分子生物学细胞信息转导

细胞信息转导,第 十 五 章,Cell Communication and Signal Transduction,The biochemistry and molecular biology department of Binzhou Medical University Kong Lijun,单细胞生物 直接对物理化学信 号 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：,信息、物质与能量是生命基本要素，通讯能力是细胞具有的特征之一。,细胞之间信息传递方式, 相邻细胞直接接触, 细胞分泌各种化学物质来调节自身和其他细胞的代谢和功能,细胞间信息传递体系,信息物质 受体 细胞内信使系 统 生物学效应。,信息物质（ 视觉、嗅觉、激素、递质、细胞因子、药物）,跨膜信号转导的一般步骤,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,一、细胞间信息物质（extracellular signal molecules）,（一）定义： 是由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质的统称，又称作第一信使。,（二）细胞间信息物质的化学本质 * 蛋白质和肽类（如生长因子、细胞因子、胰岛素等） * 氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等） * 类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等） * 脂酸衍生物（如前列腺素） * 气体（如一氧化氮、一氧化碳）等,1、神经递质,又称突触分泌信号(synaptic signal),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,（三）根据分泌方式的分类,又称内分泌信号(endocrine signal),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、 激素,分类,又称旁分泌信号(paracrine signal,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、NO、前列腺素等。,3、局部化学介质,分类,气体信号,例如： * NO合酶（NOS）通过氧化L-精氨酸的胍基而产生NO。 *血红素单加氧酶氧化血红素产生的CO。,其他,有些细胞间信息物质能对同种细胞或分泌细胞自身起调节作用，称为自分泌信号(autocrine signal)。,有些细胞间信息物质可在不同的个体间传递信息，如昆虫的性激素。,细胞间信息物质影响细胞功能的途径,二、细胞内信息物质,(intracellular signal molecules) 定义： 第一信号物质经转导刺激细胞内产生的 传递细胞调控信号的化学物质。,细胞内信息分子化学本质：,无机离子：如 Ca2+,脂类衍生物：如DAG、Cer,糖类衍生物：如IP3（肌醇三磷酸）,核苷酸：如cAMP、cGMP,信号蛋白分子：如蛋白激酶 Ras、Raf,无机离子：如 Ca2+,脂类衍生物：如DAG、Cer（神经酰胺）,核苷酸：如cAMP、cGMP,（二酯酰甘油）,第三信使(third messenger),负责细胞核内外信息传递的物质，又称为核信使。,在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP等。,第二信使(secondary messenger),1965年美国生物学家萨瑟兰提出第二信使学说，1971获生理学/医学奖,小结：,第 二 节 受 体,Receptor,能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称配体(ligand)。包括激素、生长因子、神经递质、药物、毒物等,一、受体的定义：,是细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，多数是糖蛋白，个别是糖脂。,（也包括光的刺激、味道,识别和结合配体 传导信号 产生相应的生物学效应,二、受体的功能：,三、分类（按受体存在位置）,膜受体(membrane receptor) ： 存在于细胞质膜上的受体，绝大部分是镶嵌糖蛋白。,胞内受体(intracellular receptor) ： 位于细胞浆和细胞核中的受体，全部为DNA结合蛋白（反式作用因子）。,离子通道受体,酶联受体,G蛋白偶联受体,1. 环状受体 配体依赖性离子通道,（一）、膜受体的结构与功能,神经递质与这类受体结合后，可使离子通道打开或关闭，从而改变膜的通透性。,乙酰胆碱受体,依赖性离子通道，由4-5个亚基构成，每个亚基由4-5个-跨膜螺旋组成。,乙酰胆碱受体的结构与其功能,5个亚基围成一个花瓣样的水性离子通道。 例如，乙酰胆碱可以与两个 亚基结合，使受体变构，5个亚基围成的离子通道开放，乙酰胆碱使细胞膜外的钠离子进到细胞内，引起细胞膜内外电的变化，引起细胞的生物学效应。