大学分子细胞学第6章 信号传导

第6章细胞信号转导内容提要

一.细胞通讯与信号识别二.通过细胞内受体介导的信号传递(重点和难点)三.通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递(重点和难点)四.由细胞表面整联蛋白介导的信号传递(难点)五.细胞信号传递的基本特征与蛋白质激酶的网络整合信息第一节细胞通讯

cellcommunication生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。一、细胞通讯

cellcommunication(一)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。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称为信号转导（signaltransduction）。多种细胞外信号引起动物细胞的应答

细胞通讯的功能:多细胞生物体的发生和组织的构建,协调细胞的功能,控制细胞的生长和分裂.细胞通讯的主要类型细胞通讯的方式及引起的某些反应

三种主要方式：细胞间隙连接、细胞间接触依赖性通讯、化学通讯。（1）细胞间隙连接两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象（电紧张突触）。（2）细胞间接触依赖性通讯即细胞识别（cellrecognition）。如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。（3）化学通讯细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，按作用方式可分为4类?(1)内分泌（endocrine）：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：①低浓度10-8-10-12M，②全身性，③长时效。(2)旁分泌（paracrine）：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：①各类细胞因子（如表皮生长因子）；②气体信号分子（如：NO）。(3)突触信号：神经递质经突触作用于特定的靶细胞。(4)自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。(二)、细胞的信号分子与受体1.细胞的信号分子(分亲脂性和亲水性两类)种类：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物。特点：①特异性；②高效性；③可被灭活。三种不同类型的信号分子及其信号传导方式

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，所以这类信号分子又称为第一信使（primarymessenger）。2、受体（receptor）能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。如整联蛋白.受体的特征：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。根据存在部位分为：细胞内受体（intracellularreceptor）、细胞表面受体（cellsurfacereceptor）。细胞表面受体与细胞内受体

细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。(受体与配体间不是一对一的关系)有时相同的信号可产生不同的效应，如乙酰胆碱可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。(信号放大效应)有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。(信号增强)相同的信号分子在不同的靶细胞中引起不同的应答

2、第二信使与分子开关1957年，E.Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，这些激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclicAMP，cAMP），从而提出了cAMP是激素在细胞内的第二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。第一信使：细胞外信号分子。第二信使（secondarymessenger）：胞外信号分子与受体作用后在胞内最早产生的信号分子。第二信使的产生及作用

第二信使的作用：信号转换、信号放大。对cAMP的研究及第二信使的提出获得1971年诺贝尔医学和生理学奖.细胞内五种第二信使的结构

主要的第二信使：cAMP、cGMP、IP3、DAG、Ca2+cAMP和cGMP的结构及其代谢GTPase开关蛋白GTP酶GTP酶GTP活化失活GDPGAPRASGDIGTPGDPGEF靶蛋白的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白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二、信号转导系统及其特征

第二节胞内受体介导的信号传导细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白细胞内受体的结构:位于C端的激素结合位点位于中部的DNA或HSP90结合位点位于N端的转录激活结构域。一、细胞内核受体及其基因表达的调节位于细胞内的受体多为转录因子，与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。该型受体结合的信息物质有类固醇激素、甲状腺素、维甲酸、维生素D等，它们进入细胞后，有些可与其位于细胞核内的受体相结合形成激素-受体复合物，有些则先与其在细胞质内的受体相结合，然后以激素-受体复合物的形式穿过核孔进入核内。核受体结构及作用机制示意图1、甾类激素信号分子甾类激素分子相对质量为300Da左右，这类激素通常表现为影响细胞分化等长期的生物学效应。甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：

①直接活化少数基因转录的初级反应阶段，发生迅速。②初级反应的基因产物再活化其他基因，产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。多数位于细胞核内,个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，生成NO和L-瓜氨酸。2、NO信号分子

(硝酸甘油治疗心绞痛)

NO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶、ADP-核糖转移酶和环氧化酶完成。NO与可溶性鸟苷酸环化酶分子中的血红素铁结合生成的cGMP引起鸟苷酸环化酶构象改变.酶活性增高cGMP作为第二信使，产生生理效应GTPNO在导致血管平滑肌舒张中的作用膜表面受体介导的信号转导离子通道耦联受体G-蛋白耦联受体酶连受体细胞内受体细胞膜受体受体特性离子通道受体G-蛋白偶联受体酶连受体

