第八章细胞信号转导

英国诗人JohnDonne:“Nomanisanisland”第八章细胞信号转导当前1页，总共96页。主要内容概述细胞内受体介导的信号转导G蛋白耦联受体介导的信号转导酶连受体介导的信号转导信号的整合与控制当前2页，总共96页。一、细胞通讯

第一节概述细胞通讯: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，再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。当前3页，总共96页。细胞信号转导是细胞间实现通讯的关键过程当前4页，总共96页。（一）细胞通讯的方式(1)细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯(2)细胞间接触性依赖的通讯(3)细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子来实现代谢耦联或电耦联当前5页，总共96页。（3）细胞间隙连接接触依赖性通讯化学通讯（1）（2）接触性依赖的通讯当前6页，总共96页。通过分泌化学信号的细胞间通讯方式当前7页，总共96页。通过胞外信号介导的细胞通讯的一般步骤特定的细胞合成并释放信号分子信号分子经扩散或血循环到达靶细胞信号分子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信号的解除，细胞反应终止信号转导信号传导当前8页，总共96页。细胞通讯的方式及引起的某些反应当前9页，总共96页。（二）信号分子与受体1.细胞的信号分子亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素…亲水性信号分子：神经递质、生长因子、局部化学递质、大多数激素…气体性信号分子：一氧化氮（NO）…

是细胞的信息载体，包括化学信号、物理信号等。化学信号分子的类型：当前10页，总共96页。细胞间信号分子影响细胞功能的途径种类信号分子受体引起细胞内的变化神经递质乙酰胆碱、谷氨酸、–氨基丁酸质膜受体影响离子通道关闭生长因子类胰岛素样生长因-1、表皮生长因子、血小板衍生生长因子质膜受体引起酶蛋白和功能蛋白的磷酸化和去磷酸化，改变细胞的代谢和基因表达激素蛋白质、多肽及氨基酸衍生物类激素类固醇激素、甲状腺素质膜受体胞内受体同上调节转录维生素

维生素A、维生素D

胞内受体

同上

当前11页，总共96页。2、受体（receptor)

受体：是一种能够识别和选择结合某种配体（信号分子），并能引起细胞功能变化的生物大分子。绝大多数受体是糖蛋白，少数是糖脂两个功能区域：配体结合区、效应区受体特点：能识别配体并与之特异性结合；能启动级联反应，将信号扩大，将信号转至效应器。当前12页，总共96页。两类受体：（2）细胞表面受体：位于细胞质膜上，主要与大的信号分子或小的亲水性信号分子作用（1）细胞内受体：位于细胞核和胞质溶胶，主要识别能够穿过细胞质膜的小的脂溶性的信号分子。

当前13页，总共96页。离子通道受体Ｇ蛋白偶联受体酶联受体(生长因子受体)（1）表面受体的类型当前14页，总共96页。细胞对信号应答的两种方式当前15页，总共96页。信号分子与受体相互作用的复杂性相同信号作用于不同的细胞可产生不同效应不同信号可产生相同效应：如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。当前16页，总共96页。3.第二信使与分子开关第二信使的发现20世纪50年代，在研究肝组织中糖原是如何分解时发现了cAMP。其后提出激素作用的第二信使学说，1971年获诺贝尔生理和医学奖当前17页，总共96页。第一信使：细胞外信号分子。第二信使：第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子。目前公认的第二信使包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DAG)、Ca2+等。功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大。当前18页，总共96页。第二信使的特性：◆由第一信使同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现◆能启动或调节细胞内稍晚出现的信号应答◆仅在细胞内起作用◆对信号的转导起到逐级放大和终止的作用当前19页，总共96页。（2）分子开关：对信号转导进行精确调控通过磷酸化传递信号通过GTP结合蛋白传递信号蛋白激酶激活蛋白磷酸酶去活性Fig.细胞内信号转导过程中两类分子开关蛋白当前20页，总共96页。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

