生化第15章细胞信号转导

第15章细胞信息转导CellularSignalTransduction

目的要求1.掌握受体的概念、分类和特点2.掌握第二信使的分类，产生、水解的酶及靶分子3.掌握G蛋白的分类及特点4.掌握胰高血糖素受体通过AC-cAMP-PKA通路转导信号5.掌握血管紧张素Ⅱ受体通过PLC-IP3/DAG-PKC通路转导信号6.熟悉Ras-MAPK途径是EGFR的主要信号通路第一节细胞信号转导概述TheGeneralInformationofSignalTransduction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一、细胞外化学信号有可溶性和膜结合型两种形式生物体可感受任何物理、化学和生物学刺激信号，但最终通过换能途径将各类信号转换为细胞可直接感受的化学信号（chemicalsignaling）。化学信号可以是可溶性的，也可以是膜结合形式的。（一）化学信号通讯存在从简单到复杂的进化过程化学信号通讯是生物适应环境不断变异、进化的结果。（二）可溶性分子信号作用距离不等化学通讯：细胞间信息交流主要是由细胞分泌的可溶性化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）完成的。根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为三类：①内分泌（endocrine）:激素②旁分泌（paracrine）：细胞因子③神经分泌：神经递质（neurotransmitter）。1.内分泌激素特点：由特殊分化的内分泌细胞分泌；通过血液循环到达靶细胞；大多数作用时间较长。

例如：胰岛素、甲状腺素、肾上腺素等2.局部化学介质特点：由体内某些普通细胞分泌；不进入血循环，通过扩散作用到达附近的靶细胞；一般作用时间较短。例如：生长因子、前列腺素等。3.神经递质特点：由神经元细胞分泌；通过突触间隙到达下一个神经细胞；作用时间较短。例如：乙酰胆碱、去甲肾上腺素等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nmmm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化学信号的分类

GASMOLECULE（三）细胞表面分子也是重要的细胞外信号膜表面分子接触通讯，也是一种细胞间直接通讯。细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。属于这一类通讯的有：相邻细胞间粘附因子的相互作用、T淋巴细胞与B淋巴细胞表面分子的相互作用等。二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号受体（receptor）是细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的成分，其化学本质是蛋白质，个别糖脂。受体的作用：一是识别外源信号分子，即配体（ligand）。二是转换配体信号。（一）化学信号通过受体在细胞内转换和传递受体与信号分子结合的特性：配体-受体结合曲线高度专一性高度亲和力可饱和性特定的作用模式可逆性（二）受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内受体按照其在细胞内的位置分为：细胞表面受体细胞内受体

接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其它细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等。接收的信号是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。三、信号分子结构、含量和分布变化是信号转导网络工作的基础构成这一网络系统的是一些蛋白质分子（信号转导分子，signaltransducer）和小分子活性物质（第二信使，secondmessenger）。信号转导通路信号转导网络系统细胞在转导信号过程中所采用的基本方式包括：①改变细胞内各种信号转导分子的构象②改变信号转导分子的细胞内定位③促进各种信号转导分子复合物的形成或解聚④改变小分子信使的细胞内浓度或分布第二节细胞内信号转导相关分子IntracellularSignalMolecules小分子细胞内信使的特点：①在完整细胞中，该分子的浓度或分布在细胞外信号的作用下发生迅速改变；②该分子类似物可模拟细胞外信号的作用；③阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应。④作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子。一、第二信使的浓度和分布变化是重要的信号转导方式细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节。cAMP的合成与分解(一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使cAMPATPACPPiAMPPDEH2O磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)腺苷酸环化酶(adenylatecyclase,AC)cGMP的合成和降解

GTPGCcGMPPDECa2+/Mg2+5´-GMPPPiH2O环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性环核苷酸作为第二信使的作用机制：cAMP和cGMP在细胞可以作用于蛋白质分子，使后者发生构象变化，从而改变活性。蛋白激酶是一类重要的信号转导分子，也是许多小分子第二信使直接作用的靶分子。蛋白激酶A是cAMP的靶分子底物(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）。cGMP激活PKG示意图蛋白激酶不是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。视杆细胞膜上富含cGMP-门控阳离子通道嗅觉细胞核苷酸-门控钙通道1.催化这些信使生成的酶有两类：一类是磷脂酶（phospholipase，PL另一类即磷脂酰肌醇激酶类（PIKs），催化磷脂酰肌醇（PI）磷酸化。（二）脂类也可作为胞内第二信使IP3和DAG的生物合成和功能IP3DAGPIP2PLC磷脂酰肌醇-3激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇PIPIPPIP2

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

磷脂酰肌醇-3激酶（PI-3K）

2．脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子脂类第二信使作用于靶分子，引起靶分子的构象变化。第二信使种类、靶分子不同，构象改变后的效应也不同。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IP3的靶分子是钙离子通道IP3为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体结合。IP3＋IP3受体钙离子通道开放，细胞内钙释放细胞内钙离子浓度迅速增加催化结构域Ca2+DAG磷脂酰丝氨酸调节结构域催化结构域底物Ca2+DAG磷脂酰丝氨酸调节结构域假底物结合区DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶CPIP3的靶分子是蛋白激酶B蛋白激酶B（proteinkinaseB，PKB）也是一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与PKA（68％）和PKC（73％）高度同源。由于PKB分子又与T细胞淋巴瘤中的逆转录病毒癌基因v-akt编码的蛋白Akt同源，又被称为Akt。（三）钙离子可以激活信号转导有关的酶类1．钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征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0.01~0.1mmol/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。2．钙离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细胞内Ca2+的受体。乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素和胰高血糖素等胞液Ca2+浓度升高CaMCaMCa2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

CaM发生构象变化后，作用于Ca2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K）或者PKC、AC和cAMP-PDE（四）NO的信使功能与cGMP相关NO合酶介导NO生成

NO合酶

胍氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NO＋三种形式的NO合酶（nitricoxidesynthase，NOS）组成型NOS(cNOS)可诱导型NOS（iNOS）神经型NOS（nNOS）内皮型NOS（eNOS）NOSⅠNOSⅡ

NOSⅢ

钙调蛋白是NOS的主要调节分子，3种NOS均含有钙调节蛋白结合位点。凡是引起细胞内Ca2+升高的信号均有可能作用于NOS。

二、蛋白质作为细胞内信号转导分子蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递信号的原理是发生构象变化。①化学修饰改变蛋白质构象②小分子信使变构调节引起靶分子构象变化③蛋白质相互作用导致信号转导分子构象变化

信号转导分子浓度的改变信号转导分子的细胞内定位改变（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子蛋白激酶与蛋白磷酸酶催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰。蛋白质的磷酸化与去磷酸化是控制信号转导分子活性的最主要方式。磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能降低其活性，取决于酶的构象变化是否有利于酶的作用。蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关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/苏氨酸羟基酪氨酸的酚羟基咪唑环，胍基，ε-氨基巯基酰基蛋白激酶的分类MAPK级联激活是多种信号通路的中心丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）属于蛋白丝/苏氨酸激酶类，是接收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，在多种受体信号传递途径中均具有关键性作用。MAPK的磷酸化与活化示意图MAPKKKMAPKKMAPK

ThrTyrThrTyrPPphosphataseoffonMAPKMAP种类转录因子蛋白激酶ERKElk-1、c-Fos、c-JunRsk2、P70S6KJNKc-Jun、SP-1、ATF-2P38c-Myc、CREB、SP-1、ATF-2PRAK、MSK部分MAPK底物举例：ERK途径包括Raf-MEK-MAPK级联反应ERK亚家族包括ERK1、ERK2和ERK3等。

