分子生物学-信号转导课件

信号转导单细胞生物

——

直接作出反应多细胞生物

——通过细胞间复杂的信号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。外界环境变化时信号细胞反应增殖分化代谢功能应激凋亡

or

or lost

disease重症肌无力巨人症霍

乱剧烈吐泻、脱水、微循环衰竭、代谢性酸中毒和急性肾功能衰竭信号转导的概念细胞特异识别外来信号分子，并转化为细胞可识别的信号，经系列级联反应，最终引起特异生物学效应的过程，称为信号转导(signal

transduction)。信号转导信号转导基本成员细胞信号分子(配体)signal molecule主要指化学信号分子，即化学信使。由细胞分泌的信息传递物质，包括蛋白质、多肽、氨基酸及氨基酸衍生物、甾类、脂肪酸衍生物和生物碱等。当这些外界信号由受体所接受时，又把其称为配体。ligand指某些能特异同细胞膜或细胞内的受体结合，并诱发细胞产生特定的生理生化反应，并最终产生生物学效应的物质。配体种类配体类型合成方式作用细胞特点内分泌激素内分泌细胞合成靶细胞（远）距离远，范围大，持续时间长神经递质神经元突触前膜终端释放突触后膜上受体距离短，时间短。局部化学介质靶细胞附近细胞分泌靶细胞（近）距离短，时间短。配体特性特异性复杂性：不同细胞不同效应时间效应：反应快，效应短暂反应慢，效应长久信号转导基本成员细胞信号分子(配体)受体Receptor细胞膜或细胞内某些能特异性地与外源性物质(配体)结合，并诱发细胞产生某些特定的生理生化反应，并最终产生生物学效应的物质。其化学本质主要是糖蛋白、脂蛋白或糖脂蛋白等。Membrane

ReceptorIntracellular

receptor细胞的受体Intracellular

receptor存在于细胞质和细胞核内，与脂溶性信号分子结合的受体

。membrane

receptor指位于细胞膜上的受体，是镶嵌在细胞膜类脂双分子层中的各种特异性的蛋白质分子，能与配体特异性结合，并在细胞内引起相应的反应。膜受体的结构识别部位：露在脂双分子层外面能与外界信号识别结合部位。转换部位：把识别部位接受的信号转换给效应部位。效应部位：露在细胞内表面的部分，具有酶活性，激活后可产生相应的生物学效应。N型乙酰胆碱受体图细胞外域跨膜域细胞内域受体域催化域识别部位效应部位转换部位跨膜区单体型受体聚合型受体受体的分子结构二、膜受体的特性1. 特异性及其非绝对性特异性：分子间立体构象互补非绝对性：一种化学信号可以与一种以上受体结合，引起不同生物学效应。肾上腺素：α受体：平滑肌收缩β受体：平滑肌松弛二、膜受体的特性特异性及其非绝对性可饱和性：受体数目有限二、膜受体的特性特异性及其非绝对性可饱和性具有高亲和力：受体和配体结合能力高二、膜受体的特性特异性及其非绝对性可饱和性具有高亲和力可逆性：以非共价键结合，结合后可解离。二、膜受体的特性特异性及其非绝对性可饱和性具有高亲和力可逆性特定的组织定位：受体只存在于靶细胞受体的类型根据膜受体的结构与功能的不同，分为：离子通道受体酶偶联受体G蛋白偶联受体G蛋白偶联受体(Gprotein-coupled

receptor)－通过第二信使起作用G蛋白偶联受体由单一多肽链组成，带有7个跨膜疏水区域；-NH2端朝向细胞外，-COOH端面向细胞质；深绿色部位：配体结合区橙黄色区：

G蛋白结合区红色区：磷酸化部位。第一信使、第二信使细胞外细胞膜细胞质ATPcAMP第一信使第二信使蛋白激酶A细胞效应G蛋白可以激活不同的酶（效应器），产生不同的第二信使，构成不同的信号通路。可根据产生的第二信使名称，对信号通路进行命名。G蛋白偶联受体(Gprotein-coupled

