因Ras和Rho亚家族Ras-GTP代表“开”,Ras-GDP代表“关”.控制信号转导三、蛋白磷酸酶

Proteinphosphatases是一个大家族,分为两大类：蛋白丝/苏氨酸磷酸酶和蛋白酪氨酸磷酸酶。其作用与蛋白激酶相反，催化蛋白质去磷酸化.抑癌基因产物PTEN是一种磷酸酶，可使PIP3脱磷酸化为PIP2，也可催化蛋白质中磷酸酪氨酸或丝/苏氨酸脱磷酸四、第二信使合成和降解相关酶

腺苷酸环化酶AC,AdenylatecyclaseATP－→cAMP＋PPi

鸟苷酸环化酶GC,guanylatecyclaseGTP－→cGMP＋PPi

环核苷酸磷酸二酯酶PDE(cyclicnucleotidephosphodiesterase)cAMP＋H2O－→AMPcGMP＋H2O－→GMPPDE5抑制剂(西地那非)磷脂酶C(PLC)phospholipaseC

是一个大家族,其中PI-PLC(磷脂酰肌醇专一性PLC)又分为α,β,γ,δ,ε等几类,各含不同的结构域，可与不同的蛋白分子结合

PIP2＋H2O－→IP3＋DAG磷脂酰肌醇激酶(PIK)

phosphatidylinositidekinases,不同的kinase

利用ATP催化PI逐级磷酸化

PI→PI-4P→PI(4,5)P2→PI(3,4,5)P3一氧化氮合酶(NOS)

nitricoxidesynthase

L-精氨酸＋2NADPH＋2O2→

L-瓜氨酸＋NO+2H2ONO的生成PI-3Kinase1、被许多GF及Oncogene激活3、PI-3P、PI(3、4)P2、PI（3、4、5）P3

与细胞生长、分裂、癌变、运动有关.2、催化

PIPI-3PPI-4PPI（3、4）P2PI（4、5）P2PI（3、4、5）P3

五、信号蛋白特异识别与结合SH2结构域Srchomology2domain

含SH2domain的蛋白质可与含Tyr-P的蛋白质结合SH3结构域Srchomology3domain

含SH3domain的蛋白质可与富含脯氨酸

(prolinerich)的蛋白质结合PH结构域pleckstrindomain

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βγ复合物结合,还能与膜上的磷脂结合第十四章复习思考题

1、列表对照下列蛋白激酶的中文名、激活

剂及功能：PKA,PKC,PKG,PKB,

MAPK,PTK(TPK).

2、写出下列酶催化的典型化学反应，说明

其生理意义：AC,GC,PDE,PLC,NOS,

PI3K.第十五章受体

Receptor受体是细胞膜上或细胞内能识别、结合

生物活性分子并转导其信号的大分子与受体特异结合的生物活性分子称为配体ligandLigand

分为激动剂agonist

拮抗剂antagonist

Receptor分为膜受体membrane

receptor

胞内受体

intracellularreceptor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)膜受体的种类和作用方式1.环状受体

——配体依赖性离子通道

乙酰胆碱受体乙酰胆碱受体(阳离子通道)

2.G蛋白偶联受体(G-proteincoupledreceptors,GPCRs)又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体(serpentinereceptor)

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。Seven-helixmotifofβ-adrenergicreceptor3.单个跨膜螺旋受体(一)蛋白酪氨酸激酶受体

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，如胰岛素受体insulingrowthfactorreceptor,IGF-R

表皮生长因子受体(epidermalgrowthfactorreceptor,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。5.非蛋白酪氨酸激酶受体型4.蛋白酪氨酸激酶受体型（催化型受体）6.蛋白丝/苏氨酸激酶受体(TGFβ受体)8.非催化型单跨膜受体-细胞因子受体此类细胞因子(cytokine)主要是：IL，CSF，INF,TNF，SCF，EPO。它们刺激有关细胞生长，介导免疫和炎症反应。其受体本身无激酶活性，但可结合并激活非受体型蛋白酪氨酸激酶(nonreceptor

tyrosineproteinkinase)，将信号往下转导。9.具有鸟苷酸环化酶活性的受体胞外胞内膜受体可溶性受体PKHGCGC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⑴

受体的结构（二）胞内受体(intracellularreceptor)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⑵

相关配体类固醇激素、甲状腺素、VitD3和维甲酸等⑶

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

高度专一性

高度亲和力

可饱和性

特定的作用模式可逆性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Ｇ蛋白的调节第十五章复习思考题

1.对比几种膜受体的结构、作用机理和相

应配体.