ERK的级联激活过程：Raf（MAPKKK）MEK（MAPKK）ERK（MAPK）ERK广泛存在于各种组织细胞，参与细胞增殖与分化的调控。多种生长因子受体、营养相关因子受体等都需要ERK的活化来完成信号转导过程。JNK/SAPK途径参与应激(反应)JNK/SAPK的级联激活过程：MEKK（MAPKKK）JNKK（MAPKK）JNK/SAPK（MAPK）JNK至少又由JNK1、JNK2和JNK3三个亚类组成。JNK家族是细胞对各种应激原诱导的信号转导的关键分子，参与细胞对射线辐射、渗透压、温度变化等的应激反应。一些细胞因子，如TGF-β也可通过JNK发挥作用。P38-MAPK亚家族介导炎症、凋亡等应激（反应）P38-MAPK的级联激活过程：凋亡信号调节激酶（apoptosissignalregulatingkinase1，ASK1）（MAPKKK）MKK3/MKK6（MAPKK）P38-MAPK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：胞内部分含有PTK的催化结构域；非受体型PTK：主要作用是作为受体和效应分子之间的信号转导分子；核内PTK：细胞核内存在的PTK。生长因子类受体属于PTK部分受体型PTK结构示意图Src家族/ZAP70家族/Tec家族/JAK家族属于非受体型PTK非受体型PTK的结构Src家族SH3SH1SH2MyrPSH3SH1SH2SH3SH1SH2PHSH1likeSH1ZAP70家族Tec家族JAK家族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。蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号PTKPTK无活性活化P自我磷酸化PTPPTPSSP无活性活化SrcfamilyPTK无活性SrcfamilyPTKPTPPPTK活化活化信号抑制信号蛋白磷酸酶的特性：底物特异性（催化作用的特异性）细胞内的分布特异性——决定了信号转导途径的精确性（二）G蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路的开关鸟苷酸结合蛋白简称G蛋白，称GTP结合蛋白G蛋白结合的核苷酸为GTP时为活化形式G蛋白主要有两大类：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。低分子量G蛋白（21kD）介导七跨膜受体信号转导的异源三聚体G蛋白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。G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。GTPGDPRasRasSOSGAPonoffRas的活化及其调控因子（三）蛋白相互作用结构域介导信号通路中蛋白质的相互作用信号转导分子在活细胞内接收和转导信号的过程是由多种分子聚集形成的信号转导复合物（signalingcomplex）完成的。信号转导复合物作用：①保证了信号转导的特异性和精确性，②增加了调控的层次，从而增加了维持机体稳态平衡的机会。蛋白质相互作用结构域是形成复合物的基础信号转导通路形成要求信号转导分子之间可特异性地相互识别和结合，即蛋白质-蛋白质相互作用，这是由信号转导分子中存在的一些特殊结构域介导的。这些结构域被称为蛋白相互作用结构域（proteininteractiondomain）。蛋白相互作用结构域有如下特点：①一个信号分子可以含有两种以上的蛋白质相互作用结构域，因此可以同时与两种以上的其他信号分子结合；②同一类蛋白质相互作用结构域可存在于多种不同的分子中。这些结合结构域的一级结构不同，因此对所结合的信号分子具有选择性，这是信号分子相互作用特异性的基础；③这些结构域本身均为非催化结构域。信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用蛋白激酶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//SH2PTB蛋白相互作用结构域缩写识别模体Srchomology2SH2含磷酸化酪氨酸模体Srchomology3SH3富含脯氨酸模体pleckstrinhomologyPH磷脂衍生物ProteintyrosinebindingPTB含磷酸化酪氨酸模体WWWW富含脯氨酸模体蛋白相互作用结构域及其识别模体（四）衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络衔接蛋白（adaptorprotein）是信号转导通路中不同信号转导分子的接头，连接上游信号转导分子与下游信号转导分子。发挥作用的结构基础：蛋白相互作用结构域。功能：募集和组织信号转导复合物，即引导信号转导分子到达并形成相应的信号转导复合物。大部分衔接蛋白的结构中只有2个或2个以上的蛋白相互作用结构域，除此以外几乎不含有其他的序列。衔接蛋白连接信号转导分子衔接蛋白Nck结构与相互作用分子示意图SH2CNSH3SH3SH3HGFR,VEGFR,BCR-AblPDGFR,EphB1SLP-76,HPK1,p130casIRS-1,p62doc

CKIg2,WASP,IRS-1,DOCK180,NIKIRS-1,DOCK180,Sos,NIK,Pak1,Pak3,NAP4,WIP,dynamin,synaptojanin、Abl,c-CblAbl,c-Cbl,NAP1,Sam68支架蛋白保证特异和高效的信号转导支架蛋白（scaffoldingproteins）一般是分子质量较大的蛋白质，可同时结合很多位于同一信号转导通路中的转导分子。信号转导分子组织在支架蛋白上的意义：①保证相关信号转导分子容于一个隔离而稳定的信号转导通路内，避免与其他不需要的信号转导通路发生交叉反应，以维持信号转导通路的特异性；②支架蛋白可以增强或抑制结合的信号转导分子的活性；③增加调控复杂性和多样性。第三节各种受体介导的基本信号转导通路

