细胞间信息与调控-2011-2研究生.ppt

细胞间信息传 递及调控,生物进化是由单细胞到多细胞，多细胞生物往往呈群体生活方式，形成细胞群体社会化。,细胞间信息传递和调控的机制是多细胞生物在细胞、亚细胞和分子水平的生命活动调控机制。,细胞信号转导,研究,生物大分子之间的相互作用,揭示,生物细胞信息传递过程及其机制的前沿领域,内容,几乎涉及了生物医学的各个学科,1.有利于认识正常生理过程; 2.有利于揭示人类重大疾病的分子机制； 3.以及开发细胞信号转导相关的药物等。,意义,多细胞生物在个体发育中按照严格的时空次序，有选择地表达基因，结构上形成多层次的复杂系统；功能上则随机反应调节，这是由于进化中形成了多层次的信息传递和调控系统。细胞间信息传递及调控是其重要部分，是连接整体信息传递和受体后传递途径。,第一信使（first messenger） 细胞所接受的信号，包括: 物理信号、化学信号及生物学信号等，其中最重要的是由细胞分泌的、具有调节机体功能的一大类生理活性物质，它们作为化学信号在细胞间传递信息，被称为第一信使（first messenger）。,在细胞间传递信息的有：,第二信使： 是细胞内信使，指受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导通路的活性物质，被称为第二信使（second messenger）。,第三信使： 是在细胞间起传递信息作用的物质，包括： 单功能的：如神经介质； 多功能的：如膜结合蛋白；大分子和小分子的。,细胞的一切生命活动都与信号有关，细胞间的信号传递在协调细胞行为及功能方面起着重要的作用。,细胞的信号转导 细胞通过与细胞膜上或胞内受体特异性结合，将信号转换后传给相应的细胞内反应系统，使细胞对外界信号做出适当的反应，这一过程既为信号转导（signal transdution）。,信号转导： 针对外源信息所发生的细胞应答反应全过程,信号转导是由以下四大要素构成的:,受体,G蛋白,细胞内第二信使,蛋白激酶,而通过对这些分子的结构及功能关系的研究，人们对信号转导机制的认识深入到分子水平，证实细胞内存在多种信号转导方式及途径，而且彼此间可交叉调控构成复杂的网络。,信号转导机制的阐明不仅加深对细胞生命活动本质的认识，同时也有助于对肿瘤、药物中毒等机制的研究，而研究和设计以信号转导通路为靶标的药物和疾病治疗方法，也将成为临床医学和药物产业的新领域,第一节、 细胞分泌的生理活性物质是 重要的胞外信号 一、内分泌系统的激素 二、神经系统的神经递质 三、局部化学介质,第一节、 细胞分泌的生理活性物质是重要的胞外信号 细胞所接受的信号有：,物理信号,化学信号,生物信号,它们的分子一级结构或空间构像中本身携带着一定的信息，当与细胞膜上或胞浆内相应受体结合后，受体可将收到的信息转导到位于细胞浆和/或细胞核内的功能反应体系，细胞由此产生效应。,糖皮质激素受体作用,化学信号大部分是水溶性的，可以在体内随血液或体液运送，但不能通过细胞膜；也有一些是脂溶性的，如激素，可以直接穿越细胞膜到达细胞内。根据这些化学信号的物质特点及作用方式，可以将其分为三种。,一、内分泌系统的激素,这类信号分子由内分泌细胞合成，经由血液或淋巴循环到达机体各部位的靶细胞。 作用特点：是距离远、范围大、作用时间较持久，如：胰岛素、甲状腺素、肾上腺素。,内分泌(Endocrine)即激素的作用方式，产生细胞因子的细胞远离靶细胞，需经血液循环才能到达效应器官。,内分泌,内分泌腺分泌激素入血液,远距离靶细胞,二、神经系统的神经递质,这类信号分子由神经细胞的突触终端释放，作用于突触后膜上的特殊受体，这类信号分子有作用时间短、作用距离短等特点，如乙酰胆碱、去甲肾上腺素等。,三、局部化学介质,局部化学介质：是一类介于上述两类信号分子之间的、由某些细胞产生并分泌的生理活性物质，如生长因子、前列腺素、NO等。