信号转导(研究生2015)

细胞信号转导

Cellularsignaltransduction

秦燕生理学与病理生理学教研室

多细胞生物体必须具备完善的信号转导系统统一协调其正常的生理功能。细胞间传递信息的物质多达几百种：如递质、激素、细胞因子等。代谢或功能改变第一节概述1.定义：通常是指细胞通过细胞表面受体（或胞内核受体）接受外界信号，通过系统级联传递机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终引起细胞生理效应或诱导特定基因的表达，引起细胞的应答反应。一、细胞信号转导的定义及特征信号转导参与所有的细胞生命活动：

⑴细胞代谢⑵细胞分裂⑶细胞分化⑷细胞功能活动⑸细胞死亡细胞跨膜信号转导主要涉及：

☆胞外信号的识别与结合;

化学信号、物理性刺激信号（温度、机械力、生物电、电磁波等）

☆信号跨膜转导;

☆胞内效应

细胞代谢和功能的变化2、跨膜信号转导的共同特征

(1)不同形式的外界信号作用于细胞时，这些外界信号通常并不进入细胞或直接影响细胞内过程，而是作用于细胞膜表面的相应受体(即膜受体），受体被激活后再引起受体后的其他信号分子的顺序激活和信号转导，将外界环境变化的信息以新的信号形式传递到膜内，再引发细胞相应的功能改变，包括细胞出现电反应或其他功能改变。(2)细胞信号转导不仅仅是简单的信号传递，同时还具有信号放大功能。(3)跨膜信号转导虽然涉及多种刺激信号在多种细胞引发的多种功能改变，但转导过程都是通过少数几种类似的途径或方式实现的。二、信号转导的网络化1.不同种类受体或配体的相互作用2.不同类型蛋白激酶的相互作用3.不同转录因子与DNA元件的相互作用第二节第一信使和受体一、第一信使：信息途径的激活不可穿过细胞的可穿过细胞的和细胞耦联的属于分泌分子，由突触前膜释放。直接结合于细胞膜上的受体（一）不可穿过细胞膜的信息分子包括：蛋白质、多肽类、生物胺等其他小分子信息传递方式：1.简单直接摄入：通过膜上某些特殊结构被摄入细胞，影响细胞的代谢。如通过钠泵转运进入细胞的Na+。2.与载体蛋白结合后进入细胞典型代表：维生素B12、胆固醇胆固醇在血液中结合特异性载体蛋白（LDL）细胞膜上的受体识别载体蛋白并将其摄入acceptor3.通过受体的跨膜信息传递：如神经递质、神经营养因子这些分子存活期短，或代谢快速，或被结合的受体内吞。通常所说的跨膜机制传递多指此类机制！（二）可穿过细胞的信息分子

是指可以通过脂质双分子层，自由进入细胞，与胞质或胞核内的相应受体结合，从而影响基因的活动。如神经甾体（三）和细胞偶联的信息分子

通常位于细胞外侧，作用于物理位置紧邻的靶细胞。如整合素、影响突触生长的神经细胞粘附分子等二、受体Receptor（一）定义：细胞在进化过程中形成的蛋白组分，能识别周围环境中某种微量化学物质，首先与之结合，并通过中介的信息转导与放大系统，触发随后的生理反应或药理效应。能与受体特异性结合的物质----配体能激活受体的配体----激动药阻断受体活性的配体----拮抗药识别→→→转导→→→效应根据受体本身的结构及其效应体系的不同，可以把受体分成两大类：离子通道偶联型受体酶偶联型受体G蛋白偶联受体（二）.分类：表面受体细胞内受体1.离子通道偶联型受体

channel-linkedreceptor亦称配体门控性离子通道。它既是受体又是离子通道。受体=配体结合部位+离子通道配体与受体结合后改变离子通道的活性,或开放或关闭直接受配体的控制。如：N型乙酰胆碱受体、GABAA受体

NMDA受体、甘氨酸受体等化学信号通道开放或关闭

组成：由单一肽链反复4次穿透细胞膜形成1个亚单位，分子量约60kD，约由500个氨基酸残基构成。并由4-5个亚单位共同在膜中形成一个亲水性的通道，又称环状受体。

N型乙酰胆碱受体----2α、β、γ、δ

5个亚单位组成效应：将化学信号转变为电信号而影响细胞的功能。离子通道型受体阳离子通道：乙酰胆碱受体、谷氨酸受体、五羟色胺受体阴离子通道：甘氨酸受体、γ-氨基丁酸受体受体活化→→离子通道开放→→细胞膜去极化或超极化→→引起兴奋或抑制效应。2.酶偶联型受体Enzyme-linkedreceptor

