细胞信息转导1

分子生物学生化与分子生物学教研室揭克敏第一节细胞信号转导的分子机制一、细胞信号转导的相关分子二、信号转导分子的基本作用方式第二节不同受体介导的信号转导途径一、胞内受体介导的信号转导二、膜受体介导的信号转导第三节细胞信号转导的基本规律和复杂性一、共同规律二、网络效应三、复杂且具有多样性神经调控激素调控代谢过程中关键酶的活性变化细胞代谢的变化机体生物学功能的变化特定的细胞释放细胞间信息物质细胞间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进行信号转换启动生成细胞内信息物质靶细胞产生生物学效应第一节细胞信号转导的分子机制一、细胞信号转导的相关分子二、信号转导分子的基本作用方式细胞通讯（cellcommunication)：细胞间识别、联络和相互作用的过程细胞信号转导（cellsignaltransduction):

细胞针对外源信息所发生的细胞应答反应的全过程细胞接触信号化学信号物理信号细胞的受体细胞内信息物质靶细胞产生生物学效应（一）细胞间信息物质

化学信号分子（二）受体（三）细胞内信号转导分子

1、小分子化学物质

2、酶分子

3、调节蛋白一、细胞信号转导的相关分子化学信号分子1）神经递质（突触分泌信号）：乙酰胆碱、去甲肾上腺素2）激素（内分泌信号）：胰岛素、肾上腺素、细胞因子3）局部化学介质（旁分泌信号）：生长因子、细胞因子4）自分泌信号：细胞因子（二）受体（Receptor）1、受体的分类、一般结构及功能

1）膜受体(membranereceptor)2）胞内受体(intracellularreceptor)2、受体作用的特点3、受体活性的调节受体receptor

：细胞膜或细胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，进而引起生物学效应的特殊蛋白质或糖脂。配体ligand:

能与受体呈特异性结合的生物活性分子（一）膜受体(membranereceptor)1、环状受体：配体依赖性离子通道2、G蛋白偶联受体（GPCRs）：蛇型受体3、单个跨膜a-螺旋受体4、受体鸟苷酸环化酶

能与膜受体结合的信息物质主要有蛋白质和肽类激素、氨基酸及衍生物。G蛋白偶联区蛇型受体（serpentinereceptor）糖基化区域Cys保守区胞浆面第三个环能与鸟苷酸结合蛋白（G蛋白）偶联，影响腺苷酸环化酶或磷脂酶C等的活性，使细胞内产生第二信使。

G蛋白（guanylatebindingprotein）：是位于细胞膜浆面的、可与GTP或GDP结合的外周蛋白，它由α(45kD)、β(35kD)

、γ(7kD)三个亚基组成，G蛋白通过β、γ亚基的异戊二烯化的基团或α亚基的豆蔻酰化的基团锚定于细胞膜。

G蛋白可有两种构象，一种为非活化型；另一种为活化型。当受体与G蛋白偶联后，可影响腺苷酸环化酶或磷脂酶C等的活性，使细胞内产生第二信使。

G蛋白循环：受体激活G蛋白，α亚基与GTP结合同时与βγ亚基分离。活化的α亚基能够结合并激活下游各种效应分子。下游各种效应分子可激活的GTP酶，将GTP水解成GDP，α亚基恢复构象，与效应分子分离，重新与βγ亚基结合形成三聚体。G蛋白超家族主要类型家族成员举例作用亚基功能ⅠGsGolfαα激活AC酶，激活Ca+2通道激活嗅觉神经元的AC酶Ⅱ

Gi

Go

Gtαβγβγαβγα抑制AC酶激活K＋通道激活K＋通道，抑制Ca+2通道激活PLC－β激活脊椎动物视杆细胞cGMP磷酸二酯酶Ⅲ

Gqα激活PLC－β促肾上腺皮质激素促黑素(MSH)促肾上腺皮质激素释放激素嗅觉分子多巴胺甲状旁腺素肾上腺素前列腺素E1,E2胰高血糖素5-HT（1a）、5-HT（2）组织胺（H2受体）生长激素抑制素促黄体激素味觉分子利用AC-cAMP-PKA转导信号的部分化学信号单个跨膜a螺旋受体全部为糖蛋白，与细胞的增殖、分化、分裂、癌变有关。