,它们不进入血液，而是通过细胞外液的介导，作用于附近的靶细胞（同种细胞或异种细胞）。,mRNA,IL-5,IAP引起IL-5基因活化,IL-5mRNA构成性表达,IL-5产生, IL-5分泌, IL-5与IL-5R结合, 增殖信号, 自我复制,形成自分泌增殖体系,IL-5自分泌生长方式,根据与受体结合后细胞所产生的不同效应，可将胞外信号分子分为：,激动剂：是指与受体结合后能使细胞产生效应者。,拮抗剂：这类信号分子与受体结合后，不产生细胞效应，但可阻断激动剂对细胞的作用。,第二节 受体与胞外信号分子结合、启动信号转导 一、受体的分类 二、受体的功能 三、受体作用的特点,第二节 受体与胞外信号分子结合、 启动信号转导,受体（receptor）是一类存在于细胞膜或细胞内的特殊蛋白，能特异性识别第一信使并与之结合，进而激活细胞内一系列生物化学反应，使细胞对外界刺激产生相应的效应。,配体（ligand) ： 凡能与受体结合的生物活性物质统称配体，如激素、生长因子、神经递质等。,有人把与细胞间信号传导有关的受体分为四大类： 生长因子类受体: 配体闸门离子通道： G蛋白偶联的受体： 细胞核受体 :,一、受体的分类,受体种类,生长因子,酪氨酸激酶,递质、激素、多肽、胺类,蛋白激酶,mRNA合成,离子,受体的分类及主要功能,受体也可分类两大类：膜受体和胞内受体 （一）膜受体：主要是镶嵌在细胞膜上的糖蛋白，由细胞外域（与配体相互作用的区域）、跨膜域（将受体固定在细胞膜上的区域）和细胞内域（起信号传导作用的区域）构成。,胞外区,跨膜区,膜内区,外 膜 内,细胞膜受体,根据表面受体与质膜的结合方式则可分为单次跨膜、7次跨膜和多亚单位跨膜等三个家族,具有酶活性的受体,G蛋白偶联受体,离子通道型受体,根据其结构特点及信号转换机制的不同膜受体又可分为三类：,三种表面受体结构图,离子通道型受体：（ion channel receptor） 是一类自身为离子通道的受体，这种离子通道与受电位控制的离子通道不同，它们的开放和关闭直接受化学配体的控制，称为配体门孔受体性离子通道，这些配体主要为神经递质。,离子通道受体信号转导的最终作用是导致细胞膜电位改变，可以认为，离子通道受体是通过将化学信号变成为电信号而影响细胞功能的。因此膜离子通道受体是化学信号与电信号的转换器,离子通道型受体结构： 是由多个亚基组成的多聚体，每个亚基含有2、4或5个跨膜域，亚基在胞膜上组装成环状通道，中间可供离子通过。故又称为环状受体。,烟碱样乙酰胆碱受体的分子结构,离子通道型受体在结构上即可以与细胞外信号分子结合，同时又是离子通道，因此具有受体与离子通道偶联的特点。 所以当离子通道受体与配体结合后，通道即可迅速打开，离子的流动在细胞内产生电效应，导致膜电位的变化。这类受体转导的信号反应是一种快速反应，是神经系统所特有的。,动作电位到达突触末端，引起暂时性的去极化； 去极化作用打开了电位门控钙离子通道，导致钙离子进入突触球； Ca2+浓度提高诱导分离的含神经递质分泌泡的分泌，释放神经递质； Ca2+引起储存小泡分泌释放神经递质； 分泌的神经递质分子经扩散到达突触后细胞的表面受体； 神经递质与受体的结合，改变受体的性质； 离子通道开放，离子得以进入突触后细胞； 突触后细胞中产生动作电位。,G蛋白偶联受体 (G-protein linked receptor) 是一类与G蛋白偶联、通过G蛋白的作用来实现信号传递、引起细胞效应的受体 。是膜受体中最大的家族，分布广泛、类型多样。,G蛋白偶联受体的特点： 所介导的信号转导过程较慢； 历时较长； 具有高度敏感性； 灵活性大； 类型多样；,结构特点： 1. 均为一条多肽链构成的糖蛋白，由400-500个氨基酸残基组成，分为细胞外、细胞膜上、细胞内三个区； 2. N末端位于细胞外区，带有多个糖基化位点； 3. 