细胞信号转导是指细胞通过胞膜或胞内受体感受信号分子的刺激，经细胞内信号转导系统转换，从而影响细胞生物学功能的过程。

当前21页，总共96页。胞外信号分子受体胞内信号分子靶蛋白新陈代谢酶基因调控蛋白细胞支架蛋白改变新陈代谢改变基因表达改变细胞形状或运动通过细胞表面受体介导的信号途径的组成当前22页，总共96页。组成从细胞表面到细胞核的信号途径的各类信号蛋白组分：①转承蛋白②信使蛋白③接头蛋白④放大和转导蛋白⑤传感蛋白⑥分歧蛋白⑦整合蛋白⑧潜在基因调控蛋白转承蛋白接头蛋白分歧蛋白放大和转导蛋白整合蛋白信使蛋白潜在基因调控蛋白当前23页，总共96页。细胞信号转导的特点●特异性●信号转换●逐级放大●信号终止或下调在信号转导途径中，上游蛋白对下游蛋白活性的改变主要是通过添加或除去磷酸集团进行的。(二)信号转导系统的主要特性当前24页，总共96页。●对信号具有整合作用●细胞的信号转导对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和死亡是必须的。细胞外信号不同的组合可以引起动物细胞不同的应答当前25页，总共96页。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控细胞内受体超家族的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白，有3个功能结构域：核受体结构示意图当前26页，总共96页。（A）细胞内受体蛋白作用模型;（B）几种胞内受体蛋白超家族成员抑制蛋白复合物激素结合位点转录激活结构域DNA结合结构域激素当前27页，总共96页。甾类激素介导的信号通路

当前28页，总共96页。初级反应阶段：直接活化少数特殊基因的转录，发生迅速次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用类固醇激素诱导的基因活化通常分为两个阶段当前29页，总共96页。NO的作用机理：乙酰胆碱→血管内皮细胞→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO。二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合当前30页，总共96页。由于NO的半衰期很短(5-10秒钟)，所以它只能作用于相邻细胞。当前31页，总共96页。1998年三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

当前32页，总共96页。由三部分组成：7次跨膜的受体G蛋白效应物（酶）第三节G蛋白耦联受体介导的信号转导当前33页，总共96页。一、G蛋白耦联受体的结构与激活

G蛋白耦联受体当前34页，总共96页。◆G蛋白的结构与功能G蛋白（GTP结合蛋白）：参与细胞的多种生命活动：细胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成组成：由三个亚基α、β、γ组成，βγ两亚基通常紧密结合在一起，只有蛋白变性时才分开。

近年来发现了小分子G蛋白家族，为单聚体，共50多种。这些小分子G蛋白为重要的信号转导物质。包括Ras家族、Rho家族、Rab家族和其他等四类。当前35页，总共96页。α亚基上有GTP结合位点，具有GTP激酶的活性结构域，ADP核糖化位点。G蛋白在信号转导过程中起分子开关的作用当前36页，总共96页。非活化型活化型-GDP-GTP+

当前37页，总共96页。RＲHACγαβGDPαGTPβγ腺苷酸环化酶ACATPcAMP当前38页，总共96页。二、G蛋白偶联受体介导的细胞信号通路根据引起的级联反应的不同，分为◆cAMP信号通路◆磷脂酰肌醇信号通路当前39页，总共96页。（一）以cAMP为第二信使的信号通路细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。cAMP作为第二信使主要通过激活蛋白激酶A进行信号放大。当前40页，总共96页。★cAMP信号通路组成激活型（Rs)抑制型（Ri)

活化型(Gs)

抑制型(Gi)

效应物：即腺苷酸环化酶(AC)受体

G蛋白接受激活型信号后通过Gs

激活腺苷酸环化酶的活性通过Gi抑制腺苷酸环化酶的活性，降低细胞质中cAMP的水平激活腺苷酸环化酶的活性，提高细胞质中cAMP的水平抑制腺苷酸环化酶的活性，降低细胞质中cAMP的水平当前41页，总共96页。

在信号传递中，必有正、负两种相辅相成的反馈机制来调控其传递！●激活型由激活型的信号作用于激活型的受体，经激活型的G蛋白去激活腺苷酸环化酶，从而提高cAMP的浓度引起细胞的反应。●抑制型通过抑制型的信号分子作用于抑制型的受体，经抑制型的G蛋白去抑制腺苷酸环化酶的活性。当前42页，总共96页。激活型与抑制型受体进行信号传导的效应当前43页，总共96页。在该系统中，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，将信号从受体传递给效应物。包括三个过程：配体（信号分子）＋受体受体的构型改变，提高与G蛋白的亲和力受体＋G蛋白受体－G蛋白复合物α亚基－GTPG蛋白活化激活效应物（腺苷酸环化酶）●G蛋白被受体激活●G蛋白将信号向效应物转移●信号作用终止当前44页，总共96页。Gs的调节作用配体结合改变受体构象，暴露出与Gs结合位点配体－受体复合物与Gs结合GDP解离，GTP取代与之结合，导致α亚基从Gs复合物上解离当前45页，总共96页。α亚基结合并活化腺苷酸环化酶，产生cAMP，同时配体与受体解离，受体恢复原来构象GTP水解导致α亚基脱离腺苷酸环化酶并与βγ复合物结合成Gs蛋白当前46页，总共96页。Gi的调节作用：Gi对腺苷酸环化酶的抑制通过两条途径：Gi的α亚基与βγ亚基解离后，①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基与游离的Gsα亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。当前47页，总共96页。cAMP的合成与分解:由腺苷酸环化酶催化ATP生成●第二信使：cAMP●腺苷酸环化酶：跨膜蛋白，在Mg2+或Mn2+的存在下可催化ATP生成cAMP当前48页，总共96页。通过cAMP介导的激素应答实例组织激素应答肝肾上腺素和胰高血糖素糖原水解，葡萄糖合成糖原合成的抑制心肌肾上腺素加快收缩

