《细胞生物学》-细胞10章 信号转导2

Chapter10Signaltransduction

第三节G蛋白偶联受体介导的信号转导一、G蛋白偶联受体的结构与激活二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路一、G蛋白偶联受体的结构与激活（1）大G蛋白：大G蛋白是三聚体G蛋白的简称，由Gα、Gβ和Gγ3种亚基组成，其中Gα亚基具有GTPase活性，作为分子开关，Gβ和Gγ亚基以二聚体形式存在，Gα和Gβγ亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上。Gα、Gβ和Gγ各有27种、5种和13种。大G蛋白的作用：①当配体与受体结合时，受体与大G蛋白（偶联）结合，发生GTP与GDP交换，导致大G蛋白解离，游离出来的Gα·GTP结合并激活效应器蛋白，从而传递信号；当Gα·GTP水解成Gα·GDP时，则处于失活的关闭状态，终止信号传递并导致大G蛋白的重新装配，恢复系统进入静息状态。②在有些信号途径中，效应器蛋白是离子通道，其活性受游离的Gβγ亚基激活与调节。与G蛋白偶联受体相联系的效应蛋白的激活机制哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器一、G蛋白偶联受体的结构与激活（2）G蛋白偶联受体（Gproteincoupledreceptor，GPCR）：

G蛋白偶联受体都含有7次疏水跨膜α螺旋段，N端在细胞外侧，C端在细胞胞质侧。其中胞外环状结构域（E4环）结合胞外信号（配体）；跨膜螺旋5（H5）和螺旋6（H6）之间的胞内环状结构域（C3环）对于受体与G蛋白之间的相互作用具有重要作用。随堂练习1.G蛋白偶联的受体的N端结合G蛋白，C端结合胞外信号。（）1.G蛋白偶联的受体的N端结合G蛋白,C端结合胞外信号。()正确A错误B提交单选题10分受体活化G蛋白：与受体偶联的大G蛋白作为“活化”与“失活”转换的分子开关而起作用。推测配体与受体的E4环结合会引起H5和H6螺旋的彼此相对移动，结果导致C3环构象改变，从而容许结合并激活Gα亚基。G蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答：包括多种对蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物等配体识别与结合的受体，以及哺乳类嗅觉、味觉受体和视觉的光激活受体（视紫红质）。二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路

G蛋白偶联受体分为三类（1）激活离子通道（2）激活或抑制腺苷酸环化酶，第二信使为cAMP（3）激活磷脂酶C，以IP3和DAG为双信使

（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路1.心肌细胞上M型-乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道

Ach→M型Ach受体→Gi蛋白（GiαGβγ）→Gβγ→K+通道→K+外流→超极化→减缓心肌细胞的收缩频率心肌细胞上M型乙酰胆碱受体的活化与效应器K+通道开启的工作模型随堂练习2.心肌细胞上M乙酰胆碱受体通过G蛋白引发Gα亚基激活并与Gβᵧ解离，释放的Gβᵧ亚基结合并打开钾离子通道。（）2.心肌细胞上M乙酰胆碱受体通过G蛋白引发Gα亚基激活并与Gβᵧ解离,释放的Gβᵧ亚基结合并打开钾离子通道。()正确A错误B提交单选题10分2.光受体活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭

人类视杆细胞含有大约4х107个视紫红质分子，组成7次跨膜的视蛋白（opsin）与光吸收色素共价连接光→视紫红质（感受弱光刺激）→Gt蛋白（传导素）（GtαGβγ）→Gtα→cGMP-PDE（磷酸二酯酶）抑制性γ亚基→cGMP-PDE（α/β）→破坏cGMP（水解）→cGMP门控阳离子通道关闭→膜瞬间超极化→视神经→脑视杆细胞中Gt蛋白偶联的光受体诱导的