,2. G 蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors, GPCRs) 又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体(serpentine receptor),一条肽链组成的胞外区、跨膜区、胞内区。 胞外与胞内各有三个环，受体活化后，G蛋白结合在胞内第三个内环上，发挥生物学效应。,胞浆,膜外,七个跨膜螺旋受体 - G 蛋白偶联受体,由一条肽链组成，N末端在细胞膜的外侧，C末端在胞浆。受体有7次跨膜，结构都是 螺旋结构。胞外区N末端连接糖链；细胞内外各有3个环。受体活化后胞内的第3个环可以与G蛋白结合，进一步发挥生物学效应。, G蛋白（guanylate binding protein）,G蛋白是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、 三个亚基组成，有两种构象：正常情况下、抑制亚基活性。 非活化型：、 三聚体结合GDP（G-GDP） 活化型： 亚基结合GTP, 与、 亚基分离,（鸟苷酸结合蛋白）,（G -GTP）,G蛋白有两种构象,活化型,非活化型,G蛋白的亚基可以与GDP结合,此时、 亚基对亚基起抑制作用称非活化型。 受体与配体结合之后，受体结构改变，引起结合在内环上的G蛋白活性改变。使GTP与结合使、 亚基分开，与GTP结合的亚基有活性了（活化型），影响细胞内第二信使的形成，继而影响细胞内G蛋白的效应蛋白活性的改变，引起细胞内的生物学效应。,G蛋白的效应蛋白,G蛋白激活后：,1、AC(腺苷酸环化酶) 活性增强，使ATP生成, 胞内重要的第二信使，引起细胞内的信息系统改变， 进而发生生物学效应。 2、 cGMP的PDE(磷酸二酯酶) ，使 cGMP水解，含 量下降，引起生物学效应。 3、PLC (磷酯酶C) ，催化PIP2 (磷酸肌醇4、5二磷酸） 是细胞膜上的脂类，在PLC分解成IP3 + DAG (肌醇 3磷酸和二酯酰甘油）,引起相应细胞内信息途径启动。 4、离子通道：G蛋白激活后影响通道活性，通道开放，使离子进入 细胞，引起生物学效应。,上图： 激素等信使物质（第一信使），与膜受体结合后， 激素没有进入细胞，而是通过受体活化（G蛋白活化）AC活化，引起cAMP 的生成。激素带来的信息 由 cAMP 作为第二信使继续传给细胞内的信息分子， 发生生物学效应。,R,H,AC,GDP,GTP,AC,ATP,cAMP,G蛋白循环：与配体结合而激活的受体可激活G蛋白，G蛋白通过一定的机制进行有活性和无活性状态的连续转换，称为G蛋白循环。,G蛋白偶联受体的信息传递途径,酶,第二信使,蛋白激酶,酶或其他功能蛋白磷酸化,生物学效应,G蛋白的种类及功能,两种G蛋白的作用,3. 单个跨膜螺旋受体,酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinase，TPK）受体型（催化型受体）,转化生长因子（transforming growth factor ，TGF）受体,非酪氨酸蛋白激酶受体型,500-850个aa构成，结合配体,22-28个疏水aa构成 信息传递、固定受体的作用,催化区：与底物结合，也可与ATP结合,配体有： 生长因子 细胞因子 （表皮生长因子、成纤维生长因子、胰岛素样生长因子等）,调节区（自身磷酸化区）,Ser 、Thr、Tyr（丝、苏、酪 OH, 加上磷酸）,自身磷酸化(autophosphorylation) 当配体与单跨膜螺旋受体结合后，催化型受体大多数发生二聚化，二聚体的酪氨酸蛋白激酶被激活，彼此使对方的某些酪氨酸残基磷酸化，这一过程称为自身磷酸化。,该型受体与细胞的增殖、分化、分裂及癌变有关。,酪氨酸蛋白激酶TPK受体型,上皮生长因子受体,胰岛素样-1-生长因子受体,血小板衍生因子受体,成纤维细胞生长 因子受体,酪氨酸蛋白激酶,膜,与配体结合后具有酪氨酸蛋白激酶活性，如胰岛素受体（IGF-R） 表皮生长因子受体。,与配体结合后，可与酪氨酸蛋白激酶偶联而表现出酶活性，如生长激素受体、干扰素受体。,非酪氨酸蛋白激酶受体型,酪氨酸蛋白激酶受体型体型,催化型受体分两类：,(EGF-R),（二）胞内受体(intracellular receptor),位于细胞浆和细胞核中的受体，全部为DNA结合蛋白。 胞内受体通多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。 能与胞内受体结合的信息物质有类固醇激素、甲状腺素、维生素D3和维甲酸等。,结构：一条链组成,高度可变区,位于N端，具有激活转录功能， 多为抗体结合的部位,DNA结合区,位于中部，含有锌指结构，与顺 式作用元件结合,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,调节受体向核内转移,20-600aa,60-68aa,四、受体作用的特点,1. 高度专一性,2. 高度亲和力,3. 可饱和性,5. 特定的作用模式,4. 可逆性,配体受体结合曲线,五、受体活性的调节,受体的数目和（或）受体与配体的结合亲和力受多种因素的调节。