肾加压素提高表皮细胞对水的通透性脂肪肾上腺素和胰高血糖素三酰甘油降解当前49页，总共96页。当前50页，总共96页。●

cAMP的作用机制

通过活化cAMP依赖的蛋白激酶A蛋白激酶A(PKA)是由四个亚基组成的四聚体:

两个调节亚基(R亚基)两个催化亚基(C亚基)当前51页，总共96页。蛋白激酶A的激活当前52页，总共96页。cAMP信号通路当前53页，总共96页。蛋白激酶A的作用机理

被激活的蛋白激酶A可以以两种方式起作用:①PKA使其靶酶磷酸化：将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸和苏氨酸残基（X-Arg-(Arg/Lys)-X-(Ser/Thr)-ф）上进行磷酸化(快速应答）②直接激活特定的基因调控蛋白（CREB）

（慢速应答）当前54页，总共96页。对代谢的调节(快速应答）当前55页，总共96页。★对基因表达的调节作用（缓慢应答）cAMP也能启动基因的表达cAMP蛋白激酶A激活转录因子

细胞核DNA特定位点（cAMP反应元件）CREB基因转录当前56页，总共96页。GsACATPcAMPCCRRCC蛋白磷酸化RR2cAMP2cAMPCREBNPiPiPi转录活化域DNA结合域细胞膜核膜当前57页，总共96页。ＣＣ结构基因ＣＲＥＢＣＲＥＢ细胞核PiPiＣＲＥＢPiＣＲＥＢPiＣＲＥDNA蛋白质当前58页，总共96页。cAMP信号的终止细胞内cAMP浓度的升高对细胞的代谢及基因的表达有重要影响，因此对cAMP的浓度必须进行严格控制，以免细胞一直处于过敏状态。信号解除有两种方式●将cAMP迅速降解，通过磷酸二酯酶●通过抑制型的信号作用于RiGiGiα与腺苷酸环化酶结合抑制腺苷酸环化酶的活性当前59页，总共96页。细菌毒素对G蛋白的修饰作用(1)霍乱毒素具有ADP－核糖转移酶活性可以催化Gs的α亚基ADP-核糖基化，使α亚基结合的GTP不能水解，因而处于持续活化状态。(2)百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP－核糖基化，使Gi的α亚基不能活化，阻断了Ri受体引起的对AC的抑制作用。当前60页，总共96页。当前61页，总共96页。(二)

磷脂酰肌醇双信使信号通路

第二信使：IP3,二酰基甘油DG4，5-二磷酸磷脂酰肌醇当前62页，总共96页。“双信使系统”反应链：

胞外信号分子→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→

→IP3

→胞内Ca2+浓度升高

磷脂酶C(PLC)→

→DG→激活PKC→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH组成：受体、G蛋白、效应物（磷脂酶C)当前63页，总共96页。处于静息状态的磷脂酰肌醇信号通路当前64页，总共96页。当前65页，总共96页。第二信使的产生磷脂酶C的激活:第二信使IP3/DG的生成4，5－二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2)二酰基甘油（DG)三磷酸肌醇（IP3)

IP3启动第三信使Ca2+的释放当前66页，总共96页。蛋白激酶C的激活蛋白激酶C非活性时是水溶性的，激活后成为膜结合酶。其激活是脂和Ca2+依赖性在IP3、DG和Ca2+共同作用下被激活作用：蛋白激酶C可将靶蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，参与细胞内生化反应的调控，同时也能作用于细胞核中的转录因子，参与基因的调控。当前67页，总共96页。对基因表达的调节作用①蛋白激酶C激活蛋白激酶蛋白激酶磷酸化激活特定基因表达的调控蛋白②蛋白激酶C激活基因表达调控蛋白的抑制蛋白（磷酸化）释放基因调控蛋白基因转录两条途径：当前68页，总共96页。当前69页，总共96页。Ca2+的作用Ca2+除了参与蛋白激酶C的激活外，在细胞分裂、分泌活动、内吞作用、受精、突触传递、代谢以及细胞运动等都有重要作用。细胞中Ca2+浓度：静息状态时，细胞中Ca2+浓度非常低（<10-7M），细胞外和ER中Ca2+浓度要高10000倍。

