细胞信号转到课件

第八章细胞信号转导第三节、G蛋白偶联受体介导的信号转导第二节、细胞内受体介导的信号转导第一节、概述第四节、酶连受体介导的信号转导第五节、信号的整合与控制信息胞外信号合成靶细胞第二信使形成受体构象变化下游靶酶活化与分子开关作用,导致分子开关打开与特异性受体结合效应酶活化胞内蛋白质活性变化活化基因转录细胞生理活性变化第一节概述一、细胞通讯二、信号转导系统及其特征二、信号转导系统及其特性信号转导系统的基本组成与信号蛋白细胞内信号蛋白的相互作用信号转导系统的主要特性信号转导系统的基本组成1、细胞通过特异性受体识别胞外信号分子；2、胞外信号通过适当的分子开关机制实现信号的跨膜转导，产生细胞内第二信使或活化的信号蛋白；3、通过胞内级联反应（主要是通过酶的逐级激活）实现信号的放大作用，并最终细胞活性改变（改变细胞代谢活性、改变基因表达和改变细胞形状或运动）；4、细胞反应由于受体的脱敏或受体的下行调节，启动反馈机制而终止或降低细胞反应。转承蛋白（relayproteins)：负责简单地将信息传给信号链的下一个组分；信使蛋白(messengerprotein)：携带信号从一部分传递到另一部分；接头蛋白(adaptorprotein)：起连接信号蛋白的作用；放大和转导蛋白：通常由酶或离子通道蛋白组成，介导产生信号级联反应；传感蛋白：负责信号不同形式的转换分歧蛋白(bifurcationprotein）：将信号从一条途径传播到另外途径；整合蛋白（integratorprotein)：从2条或多条信号途径接受信号，并在向下传递之前进行整合；潜在基因调控蛋白：这类蛋白在细胞表面被活化受体激活，然后迁移到细胞核刺激基因转录。细胞内信号蛋白的相互作用靠信号蛋白具有的不同模式结合域与另一个相匹配的基序(motif)识别与结合，在细胞内组装成不同的信号转导复合物，构成细胞内信号传递通路的结构基础。细胞对信号的整合作用传递速度不同(如神经轴突100m/s）信号浓度不同内分泌信号浓度约在10-8以下；而化学突触的信号浓度约在10-5以上。作用方式不同对于内分泌来说，不同的信号具有不同的受体，细胞对于信号的反应与否取决于细胞表面是否具有相应的受体；化学突触的信号主在为乙酰胆碱和r-氨基丁酸，反应与否在于细胞间是否存在突触结构。一、细胞通讯

一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。

细胞通讯的方式

信号分子与受体细胞通讯的方式：分泌化学信号进行细胞间通讯

内分泌（endocrine）

旁分泌（paracrine）

自分泌（autocrine）

化学突触（chemicalsynapse）

内分泌和化学突触的区别细胞间接触性依赖性的通讯细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白间隙连接实现代谢偶联或电偶联胞外信号介导的细胞通讯涉及主要步骤

产生信号的细胞合成并释放信号分子；运送信号分子至靶细胞；信号分子与靶细胞受体特异性结合并导致受体激活；活化受体启动胞内一种或多种信号转导途径；引发细胞功能、代谢或发育的改变；信号的解除并导致细胞反应终止。细胞识别（cellrecognition）概念： 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。信号通路（signalingpathway） 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。信号分子与受体信号分子受体第二信使分子开关信号转导（signaltransduction）表面受体通过一定的机制将外部信号转为内部信号的过程，称为信号转导。细胞有两种信号转导途径：一种是通过G蛋白偶联方式；一种是结合的配体激活受体的酶活性，然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物。信号转导途径有两个层次，第一是将外部信号转换成内部信号途径；第二层次的含义是外部信号转换成内部信号后从哪个途径引起应答。细胞应答与信号级联放大

信号分子（signalmolecule）

大多数外界化学信号分子不具有生物学功能，它们不能代谢成为有用的产物，本身不直接诱导任何细胞活性，也不具有酶的活性。它们唯一的功能是与受体结合，改变受体的性质，通知细胞在环境中存在一种特殊的信号或刺激因素。信号分子本身并不直接作为信息，它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力。亲脂性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素，它们可以穿过细胞膜进入细胞，与细胞质或细胞核中的受体结合，调节基因表达。亲水性信号分子：包括神经递质、生长因子和大多数激素，它们不能穿过细胞质膜，只能通过与靶细胞膜表面受体结合，再经过信号转导机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或磷酸蛋白酶的活性，引起细胞的应答反应。气体性信号分子(NO)

