细胞生物学课程(医学院)

学习目的与要求掌握信号转导的概念，第一、第二信使的概念及其分类，几种重要的第二信使。掌握受体的概念、类型、结构和作用特点。掌握G蛋白的类型、结构特征和作用机制。熟悉信号转导的特点，蛋白激酶的主要类型及其与第二信使的关系。了解几条重要的信号转导通路了解信号转导异常引起的一些疾病。当前1页，总共82页。第一节细胞的信号转导信号转导：信号分子与细胞膜上或胞内的受体结合，信号经转换后传递给胞内系统，使细胞作出适当反应的过程。胞内存在多种信号转导的途径，彼此交叉调控，构成信号网络。当前2页，总共82页。GenetranscriptionCellproliferationCellsurvivalCelldeathCelldifferentiationCellfunctionCellmotilityImmuneresponsesFUNCTIONSOFCELLCOMMUNICATION当前3页，总共82页。当前4页，总共82页。当前5页，总共82页。一、细胞外信号第一信使：由细胞分泌的，能够调节机制功能的一大类生物活性物质，他们是细胞间通讯的信号。从化学性质来看：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等特点：①特异性；②高效性；③可被灭活。当前6页，总共82页。信号分子的分类脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递。根据与受体结合后细胞所产生的效应不同分类：激动剂：使细胞产生效应的物质拮抗剂：不产生效应，但可阻碍激动剂作用的物质当前7页，总共82页。二、受体受体：指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性的同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。配体：被受体结合的生物活性物质都称为配体。当前8页，总共82页。（一）受体的种类

细胞内受体：（胞内受体）：介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体。细胞表面受体：（膜受体）：介导亲水性信号分子的信息传递。可分为：①离子通道型受体；②G蛋白耦联型受体；③酶耦联型受体。当前9页，总共82页。当前10页，总共82页。Cellsurfacereceptors当前11页，总共82页。1.离子通道型受体结构特点：由多个亚基组成的多聚体，每个亚基具有2、4或5个跨膜域，可供离子通过。作用特点：既可与细胞外信号分子结合，同时又是离子通道，因此具有受体与离子通道藕联的特点。介导的信号转导反应是一种快速的反应，为神经系统和其他电激发细胞，如肌细胞所特有。当前12页，总共82页。（1）分类与作用过程离子通道型受体分类：

阳离子通道：如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，

阴离子通道：如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。作用过程：神经递质与受体的结合→改变通道蛋白的构象→离子通道的开启或关闭→化学信号转换为电信号→改变突触后细胞的兴奋性。如：乙酰胆碱受体。当前13页，总共82页。Chemicalsynapse当前14页，总共82页。Acetylcholinereceptor当前15页，总共82页。Threeconformationoftheacetylcholinereceptor当前16页，总共82页。Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission当前17页，总共82页。乙酰胆碱N受体（260KD）外周型：5个亚基组成（2）调节主要为亚基变化通道开启：Na+

内流，K+外流，膜去极化。当前18页，总共82页。2.G蛋白耦联型受体当前19页，总共82页。(1)G蛋白耦联型受体G蛋白耦联型受体为7次跨膜糖蛋白：N端胞外结构域带有多个糖基化位点，识别胞外信号分子与之结合；胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：

cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。当前20页，总共82页。（2）G蛋白G蛋白又称三聚体GTP结合调节蛋白，位于质膜胞质侧，在信号转导过程中起着分子开关的作用。由α、β、γ三个亚基组成，当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。分类：激动型G蛋白（Gs）：激活腺苷酸环化酶；抑制型G蛋白（Gi）：抑制腺苷酸环化酶；磷脂酶C型G蛋白（Gp）：激活磷脂酶C；

当前21页，总共82页。分子开关（molecularswitches）当前22页，总共82页。（3）G蛋白作用过程当前23页，总共82页。GTP-bindingregulatoryprotein当前24页，总共82页。（4）信号转导中G蛋白的生物学特性当前25页，总共82页。（5）细菌毒素对G蛋白的修饰作用霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。当前26页，总共82页。（6）其他类型的G耦联型受体光信号→Rh激活→G蛋白活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。视觉感受器中的G蛋白：

当前27页，总共82页。3.酶耦联型受体分为两种情况：本身具有激酶活性，如EGF，PDGF等的受体；本身没有酶活性，可以连接酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。受体的共同点：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受体酪氨酸激酶、②受体酪氨酸磷脂酶、③受体鸟苷酸环化酶、④受体丝氨酸/苏氨酸激酶⑤酪氨酸激酶连接的受体、⑥组氨酸激酶连接的受体。当前28页，总共82页。（1）酪氨酸蛋白激酶型受体（TPKR）一条多肽链构成的跨膜糖蛋白，具有酪氨酸激酶活性。结构特点:胞外区：