第十六章细胞内信号转导通路cAMP-ProteinKinaseAPathwayPhospholipid-Ca2+ProteinKinasePathwaycGMP-ProteinKinaseGPathwayRas-Raf-MAPKPathwayJAKs-STATpathwayPI-3K-Akt/PKBPathwayNF-κBSystemTGF-βPathway9.IntracellularReceptorMediatedPathway（一）cAMP-蛋白激酶Ａ途径组成:胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶(adenylatecyclase，AC)，cAMP，蛋白激酶A(proteinkinaseA，PKA)一、膜受体介导的信号传导途径激素诱导cAMP生成信息传递过程中的Ｇ蛋白激活腺苷酸环化酶抑制腺苷酸环化酶a大脑中主要的Ｇ蛋白ＧT**a激活视觉Ｇ蛋白的类型a亚基Ｇs激活腺苷酸环化酶Ｇi抑制腺苷酸环化酶Ｇp激活磷脂酰肌醇的特异磷脂酶ＣＧo*aoaT激活视觉功能O:otherT:transductin传导素asaiap

此类受体的信息传递可归纳为

激素

受体Ｇ蛋白酶

第二信使蛋白激酶酶或其他功能蛋白

生物学效应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(adenylatecyclase,AC)2．cAMP的作用机理----PKA的激活R调节亚基C催化亚基3．PKA的作用⑴

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。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(cAMPresponseelement,CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白

(cAMPresponseelementboundprotein,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RR2cAMP2cAMPCREBNPiPiPi

转录活化域DNA结合域细胞膜核膜（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(proteinkinaseC,PKC)磷脂酶C(phospholipaseC,PLC)甘油二酯(diacylglycerol,DAG)三磷酸肌醇(

inositol1,4,5triphosphate,IP3)(1)DAG，IP3的生物合成和功能PIP2PLCDAG+IP３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（Ｖ），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DAC活化PKC的作用机制示意图②调节基因表达PKC对基因的活化分为早期反应和晚期反应。

*PKC的生理功能①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)组成:钙调蛋白(calmodulin,CaM)分子中含有四个结构域，都可结合Ca2+(每个CaM实际可结合4个Ca2+)，CaM构象发生变化，由无活性变为有活性，对靶酶的亲和力可提高数万倍。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），产生生物学效应。钙调蛋白（CaM）作用机理钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征细胞外液游离钙浓度高；细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内）。钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细胞内Ca2+的受体。CaM发生构象变化后，作用于Ca2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K）。（三）cGMP-蛋白激酶G途径受体，鸟苷酸环化酶(guanylatecyclase,

GC)，cGMP,蛋白激酶G(proteinkinaseG，PKG)组成:cGMP的合成和降解

GTPGＣMg2+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–proteinkinase,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、bcr-abl等）编码的TPK1.受体型TPK-Ras-MAPK途径Grb2(growthfactorreceptorboundprotein2）SH2域

(srchomology2domain)

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(sonofsevenless)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，类似于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(mitogen-activatedproteinkinase)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GRB2PSOSPRas-GTP

PRaf调节其他蛋白活性MAPKKMAPKP

P

P细胞核反式作用因子调控基因表达细胞膜二聚化ThebindingofEGF(green)leadstodimerizationoftheEGFreceptorandswitchingonitstyrosinekinaseactivitySH2(red)andSH3(blue)domainsrecurinsignalingproteins与人PDGFβ受体磷酸化酪氨酸残基结合的信号蛋白分子2.JAKs-STAT途径(多种细胞因子的信号转导通路)*非催化性受体*JAKs(januskinases)信号转导子和转录激动子(STAT,signaltransductorsandactivatorsoftranscription)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▲

细胞因子受体本身没有酶活性,但可与JAK

偶联,使JAK活化。▲JAK已知四种，STAT已知六种，活化后的JAK可使受体的Tyr磷酸化，从而吸引

STAT(含SH2domain)并使STAT磷酸化。▲

两个STAT-生成二聚体，转移入胞核，促进特定基因转录。PTheJAK-STATtransductionmechanismfortheErythropoietinreceptor（五）核因子B途径核因子B(nuclearfactor-