阳离子通道的关闭（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体G蛋白：刺激性G蛋白（Gs）；抑制性G蛋白（Gi）受体：刺激性激素的受体（Rs）；抑制性激素的受体（Ri）腺苷酸环化酶（AC)腺苷酸环化酶（AC）：12次跨膜蛋白，含2个胞质侧催化结构域，2个膜整合结构域（每个含6个跨膜α螺旋）。AC催化cAMP的生成。cAMP磷酸二酯酶（cAMP-PDE）：水解cAMP的磷酸二酯酶A：哺乳动物腺苷酸环化酶的结构示意图B：包含牛Gsα亚基、狗Ⅴ型腺苷酸环化酶和鼠Ⅱ型腺苷酸环化酶催化结构域的重组三维结构蛋白激酶A（PKA）：cAMP

激活型蛋白激酶，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族无活性时，2个调节亚基和2个催化亚基（R2C2）；有活性时（依赖cAMP

与R亚基结合而释放出C亚基），仅2个催化亚基（C2）。cAMP与R亚基是以协同方式结合的，即第一个cAMP的结合会促进第二个cAMP的结合，因此胞内cAMP水平的很小变化就能导致PKA的C亚基快速释放而活化。几个重要结论：（1）通过激素引发的某些抑制物的解离导致酶的迅速活化是各种信号通路的普遍特征；（2）虽然许多激素刺激G蛋白偶联受体导致PKA的激活，但是细胞应答反应可能只依赖于细胞表达的特殊PKA异构体和PKA底物；（3）虽然PKA在不同类型的细胞中作用于不同底物，但PKA总是磷酸化相同序列的基序：X-R-R/K-X-S/T-Φ。cAMP-PKA信号对肝和肌细胞糖原代谢的调节PKA：蛋白激酶A;PP：磷蛋白磷酸酶；GPK：糖原磷酸化酶激酶；GP：糖原磷酸化酶GS：糖原合酶；IP：磷蛋白磷酸酶抑制蛋白；G-1-P：葡糖-1-磷酸cAMP-PKA信号通路对基因转录的激活激素→GPCR→Gs蛋白（Gsα）→AC→cAMP

→PKA→C2

→CREB（基因调控蛋白）

→CREB-CBP→CRE→靶基因转录霍乱毒素对G蛋白的特殊作用：霍乱毒素具有ADP-核糖转移酶活性，进入细胞催化胞内的NAD+中的ADP-核糖基共价结合在Gsα亚基上，结果使Gsα亚基丧失GTPase活性，导致Gsα亚基被“锁定”在持续活化状态并不断地激活AC，cAMP增加100倍以上，致使细胞大量Na+和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。

百日咳毒素对G蛋白的特殊作用

百日咳毒素催化Giα亚基ADP-核糖基化，结果阻止与Giα亚基结合的GDP的释放，使Giα亚基被“锁定”在非活化状态，导致气管上皮细胞内cAMP水平升高，促使液体、电解质和黏液分泌减少。为什么不同的信号（配体）通过类似的机制会引发多种不同的细胞反应？

1、受体本身的多样性

2、G蛋白的多样性

3、靶酶的多样性随堂练习3在cAMP信号通路中，（）直接激活基因控制蛋白自磷酸化。A.cAMPB.活化的G蛋白亚基C.活化的PKAD.活化的腺苷酸环化酶3在cAMP信号通路中,()直接激活基因控制蛋白自磷酸化。cAMPA活化的G蛋白亚基B活化的PKAC活化的腺苷酸环化酶D提交单选题10分随堂练习4（）可降解cAMP生成5’AMP，导致细胞内cAMP水平下降A.环腺苷磷酸二酯酶（PDE）B.ADP核糖转移酶C.腺苷酸环化酶D.PKA4()可降解cAMP生成5’AMP,导致细胞内cAMP水平下降环腺苷磷酸二酯酶(PDE)AADP核糖转移酶B腺苷酸环化酶CPKAD提交单选题10分随堂练习5.霍乱毒素干扰细胞内信号转导过程最直接环节是（）A.刺激Gs生成B.使Gsα处于不可逆激活状态C.使Gsα处于不可逆失活状态D.cAMP生成增加5.霍乱毒素干扰细胞内信号转导过程最直接环节是()刺激Gs生成A使Gsα处于不可逆激活状态B使Gsα处于不可逆失活状态CcAMP生成增加D提交单选题10分第四节酶联受体介导的信号转导