细胞质中Ca2+浓度的调节当前70页，总共96页。细胞中Ca2+浓度的调节IP3受体通道氨酸激酶受体Ca2+泵ER中Ca2+泵钙离子通道当前71页，总共96页。钙调蛋白（CaM）：存在于真核细胞中与Ca结合形成Ca2+－钙调蛋白复合物（Ca2+-CaM）激活CaM-蛋白激酶靶蛋白磷酸化影响细胞的生命活动钙调蛋白当前72页，总共96页。IP3/DG/Ca2+信号的终止DG信号的解除：（1）被DG磷酸激酶磷酸化，生成磷脂酸（2）被DG酯酶水解生成单脂酰甘油

IP3信号的解除（1）IP3被水解，在5’磷酸酶的作用下，水解为1，4－二磷酸肌醇肌醇（2）被磷酸化生成肌醇－1，3，4，5－四磷酸，再水解成无活性的肌醇－1，3，4三磷酸当前73页，总共96页。Ca2+信号的解除：通过降低胞质溶胶中的Ca2+浓度需要四磷酸肌醇参与，打开细胞质膜上Ca2+通道，细胞外Ca2+进入细胞内，Ca2+浓度升高钙调蛋白活化与膜上Ca2+-ATP酶结合，提高对钙的亲和力将Ca2+迅速泵到细胞外及内质网内使胞质的Ca2+浓度恢复基态水平CaM-蛋白激酶复合物解离。当前74页，总共96页。PKA与PKC系统的不同点：●产生的第二信使不同PKA：cAMPPKC：IP3、DAG●效应物不同：PKC：磷脂酶C，蛋白激酶CPKA：腺苷酸环化酶，蛋白激酶A●PKC有Ga2+的参与共同点：都是与G蛋白耦联当前75页，总共96页。一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路

受体酪氨酸激酶包括6个亚族

信号转导：配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK→胞内信号蛋白→启动信号传导第四节酶联受体介导的信号转导受体酪氨酸激酶，简称RTK，是最大的一类酶联受体，Ras是原癌基因c-ras表达的产物。当前76页，总共96页。当前77页，总共96页。

RTK-Ras信号通路：

配体→RTK→adaptor←GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰。当前78页，总共96页。MAP(有丝分裂原活化蛋白）当前79页，总共96页。二聚体彼此相互磷酸化受体胞内酪氨酸残基.磷酸化的酪氨酸残基可被含有SH2结构域的胞内信号蛋白或结合蛋白识别并结合当前80页，总共96页。GRB-2是一种接头蛋白，起偶联作用，GRB-2同时具有SH2和SH3结构域，Ras激活蛋白（GEF)无SH2结构域，只有SH3结构域。SH2、SH3结构域：Src同源区GRB-2当前81页，总共96页。Ras蛋白具有分子开关作用，Sos是Ras蛋白激活蛋白Ras蛋白从失活态活化态需GEF参与GAP可促进Ras蛋白结合的GTP水解为GDP，导致Ras蛋白从活化态失活态当前82页，总共96页。Ras蛋白的活化对诱导不同类型细胞的分化或增殖是必要而充分的。约30％的人类恶性肿瘤与ras基因突变有关。由RTK介导的信号通路具有广泛的功能：调节细胞的增殖与分化，促进细胞存活等。主线：RTK介导的信号通过活化的Ras蛋白激活一系列激酶磷酸化级联反应，使信号向下游传递。当前83页，总共96页。配体是转化生长因子-βs家族成员，包括TGF-β1-5。依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。（一）受体丝氨酸/苏氨酸激酶二、细胞表面其他酶连受体当前84页，总共96页。使特异的胞内信号蛋白去磷酸化。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水平。与酪氨酸激酶协同工作，如参与细胞周期调控。（二）受体酪氨酸磷酯酶当前85页，总共96页。位于肾和血管平滑肌细胞，配体为ANP或BNP。血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，血管平滑肌松弛，血压下降。信号途径为：配体→受体鸟苷酸环化酶→cGMP→依赖cGMP的蛋白激酶G（