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特点离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，它们的开放或关闭直接受化学配体的控制，被称为配体-门控受体通道（ligand-gatedreceptorchannel）。配体主要为神经递质。又称作递质门控离子通道。第一节离子通道型受体离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位改变，即通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞功能的。离子通道型受体可以是阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；也可以是阴离子通道，如甘氨酸和γ-氨基丁酸的受体。乙酰胆碱受体的结构与其功能离子通道偶联受体与信号传导第二节G蛋白耦联型受体及信号转导

G蛋白偶联受体（GPCR）得名于这类受体的细胞内部分总是与异源三聚体G蛋白结合，受体信号转导的第一步反应都是活化G蛋白。GPCR是七次跨膜受体（serpentinereceptor）受体结构的特点：*受体的N端可有不同的糖基化。*受体内有一些高度保守的半胱氨酸残基，对维持受体的结构起到关键作用。*胞内的第二和第三个环能与G-蛋白相偶联。*C-末端的高度保守的Cys残基在肾上腺素能α受体、肾上腺素能β受体和视紫质受体中可被棕榈酰化，可稳定受体胞内部分的三级结构。*受体的C-末端和胞内第三环含有多个Thr和Ser残基可被磷酸化，与抑制蛋白——β-视紫红质抑制蛋白（arrestin）结合，使受体不能再活化G蛋白而失活。受体结构的特点：鸟苷酸结合蛋白（guaninenucleotidebindingprotein，Gprotein）简称G蛋白，亦称GTP结合蛋白，是一类信号转导分子，在各种细胞信号转导途径中转导信号给不同的效应蛋白。G蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路的开关G蛋白结合的核苷酸为GTP时为活化形式，作用于下游分子使相应信号途径开放；当结合的GTP水解为GDP时则回到非活化状态，使信号途径关闭。（一）G蛋白1.异源三聚体G蛋白：与7次跨膜受体结合，以α亚基（Gα）和β、γ亚基(Gβγ)三聚体的形式存在于细胞质膜内侧。2.低分子量G蛋白（21kD）G蛋白类型：α亚基（Gα）β、γ亚基(Gβγ)具有多个功能位点α亚基具有GTP酶活性与受体结合并受其活化调节的部位；βγ亚基结合部位；GDP/GTP结合部位；与下游效应分子相互作用部位；主要作用是与α亚基形成复合体并定位于质膜内侧；在哺乳细胞，βγ亚基也可直接调节某些效应蛋白。1.异源三聚体G蛋白：两种G蛋白的活性型和非活性型的互变目录RＲHACγαβGDPαGTPβγ腺苷酸环化酶ACATPcAMPG蛋白通过G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptors，GPCRs）与各种下游效应分子，如离子通道、腺苷酸环化酶、PLC联系，调节各种细胞功能。

重要的信号转导分子-----

低分子质量G蛋白低分子量G蛋白（21kD），它们在多种细胞信号转导途径中亦具有开关作用。Ras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。在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小G蛋白活性：增强其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸交换因子（guaninenucleotideexchangefactor，GEF）和鸟苷酸释放蛋白（guaninenucleotidereleaseprotein，GNRP）；降低其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸解离抑制因子（guaninenucleotidedissociationinhibitor，GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。GTPGDPRasRasSOSGAPonoffRas的活化及其调控因子二、偶联G蛋白受体的信息传导途径：cAMP信号途径cGMP信号途径

IP3信号途径DAG信号途径Ca2+信号途径

主要信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径（一）、cAMP-蛋白激酶Ａ途径组成胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶(adenylatecyclase，AC)，cAMP，蛋白激酶A(proteinkinaseA，PKA)1.cAMP的合成与分解PPiATPACMg2+cAMP5´-AMP

磷酸二酯酶H2OMg2+cAMPATPACPPiAMPPDEH2O磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)腺苷酸环化酶(adenylatecyclase,AC)2.cAMP的作用机理PKA的激活R调节亚基C催化亚基目录RR（cAMP-dependentproteinkinase，PKA）R：调节亚基C：催化亚基cAMP蛋白激酶AＣＣ3.PKA的作用a对代谢的调节作用通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。磷酸化酶激酶ｂ磷酸化酶激酶ａATP磷酸化酶ｂ磷酸化酶ａATP

PPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶H2OPPi

PKA抑制物Ｉa抑制物Ｉb

ATP磷蛋白磷酸酶PPi肾上腺素对糖原代谢的影响肾上腺素＋受体肾上腺素·受体复合物激活Ｇ蛋白激活ACATPcAMPPKA

目录受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMPresponseelement,CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白

(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。2.对基因表达的调节作用GsACATPcAMPCCRRCC蛋白磷酸化RR2cAMP2cAMPCREBNPiPiPi转录活化域DNA结合域细胞膜核膜ＣＣ结构基因ＣＲＥＢＣＲＥＢ细胞核PiPiＣＲＥＢPiＣＲＥＢPiＣＲＥDNA蛋白质细菌毒素对G蛋白的修饰作用

引起霍乱病患者严重腹泻的原因?霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，使α亚基丧失GTP酶的活性，使GTP不能水解,cAMP酶处于持续活化状态。导致霍乱病患者细胞内Na+和水份持续外流，产生严重腹泻而脱水。引起百日咳患者严重咳嗽的原因?百日咳毒素同样使G蛋白的α亚基ADP核糖化。与霍乱毒素作用机理不同的是，百日咳毒素使Gi蛋白α亚基进行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白α亚基上的GDP被GTP取代，使其失去对腺苷酸环化酶的抑制作用，其结果也是使cAMP的浓度增加。由于百日咳是经呼吸道感染的，被感染的细胞与呼吸系统相关，这些细胞中cAMP浓度的提高，促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。2.cGMP-蛋白激酶G途径受体，鸟苷酸环化酶(guanylatecyclase,GC)，cGMP,蛋白激酶G(proteinkinaseG，PKG)组成cGMP的合成和降解

GTPGＣMg2+PPicGMP磷酸二酯酶H2OCa2+或Mg2+5´-GMP使有关蛋白或酶类的丝、苏氨酸残基磷酸化PKG的功能NOGCPKG

蛋白质磷酸化GCG蛋白GTPcGMP激素R胞膜*生理效应：如心钠素、NO舒张血管平滑肌。（二）、磷脂酰肌醇途径胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（diacylglycerol,DAG）两个第二信使。IP3开启胞内IP3门控钙通道，-Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。IP3-Ca2+DG激活蛋白激酶C（PKC）：DG-PKC1.Ca2+－磷脂依赖性蛋白激酶途径组成胞外信息分子，G蛋白蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)磷脂酶C(phospholipaseC,PLC)甘油二脂(diacylglycerol,DAG)三磷酸肌醇(inositol1,4,5triphosphate,IP3)（1）DAG，IP3的生物合成和功能PIP2PLCDAG+IP３除PLC能特异性地水解PIP2生成DAG外，还可通过下面途径生成DAG。磷脂酰胆碱(PC)磷脂酸(PA)+胆碱DAG磷脂酶D(PLD)DAG，IP3的功能DAG：在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下激活PKCIP3：与内质网和肌浆网上的受体结合，促使细胞内Ca2+释放。（2）PKC的结构与生理功能结构与分型：其氨基酸序列有四个保守区（C1、C2、C3、C4)和可变区（Ｖ），分为调节域和催化域。C1：富含Cys，DAG、TPA结合部位C2：Ca2+结合部位调节域C3：ATP结合部位C4：结合底物并进行磷酸化转移的场所催化域

分类Ca2+

依赖型：，，，Ca2+

非依赖型：、、、、

调节域

催化域C1C2C3C4，，C1C3C4、、、

C3C4C1②调节基因表达PKC对基因的活化分为早期反应和晚期反应。*PKC的生理功能①调节代谢活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝、苏氨酸残基磷酸化。靶蛋白包括：质膜受体、膜蛋白和多种酶。PKC对基因的早期活化和晚期活化目录2.Ca2+－钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径受体、G蛋白、PLC、IP3、Ca2+、钙调蛋白、CaM激酶(Ca2+－CaM激酶途径)钙调蛋白(calmodulin,CaM)有四个Ca2+结合位点。与Ca2+一起激活CaM激酶，磷酸化多种功能蛋白质（丝、苏氨基酸残基）。组成酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白蛋白丝氨酸/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