B,NF-

B)TNFCer

等激酶系统病毒感染、脂多糖、活性氧中间体、佛波酯、双链RNA等PKA、PKC等激活NF-

BNF-

B的激活过程示意图该途径主要涉及机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡，以及肿瘤生长抑制过程的信息传递。（六）TGF-β途径SMAD最早被证实的TβR-Ⅰ激酶的底物,是DrosophilaMotheragainstdpp(Mad)和Celegans(Sma)两个基因的名字的融合。已克隆出9种SMAD，可将其归结成三大类：受体调节的SMADs(receptor-regulated-SMAD，R-SMADs)共同的偶配体SMADs(common-partner-SMAD，Co-SMADs)抑制性SMADs(inhibitory-SMAD，I-SMADs)（七）PI-3K-Akt/PKB途径

组成：★信息分子,受体,G蛋白★PI-3K★PIP3★PDK（phosphoinositide-depedentkinase）肌醇磷脂依赖性激酶★Akt/PKB★PKB底物△

Akt/PKB分子含PH结构域和激酶结构域△

Akt/PKB有4个丝/苏氨酸可被磷酸化

S124，T308，T450，S473△

生长因子（GF）→PI3K活化→PIP3生成

→S124，T450磷酸化；PDK使T308，S473

磷酸化→PKB完全活化△PKB使其底物磷酸化，常导致细胞生长、分裂、癌变

二、胞内受体介导的信息传递胞内受体

核内受体胞浆内受体配体类固醇激素甲状腺激素HormonesthatbindtointracellularreceptorsAndrogens（雄激素类）

Calcitriol[1,25(OH)2-D3]（钙化固醇）

Estrogens（雌激素类）

GlucocorticoidsProgestins（孕激素）

Retinoicacid（维A酸）

Thyroidhormones（T3andT4）类固醇激素与甲状腺素通过胞内受体调节生理过程“Zincfinger”structureintheDNA-bindingdomainofsteroidhormonereceptorproteinsConsensussequencesofsomehormoneresponseelementsHormoneSequenceofDNA(bothstrands)Glucocorticoid(5ˊ)AGAACAXXXTGTTCT(3ˊ)(strand1)(3ˊ)TCTTGTXXXACAAGA(5ˊ)(strand2)Estrogen(5ˊ)AGGTCAXXXTGACCT(3ˊ)(strand1)(3ˊ)TCCAGTXXXACTGGA(5ˊ)(strand2)Thyroid(5ˊ)AGGTCATGACCT(3ˊ)(strand1)(3ˊ)TCCAGTACTGGA(5ˊ)(strand2)第十六章复习思考题列表对比几条胞内信号转导通路的agonist,receptor,keyenzymes,secondmessengersandbiologicalfunctions.第十七章细胞信号转导异常与疾病

SignalTransductionandDiseases疾病的成因多数疾病与信号转导异常有关本章仅介绍信号转导异常引起的典型疾病信号转导异常的起因主要是：基因突变，基因表达异常,信号分子水平、活性、定位、稳定性的异常遗传性受体异常症1.睾丸性女性化综合症缺乏雄激素受体2.Kahn氏A型胰岛素抗性糖尿病先天缺乏受体3.家族性高固醇血症低密度脂蛋白的受体异常4.先天性肾性尿崩症抗利尿激素受体缺

陷、对ADH反应低5.牛皮癣细胞膜受体缺损导致细胞内cAMP减少自身免疫性受体病(抗受体病)与自身抗体反应的受体名称病名1乙酰胆碱受体(Ach-R)重症肌无力症2促甲状腺素受体(TSH-R)甲亢3胰岛素受体（Ins-R）β型Kahn氏胰岛素抗性糖尿病4β-肾上腺素能受体(β-AdrR)变态性鼻炎、哮喘5促肾上腺皮质激素受体(ACTH-R)Addison氏病6甲状旁腺激素受体（PTH-R）甲状旁腺功能低下7胃泌素受体（Gastrin-R）恶性贫血85羟色胺受体（5HT-R）毛细血管扩张运动失调、多发性硬化症9多巴胺受体（DA-R）精神分裂症GPCR与心血管疾病十多种agonist,二十多种GPCR控制心血管的功能，Gs,Gi,Gq,G12等G-protein与相关

GPCR偶联许多种心血管药物是GPCR的agonistorantagonist心力衰竭伴随AC活性↓,βAR表达↓,cAMP水平↓信号转导与肿瘤细胞的失控生长、增殖导至肿瘤,主要与Growthfactor信号通路失控有关Oncogene

和tumorsuppressoroncogene的表达产物往往是GF