受体本身具有酶的活性，催化部位在细胞膜的内面。

该类受体绝大部分是蛋白酶，往往是酪氨酸激酶，能促使其本身酪氨酸残基产生自身磷酸化而加强此酶活性，再对细胞内其他底物作用，促进其酪氨酸磷酸化，激活胞内蛋白激酶，增加DNA\RNA合成，加速蛋白质，从而产生细胞生长分化等效应。

如：神经营养因子受体TrK家族、某些生长因子胰岛素的受体3.G蛋白偶联受体

G-proteincoupledreceptorsGPCR

由七个α螺旋组成的独立蛋白质分子7次跨膜，6个袢羧基、氨基内外放人β1肾上腺素能受体2.7埃结构（Warneetal，Nature，2008）

人β2肾上腺素能受体3.4埃结构（Rasmussenetal，Nature，2007）

G-蛋白耦联受体的数量最多，如α、β肾上腺素、

M-乙酰胆碱、5-羟色胺、多巴胺、阿片类、嘌呤类、前列腺素及多肽激素的受体牛视紫红质2.8埃结构（Palczewskietal，Science，2000）

乌贼视紫红质2.5埃结构（Murakamietal，Nature，2008）

一个受体可以激活多个G蛋白，一个G蛋白可以转导多个信息效应机制，调节许多细胞功能。4.细胞内受体可穿过细胞的第一信使亲脂性化学信号分子胞质或核内受体结合激活胞质或核内的化学级联反应产生新的mRNA

蛋白质胞内受体通常与抑制性蛋白结合，信号分子与受体结合后受体与抑制性蛋白分开，受体不再受抑制，其表面暴露出一段DNA结合区域。可直接作用于核DNA，影响转录。（三）受体-配体识别结合的特点：

受体与配体的识别基于分子的热运动和静电引力以及大分子的诱导契合机制。1.饱和性：分布在膜上的受体数量有限2.特异性：受体只有与特定配体结合3.可逆性：4.失敏现象：受体若长期暴露在配体的环境中就会出现失敏，即大多数受体的反应性下降。5.受体内化：有些受体长期暴露在配体的环境中，会出现受体-配体复合物进入胞质。第三节受体作用机理与信号转导一、G蛋白偶联型受体及其信号转导G蛋白偶联受体的信号传递过程包括：1.配体与受体结合2.受体活化G蛋白3.G蛋白激活或抑制细胞中的效应分子4.效应分子改变细胞内信使的含量和分布5.信使作用于相应的靶分子，改变细胞代谢或功能（一）G蛋白循环或活化G蛋白又称鸟苷酸结合蛋白，是G蛋白耦联型受体信号转导途径中的第一个信号分子。βαγ在胞内Β和γ亚基紧密结合成二聚体，可认为是功能上的单体。有20余种，MW36-52kD。具有多个活化位点：与受体结合的部位；与βγ结合的部位；GDP/GTP结合部位；与下游效应分子相互作用的部位具有GTP酶的活性βαγβαγGTPGDP失活型激活型具有GTP酶的活性G蛋白分为6个亚族：Gs、Gi/olf、Gq、Gt、Gg和G12。（二）效应分子及细胞内信使1.效应分子：催化生成第二信使的酶、离子通道腺甘酸环化酶(AC)、磷脂酶C、磷酸酶A2、鸟甘酸环化酶、磷酸二脂酶ATPcAMP5`-AMP磷酸二脂酶ACH+RcAMP的生成与水解2.胞内信使：第二信使较重要的第二信使：cAMP、IP3、DG、Ca2+特点：

多为小分子，且不位于能量代谢途径的中心；

在细胞中的浓度或分布可以迅速改变；

作为变构效应剂可作用于相应的靶分子，已知的靶分子主要为各种蛋白激酶。（三）细胞内信使作用的主要靶分子靶分子：各种蛋白激酶1.蛋白激酶A：cAMP依赖性蛋白激酶（PKA）为四聚体的别构酶（C2R2），2个催化亚基（C），2个调节亚基（R）。PKA作用机理蛋白激酶A（PKA）通过使Ser/Thr残基磷酸化起作用