1、蛋白酪氨酸激酶受体

2、细胞因子受体

3、TNF受体家族

4、抗原受体

5、蛋白丝氨酸激酶II型受体与I型受体的复合物22~26AA500~850AAEGF: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近膜区功能区蛋白酪氨酸激酶受体

1、PDGF受体家族：胞外部分含有5个免疫球蛋白样结构域，如PDEFG（血小板衍生生长因子）；SCF；CSF等

2、EGF受体家族：胞外部分含有2个富含Cys区段，如EGF（表皮生长因子）；ErbB2等

3、FGF受体家族：胞外部分含有2~3个免疫球蛋白样结构域，如FGFR1（成纤维细胞生长因子受体1）；FGFR2；FGFR3；FGFR44、IGF受体家族：α链和β链以二硫键连接形成二聚体，如胰岛素受体；IGF-1（胰岛素样生长因子-1）

5、HGF受体家族：胞外部分剪接为α链和β链，如HGF（肝细胞生长因子）；MSP6、VEGF（血管内皮生长因子）受体家族：胞外部分含有7个免疫球蛋白样结构域，如Flt-1；Flk-1细胞因子受体

1、I类细胞因子受体

1）GH受体亚族：形成同源二聚体，如GH（生长激素）；EPO；PRL；G-CSFR2）IL-3受体亚族：与Cβ亚单位形成复合物，如IL-3；GM-CSFR；IL-53）IL-6受体亚族：与gp130形成复合物，如IL-6；IL-11；LIF；CNTF4）IL-2受体亚族：与IL-2Rγ形成复合物，如IL-2R；IL-2Rβ；IL-

R；IL-7R

2、II类细胞因子受体

IFN（干扰素）α/β受体；IFN-γRα；IFN-γRβ等（二）胞内受体(intracellularreceptor)

多为反式作用因子。能与胞内受体结合的信息物质主要有类固醇激素、甲状腺素、维甲酸。胞内受体多为单体蛋白，其结构域有：高度可变区（转录激活区）

DNA结合区激素结合区铰链区受体作用的特点：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（受体分布的特异性）配体浓度受体饱和度受体活性的调节受体下调：受体数目减少和（或）对配体结合力降低与失敏。受体上调：受体数目增多和（或）对配体结合力升高与过敏。

常见机制：

1、磷酸化和脱磷酸化作用

2、膜磷脂代谢的影响

3、酶促水解作用

4、G蛋白的调节（三）细胞内信号转导分子

概念：细胞内能够传递信号的蛋白质和小分子化学物质。

分类：1、小分子化学物质

2、酶分子

3、调节蛋白第二信使：细胞内传递信息的小分子化合物第三信使：细胞核内外信息传递的小分子化合物，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，能调节基因的转录，发挥着转录因子或转录调节因子的作。如c-fos、c-jun等1、小分子化学物质

