细胞生物学翟中和第八章

细胞生物学第八章细胞信号转导第一节概述第二节细胞内受体介导的信号转导第三节G蛋白耦联受体的信号转导第四节酶耦联受体介导的信号转导第五节信号的整合与控制细胞生物学第一节概述一、细胞通讯细胞通讯（cellcommunication）是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生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。细胞生物学分泌化学信号进行通讯接触性依赖的通讯（一）细胞通讯方式细胞生物学间隙连接实现代谢偶联或电偶联：通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联细胞生物学合成并释放信号分子结合靶细胞受体激活靶细胞信号终止靶细胞发生反应运输信号分子细胞生物学细胞生物学（二）细胞的信号分子与受体1.细胞的信号分子（1）亲脂性信号分子：主要代表是甾类激素和甲状腺素，这类亲脂性分子小、疏水性强，可穿过细胞质膜进入细胞，与细胞质或细胞核中受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达;（2）亲水性信号分子：包括神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素，它们不能穿过靶细胞质膜的脂双分子层，只能通过与靶细胞表面受体结合，再经信号转换机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。（3）气体性信号分子(NO)细胞生物学2.受体（1）定义：受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配基（信号分子）的大分子，当与配基结合后，通过信号转导（signaltransduction）作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体多为糖蛋白。（2）结构：接受部分，效应部分。（3）特点：特异性，饱和性，可逆性。（4）分类：细胞内受体，细胞表面受体。细胞生物学细胞表面受体分属三大家族细胞生物学肾上腺素，胰高血糖素蛋白磷酸酶３、第二信使与分子开关细胞生物学激活PKA激活ER钙通道激活PKG激活PKC细胞生物学GAPRGS–GDI细胞生物学二、信号转导系统及其特性（一）信号转导系统的基本组成与信号蛋白细胞生物学(二)细胞内信号蛋白的相互作用细胞生物学(三)信号转导系统的主要特性细胞生物学第二节细胞内受体介导的信号转导一、细胞内核受体及其对基因表达的调节在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。当配基（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。这类受体一般都有3个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。细胞生物学细胞生物学甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：（1）直接活化少数特殊基因转录的初级反应阶段，发生迅速；（2）初级反应的基因产物再活化其它基因产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。细胞生物学二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合1980年，美国科学家Furchaout在一项研究中发现了一种小分子物质，具有使血管平滑肌松弛的作用，后来被命名为血管内皮细胞舒张因子，被确认为是NO。1987年，Moncada等用化学方法测定了内皮细胞释放的物质为NO，并据其含量，解释其对血管平滑肌舒张的程度。1988年，Polmer等人证明，L-精氨酸(L-argi-nine,L-Arg)是合成NO的前体，是第一个被发现的气体信号分子。细胞生物学细胞生物学细胞生物学第三节G蛋白耦联受体的信号转导亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）一般不能直接进入细胞，而是通过与细胞表面特异受体的结合，进行信号转导继而对靶细胞产生效应。细胞生物学一、G蛋白耦联受体的结构和激活１、G-蛋白:发现细胞生物学◆组成:

一般由三个亚基组成,分别叫α、β、γ,其中β、γ两亚基通常紧密结合在一起,只有在蛋白变性时才分开。◆功能位点:

α亚基具有三个功能位点：①GTP结合位点;②鸟苷三磷酸水解酶(GTPase)活性;③ADP-核糖化位点。细胞生物学细胞生物学２、G蛋白耦联受体的结构细胞生物学●Thelargestfamilyofcellsurfacereceptorstransmitsignalstointracellulartargetsviatheintermediaryactionofguaninenucleotide-bindingproteinscalledGproteins.●MorethanathousandsuchGprotein-coupledreceptorshavebeenidentified,includingthereceptorsformanyneurotransmitters,neuropeptides,andpeptidehormones.●Inaddition,theGprotein-coupledreceptorfamilyincludesalargenumberofreceptorsthatareresponsibleforsmell,sight,andtaste.细胞生物学●TheGprotein-coupledreceptorsarestructurallyandfunctionallyrelatedproteinscharacterizedbysevenmembrane-spanninghelices.●ThebindingofligandstotheextracellulardomainofthesereceptorsinducesaconformationalchangethatallowsthecytosolicdomainofthereceptortobindtoaGproteinassociatedwiththeinnerfaceoftheplasmamembrane.●ThisinteractionactivatestheGprotein,whichthendissociatesfromthereceptorandcarriesthesignaltoanintracellulartarget,whichmaybeeitheranenzymeoranionchannel.细胞生物学细胞生物学二、G-蛋白偶联受体所介导的信号通路●cAMP信号通路●磷脂酰肌醇信号通路细胞生物学（一）以cAMP信号通路为第二信使的信号通路该系统属G蛋白偶联受体信号传导；在该系统中,细胞外信号要被转换成第二信息cAMP引起细胞反应。Gα腺苷酸环化酶细胞生物学细胞生物学Mg2+或Mn2+细胞生物学激活型的系统组成◆激活型受体：提高膜内cAMP的水平●肾上腺素(β型)受体,胰高血糖素受体等●此类受体都是7次跨膜的膜整合蛋白。◆激活型的G-蛋白