对代谢的调节作用：

对基因表达的调节作用肾上腺素的信号转导机制PKA对基因表达的作用2.蛋白激酶G：cGMP依赖性蛋白激酶（cGPK）以cGMP为变构效应剂，在脑和平滑肌中含量较为丰富3.蛋白激酶C：PKCPKC对细胞的生长分化及其他多种细胞功能具有关键性的调节作用，是一类非常重要的信号分子。细胞信号转导过程中的多条途径都可以导致PKC激活。DG/IP3/Ca2+PKC二、单次跨膜受体及其信号转导

单次跨膜受体介导的信号转导过程主要是蛋白质分子的相互作用，并有蛋白酪氨酸激酶的广泛参与。几类重要的介导单次跨膜受体信号转导的蛋白分子的结构及功能。

1.蛋白激酶：

⑴定义：能够将γ-磷酸基团从磷酸供体分子上转移至底物蛋白的氨基酸受体上的一大类酶。⑵蛋白激酶的分类：

根据它们磷酸化底物蛋白中氨基酸残基的特异性不同☆

丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶：它们可使底物蛋白中的丝氨酸或苏氨酸残基(羟基）磷酸化，占蛋白激酶中的大多数；

☆

酪氨酸蛋白激酶：可使底物蛋白酪氨酸残基（酚羟基）磷酸化，数量较少，主要在酶耦联受体的信号转导路径中发挥作用。如：PKAPKCCaMMAPK如：PTK(3)MAP激酶：MAPK

接受膜受体转换与传递的信号并将其带入细胞核内的一类重要分子。MAPKKKMAPKKMAPK刺激生物反应使一些转录因子发生磷酸化从而改变胞内基因的表达状态。使一些酶发生磷酸化从而活性发生改变。至少有3种MAPK成员：ERK、JNK、P38(4)蛋白酪氨酸激酶：PTK

作用于蛋白中的酪氨酸残基使之磷酸化。许多细胞信号转导的最早期事件即为多种蛋白质的酪氨酸磷酸化。根据蛋白酪氨酸激酶在细胞内的位置，分为三类：

蛋白酪氨酸激酶受体：跨膜蛋白

位于胞浆部分的蛋白酪氨酸激酶：他们接受受体传递的激活信号，或受其他蛋白质的调节而发生活性改变。成为受体和最终效应分子之间的中介分子。如：Src家族、Tec家族、JAK家族

核内蛋白酪氨酸激酶：如Abl和Wee2.蛋白磷酸酶：⑴定义：具有催化已经磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化反应的一类酶分子。蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应存在，共同构成了磷酸化与去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。⑵分类：☆蛋白丝氨酸／苏氨酸磷酸酶：

☆蛋白酪氨酸磷酸酶：3.介导信号转导分子相互作用的结构元件：⑴SH2结构域（SH2domain)

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的结合。这种结合依赖于酪氨酸残基的磷酸化及其周围的氨基酸残基所构成的基序。⑵SH3结构域（SH3domain)

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的结合。其亲和力与脯氨酸及邻近氨基酸残基所构成的基序序列有关。⑶PH结构域（PHdomain)

约100-120个氨基酸组成，功能未确定。目前已知它可以与磷脂类分子PIP2/PIP3/IP3等结合。⑷PTB结构域（PTBdomain)

约160个氨基酸组成，与SH2一样，也可以识别一些含磷酸酪氨酸的基序，但其结合的基序与SH2结构域有所差别。第四节受体调节

受体不是固定不变的，而是经常处于代谢转换的动态平衡中，其数量、亲和力及反应性经常受到各种生理及药理因素的影响。如：N2-Ach受体在受激动药连续作用后若干秒后发生脱敏现象一、受体调节的分类（一）同种特异调节配体作用于其特异性受体，使自身的受体发生变化。如：β肾上腺素受体、生长激素受体（二）异种特异调节

配体作用于其特异性受体，对另一种配体的受体产生调节作用。如：β肾上腺素受体可被甲状腺素、糖皮质激素、性激素调节。（三）向上调节和向下调节向下调节（衰减性调节downregulation)