1)无机离子：钙离子

2)脂类衍生物：（二脂酰甘油）DAG、（N-脂酰鞘氨醇）Cer3)糖类衍生物：三磷酸肌醇（IP3）

4)核苷酸：cAMP、cGMP5)信号蛋白分子：蛋白酪氨酸激酶小分子细胞内信使一般具有三个特点：

1）不位于能量代谢途径的中心

2）在细胞中的浓度或分布可以迅速地改变

3）作为变构效应剂作用于相应的靶细胞2、酶分子

1)催化小分子信使生成和转化的酶：

AC；GC；PLC；PLD2)蛋白激酶：蛋白Ser/Thr激酶蛋白Tyr激酶

GTPcGMP

5′-GMPGCPPi磷酸二酯酶H2OCa2+或Mg2+

Mg2+

花生四烯酸磷脂Ca2+

PL-C+PL-A2激活激活前列腺素氧化激活心钠素NO

现已发现有蛋白Ser/Thr激酶、蛋白Tyr激酶、蛋白His/Lys/Arg激酶、蛋白Cys激酶、蛋白Asp/Glu激酶等

蛋白Ser/Thr激酶：

PKA、PKG、PKC、钙调素依赖的蛋白激酶等

蛋白Tyr激酶：1）蛋白Tyr激酶受体

2）位于胞浆的蛋白Tyr激酶（Src家族、ZAP70家族、Tec家族、JAK家族）

3）位于核内的蛋白Tyr激酶有丝分裂原激活的蛋白激酶（MAPK）：

5个亚家族如JNK亚家族、ERK亚家族、P38亚家族

2）蛋白激酶：PKA的作用

（1）对代谢的调节作用：促使物质代谢中的酶磷酸化（激活：激素敏感脂肪酶；胆固醇酯酶；磷酸化酶b激酶；抑制：糖原合成酶I；乙酰CoA羧化酶）。（2）对基因表达的调节作用：使反式作用因子磷酸化：CREB的Ser、Thr磷酸化

其它蛋白质磷酸化：组蛋白、膜蛋白、核蛋白体蛋白、微管蛋白、受体蛋白等（3）调节细胞极性：激活离子通道蛋白激酶A对代谢的调节作用：促使物质代谢中的蛋白质或酶磷酸化。

PKA对底物蛋白的磷酸化作用底物蛋白磷酸化的后果生理意义组蛋白失去对转录的阻遏作用加速基因表达核中酸性蛋白加速转录加速基因表达核蛋白体蛋白加速翻译促进蛋白质合成细胞膜蛋白膜蛋白构象及功能改变改变膜对水及离子的通透性微管蛋白构象及功能改变影响细胞分泌心肌肌原蛋白易与Ca2+结合加强心肌收缩心肌肌浆网膜蛋白加速Ca2+摄入肌浆网加速肌纤维舒张肾上腺素能β受体影响受体功能脱敏化及下调蛋白PKC的生理功能

（1）调节细胞生理活动使膜受体、膜蛋白、多种酶蛋白上的Ser、Thr-OH磷酸化。激活：质膜上的Ca2+通道；肌浆网的Ca2+-

ATP酶。（2）对基因表达的调节作用使立早基因的反式作用因子磷酸化。立早基因多为细胞原癌基因（c-fos、AP1/jun）它们表达的蛋白质称为第三信使，可导致细胞增生或核形变化。PKC对基因的早期活化和晚期活化3、调节蛋白

1）鸟苷酸结合蛋白

G蛋白三聚体

低分子量G蛋白（21KD）

2）接头蛋白

SH2结构域（srchomology2domain）

SH3结构域（srchomology3domain）

PH结构域（pleckstrinhomologydomain）

PTB结构域（proteintyrosinebindingdomain）调控结合元件结构和功能上的特点：

1）一个信号分子可以含有两种以上的结合元件，可以同时与两种以上的其它信号分子结合。

2）同一类调控结合元件可存在于多种不同的信号分子中

3）这些结构域本身均为非催化结构

G蛋白循环：受体激活G蛋白，α亚基与GTP结合同时与βγ亚基分离。活化的α亚基能够结合并激活下游各种效应分子。下游各种效应分子可激活的GTP酶，将GTP水解成GDP，α亚基恢复构象，与效应分子分离，重新与βγ亚基结合形成三聚体。

1、SH2结构域（srchomology2domain）：有约100个氨基酸组成，介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子结合，依赖酪氨酸残基的磷酸化及其周围的氨基酸残基所构成的模序