：是迄今为止发现的第一个气体信号分子，它能直接进入细胞直接激活效应酶，是近年来出现的“明星分子”。受体（receptor）受体是与配体相对应的概念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。当与配体结合后，通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内物理或化学的信号，以启动一系过程，最终表现出生物学效应。受体多为糖蛋白，一般包括两个功能区：与配体结合的区域以及产生效应的区域,分别具有结合特异性和效应特异性。受体的类型受体的功能受体与配体相互作用特性信号分子与受体相互作用的复杂性不同细胞对同一化学信号分子可能具有不同的受体，因此不同的靶细胞以不同的方式应答相同的化学信号。不同的细胞具有相同的受体，但在不同的靶细胞中产生不同的效应。对于不同的信号分子来说，它们的受体不同，但是可以活化细胞内相同的信号通路，产生相应的生理学反应。一个细胞表面有几十甚至上千种不同的受体同时与细胞外基质中的不同信号分子起作用，这些信号分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作用都强得多。所以细胞必须对多种信号进行协调综合。特异性（specificity）高亲和力（highaffinity）饱和性（saturation）可逆性（reversibility）特定的组织定位生理效应（physiologicalresponse）受体的功能

介导物质跨膜运输(受体介导的胞吞作用)

信号转导：受体的激活（activation）（级联反应）受体失敏（desensitization）关闭反应减量调节（down-regulation）降低反应第二信使的发现过程第二信使（secondmessenger）与第二信使学说

一般将细胞外信号分子称为“第一信使”，第一信使与受体作用后在细胞内产生的信号分子称为“第二信使”。第二信使学说胞外物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体导致胞内产生第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。

分子开关（molecularswitches）在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必需有正负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制，因此分子开关的作用十分重要。对每一步反应既要求有激活机制又要求有相应的失活机制。细胞内作为分子开关的蛋白分为两类：GTPase开关蛋白，开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活，包括三聚体G蛋白和单体G蛋白。开关蛋白的活性由蛋白激酶（proteinkinase)使靶蛋白磷酸化而开启，由蛋白磷酸酶使靶蛋白去磷酸化而关闭；GTPase激活蛋白（GTPase-activatingprotein，GAP）加速GTP的水解。鸟苷交换因子（guaninenucleotide-exchangefactor，GEF）促进GDP从G蛋白上解离的蛋白因子。鸟苷解离抑制蛋白（guaninenucleotide-dissociationinhibitor，GDI）抑制结合的GDP从G蛋白释放出来，使G蛋白处于非活性状态。G蛋白信号调节因子（regulatorsofGprotein-signaling，RGSs）细胞内受体:被胞外亲脂性信号分子所激活，激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）细胞表面受体:被大的信号分子或胞外亲水性信号分子所激活细胞表面受体分属三大家族：

离子通道偶联的受体（ion-channel-linkedreceptor）

G-蛋白偶联的受体（G-protein-linkedreceptor）

酶偶连的受体（enzyme-linkedreceptor）第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。第二节细胞内受体介导的信号转导一、细胞内核受体及其对基因表达的调节细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白，这类受体一般具有三个结构域：

位于C端的的激素结合位点；位于中部的DNA结合位点；位于N端的转录激活结构域。甾类激素介导的信号通路一般包括两步反应阶段二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递与酶偶联的受体离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递信号途径特点：

受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白

跨膜信号转导无需中间步骤

主要存在于神经细胞或可兴奋细胞间的突触信号传递

有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性第三节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以cAMP为第二信使的信号通路磷脂酰肌醇双信使信号通路G蛋白偶联受体介导离子通道的调节G-蛋白的组成一般由α、β和γ三个亚基组成,β、γ两亚基通常紧密结合在一起,只有在蛋白变性时才分开。

α亚基具有三个功能位点：

GTP/GDP结合位点;

GTPase活性;

ADP-核糖化位点。人基因组中能编码27种α、5种β和13种γ。受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路细胞表面其他与酶偶联的受体

受体丝氨酸/苏氨酸激酶

受体酪氨酸磷酸酯酶

受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals）

酪氨酸蛋白激酶联系的受体两大家族：

一是与Src蛋白家族相联系的受体；

二是与Janus激酶家族联系的受体。

信号转导子和转录激活子（signaltransducerand

actvatoroftranscription，STAT）与JAK-STAT途径以cAMP为第二信使的信号通路腺苷酸环化酶以及cAMP信号通路的组成

cAMP信号通路：激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP依赖的蛋白激酶A→激活靶酶(基因调控蛋白)→基因转录

cAMP信号通路的主要效应是激活靶酶和开启基因表达GPLR的失敏（desensitization）与减量调节细菌毒素对G蛋白的修饰作用激活型与抑制型受体信号转导的效应

GPLR的失敏

受体活性快速丧失（速发相）---失敏（desensitization）；

机制：受体磷酸化受体与Gs解偶联，cAMP反应停止并被PDE降解。

两种Ser/Thr磷酸化激酶：

PKA和肾上腺素受体激酶（ARK），负责受体磷酸化；

胞内协作因子扑获蛋白（arrestin）---结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（arrestin已克隆、定位11q13）。

