马昌杯 第19章 细胞信号转导的分子机制 2014-11-26

第十九章细胞信号转导CellularSignalTransduction1细胞通讯（cellcommunication）是体内一部分细胞发出信号，另一部分细胞（targetcell）接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程。信号转导（signaltransduction）细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程。细胞间信息传递的几个概念2细胞识别（cellrecognition）指细胞与细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，从而引起细胞反应的现象34第一节

细胞信号转导概述5第二节

细胞内信号转导分子第三节

细胞受体介导的细胞内信号转导第五节

细胞信号转导异常与疾病第四节

信号转导的基本规律和复杂性

细胞应答反应细胞外信号受体细胞内多种分子的浓度、活性、位置变化细胞信号转导的基本路线6

可溶型一、细胞外化学信号有可溶型和膜结合型两种形式7（一）可溶型信号分子作为游离分子在细胞间传递

可溶型信号分子可根据其溶解特性分为

脂溶性化学信号和水溶性化学信号两大类神经分泌内分泌自分泌及旁分泌化学信号的名称神经递质激素细胞因子作用距离nmmmm受体位置膜受体膜或胞内受体膜受体举例乙酰胆碱谷氨酸胰岛素生长激素表皮生长因子神经生长因子可溶型信号分子的分类8根据体内化学信号分子作用距离，将其分为三类：9膜结合型（二）膜结合型信号分子需要细胞间接触才能传递信号

当细胞通过膜表面分子发出信号时，相应的分子即为膜结合型信号分子，亦称为配体，而在靶细胞表面与之特异性结合的分子（受体），则通过这种分子间的相互作用而接收信号，并将信号传入靶细胞内。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯。二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号1.受体（receptor）：细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的蛋白质分子，个别糖脂也具有受体作用。2.配体：

能够与受体特异性结合的分子称为配体。可溶性和膜结合型信号分子都是常见的配体。10（一）受体有细胞内受体和膜受体两种类型膜受体胞内受体

11水溶性和脂溶性化学信号的转导12（二）受体结合配体并转换信号受体识别并与配体结合，是细胞接收外源信号的第一步反应。受体有两个方面的作用：一是识别外源信号分子并与之结合；二是转换配体信号。1、细胞内受体能够直接传递信号或通过特定的通路传递信号2、膜受体识别细胞外信号分子并转换信号（三）受体与配体结合的特性：配体-受体结合曲线高度专一性（特异性）高度亲和力（信息分子浓度<10-8mol/L）可饱和性可逆性（非共价的）特定的作用模式13第二节细胞内信号转导分子IntracellularSignalMolecules14细胞内信号转导分子分为三大类：一、小分子第二信使：cAMP,cGMP,DAG,IP3,PIP2,Ca2+等）二、酶：腺苷酸环化酶，磷脂酶C，蛋白激酶等三、调节蛋白：G蛋白15受体及信号转导分子传递信号的基本方式：①改变细胞内各种信号转导分子的构象(conformation)②改变信号转导分子的细胞内定位(localization)③促进各种信号转导分子复合物的形成或解聚(formationordepolymerization)④改变小分子信使的细胞内浓度或分布(concentrationordistribution)1617一、第二信使结合并激活下游信号转导分子

1、上游信号转导分子使第二信使的浓度升高或分布变化

2、小分子信使浓度可迅速降低

3、小分子信使激活下游信号转导分子（一）小分子信使传递信号具有相似的特点

1.cAMP和cGMP的上游信号转导分子是相应的核苷酸环化酶鸟苷酸环化酶(二）环核苷酸是重要的细胞内第二信使--cAMP和cGMP18（adenylatecyclase，AC）（guanylatecyclase，GC）胞浆可溶型1．核苷酸环化酶催化cAMP和cGMP生成