receptor)－通过第二信使起作用分为：cAMP信号通路磷脂酰肌醇信号通路配体受体Ｇ蛋白G

protein即鸟苷酸结合蛋白，一般是指任何可与鸟苷酸结合的蛋白质的总称，但通常所说的G蛋白仅仅是信号转导途径中与受体偶联的鸟苷酸结合蛋白。(1)G蛋白由

、

、

3个不同亚基形成的三聚体；(2)G

亚基具有GDP/GTP结合能力，并具有GTP酶活性；(3)G

、G

亚基紧密形成一个功能单位，起调节G蛋白活性的作用。

GTPGDPG蛋白的分子组成示意图G蛋白异三聚体的分子结构G蛋白的作用机制静息状态下，G蛋白以异三聚体形式存在于细胞膜上，

亚基与GDP相结合，并与受体呈分离状态；配体与受体结合，使

亚单位与受体结合，G蛋白构象改变，

亚基转而与GTP结合；

亚基与

亚基分离，同时从受体复合体上脱落成为游离的独立功能亚基，并发挥生物学功能；

配体与受体解离，

亚基发挥GTP水解酶活性，GTP水解为GDP，

亚基与靶蛋白分离，与

亚基结合恢复到静止状态。RＲHACγβαGDPαGTPβγ腺苷酸环化酶ATPACcAMPＧ蛋白类型Gs家族：对效应蛋白起激活作用，α亚单位为αs亚单位，构成的G蛋白则称为Gs蛋白Gi家族：对效应蛋白起抑制作用，α亚单位为αi亚单位，构成的G蛋白则为Gi蛋白Gp家族：激活磷脂酶C，参与对IP3、DG的调节。G蛋白的类型G蛋白类型 分子量 效应蛋白G

s1 52kd 激活腺苷酸环化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道Gs家族 G

s2 45kd 激活腺苷酸环化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道G

olf 45kd 激活腺苷酸环化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道G

i141kd抑制腺苷酸环化酶G

i240kd抑制Ca2＋通道、激活K＋通道G

i341kd激活磷脂酶C，激活(?)/抑制(?)磷脂酶A2G

o139kd抑制Ca2＋通道Gi家族G

o239kd激活磷脂酶C，激活(?)/抑制(?)磷脂酶A2G

t139kd激活视细胞磷酸二脂酶G

t239kd激活视细胞磷酸二脂酶G

gust40kd激活味觉上皮细胞磷酸二脂酶G

240kd抑制腺苷酸环化酶Gp家族G

p42-44kd激活磷脂酶C配体受体Ｇ蛋白腺苷酸环化酶细胞外细胞膜细胞质腺苷酸环化酶的分子结构单一多肽链，多次跨膜蛋白。具有两个大的疏水区：M1和M2。每一疏水区都具有6次跨膜

螺旋具有两个大的胞质区：C1和C2，可结合ATP并表现出酶活性。M1M2腺苷酸环化酶的活性调节AC与Gs

.GTP结合后被激活；AC与Gi

.GTP结合后被抑制；腺苷酸环化酶具不同亚型，迄今为止已至少发现了6种亚型，其分布具有组织特异性：I型（脑组织），III型（味觉上皮细胞）。是位于细胞膜上的G蛋白效应蛋白之一，可催化ATP形成cAMP和焦磷酸(ppi)；配体受体Ｇ蛋白腺苷酸环化酶cAMP（第二信使）cAMP（环式腺嘌呤单核苷酸）又称为第二信使在细胞内的浓度在外来信号到达时能上下波动，能快速产生和快速消失细胞外信号通过控制cAMP水平而发挥作用。配体受体Ｇ蛋白腺苷酸环化酶cAMP（第二信使）PKAcAMP依赖性蛋白激酶A（cAMP－dependentprotein

kinase，PKA）由两个催化亚基和两个调节亚基组成cAMP依赖性蛋白激酶A（cAMP－dependentprotein

kinase，PKA）由两个催化亚基和两个调节亚基组成激活后可使靶蛋白磷酸化(特定Ser/Thr残基磷酸化），从而调节物质代谢和基因表达。在不同组织中PKA的底物大不相同，cAMP通过活化或抑制不同的酶系统，使细胞对外界不同的信号产生不同的反应。CAMPCAMP反应元件结合蛋白反应元件结合蛋白CAMPCAMP反应元件反应元件肝细胞对胰高血糖素或肾上腺素的反应CAMP反应元件结合蛋白CAMP反应元件生成葡萄糖时所需要的合成代谢酶类的合成β肾上腺素能受体胰高血糖素受体激活Gs,

增加AC活性cAMPPKA促进心肌钙转运心肌收缩性增强增加肝脏糖原分解进入核内PKA激活靶基因转录(一)腺苷酸环化酶途径(一)腺苷酸环化酶途径α2肾上腺素能受体M2