细胞膜结构区由7个跨膜疏水的-螺旋结构组成，其氨基酸组成高度保守，各跨膜螺旋结构之间有6个环状结构形成，胞外、胞内各3个； 4. C末端位于胞内区。,5.跨膜区的-螺旋结构片段是受体与配体结合的部位，位于胞质内的跨膜第五及第六区间的细胞内环则是能被G蛋白识别的区域 ； 6. 受体被激活时，该区域与G蛋白结合，并使G蛋白激活 。 7. C末端的丝氨酸、苏氨酸为磷酸化部位，在蛋白激酶的作用下可结合磷酸基团。,G蛋白偶联受体的结构,当受体被激活时该区域G蛋白结合激活G蛋白,G蛋白偶联受体的分子结构,G蛋白偶联受体可分为三个超家族： 第族 具有典型的G蛋白偶联受体的特征，包括 神经递质类： 如M-乙酰胆碱、，肾上腺素、多巴胺-D1受体、5-羟色胺-2受体等； 激素类： 如促甲状腺素受体、胰高血糖受体、生长因子释放受体、血管加压受体、血管紧张素受体等；,第族：该族受体成员的共同特点是在第5区与第6区的细胞内环的氨基酸组成上 有较大的同源性，如甲状旁腺激素受体、降钙素受体等。 第族：特点为肽链较长，在N末端及C末端个有一个大的疏水区（以代谢型谷氨酸受体为代表）。,G蛋白（G-protein） ： 是指在信号转导过程中与受体偶联的、能与鸟苷酸结合的一类蛋白质，位于细胞膜质面，为可溶性膜外周蛋白，由和蛋白亚基组成。,与跨膜信息的传递有关的G蛋白有许多种，它们之间存在有许多共同点： 1. 都是膜蛋白； 2. 都是有3个不同的亚单位构成； 3. 亚单位的分子量均在39-46kDa； 4. 通常都构成紧密的二聚体，共同发挥作用。 5. 在亚单位上，都具有GDP或GTP结合位点,有GTP酶活性。,不同的G蛋白间的差异： 主要表现在亚单位，既不同的G蛋白具有不同的亚单位， 亚单位具有多样性。,G蛋白的功能： 主要是通过其自身构象的变化来激活效应蛋白（effector protein）,进而实现信号从细胞膜外向细胞膜内的传递。每一个G蛋白都与一个特殊的受体和一个特殊结构的下游靶蛋白有特定的结合关系。,在各种细胞信号转导途径中，G蛋白起到开关的作用。 当其结合的核苷酸为GTP时，即成为活化形式，可作用于下游分子使相应的信号转导途径开放，而当其结合的GTP水解成为GDP时（G蛋白自身具有GTP酶活性）则回到非活化状态使相应的信号转导途径关闭。, 在静止状态下，亚基与、亚基构成三聚体的形式与GDP结合，此时的G蛋白与受体分离，无活性。,G蛋白的作用机制： G蛋白亚基上有GDP或GTP的结合位点，具有GTP酶活性，能促进与其结合的GTP分解为GDP。,受体,亚基与、亚基构成三聚体,当配体与受体结合后，受体分子的构象改变，与G蛋白亚单位结合的位点暴露，导致受体胞内部分与G蛋白亚基接触并相互作用，使得亚基构象发生改变，与GDP的亲和力减弱，而与GTP的亲和力增强，进而与GTP结合；,GTP,GDP,之后G蛋白被激活，进入功能状态，并解体为GTP/亚基和二聚体两部分；,激活效应蛋白,沿细胞膜扩散,完成将信号从细胞外传递到细胞内的过程,这两个分子沿着细胞膜自由扩散，直接与细胞膜下游的效应蛋白发生作用，并激活其完成将信号从细胞膜外传递到细胞膜内的过程； 当配体与受体解离后，G蛋白亚基分解与其结合的GTP，其构象改变，与GDP的亲和力增强并与之结合，亚基与效应蛋白分离，重新与亚基构成三聚体，此时G蛋白又回复到静息状态。,G蛋白循环,G蛋白循环： 配体与受体结合，改变受体的构象，再引起G蛋白构象改变，a亚基与GDP的亲和力下降，释放GDP，与GTP结合，与亚基解离，成为活化状态的a 亚基。a 亚基再激活细胞内的各种效应分子，将信号进一步传递；a 亚基具有内在的GTP酶活性，将GTP水解为GDP，a 亚基重新和亚基结合成三聚体，回到静止状态。G 蛋白这种有活性和无活性的状态的转换称为G蛋白循环。