长期使用激动剂（异丙肾上腺素）治疗哮喘，可使受体向下调节，其疗效普遍下降。向上调节（上增性调节upregulation）

长期使用拮抗剂（普萘洛尔）突然停药，可使肾上腺素能受体上调，引起反跳现象，表现敏感性增高。

二、受体调节的机制（一）受体与G蛋白脱耦联

（二）受体扣押和内陷

扣押：指受体移位，不能与配体结合

内陷：指受体移入胞浆，是具有酪氨酸激酶活性的受体下调的机制。配体-受体复合物形成1-2小时后就发生。（三）膜脂类代谢变化

（四）异种调节机制：G蛋白降解或表达减少；cAMP分解加速受体长期受激动剂的作用膜PLA2活性↑，使氨基酸合成↑膜流动性增加，受体更易内移三、受体调节的意义1、脱敏现象：连续使用受体激动剂后较短时间内组织的反应性降低或消失。2、产生耐受性：某些药物连续使用后，需逐渐增加药物剂量，才能维持药效不变的现象。3.产生依赖性：在长久使用某些精神作用的药物时，人体对药物产生的生理或心理上的依赖。4.反跳现象：长久使用一些药物后，突然停药后使疾病加重的现象。第五节第二信使特点：分子质量较小、可溶性较好，易于扩散；可以快速产生或快速灭活；细胞在信号传递中通过一系列传递组分形成级联反应将原始信号放大；4.信号传递途径为一个网络，多数信号分子都可以激活几种不同的细胞信号途径。第一信使细胞胞内信号分子第二信使一、经典第二信使------cAMP信使系统（一）cAMP的发现1.20世纪50年代，Sutherland通过体外实验证实，向肝组织切片加入Adr时，在悬浮液中出现游离葡萄糖，并导致糖原磷酸化酶活性↑2.Adr可使糖原磷酸化，加强糖原分解。但Sutherland和Rall将Adr直接加入磷酸化酶激酶和蛋白磷酸酶的纯制剂中，希望直接激活它们而未获成功。必须在破碎的的肝细胞粗制剂中Adr和胰高血糖素才可促使磷酸化酶b转化为a.3.激素只有在加入了肝细胞匀浆的颗粒部分（含各种细胞膜和细胞器）才有效。4.在补充了ATP和Mg2+的细胞匀浆的颗粒部分，促使生成一种耐热因子它在匀浆的可溶性部分使磷酸化酶b转化为a.1959年证实为cAMP第二信使学说（二）

腺苷酸环化酶（AC）的分布及组成AC的分布：是一种糖蛋白，分布很广，现已在哺乳动物脑及外周组织中克隆出8种AC，它们可以通过不同的机制激活，体现出明显的组织、细胞特异性。2.AC系统的组成：受体：兴奋性激素受体（Rs）和抑制性激素受体（Ri）环化酶：是其催化部分G蛋白：兴奋性G蛋白（Gs）和抑制性G蛋白（Gi）（三）cAMP系统的信息传递途径1.膜上存在受体、腺苷酸环化酶、G蛋白三种蛋白质；2.胞外的刺激信号与抑制信号分别传递给刺激性或抑制性受体，通过兴奋性或抑制性G蛋白传递给共同的AC，使其激活或钝化；3.AC激活，胞质产生cAMP，通过蛋白激酶使蛋白质磷酸化以调节细胞反应；4.cAMP信号可被PDE分解灭活，信号传递终止。cAMP-PKA途径神经递质、激素等（配体）活化G蛋白激活腺苷酸环化酶(AC)ATPcAMP（第二信使）细胞内生物效应激活依赖cAMP的蛋白激酶与G蛋白偶联受体结合G蛋白的α亚单位变构(与β、γ亚单位分离)插图6-1通过哪些标准可以判断一种激素是否通过cAMP机制起作用？1.该激素能使靶细胞产生cAMP；2.靶细胞中加入外源cAMP可以模拟该激素的作用；3.该激素加到含质膜系统中应能提高AC的活性；4.靶细胞中的PDE酶的抑制剂应可增加该激素的效应；5.该激素应能激活靶细胞中依赖cAMP的蛋白激酶。二、经典第二信使------肌醇磷脂信使系统（一）IP3和DG信使的发现1953年Hokins发现，外界刺激可以加速膜磷脂的代谢活动。Ach等促分泌的物质促进胰腺分泌淀粉的同时，还伴随有膜磷脂代谢周转率的加快。2.进一步的研究证实代谢改变的是肌醇磷脂3.80年代初，Streb和Berridge等人把经过透析处理的胰腺细胞放在低钙介质中保温，当加入IP3时，Ca2+从胞内Ca2+库中释放出来。4