反应减弱（迟发相）---减量调节（down-regulation）

机制：受体-配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现

arrestin可直接与Clathrin结合，在内吞中起adeptors作用；

受体减量调节与内吞后受体的分选有关。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→细胞反应

磷脂酶C(PLC)分解磷脂酰肌醇→DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH

信号的终止钙调蛋白的结构Ca2+在结构上与其它第二信使有很大的不同，它既不能被合成，又不能被分解。它在细胞中不同部位的浓度是由位于膜中的运输蛋白和离子通道控制的。蛋白激酶c的激活PIP2水解释放出的DAG是水不溶的(非极性的)，一直停留在质膜上。一旦IP3动员释放了Ca2+,DAG在Ca2+和磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)的存在下使PKC结合到质膜上并使之激活。PKC是多功能性的Ser/Thr激酶。在细胞生长、分化、细胞代谢和转录激活等方面具有重要的作用蛋白激酶c的激活与基因调控信号的终止IP3作用的终止◆IP3的水解：在5’磷酸酶的作用下,水解为I(1,4)P2,并进一步水解成肌醇。5’磷酸酶是一种膜结合的酶。◆在胞浆的肌醇磷酸脂3-激酶的作用下IP3被磷酸化成I(1,3,4,5)P4。DAG信号的解除

DAG只是由PIP2水解得到的暂时性产物,寿命只有几秒钟,靠两种方式进行降解:◆被DAG磷酸激酶磷酸化,生成磷脂酸(PA),PA被转化为CMP-磷脂酸,再与肌醇作用合成磷脂肌醇(PI)。◆DAG

被DAG酯酶水解生成单脂酰甘油,再进一步水解成自由的多不饱和脂肪酸和花生四烯酸甘油。Ca2+信号解除●IP4参与打开细胞质膜上的Ca2+

通道,使细胞质中的Ca2+较为持久地增高。●胞内Ca2+浓度持久地升高,可激活Ca2+-ATP酶（质膜、内质网膜的钙泵），从而降低胞质中的Ca2+，使胞质中的Ca2+迅速恢复到基态水平(10-7

M),并使活性CaM-酶复合物解离,从而酶失去活性,细胞反应终止。第四节酶联受体介导的信号转导通过受体自身的酪氨酸蛋白激酶的活性来完成信号跨膜转换；该通路对信号的反应比较慢(通常要几小时)，并且需要许多细胞内的转换步骤；通常与细胞分裂相关。一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路二、细胞表面其他与酶偶联的受体

受体丝氨酸/苏氨酸激酶

受体酪氨酸磷酸酯酶

受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals）

酪氨酸蛋白激酶联系的受体两大家族：

一是与Src蛋白家族相联系的受体；

二是与Janus激酶家族联系的受体。信号转导子和转录激活子（signaltransducerand

actvatoroftranscription，STAT）与JAK-STAT途径三、细胞表面整连蛋白介导的信号转导受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs） 包括6个亚族

信号转导：配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK→胞内信号蛋白→启动信号传导RTK-Ras信号通路：G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活

RTKs的失敏（desensitization）

活化的PTK可以结合多种带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白。接头蛋白，如生长因子受体结合蛋白-2（GRB-2），其作用是偶联活化受体与其它信号分子，参与构成信号转导复合物。但它本身不具有酶的活性，也没有传递信号的性质。信号通路中有关的酶，如：GTP酶活化蛋白（GAP），磷脂酰肌醇代谢有关的酶（γ-磷脂酶C，3-磷脂酰肌醇激酶）等。G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活

MAPK（Mitogen-activatedproteinkinase）又称ERK（extracelularsignal-regulatedkinase）----真核细胞广泛存在的Ser/Thr蛋白激酶。

MAPK的底物：膜蛋白（受体、酶）、胞浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子----在细胞增殖和分化中具有重要调控作用。

PTX敏感性G蛋白（Gi，Go）的亚基依赖于Ras激活MAPK，具体机制还有待深入研究；

PKC、PLC与G蛋白偶联受体介导的MAPK激活

PKA对G蛋白偶联受体–MAPK途径的负调控

RTKs的失敏机制：受体的磷酸化修饰。EGF受体Thr654、C端的Ser1046/7的磷酸化导致RTK活性的抑制。磷酸化位点所在的C端恰好是SH2蛋白的结合部位。引起受体磷酸化的激酶：PKC----作用于Thr654；CaMK2（Ca2+和CaM依赖的激酶2）----作用于Ser1046/7。EGF受体是CDK的靶蛋白，提示和周期调控有关。RTK失敏对细胞正常功能所必须，RTK的持续激活将导致细胞生长失控。由细胞表面整合蛋白介导的信号传递整合蛋白与粘着斑粘着斑的功能：

一是机械结构功能；

二是信号传递功能通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：

由细胞表面到细胞核的信号通路

由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路第五节细胞的信号整合与控制一、细胞对信号的整合细胞对信号反应具有发散性（divergence）或收敛性（convergence）特征

信号的强度或持续的时间不同从而控制反应的性质

在不同细胞中，因为有不同的转录因子组分，所以即使同样受体而其下游通路也是不同的

整合信号会聚其他信号通路的输入从而修正细胞对信号的反应蛋白激酶的网络整合信息与crosstalk二、细胞对信号的控制

次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。初级反应：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速；一氧化氮是可溶性的气体，产自精氨酸，在一些组织中作为局部介质起作用。是一种能够进入细胞直接作用于酶的信号分子，NO能够引起血管壁的平滑肌细胞松弛。NO的形成：NO合酶是一种Ca2+/钙调蛋白敏感性的酶。NO