酶联受体又称催化性受体，当胞外配体与受体的胞外部分结合时即激活受体胞内结构域的酶活性，这类受体至少包括5类：①受体酪氨酸激酶；②受体丝氨酸/苏氨酸激酶；③受体酪氨酸磷酸酯酶；④受体鸟苷酸环化酶；⑤酪氨酸蛋白激酶联受体。一、RTK-Ras蛋白信号通路二、PI3K-PKB(Akt)信号通路三、TGF-β-Smad信号通路四、JKA-STAT信号通路一、RTK-Ras蛋白信号通路受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinase，RTK）：所有RTK的N端位于细胞外，是配体结合域，C端位于细胞内，具有酪氨酸激酶结构域，并具有自磷酸化位点，因此RTK是能将自身或胞质中底物上的酪氨酸残基磷酸化的细胞表面受体。RTK的胞外配体：通常是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，如多种生长因子、胰岛素和胰岛素样生长因子。RTK主要功能：调节细胞的生长、发育、增殖、分化、存活和凋亡，以及细胞代谢的调节与校正作用；另有一个亚族（Eph）的主要功能是刺激血管发生和指导细胞及轴突迁移。受体酪氨酸激酶（RTK）的7个亚族EGF：表皮生长因子；IGF-1：胰岛素样生长因子；

NGF：神经生长因子；PDGF：血小板衍生生长因子；

M-CSF：巨噬细胞集落刺激因子；FGF：成纤维细胞生长因子；

VEGF：血管内皮生长因子；Eph：肝配蛋白。RTK的二聚化：二聚化是一次跨膜的酶联受体被激活的普遍机制。活化的RTK通过磷酸酪氨酸残基可以结合多种细胞质中带有SH2结构域的蛋白：

①接头蛋白：如GRB2（生长因子受体结合蛋白2）本身虽不具酶活性，也没有传递信号的性质，但其作用是偶联活化受体与其它信号蛋白，参与构成细胞内信号转导复合物；

②在信号通路中有关的酶：如GAP（GTP酶活化蛋白）、PLCγ（磷脂酶Cγ）、PI3K（3-磷脂酰肌醇激酶）、SyP（蛋白磷酸酯酶）以及Src类的非RTK等。

这2类RTK结合蛋白都具有2个高度保守而无催化活性的结构域即SH2和SH3。

SH2选择性结合不同位点的磷酸酪氨酸残基，SH3选择性结合不同的富含Pro的基序。配体结合所诱导的RTK的二聚化与自磷酸化Ras蛋白（ratsarcoma；大鼠肉瘤）

：小G蛋白家族成员，分布于质膜胞质一侧，属于分子开关蛋白，在信号从细胞表面受体传递到细胞核内的过程中发挥重要作用。Ras蛋白GTP-GDP转换机制：GEF（鸟苷酸交换因子）使Ras蛋白活化（开启）；GAP（GTP酶活化蛋白）使Ras蛋白失活（关闭）。活化的RTK激活Ras蛋白：即GRB2作为一种接头蛋白既与活化RTK上特异磷酸酪氨酸残基结合又与胞质蛋白鸟苷酸交换因子Sos结合，Sos与Ras

结合导致Ras

被活化。Ras-MAPK磷酸化级联反应：（1）Raf（MAPKKK）：Raf又称促分裂原活化蛋白激酶激酶的激酶，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。（2）Mek（MAPKK）：Mek又称促分裂原活化蛋白激酶的激酶，属于苏氨酸/酪氨酸蛋白激酶。（3）Erk（MAPK）：Erk又称促分裂原活化的蛋白激酶，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。RTK-Ras-MAPK信号通路：