SignalPathwaysMediatedbyDifferentReceptors

离子通道受体G-蛋白偶联受体单次跨膜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特点胞内受体

核内受体胞浆内受体配体类固醇激素甲状腺激素一、细胞内受体多属于转录因子高度可变区位于N端，具有转录激活功能DNA结合区位于中部，含有锌指结构激素结合区位于C端，结合配体或热休克蛋白，含有核定位信号，使受体二聚化，激活转录铰链区含有核定位信号核受体结构及作用机制示意图激素反应元件举例激素举例受体所识别的DNA特征序列肾上腺皮质激素5’AGAACAXXXTGTTCT3’3’TCTTGTXXXACAAGA5’雌激素5’AGGTCAXXXTGACCT3’3’TCCAGTXXXACTGGA5’甲状腺素5’AGGTCATGACCT3’3’TCCAGTACTGGA5’二、离子通道型膜受体是化学信号与电信号转换器离子通道型受体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。

乙酰胆碱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。三、G蛋白偶联受体通过G蛋白-第二信使-靶分子发挥作用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是七跨膜受体（serpentinereceptor）（一）G蛋白的活化启动信号转导信号转导途径的基本模式：配体+受体＋G蛋白效应分子第二信使靶分子生物学效应G蛋白循环

活化型非活化型G蛋白循环

（二）G蛋白偶联受体通过G蛋白-第二信使-靶分子发挥作用活化的G蛋白的α亚基主要作用于生成或水解细胞内第二信使的酶，如AC、PLC等效应分子（effector），改变它们的活性，从而改变细胞内第二信使的浓度。可以激活AC的G蛋白的

亚基称为

s（s代表stimulate）；反之，称为

i（i代表inhibit）。G

种类效应分子细胞内信使靶分子asAC活化↑cAMP↑PKA活性↑aiAC活化↓cAMP↓PKA活性↓aqPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑atcGMP-PDE活性↑cGMP↓Na+通道关闭哺乳动物细胞中的G

亚基种类及效应（三）胰高血糖素受体通过AC-cAMP-PKA通路转导信号（四）血管紧张素II受体通过PLC-IP3/DAG-PKC通路介导信号转导血管紧张素II（AngiotensinII）受体亦属于G蛋白偶联受体，但是偶联的G蛋白的亚基

为

q，通过PLC-IP3/DAG-PKC通路发挥效应。乙酰胆碱[M1]光(果蝇)5-HT（1c）ATP促胃泌激素释放肽促甲状腺激素释放激素(TRH)肾上腺能激动剂谷氨酸后叶加压素-抗利尿激素血管紧张素II促性腺激素释放激素(GRH)组织胺[H1受体]

利用PLC-IP3/DAG-PKC转导信号的化学信号此外，由于G蛋白亚型的不同，形成多种其他通路和效应，如PDE-cGMP-Na+通道信号转导通路、PLC-IP3-Ca2+/CaM-PK信号转导通路等。四、单跨膜受体依赖酶的催化作用传递信号酶偶联受体指那些自身具有酶活性，或者自身没有酶活性，但与酶分子结合存在的一类受体。这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白，亦称为单跨膜受体。酶偶联受体种类繁多，但是以具有PTK活性和与PTK偶联的受体居多。酶偶联受体大部分是生长因子和细胞因子的受体，它们所介导的信号转导通路主要是那些调节蛋白质的功能和表达水平、调节细胞增殖和分化。不同蛋白激酶组成的PTK偶联受体信号途径基本模式相同PTK偶联受体主要通过蛋白质相互作用激活自身或细胞内其他的PTK或丝/苏氨酸激酶来转导信号。PTK偶联受体介导的信号转导途径的基本模式：（一）Ras→MAPK途径是EGFR的主要信号通路表皮生长因子受体（epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR）是一个典型的受体型PTK。Ras→MAPK途径是EGFR的主要信号通路之一。表皮生长因子受体作用机制：EGFR介导的信号转导过程（二）JAK-STAT通路转导白细胞介素受体信号T细胞抗原受体、B细胞抗原受体、肥大细胞表面的IgE受体。属于酶偶联受体，它们自身不具备蛋白酪氨酸激酶活性；非受体型的Src家族蛋白酪氨酸激酶和ZAP70家族蛋白酪氨酸激酶是这一类受体的直接信号转导分子。下游分子包括PLCγ、MAPK家族的活化，并有多种衔接蛋白参与。白介素介导的信号转导通路核因子

B(nuclearfactor-

B,NF-

B)TNFCer等激酶系统病毒感染、脂多糖、活性氧中间体、佛波酯