2、SH3结构域（srchomology3domain）：约50~100个氨基酸组成，介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子结合，其亲和力与脯氨酸残基及其周围的氨基酸残基所构成的模序3、PH结构域（pleckstrinhomologydomain）（血小板－蛋白激酶C同源结构域）由100~120个氨基酸组成，功能不详4、PTB结构域（proteintyrosinebindingdomain）由约160个氨基酸组成，依赖酪氨酸残基磷酸化的模序二、信号转导分子的作用机制（一）小分子信使的数量及分布的变化

1、酶促反应生成小分子信使

2、小信使分子的浓度和定位分布的变化（二）蛋白信号转导分子活性的变构调节

1、配体诱导受体的变构

2、小分子信使的变构调节

3、蛋白信使分子的变构调节作用

4、共价修饰产生的变构调节作用（三）信号转导体的形成及作用第二节不同受体介导的信号转导途径一、胞内受体介导的信号转导配体激素：糖皮质激素、性激素、甲状腺素二、膜受体介导的信号转导

1、配体依赖性离子通道（乙酰胆碱受体）

2、G蛋白偶联受体介导的信号转导

cAMP-蛋白激酶途径

Ca-依赖性蛋白激酶途径

cGMP-蛋白激酶途径

3、蛋白激酶偶联受体介导的信号转导

MAPK途径JAKs-STAT途径

Smads途径PI3K/PKB途径胞内受体介导的信息传递

cAMP-蛋白激酶途径

该途径以靶细胞内cAMP浓度改变和激活蛋白激酶A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

2、cAMP的作用机制

3、PKA的作用（1）对代谢的调节作用（2）对基因表达的调节作用（3）调节细胞极性：激活离子通道Ca离子依赖性蛋白激酶途径1、Ca离子-磷脂依赖性蛋白激酶途径（1）IP3和DAG的生物合成和功能（2）PKC的生理功能

1）对代谢的调节作用

2）对基因表达的调节作用2、Ca离子-钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径2、Ca离子-钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径

当胞浆的Ca2+浓度>10-2mmol/L时，Ca2+与CaM结合，激活Ca2+-CaM激酶。CaM的4个结构域可以结合4个Ca2+。

Ca2+-CaM激酶的作用（1）激活蛋白Ser/Thr激酶，如MLCK（肌球蛋白轻链激酶）、PhK（磷酸化酶激酶）、Cal-PKI、II、III（钙调蛋白依赖性激酶）。

如Cal-PKII激活：突触蛋白I；Tyr羟化酶；Trp羟化酶；骨骼肌糖原合成酶等。Ca释放

Ca2+-CaM蛋白激酶促甲状腺素释放激素去甲肾上腺素抗利尿激素等PIP2IP3DAG磷脂酶CPKC

蛋白质的磷酸化反应（Ser、Thr）酶活力改变膜通透性改变基因转录蛋白质合成PhKCal-PK

G蛋白激活Ca通道PKA激活Ca通道蛋白质的磷酸化反应（Ser、Thr）5′

-GMP磷酸二酯酶心钠素NO前列腺素GTPcGMP鸟苷酸环化酶PKG酶活力改变膜通透性改变基因转录蛋白质合成一、蛋白激酶偶联受体介导的信号转导途径的基本模式

1、胞外信号分子与受体的结合

2、第一个蛋白激酶被激活

3、蛋白质的相互作用或共价修饰激活下游分子

4、蛋白激酶的磷酸化激活反式作用因子或关键酶二、蛋白激酶偶联受体介导的信号转导途径

1、MAPK途径2、JAKs-STAT途径

3、Smads途径4、PI3K/PKB途径MAPKKK:Raf-1，A-Raf，B-Raf；MEKK家族1~4；TAK1；MUK；SPRK；MST；ASK家族1~3；Tpl-2MAPKK：

MEK家族；MKK家族

(1~7)MAPK（13种）：

ERK1~5；p38α（SAPK2)；p38β；p38β2；p38γ（SAPK3)；p38δ；JNK1-3干扰素诱导JAK、STAT复合体核内转移及调节基因转录机制第三节细胞信号转导的复杂性与多样性一、复杂性