N端，配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。跨膜区：单次跨膜的疏水α螺旋区，22-26氨基酸构成。胞内区：酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。具有聚合ATP和结合底物的位点。当前29页，总共82页。（2）酪氨酸蛋白激酶型受体作用过程受体在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性;信号分子同细胞外结构域结合→形成二聚体→尾部的酪氨酸残基磷酸化→尾部装配成SH2（Src同源序列结构域2）的结合位点。SH2结合位点通过结合不同的蛋白以几种不同的信号转导途径,扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应，引起细胞的应答（如细胞增殖）。功能：配体主要为一些生长因子和分化因子，在参与细胞生长和分化的调控中起重要作用。当前30页，总共82页。（二）胞内受体（胞浆受体和核受体）

胞内受体通常为400-1000个氨基酸组成的单体蛋白（DNA结合蛋白）功能：作为基因转录调节蛋白与配体结合→分子构象改变→进入功能活化状态→DNA结合区与DNA分子上的激素调节元件结合→促进或抑制基因转录特点：

反应过程长，细胞产生效应一般需经历数小时至几天时间。当前31页，总共82页。（三）受体作用的特点特异性：受体分子的立体构型是决定这一特点的关键，一个配体可与几种受体结合。饱和性：配体浓度升高，受体被完全结合后，不再结合其他配体。特定受体在特定细胞中数量相对恒定。高度的亲和力：受体和配体结合力极强，极低浓度的配体与受体结合后即可产生明显生物学效应。可逆性结合是以非共价键结合，处于可逆的动态平衡中。通过磷酸化与去磷酸化进行调节：受体与配体结合的调节可受多种因素影响，常见的调节机制就是受体的磷酸化与去磷酸化。当前32页，总共82页。四、细胞内信使细胞内信使：细胞外信号分子(第一信使)与受体作用后在胞内最早产生的信号分子，称为第二信使。第二信使都是小的分子或离子。细胞内有五种最重要的第二信使:cAMP、

cGMP、

1,2-二酰基甘油(DAG)、

1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)、

Ca2+

当前33页，总共82页。（一）cAMP信使体系环磷酸腺苷（cAMP）是细胞内最重要的信使分子。在细胞内，

cAMP由细胞膜上的腺苷酸环化酶（AC）催化合成，并可被磷酸二酯酶水解。在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。当前34页，总共82页。1.腺苷酸环化酶（AC）结构：糖蛋白2个疏水区域（M1、M2）每一疏水区域均跨膜6次2个胞质区域（C1、C2）：是ATP结合及具酶活性的部位，其氨基酸组成高度保守。功能：被G蛋白激活后催化ATP生成cAMP当前35页，总共82页。Adenylatecyclase当前36页，总共82页。2.

cAMP依赖性蛋白激酶A（PKA)PKA是能被cAMP活化的蛋白激酶A，cAMP信号途径又称PKA系统，是蛋白激酶A系统的简称。结构：C2R2四聚体催化亚基（C亚基）——催化蛋白质上某些特定的丝氨酸/苏氨酸残基的磷酸化。调节亚基（R亚基）——与2个cAMP结合。活化过程：特点：对底物特异性要求低，催化底物广泛。当前37页，总共82页。3.cAMP的主要作用激活PKA，进而使下游信号蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基的磷酸化被激活或钝化，产生细胞效应。调节离子通道通透性当前38页，总共82页。cAMP信号途径可表示为：激素→受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，使α亚基持续活化，导致患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。当前39页，总共82页。不同细胞对cAMP信号途径的反应：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE（cAMPresponseelement）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。当前40页，总共82页。（二）cGMP信使系统环磷酸鸟苷（cGMP）是广泛存在与动物细胞内的胞内信使分子。在细胞内，

cGMP由细胞膜上的鸟苷酸环化酶（GC）催化合成，并可被磷酸二酯酶水解。当前41页，总共82页。1.鸟苷酸环化酶（GC)当前42页，总共82页。2.

cGMP依赖性激酶G(PKG)结构：催化亚基和调节亚基组成的二聚体功能：通过催化底物蛋白（组蛋白、磷酸化酶激酶、糖原合成酶及丙酮酸激酶等）发挥生物学效应通过磷酸转移酶作用，使自身磷酸化，进而通过抑制方式来调节自身活性。催化机制及细胞效应：？当前43页，总共82页。3.

cGMP的主要作用激活cGMP依赖性蛋白激酶G（PKG），使相应的蛋白磷酸化，引起细胞效应。视杆细胞中，在光信号存在时，cGMP可关闭Na+离子通道，细胞超极化而产生视觉。生物学作用特点：

与cAMP相拮抗cAMP——促进分化cGMP——促进分裂当前44页，总共82页。（三）二脂酰甘油/三磷酸肌醇信使体系当前45页，总共82页。又称双信使途径。信号分子与G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成IP3和DAG。当前46页，总共82页。磷脂酰肌醇信号通路

“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→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH

当前47页，总共82页。InositolphospholipidsignalingMimickedbyionomycin当前48页，总共82页。PIP2Hydrolysis当前49页，总共82页。当前50页，总共82页。DAG激活蛋白激酶C：PKC位于细胞质，Ca2+浓度升高时PKC转位到质膜内表面，被DG活化。IP3开启胞内IP3门控钙通道：Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白，CaM将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。当前51页，总共82页。IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果。DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，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。DG的作用可用佛波醇酯（phorbolester）模拟。当前52页，总共82页。Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶Ⅱ十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。当前53页，总共82页。信号的终止：IP3信号：去磷酸化为IP2；磷酸化为IP4

。Ca2+信号：被钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被泵回内质网。DAG信号：被DAG激酶磷酸化为磷脂酸；或被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。当前54页，总共82页。ControlsonCytosolicCalcium当前55页，总共82页。（四）钙离子/钙调蛋白信使系统钙离子的信使作用是通过浓度变化来实现的。细胞内游离钙离子浓度为10-5-10-4mM，比胞外低了1—10万倍。当前56页，总共82页。1.钙调蛋白（CaM），活化：当细胞中钙离子浓度超过10-2mM时，无活性的CaM可与钙离子结合，使其构象发生改变而被活化，由此激活靶蛋白或靶酶。当前57页，总共82页。2.钙离子/钙调蛋白信使功能钙信号使细胞内某些酶的活性和蛋白质功能发生改变，进而产生细胞效应。CaM通过激活细胞膜上的钙离子泵，调节细胞内的钙离子浓度。钙离子直接对离子通道进行调节。当前58页，总共82页。五、信号转导与蛋白激酶当前59页，总共82页。（一）信号转导的特点1.信号转导分子激活机理的类同性蛋白质磷酸化和去磷酸化，绝大多数信号分子可逆地激活的共同机制。2.信号转导过程中的级联式反应信号转导过程中的各个反应相互衔接，形成一个级联放大过程，信号得以加强，使细胞产生明显的效应。3.信号转导途径的通用性与特异性通用性是指同一条信号转导途径可在细胞的多种功能效应中发挥作用。如cAMP途径不仅介导胞外信号对细胞生长与分化产生效应,还可在物质代谢和神经递质释放等方面发挥作用.特异性是指信号转导途径产生的基础是受体的特异性,此外信号转导相关蛋白在结构和分布等方面的多样性也对特异性具有一定影响.4.胞内信号转导途径的相互交叉:

包括两种情况:(1)一条信号转导途径的成员可激活或抑制另一条信号转导通路(2)不同的信号转导途径可通过同一种效应蛋白或同一基因调控区,彼此协调地发挥作用.当前60页，总共82页。（二）蛋白激酶当前61页，总共82页。1.酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶（PTK）：可催化底物蛋白的酪氨酸残基磷酸化的激酶，对细胞生长、增殖和分化起重要调节作用。两大类：位于细胞膜上受体型PTK:——与配体结合后发生自身磷酸化，作用于底物使其磷酸化。位于胞质中非受体型PTK:——与非催化型受体偶联，参与信号转导，JAK是一个主要的PTK亚族当前62页，总共82页。特点：①单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化和自磷酸化，起动下游信号转导。当前63页，总共82页。酪氨酸蛋白激酶型受体作用过程受体在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性;信号分子同细胞外结构域结合→形成二聚体→尾部的酪氨酸残基磷酸化→尾部装配成SH2（Src同源序列结构域2）的结合位点。SH2结合位点通过结合不同的蛋白以几种不同的信号转导途径,扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应，引起细胞的应答（如细胞增殖）。功能：配体主要为一些生长因子和分化因子，在参与细胞生长和分化的调控中起重要作用。当前64页，总共82页。JAK-STAT途径JAK（justanotherkinase或januskinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族。STAT，即信号转导子和转录激活子。JAK-STAT途径，可概括如下：

1.配体与受体结合导致受体二聚化；

2.二聚化受体激活JAK；

3.JAK将STAT磷酸化；

4.STAT形成复合物，暴露出入核信号；

5.STAT进入核内，调节基因表达。当前65页，总共82页。2.丝氨酸/苏氨酸激酶丝氨酸/苏氨酸激酶（STK）：通过变构而激活蛋白质，催化底物蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化种类：

PKA、PKC、PKG、钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaM）和丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）当前66页，总共82页。3.级联效应在细胞信号转导过程中，许多胞内信号分子本身就是蛋白激酶，而它本身又可被上游的蛋白激酶磷酸化而激活，由此引起细胞内一系列蛋白的磷酸化，产生级联效应，胞外信号分子所产生的信号被逐渐放大，在短时间内引起细胞效应。当前67页，总共82页。（三）几种细胞信号转导通路当前68页，总共82页。1.MAPK信号通路MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶，属丝氨酸/苏氨酸残激酶。当前69页，总共82页。当前70页，总共82页。当前71页，总共82页。当前72页，总共82页。当前73页，总共82页。2.JAK-STAT信号通路当前74页，总共82页。3.Wnt信号通路Wnt是一类分泌型糖蛋白。