19（膜结合的糖蛋白）2．磷酸二酯酶催化环核苷酸水解细胞内有水解cAMP和cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）；PDE对cAMP和cGMP的水解具有相对特异性；如，PDE2可水解cGMP和cAMP，cAMP特异性PDE有PDE3和PDE4。201）蛋白激酶A是cAMP的靶分子cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP-dependentproteinkinase，cAPK），即蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）。PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子。3．环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性21底物(酶或蛋白质)名称受调节的通路糖原合酶糖原合成磷酸化酶b激酶糖原分解丙酮酸脱氢酶丙酮酸→乙酰辅酶A激素敏感脂酶甘油三脂分解和脂肪酸氧化酪氨酸羟化酶多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素合成组蛋白H1、组蛋白H2BDNA聚集蛋白磷酸酶1抑制因子1蛋白去磷酸化转录因子CREB转录调控PKA底物举例22234分子cAMP2）蛋白激酶G是cGMP的靶分子cGMP作用于cGMP依赖性蛋白激酶（cGMP-dependentproteinkinase，cGPK），即蛋白激酶G（proteinkinaseG，PKG）。4．蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子一些离子通道也可以直接受cAMP或cGMP的别构调节。24（三）脂类也可衍生出胞内第二信使具有第二信使特征的脂类衍生物:二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG）花生四烯酸（arachidonicacid，AA）磷脂酸（phosphatidicacid，PA）溶血磷脂酸（lysophosphatidicacid，LPA）4-磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate，PIP）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-diphosphate，PIP2)肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）25

1.磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化生成第二信使磷脂酶（phospholipase，PL），最重要的是磷脂酶C（PLC）磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositolkinases,PIKs），最重要的是磷脂酰肌醇-3激酶（PI-3K）

26磷脂酶C催化DAG和IP3的生成27磷脂酶C磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸PI-3激酶催化各种磷脂酰肌醇磷酸化PIPIPPIP2

PI-3-PPI-3,4-P2PI-3,4,5-P3

磷脂酰肌醇-3激酶（PI-3K）

28

2．脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子IP3的靶分子是内质网或肌质网上钙离子通道，促使细胞内Ca2+释放DAG（需要Ca2+）的靶分子是蛋白激酶C(PKC)在Ca2+协同下激活PKC29（四）钙离子可以激活信号转导相关的酶类1．钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征

30细胞外液游离钙浓度高（1.12~1.23mmol/L）；细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离Ca2+的含量极少（基础浓度只有0.01~0.1umol/L）。导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种：一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流；二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。

胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵（Ca2+-ATP酶）返回细胞外或胞内钙库，以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。312.钙离子的下游信号转导分子是钙调蛋白钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细胞内Ca2+的受体。CaMCaMCa2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

CaM被激活后，作用于Ca2+/CaM-依赖性蛋白激酶（CaM-K）。32（四）NO的信使功能与cGMP相关NO合酶(nitricoxidesynthase)介导NO生成

NO合酶

胍氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NO＋33NO在很多组织、系统发挥生理或病理作用。NO作用酶和蛋白质激活抑制激活或抑制ADP-核糖转移酶，可溶性鸟苷酸环化酶,环氧化酶细胞色素，顺乌头酸酶，质子ATP酶，运铁蛋白，核糖核苷酸还原酶，脂加氧酶氨基的亚硝基化，巯基的亚硝基化受NO激活和抑制的酶和蛋白质34NO激活GC，cGMP水平升高，激活PKG，使靶蛋白磷酸化，引起肌松弛除了NO以外，一氧化碳（carbonmonoxide，CO）、硫化氢（sulfuretedhydrogen，H2S）的第二信使作用近年来也得到证实。35-OHThrSerTyr酶或蛋白质H2OPi蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶或蛋白质（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子1、蛋白质可逆磷酸化是控制信号转导分子的最主要方式二、许多酶可通过其催化的反应而传递信号362、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶蛋白激酶是催化ATPγ-磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶。