将受体接收的信号传递给腺苷酸环化酶，使该酶激活。

◆效应物

腺苷酸环化酶C抑制型的系统组成◆抑制型受体(InhibiteReceptor,Ri)抑制型的受体(Ri)通过Gi抑制腺苷酸环化酶的活性,降低膜内cAMP的水平。◆抑制型G蛋白(Gi-proteins)

抑制型的GTP结合蛋白传递抑制性信号,降低腺苷酸环化酶的活性。◆效应物∶腺苷酸环化酶。细胞生物学细胞生物学蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。细胞生物学细胞生物学细胞生物学细胞生物学毒素对cAMP信号途径的影响◆霍乱毒素(choleratoxin)

能把NAD+上的NAD-核糖转移到Gs蛋白的α亚基上，使G蛋白核糖化(ADP-ribosylation),这样将抑制GTP的水解……。◆百日咳毒素(whoopingcouchtoxin)

作用机理同霍乱毒素相同，但是使Gi蛋白进行ADP核糖化,其结果也是使cAMP的浓度增加。细胞生物学细胞生物学（二）磷脂肌醇双信使信号通路细胞生物学“双信使系统”反应链：细胞生物学细胞生物学蛋白激酶C(ProteinkinaseC,PKC)◆PKC是钙和磷脂依赖性酶，在未受刺激的细胞中,PKC主要分布在细胞质中,呈非活性构象。◆当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。细胞生物学细胞生物学细胞生物学Ca2+的第二信使作用◆Calciumionsplayasignificantroleinaremarkablevarietyofcellularactivities,includingmusclecontraction,celldivision,secretion,endocytosis,fertilization,synaptictransmission,metabolism,andcellmovement.细胞生物学◆钙调蛋白(calmodulin，CaM)Eachmoleculeofcalmodulincontainsfourbindingsitesforcalcium.CalmodulindoesnothavesufficientaffinityforCa2+tobindtheioninanon-stimulatedcell.If,however,theCa2+concentrationrisesinresponsetoastimulus,theionsbindtocalmodulin,changingtheconformationoftheproteinandincreasingitsaffinityforavarietyofeffectors细胞生物学细胞生物学细胞生物学信号的终止

IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。细胞生物学细胞生物学（三）G-蛋白耦联受体介导离子通道的调控１、离子通道耦联受体及其信号转导细胞生物学２、G-蛋白耦联受体介导的离子通道及其调控细胞生物学３、Gt蛋白耦联的光受体的活化诱发cGMP-门控阳离子通道的关闭细胞生物学细胞生物学第四节酶耦联受体介导的信号转导酶偶联型受体分为两类，其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。这类受体的共同点是：①通常为单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。已知六类：①酪氨酸激酶受体、②酪氨酸激酶连接的受体、③酪氨酸磷脂酶受体、④丝氨酸/苏氨酸激酶受体⑤鸟苷酸环化酶受体、⑥酪氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。细胞生物学一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路１、受体结构特点及类型◆结构：跨膜区、细胞外结构域、细胞内结构域◆类型：●表皮生长因子受体(Epidermalgrowthfactor,EGF);●胰岛素受体(insulinreceptor)。细胞生物学2、受体酪氨酸激酶的激活配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。细胞生物学细胞生物学细胞生物学3、RAS信号途径Ras蛋白与Raf的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又称MAPKKK）活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化。MAPKK又使MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。RPTK-Ras信号通路可概括如下：配体→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。细胞生物学细胞生物学SH2结构域◆一种与磷酸化酪氨酸基元具有高亲和性的结合位点（氨基酸序列）；sitesPhsphorylatedTyrosineServeasdockingforproteinwithSH2domains(Srchomologyregion).OtherproteinmodulessuchasSH3bindstoproline-richmotifsinintracellularproteins.细胞生物学细胞生物学细胞生物学细胞生物学二、细胞表面其他酶连受体（一）受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶是单次跨膜蛋白受体，在胞内区具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，该受体以异二聚体行使功能。主要配体是转化生长因子-βs。（TGF-βs。）。家族成员，包括TGF-β1~TGF-β5，这些成员具有类似结构与功能，对细胞具有多方面的效应。依细胞类型不同，可能抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中的诱导信号等。细胞生物学（二）受体酪氨酸磷酯酶受体酪氨酸磷酯酶为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。细胞生物学（三）受体鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体心房排钠肽（ANPs）和脑排钠肽（BNPs）。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANPs，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。介导ANP反应的受体分布在肾和血管平滑肌细胞表面。ANPs与受体结合直接激活胞内段鸟苷酸环化酶的活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），导致靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。在细胞质基质中还存在可溶性的鸟苷酸环化酶，它们是NO作用的靶酶，催化产生cGMP。细胞生物学酪氨酸激酶连接的受体为单次跨膜蛋白，不具