配体→RTK→GRB2→Sos→Ras→Raf（MAPKKK）→Mek（MAPKK）→Erk（MAPK）→进入细胞核→其它激酶或转录因子→改变靶蛋白活性或改变基因表达通过PKC激活的靶酶可能是Raf，也可能是不同的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。Ras蛋白处于活化状态的时间很短，大约30分钟，其内在的GTP酶活性很快使其恢复到非活性状态。Ras信号转导的解除主要通过特异磷酸酶将被磷酸化激活的激酶中的磷酸基团除去。Ras信号转导途径与细胞的生长分裂有相当大的关系，并且与细胞的癌变密切相关。已经发现参与Ras信号转导的许多蛋白或酶与癌发生有关，有些参与癌基因的诱导表达。在Ras途径中，只要是与癌基因诱导表达有关的蛋白的突变，都会导致癌变。如Ras蛋白发生了变异，其构象随之改变，造成GAP不能识别和激活Ras蛋白的GTP酶活性，因此癌细胞中Ras蛋白既可与GTP结合，也可与GDP结合，这在总体上改变了细胞生长状况，使之异常增殖。随堂练习6.表皮生长因子EGF的跨膜信号转导是通过以下哪种方式实现的（）A.抑制酪氨酸激酶B.活化腺苷酸环化酶C.活化磷酸二酯酶D.活化酪氨酸激酶6.表皮生长因子EGF的跨膜信号转导是通过以下哪种方式实现的()抑制酪氨酸激酶A活化腺苷酸环化酶B活化磷酸二酯酶C活化酪氨酸激酶D提交单选题10分第六节细胞信号转导的整合与控制

细胞的信号转导是多通路、多环节、多层次和高度复杂的可控的动态过程。细胞对信号的适当反应依赖于靶细胞对多种信号整合以及对信号的有效控制。一、细胞的应答反应特征二、蛋白激酶的网络整合信息三、信号的控制：受体的脱敏与下调一、细胞的应答反应特征

细胞对信号的应答反应具有发散或收敛的特征，对特定胞外信号产生多样性细胞反应的机制通常有3种情况：（1）细胞外信号的强度或持续时间的不同控制反应的性质：如与NGF相比，EGF只有延长刺激时间才可激活RTK-Ras-MAPK信号通路；（2）在不同细胞中，相同受体因不同的胞内信号蛋白可引发不同的下游通路：如RTK受体介导的下游通路具有细胞类型特异性，有一种排卵作用依赖于该途径产生的IP3-Ca2+；（3）细胞通过整合不同通路的输入信号调节细胞对信号的反应（收敛与发散）：GPCR、RTK和整联蛋白都可收敛到Ras-MAPK信号通路；Epo受体激活Jak激酶也可引发多种发散的信号途径（图9-33）。细胞表面受体介导的信号通路在细胞内的收敛性二、蛋白激酶的网络整合信息“交叉对话（crosstalk）”：细胞是一个复杂的信号网络系统，各信号通路之间存在交互关系，称之为“交叉对话”。根据已有事实发现：通过蛋白激酶的网络整合信息调控复杂的细胞行为是不同信号通路之间实现“交叉对话”的一种重要方式。比较从细胞表面到细胞内的5条平行主要信号通路不难发现：（1）PLC在GPCR和RTK两条信号途径中起中介作用；（2）尽管5条信号通路彼此不同，但由蛋白激酶形成的整合信息网络原则上可调节细胞任何特定的过程；（3）事实上，细胞信号网络的复杂性远比我们所了解的情况多得多：首先，还有许多信号途径被忽略；其次，对主要途径的相互作用还有其它“交叉对话”没有述及。由两类受体介导的细胞内平行的信号通路与它们之间的网络关系随堂练习7.实现信号转导网络整合的最重要途径是以下哪种调节方式（）A.通过G蛋白调节B.通过可逆性磷酸化调节C.通过配体调节D.通过受体数量调节7.实现信号转导网络整合的最重要途径是以下哪种调节方式()通过G蛋白调节A通过可逆性磷酸化调节B通过配体调节C通过受体数量调节D提交单选题10分三、信号的控制：受体的脱敏与下调