胆碱能受体血管紧张素Ⅱ受体激活与Gi偶联AC活性下降cAMP活性下降平滑肌舒张cAMP信号通路小结配体与受体结合受体蛋白分子发生构象上变化受体与G蛋白αs亚基

结合α亚基与GDP亲和力下降，与GTP亲和力增加，GTP置换GDPα亚基变构，

α与β、γ

分离，

同时α与受体分离（G蛋白至功能状态）活化的G蛋白与AC结合，激活之AC催化ATP分解形成cAMP（第二信c使A）MP活化

cAMP依赖性蛋白激酶A（

PKA）使靶蛋白磷酸化肝细胞糖原分解甲状腺素分泌肌肉细胞收缩某些通过cAMP介导的激素应答实例组织激素应答肝骨骼肌心肌脂肪肾甲状腺肾上腺骨卵巢肾上腺素、胰高血糖素糖素肾上腺素肾上腺素肾上腺素、胰高血糖素糖素、促肾上腺皮质激素加压素促甲状腺素促肾上腺皮质素甲状旁腺素LH糖原的水解、葡萄糖的合成、糖原合成的抑制糖原的水解、糖原合成的抑制加快收缩三酰基甘油的降解提高表皮细胞对水的通透性促进甲状腺激素的分泌促进糖皮质激素的分泌增强钙的重吸收增强胆固醇激素的分泌动画演示细胞信号转导途径3二、磷脂酰肌醇信使体系IP3、DG和Ca2+信使体系组成：

膜受体、G蛋白、磷脂酶C激素与受体结合G蛋白变构活化磷脂酶C-β(PLC-β）二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）二酰基甘油DG三磷酸肌醇IP3磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二酰基甘油钙调蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇Ca与钙调蛋白Ca2+生理功能：作为第三信使；活化Ca2+结合蛋白Ca2+在胞质内的浓度：基态浓度:10-7Ｍ．钙调蛋白（CaM）：含4个结合Ca2+结构域的多肽链。作用模式：

CaM

Ca2+CaM-

Ca靶酶磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二酰基甘油钙调蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇二酰基甘油DG三磷酸肌醇IP3Ca2+从内质网释放活化钙调蛋白（CaM）激活蛋白激酶或磷酸酶活化靶蛋白生物学效应活化PKC底物磷酸化;激活钠泵等使胞内pH

IP3、DG和Ca2+信使体系由钙触发的哺乳动物蛋白的例子蛋白 蛋白的功能蛋白 蛋白的功能肌钙蛋白C 肌收缩的调节剂钙调蛋白 蛋白激酶和其他一些酶的调节剂钙视网膜蛋白 鸟苷酸环化酶的激活剂（需）钙蛋白酶

蛋白酶PI特异的PLC IP3和DAG的生成剂α-辅基蛋白 肌动蛋白结合蛋白钙调磷酸酶B 磷酸酶膜连蛋白 涉及胞吞胞吐凝溶胶蛋白 肌动蛋白切断蛋白Ca2+逆向转运蛋白

Ca2+与单价离子交换蛋白钙调结合蛋白 调节肌肉收缩绒毛蛋白 肌动蛋白的组织者Ca2+-ATP酶 Ca2+跨膜运输泵磷脂酶A2 花生四烯酸的产生磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二酰基甘油钙调蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇二酰基甘油DG活化PKC(蛋白激酶Ｃ）底物磷酸化(细胞分泌，肌肉收缩等）激活钠泵等使胞内pH

）三磷酸肌醇IP3与内质网上的受体结合Ca2+从内质网释放活化钙调蛋白（CaM）激活蛋白激酶或磷酸酶活化靶蛋白，生物学效应IP3、DG和Ca2+信使体系磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二酰基甘油钙调蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇由蛋白激酶C介导的某些反应组织反应组织反应血小板肾上腺髓质肝垂体细胞睾丸分泌血清紧张素分泌肾上腺素糖原水解分泌GH和LH睾丸酮的合成肥大细胞胰腺脂肪组织甲状腺神经元释放组胺分泌胰岛素脂肪合成分泌降钙素释放多巴胺磷脂酰肌醇信号通路“双信使系统”反应链：胞外信号分子→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→→IP3→胞内Ca2+浓度升高→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH

PIP2动画演示酶偶联受体(enzyme-linked

receptor)受体：具有酪氨酸蛋白激酶活性的跨膜糖蛋白单条肽链，单一跨膜糖蛋白-NH2(胞外)为配体结合区，-COOH(胞内)为催化区，富含酪氨酸，具酪氨酸激酶活性配体为胰岛素、类胰岛素生长因子、血小板生长因子、集落刺激因子和表皮生长因子等（2）酶偶联受体(enzyme-linkedreceptor)－具有酪氨酸蛋白激酶活性的受体信使体系受体与化学信号结合后，受体本身发生改变（酪氨酸蛋白激酶活化）；进而使靶蛋白酪氨酸残基磷酸化；从而细胞发生一系列改变(如增加DNA及RNA合成，加速蛋白质合成，以产生细胞生长分化等效应。）配体与酪氨酸激酶配体结合区结合位于细胞质部分激酶活性区的酪氨酸残基发生自体磷酸化（autophosphorylation），形成SH2（SH2－binding

site）结合位点的空间结构可以与具有SH2结合域的蛋白质（其本身是蛋白激酶、磷酸酶或磷酸酯酶）结合并使之激活激活后的蛋白质进一步催化细胞内的生物化学反应，从而把细胞外的信号传导到细胞内。Ras的重要性ras基因：致癌基因Ras蛋白：小Ｇ蛋白受体活化，募集衔接蛋白，活化Ras激活蛋白，活化Ras蛋白。活化Ras激活磷酸化级联反应活化的RasMAPKKKMAPKK