,Up regulation / Down regulation,1. 受体下调：受体的数目减少和（或）受体与配体的结合亲和力降低与失敏。 2. 受体上调：受体的数目减少和（或）受体与配体的结合亲和力升高。,调节机制：,1. 受体磷酸化与脱磷酸化作用影响其活性 2. 膜磷脂的代谢的影响受体的功能 3. 酶促水解作用（受体在溶酶体降解） 4. 蛋白的调节,受体量的变化,（G蛋白活性影响配体 与受体 的亲和力）,第 三 节,信息的转导途径,Signal Transduction Pathway,一、膜受体介导的信息转导,cAMP- 蛋白激酶途径, Ca2+- 依赖性蛋白激酶途径,cGMP- 蛋白激酶途径,酪氨酸蛋白激酶途径,核因子 B途径,TGF-途径,蛋白激酶（protein kinase, PK） 能将ATP分子上的 -磷酸转移到蛋白质的Ser，Thr，Tyr残基上，使蛋白质磷酸化的酶。 PKA ，PKC， PKG , PKB， CaMK,依赖Ca和Ca调蛋白的蛋白激酶,蛋白激酶的磷酸化与脱磷酸化,H2O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,磷酸化的酶蛋白,Mg2+,（一）cAMP - 蛋白激酶途径,胞外信号(激素),膜受体,G蛋白,AC,cAMP,PKA活化,酶或功能蛋白质磷酸化,生物学效应,1. cAMP 的合成与分解,腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase,)，AC 磷酸二酯酶(phosphodiesterase,)，PDE,第二信使,（无活性）,cAMP,ATP,磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE),腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase,AC),磷酸连接在3, , 5,C上,2cAMP的作用机理,激活cAMP依赖性蛋白激酶（PKA）,PKA有四个亚基，两个调节亚基R，两个催化亚基C。四个亚基在一起时没有活性，当4cAMP分别与两个调节亚基结合，催化亚基与调节亚基分开，调节亚基失去对催化亚基的抑制作用，使催化亚基有活性。,激活cAMP依赖性蛋白激酶（PKA）,3PKA的作用,使多种蛋白质特定的Ser/Thr残基磷酸化。 （1） 对代谢的调节作用（如对糖代谢的调节作用） 通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。 （2 ） 对基因表达的调节作用,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（ cAMP response element, CRE） 可与cAMP应答元件结合蛋白（ cAMP response element binding protein, CREB) 相互作用而调节此基因的转录。,PKA对代谢的调节作用 （如肾上腺素对糖原磷酸化酶的调节作用）,第一信使,第二信使,有活性,无活性,有活性,有活性,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(cAMP response element , CRE)。 可与cAMP应答元件结合蛋白 (cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。,对基因表达的调节作用,对基因表达的调节作用,DNA,CREB,PKA,Transcription,mRNA,CREB,PKA,顺式作用元件,ATP,cAMP,蛋 白 磷 酸 化,结构基因, , ,细胞核,DNA,蛋白质,Ca2+ 磷脂依赖性蛋白激酶途径,(Ca 2+ - CAM CAMK途径,Ca 2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径,(DAG-PKC途径),（二）Ca 2+依赖性蛋白激酶途径,Ca 2+在收缩、运动、分泌、分裂和信息传递等生命活动中有重要作用,胞浆Ca 2+ i：0.01-1umol/L 细胞外（血液）：2.5mmol/L 500010000倍， Ca 2+库 （内质网、 线粒体、肌浆网）释放入胞浆，引起 Ca 2+ i 瞬间增高，调节生命活动。,Ca 2+,1、 DAG和IP3的 生成与功 能,PIP2,PLC,IP3+DAG（DG）,第二信使 （双信使）,DAG：在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下激活PKC,IP3 ：与内质网和肌浆网上的受体结合，促使细胞内 Ca2+释放,引起信使途径,（细胞膜上的磷酯）,磷酯酰肌醇 4, 5,二磷酸,(磷酯酶C),IP3,DAG,PIP2,PLC,IP3和DAG的生物合成和功能,配体,受体,PLC,PIP2,IP3,Ca2,PKC,DAG,G蛋白,内质网,酶或功能蛋白磷酸化,生物学效应,（1） Ca 2+ 磷脂依赖性蛋白激酶途径,PS,（DG依赖性PKC途径）,2、 两条途径：,(DAG-PKC途径),磷脂酰丝氨酸, 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, 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,反式作用因子磷酸化,第三信使,早期反应：,立早基因,第三信使磷酸化,表达,细胞增生或核型变化（长时程）,晚期反应：,PKC,晚期反应基因活化,第三信使：DNA结合蛋白，可以与靶基因的特异序列,立早基因,立早基因（immediate early genes，IEGs）是一组在受到一系列外界刺激后迅速并且短暂激活的基因。