在信号控制机制中，信号的解除与终止和信号的刺激与启动对于确保靶细胞对信号的适度反应来说同等重要。适应（adaptation）：适应即受体脱敏，指在信号浓度过高或细胞长时间暴露于某一种信号刺激下，细胞会以不同的机制使受体脱敏（适应）。受体磷酸化引发靶细胞对信号刺激的脱敏机制是GPCR在高配体水平条件下引发脱敏反应的普遍机制，导致受体磷酸化的激酶包括PKA、PKC和GRK（GPCR激酶）。β-arrestin：不仅与磷酸化的受体结合，而且作为接头蛋白与网格蛋白和衔接蛋白结合，介导细胞内吞作用；另外还通过结合并激活几种胞质蛋白激酶参与信号转导功能。三、信号的控制：受体的脱敏与下调细胞可以校正对信号的敏感性，靶细胞对信号分子的脱敏机制有5中不同方式：（1）受体没收：细胞通过配体依赖性的受体介导的内吞作用暂时减少细胞表面可利用受体的数量，这是细胞对多种肽类或其它激素受体发生脱敏反应的一种基本途径；另外细胞通过批量膜流的慢内化也可达此目的；（2）受体下调：配体-受体复合物内吞后均被降解；（3）受体失活：受体磷酸化后被胞质抑制蛋白β-arrestin结合而失活；（4）信号蛋白失活：细胞对信号反应脱敏因细胞内信号蛋白发生改变；（5）抑制性蛋白产生：在下游反应中产生抑制性蛋白形成负反馈。GPCR磷酸化（脱敏）示意图GRK：GPCR激酶本章概要（一）多细胞生物是一个有序而可控的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢，更有赖于细胞间通讯与信号调控，从而以不同的方式协调细胞的行为。细胞通讯可概括为三种方式：（1）细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯，这是多细胞生物普遍采用的通讯方式；（2）细胞间接触性依赖的通讯；（3）动物细胞间通过间隙连接、植物细胞间通过胞间连丝，通过交换小分子实现通讯。信号分子是细胞的信息载体，根据信号分子的化学性质，信号分子可分为三类：气体性信号分子、疏水性信号分子和亲水性信号分子。受体是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，多为糖蛋白。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体区分为细胞内受体和细胞表面受体。细胞内受体超家族（intracellularreceptorsuperfamily）的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白。细胞表面受体主要识别和结合亲水性信号分子，包括分泌型信号分子或膜结合型信号分子。根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体按其功能分属三大家族：（1）离子通道偶联受体；（2）G蛋白偶联受体；（3）酶连受体。受体结合特异性配体后而被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，引发2种主要的细胞反应：一是细胞内存量蛋白活性或功能的改变，进而影响细胞功能和代谢（短期反应）；二是影响细胞内特殊蛋白的表达量，最常见的方式是通过转录因子的修饰激活或抑制基因表达（长期反应）。本章概要（二）细胞信号转导系统是由细胞内多种行使不同功能的信号蛋白所组成的信号传递链，具有可调控的动态特征，涉及细胞内信号蛋白复合物的装配。细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域（modularbindingdomains）所特异性介导的。在细胞信号转导过程中，有两类进化上保守的胞内蛋白在引发信号转导级联反应中起着分子开关（molecularswitches）的作用。一类是GTPase开关蛋白构成细胞内GTPase超家族，另一类是通过蛋白激酶（proteinkinase）使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸水解酶（proteinphosphatase）使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性。G蛋白偶联受体（GPCR）是细胞表面非常重要的一类七次跨膜受体，与受体偶联的三聚体G蛋白作为“活化”与“失活”转换的分子开关而起作用，根据G蛋白偶联受体在质膜上的效应蛋白的不同又可分为3类：（1）调节离子通道的G蛋白偶联的受体（GPCR），如心肌细胞的乙酰胆碱受体，其效应蛋白是K+通道；（2）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联的受体（GPCR），细胞内第二信使为cAMP；（3）激活磷酸脂酶C的G蛋白偶联的受体（GPCR），细胞内第二信使包括IP3、Ca2+、DAG。第二信使（secondmessenger）是指在胞内产生的非蛋白类小分子，其浓度变化（增加或减少）应答胞外信号与细胞表面受体的结合，调节细胞内酶和非酶蛋白的活性，从