MAPK30%癌症患者体内ras基因发生了激活突变正向调节。生长因子作用后正常细胞的增殖、恶性肿瘤细胞的增殖；T细胞、B细胞或肥大细胞的活化。蛋白酪氨酸激酶抑制剂：阻断细胞应答。鸟苷酸环化酶（GC）以一种类似于AC的方式催化GTP形成cGMP和焦磷酸(ppi)；具有膜结合型和胞质溶解型两种类型；cGMP信号转导通路膜结合型cGMPGTP受体域催化域膜结合型GC为单体。包括：N端1/2处的配体结合区、跨膜区、C端1/2为环化酶催化区；鸟苷酸环化酶（GC）以一种类似于AC的方式催化GTP形成cGMP和焦磷酸(ppi)；具有膜结合型和胞质溶解型两种类型；膜结合型GC为单体，包括：N端1/2处的配体结合区、跨膜区、C端1/2为环化酶催化区；胞质溶解型GC需要NO激活。三 鸟苷酸环化酶信号转导途径此途径多存在于心血管系统与脑组织内ＮＯ心钠素脑钠素激活胞浆可溶性ＧＣ 激活膜颗粒性ＧＣGTP cGMP鸟苷酸环化酶的活性调节膜结合型GC在配体与受体结合后被激活，分离后失活；胞质溶解型GC与NO结合后被激活，与NO分离后失活。三 鸟苷酸环化酶信号转导途径此途径多存在于心血管系统与脑组织内ＮＯ心钠素脑钠素激活胞浆可溶性ＧＣ 激活膜颗粒性ＧＣGTP cGMP激活PKG(

cGMP依赖性蛋白激酶)磷酸化靶蛋白引起血管舒张等生物学效应NO作用机制的临床应用NO：鸟苷酸环化酶的激活剂硝酸甘油代谢生成NO，刺激心脏平滑肌舒张，增加心脏供血万艾可（分解cGMP的磷酸二酯酶的抑制剂）：使cGMP维持在较高的水平，阴茎持续勃起。cAMP和cGMP互为拮抗细胞内cAMP增高时，促进细胞分化，抑制细胞分裂；cGMP增高，促使细胞分裂，抑制细胞分化。离子通道受体(ion-channel

receptor)实例：N型乙酰胆碱受体5个同源性很高的亚基构成：2α+1β+1γ+1δ每个亚基:四次跨膜蛋白，分子量约60kd，约由500个氨基酸残基构成。-COOH端和-NH2端均面向细胞一侧乙酰胆碱的结合部位位于α亚基上。五个亚基共同在膜中形成一个亲水性的通道。（1）离子通道偶联受体介导的信号转导

：配体：N－乙酰胆碱，信号分子与受体结合，改变受体的空间构象，钠离子通道开放，钠离子内流（1ms）。化学信号转变为电信号,

改变突触后细胞的兴奋性，进一步调节细胞的生命活动。离子通道偶联受体介导的信号通路细胞应答：改变膜的通透性神经末梢骨骼肌细胞心肌细胞分泌细胞神经细胞改变膜的通透性骨骼肌收缩心跳降低细胞分泌神经冲动的传递信号转导途径:

级联反应催化某一步反应的蛋白质由上一步反应的产物激活或抑制信号转导途径级联的特征:放大效应信号级联反应中的酶催化作用对信号有放大作用去甲肾上腺素刺激下的信号放大1000010000不同信号转导途径的收敛、发散和交叉对话converge：来自各种非相关的受体各自结合各自配体所发出的信号，可以收敛而激活同一效应器蛋白。diverge：来自同一配体发出的信号可以发散以激活不同的效应器蛋白，从而导致不同的细胞反应。Crosstalk：信号可以在不同途径之间往返传递。细胞内存在一个对外来信号起反应的完整转导系统，该系统的存在，使细胞接受、汇聚、分析并处理各种信号，从而作出最有利于细胞生存与发展的反应。信号转导系统的意义信号传导与医学的关系细胞信号转导异常与疾病细胞信号转导异常：是指由于信号转导蛋白量或结构的改变，导致信号转导的过强或过弱，并由此引起细胞增殖、分化、凋亡或机能代