这些基因的激活不需要任何新蛋白的合成。 目前为止，已在细胞中发现40多种立早基因。最早发现的立早基因包括 c-fos, c-myc 和c-jun，有研究发现这些基因与逆转录病毒的基因同源。,AP-1,PKC对基因的活化,R,（立早基因）,立早基因编码的蛋白-第三信使,（DNA的顺式作用元件）,（2）Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径,复合物,（变构）,（活化）,钙库释放Ca 2+,钙调蛋白(calmodulin , CaM) 为钙结合蛋白，由一条肽链组成，有四个Ca2+结合位点。 与Ca2+结合后可激活CaM激酶。,CaM激酶： 使多种功能蛋白质的丝、苏氨基酸残基磷酸化。,由148个aa组成，分子内有4个钙离子结合的部位，当胞浆内Ca2+ 浓度增高，与CaM结合，肽链构象发生改变，激活CaM激酶。,CaM在生物体有非常重要的作用，如，在神经系统里，CaM激酶广泛存在，参与学习记忆等过程。,钙调蛋白,CaM,CaM与靶蛋白结合,（三）cGMP-蛋白激酶G途径,以cGMP 为第二信使,1、cGMP的合成和分解,GTP,鸟苷酸环化酶,cGMP,磷酸二酯酶 PDE,Ca2+ /Mg2+,5- GMP,PPi,H2O,GC有两种：结合型GC (存在于细胞膜) 可溶型GC（存在于胞浆）,GC,使有关蛋白或酶类的丝、苏氨酸残基磷酸化。,2、PKG的功能,生物学效应 ANP：松弛血管平滑肌、利尿利钠、降血压。,心钠素,NO：松弛血管平滑肌、扩张血管。,3. cGMP-蛋白激酶G途径,ANP NO,可溶性 GC,PKG,cGMP,结合型 GC,（以cGMP 为第二信使 ）,PLC/PLA2,Ca 2+,花生四烯酸,PG,膜受体,G蛋白,胞浆GC,前列腺素,（四）酪氨酸蛋白激酶途径,酪氨酸蛋白激酶:,在细胞的生长、增殖、分化等过程中起重要作用，并与肿瘤的发生有密切关系。 TPK分两种类型：,(tyrosine-protein kinase,TPK),受体型TPK（位于细胞质膜上）,非受体型TPK（位于细胞浆）,TPK的两种类型,受体型TPK（位于细胞质膜上） 如胰岛素受体、生长因子受体及原癌基因（erb-B、 kit、fms等）编码的受体,非受体型TPK（位于胞浆） 如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的TPK,1、受体型TPK-Ras-MAPK途径,胰岛素及某些生长因子（EGF、PDGF）通过此途径调节基因的转录，影响细胞的增殖、分化及肿瘤的发生。 GRB、SOS、Ras、Raf为癌基因表达产物，其中Ras性质类似于G蛋白中的-亚基，又叫小G蛋白。 MAPK(有丝分裂原激活蛋白激酶)系统： 包括MAPK、MAPKK、MAPKKK,是一组酶兼底物的蛋白分子。MAPK主要使反式作用因子磷酸化，调节转录。,1. 受体型TPK-Ras-MAPK途径,GRB2 (growth factor receptor bound protein 2）,SH2 结构域 (src homology 2 domain) 细胞内某些连接物蛋白共有的氨基酸序列，与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶区同源，该区域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合。,SOS (son of sevenless) 一种鸟苷酸释放因子，富含脯氨酸，可与Ras的SH3结构域结合，促使GTP 与GDP的交换。,Ras蛋白 原癌基因产物，类似于G蛋白的G亚基，因其分子量小而被称为小G蛋白。,Raf蛋白 具有丝苏氨酸蛋白激酶活性。,MAPK系统 (mitogen-activated protein kinase),包括MAPK、MAPK激酶（MAPKK）、MAPKK激酶（MAPKKK），是一组酶兼底物的蛋白分子。影响细胞分裂、增殖的激酶。,2. JAKs-STAT途径,一部分生长因子、大部分细胞因子和激素通过此途径影响基因的转录。 与机体的免疫应答、细胞增殖、细胞转化等有关。,JAKs：一类具有激酶结构的连接蛋白，分子内有SH2结构域（高度保守）。即与原癌基因src编码的TPK区同源，能识别磷酸化的Tyr残基并与之结合。 STAT:信号转导子和转录激动子。,JAKs-STAT途径,* JAKs (Janus kinases) * 信号转导子和转录激动子 (signal tran