1、Ras/MAPK途径对Smad途径的调节

2、蛋白激酶C对蛋白Tyr激酶系统的调节二、多样性

1、G蛋白可以激活蛋白酪氨酸激酶

2、细胞外信号分子可通过不同转导途径影响不同的细胞

3、不同信号转导通路可介导相同的生物学效应

4、一种受体可激活多条信号转导途径

5、细胞应激事件可启动信号转导

G－蛋白偶联受体的MAPK/ERK和Src通路第四节细胞信号转导异常与疾病的相关性一、影响细胞信号转导的因素及基本机制

1、蛋白质信号转导分子的基因突变（Ras基因）

2、蛋白质信号转导分子基因表达调控异常

3、毒素或抑制剂：对阿片类毒品和酒精的依赖等二、细胞信号转导异常与疾病的相关性

1、代谢异常疾病：胰岛素基因突变；胰岛素受体基因突变

2、细胞功能紊乱性疾病：霍乱等

3、细胞功能障碍性疾病：Bruton综合症

4、细胞增生性疾病三、以信号转导途径为靶点的药物研究：抗肿瘤新药异常与疾病

霍乱弧菌产生分泌的外毒素（霍乱毒素），有选择性的催化Gsα亚基上的精氨酸201核糖化，使GTP酶活性丧失，不能将GTP水解成GDP，从而使Gsα处于不可逆激活状态,不断刺激AC生成cAMP,胞浆中的cAMP含量可增加至正常的100倍以上，导致小肠上皮细胞膜蛋白构型改变，大量氯离子和水分子持续转运入肠腔，引起严重腹泻和脱水。越南出现霍乱疫情患者已住进医院等待治疗

肢端肥大症和巨人症

分泌生长激素（GH）过多的垂体腺瘤中，有30～40%是由于编码Gsα的基因突变所致，其特征是Gsα的精氨酸201被半胱氨酸或组氨酸取代；或谷氨酰胺227被精氨酸或亮氨酸取代，这些突变抑制了GTP酶活性，使Gsα处于持续激活状态，cAMP含量增多，垂体细胞生长和分泌功能活跃。人妖，是男还是女？是人还是妖？但就在我们抛开这些很难有结果争论的时候，她们却给我们一种另类的美丽，一种畸形的美丽……

胰岛素受体与胰岛素抵抗性糖尿病1.遗传性胰岛素受体异常，包括受体合成减少受体与配体的亲和力降低，如受体精氨酸735突变为丝氨酸受体TPK活性降低，如甘氨酸1008突变为缬氨酸，胞内区TPK结构异常2.自身免疫性胰岛素受体异常血液中存在抗胰岛素受体的抗体

PI3K催化PI形成PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3，这两种磷酸肌醇可作为胞内信号蛋白（含PH结构域）的停泊位点，激活这些蛋白。其信号通路主要有：①通过激活BTK（Bruton'styrosinekinase），再激活磷脂酶Cγ（PLCγ），引起磷脂酰肌醇途径。②激活磷脂酰肌醇依赖性激酶PKD1（phosphoinositoldependentkinase），PKD1激活转位到膜上的蛋白激酶B（PKB，一种丝氨酸/苏氨酸激酶，如Akt）。激活的PKB返回细胞质，将细胞调亡相关的BAD蛋白磷酸化，抑制BAD的活性，从而使细胞存活膀胱癌结肠癌皮肤黑色素瘤

点突变激活ras基因基因密码子

点突变氨基酸改变肿瘤H-ras12GGCGTCGly

Val膀胱、胃、鼻咽、宫颈癌

GGCGACGlyAsp乳腺、肠癌

61CAGCTGGln

Leu

膀胱、肺癌、黑色素瘤

CAGCGGGln

Arg

肾癌K-ras12GGT