激酶磷酸基团的受体蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白组/赖/精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶丝氨酸/苏氨酸羟基酪氨酸的酚羟基咪唑环，胍基，ε-氨基巯基酰基蛋白激酶的分类373、蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号蛋白质磷酸（酯）酶(phosphatidase)催化磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同构成了蛋白质活性的开关系统。无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是正调节还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号。38（二）MAPK级联激活是多种信号通路的中心丝裂原活化蛋白激酶（激活，逐级磷酸化）（mitogen-activatedproteinkinase,MAPK）*丝/苏蛋白激酶*受细胞外刺激激活*在所有真核细胞中高度保守*通路组成——三级激酶模式*调节多种重要的细胞生理/病理过程生物学效应细胞增殖、分化和凋亡39（三）蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号蛋白质酪氨酸激酶（ProteinTyrosinekinase，PTK）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。受体型PTK：生长因子类受体属于PTK

非受体型PTK：细胞内蛋白质信号转导分子40受体型PTK

41（一）G蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路的开关G蛋白主要有两大类：异源三聚体G蛋白鸟苷酸结合蛋白简称G蛋白（guaninenucleotidebindingprotein）低分子质量G蛋白小G蛋白典型代表RasGGDPG

GDP

42三、信号转导蛋白通过蛋白质相互作用传递信号GGTPGGDP

非活化形式，相应信号途径关闭

活化形式，相应信号途径开放G蛋白有两种形式，可以互变：激活机制失活机制431.介导七跨膜受体信号转导的异源三聚体G蛋白位于细胞质膜的胞浆侧异源三聚体G蛋白：*αβγ三聚体形式*α亚基有鸟苷酸结合位点*α亚基具有GTP酶活性442.重要的信号转导分子--低分子质量G蛋白Ras蛋白是第一个被发现的小G蛋白，因此这类蛋白质被称为Ras家族，因为它们均由一个GTP酶结构域构成，故又称Ras样GTP酶。GTPGDPRasRasSOSGAPonoffGTP酶活化蛋白：降低活性

鸟苷酸释放因子：增强活性Ras的活化及其调控因子451994年诺贝尔生理医学奖“G蛋白的发现”AlfredGilman（1941-）MartinRodbell(1925-1998)46蛋白激酶BtkPHTHSH3SH2催化区衔接蛋白Grb2SH3SH2SH3转录因子statDNA结合区SH2TA细胞骨架蛋白tensin//SH2PTB1、蛋白质相互作用结构域的分布和作用47蛋白质相互作用结构域特点：（1）可含两种以上结构域（2）同一结构域可存在不同分子中（3）为非催化结构域（二）衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络衔接蛋白

Grb2SH3SH2SH32、衔接蛋白连接信号转导分子3、支架蛋白保证特异和高效的信号转导接头分子，连接上游信号转导分子与下游信号转导分子48第三节细胞受体介导的细胞内信号转导SignalTransductionPathwaysMediatedbyDifferentReceptors49离子通道受体七跨膜受体（G-蛋白偶联受体）单跨膜受体（酶偶联受体）

细胞内受体细胞膜受体受体50离子通道型受体（环状受体）G蛋白偶联受体（七跨膜受体）PTK受体（单次跨膜受体）胞内受体51特性离子通道受体

G-蛋白偶联受体单次跨膜受体内源性配体神经递质神经递质、激素、趋化因子、外源刺激（味，光）生长因子细胞因子结构寡聚体形成的孔道单体具有或不具有催化活性的单体跨膜区段数目4个7个1个功能离子通道激活G蛋白激活蛋白酪氨酸激酶细胞应答去极化与超极化去极化与超极化调节蛋白质功能和表达水平调节蛋白质的功能和表达水平，调节细胞分化和增殖三种膜受体的结构和功能特点52一、细胞内受体通过分子迁移传送信号能与受体结合的信息物质：类固醇激素、甲状腺素、维甲酸、维生素D等细胞内受体结构及作用机制示意图（4个区域）53乙酰胆碱受体功能模式图（三种构象）信号转导