,两种G蛋白的活性型和非活性型的互变,3酪氨酸蛋白激酶型受体 是一类本身具有酪氨酸激酶（tyrosine-specific protein kinase，TPK）活性的受体。 是由一条多肽链构成的跨膜糖蛋白； N端位于细胞外区，为配体结合部位，识别并接受外来信号；, 跨膜区有一个高度疏水的螺旋构成。起连接细胞内外区，并固定在细胞膜上的作用。 C端位于胞质内具有酪氨酸激酶功能区，该区的氨基酸组成高度保守，包括结合ATP与结合底物的两个区域，是酪氨酸激酶的催化部位，他催化各种底物蛋白磷酸化从而将细胞外的信号传导到细胞内部。,酪氨酸激酶型受体的作用机制 1.当配体与受体结合后，受体胞外结构域的构象发生变化； 2.引起胞内结构域构象的变化，使得受体C端的酪氨酸残基迅速被磷酸化； 3.受体的激酶活性被激活，在空间结构上形成一个或数个SH2结合位点（SH2-binding site）通过这些位点，受体可以和具有SH2结构的蛋白质结合，并使之激活； 4.被激活的蛋白质进一步催化细胞内的生化反应，由此来完成信号从细胞外向细胞内的传递。,酪氨酸激酶型受体可分为三大类： 第一类：由一条多肽链构成，胞外区包括两个富含半胱氨酸的重复区，彼此间无二硫键形成，但重复区内可有二硫键的存在。,富含半胱氨酸结构域,酪氨酸激酶结构域,EGF-R,第二类： 由四条多肽链构成，由3对二硫键将四条肽链相连; 两条链不越过细胞膜，在组成上均具有丰富的半胱氨酸重复序列; 两条链个有一跨膜区和激酶区；胰岛素受体属此类；,IGF-I-R,两条链不越过细胞膜,两条链各有一跨膜区和激酶区；,第三类：由一条多肽链构成，胞外区不具有富含半胱氨酸的重复序列，细胞内的催化区由一亲水区分成两部分，常见的有PDGF受体。,NGF-R PDGE-R FGF-R VEGF-R,各类受体酪氨酸激酶,酪氨酸激酶受体的配体： 主要是一些生长因子和分化因子，如表皮生长因子、血小板源生长因子、胰岛素等。,（二） 胞内受体 (intracellular receptor) 通常是由400-1000个氨基酸组成的单体蛋白。 特点： 1. 其N末端的氨基酸顺序具有高度可变性，长短不一 。 2. 具有转录激活作用，大多数受体的这一区域也是抗体结合区； 3. 其C端是配体结合区，由200多个氨基酸组成，富含半胱氨酸残基，具有两锌指结构，由此可与DNA结合。 4. 胞内受体分布在细胞质内或细胞核内。,配体结合区,胞内受体结构图,铰链区,27,抗体结合区,胞内受体的配体为脂溶性的小分子甾体类激素（类固醇类、甲状腺素、维生素D等）， 可以直接以简单扩散的方式或借助某些载体蛋白跨越靶细胞膜，与位于胞质或细胞核内的胞内受体结合。 胞内受体在细胞中的分布不同 ，可位于胞浆、胞核或同时存在于胞浆与胞核中。如糖皮质激素、盐皮质激素的受体位于胞浆，而维生素D3及维甲酸受体则存在于胞核内。,胞内受体是基因转录调节蛋白，在与配体结合后期分子的构像发生改变，进入功能状态，其DNA结合区与DNA分子上的激素调节元件相结合，通过稳定或干扰转录因子对DNA序列的结合，对基因转录有选择地进行促进或抑制。,高度可变区 DNA结合区 激素结合区,核受体结构,二、受体的功能 能特异性识别、结合相应的配体；在与配体结合后，可将其相互作用的信号向其他信号分子传导；与配体结合后，可使细胞产生生物学效应。,三、受体作用的特点 受体与配体的结合有以下几个特征： (一) 受体分子的立体构型决定受体的特异性 受体与配体的结合是高度特异性的反应，但不是绝对的， 有受体交叉（receptor crossover）现象 . 如胰岛素受体除结合胰岛素外, 还可同胰岛素样生长因子结合。糖皮质(激)素受体除同糖皮质(激)素结合以外, 还可同其它甾类激素结合。,(二) 配体具备高度亲和力 受体与配体结合的能力称为亲和力。受体对其配体的亲和力很强， 亲和力越强， 受体越容易被占据。亲和力的大小常用受体-配体复合物的解离常数（Kd）值来表示， 通常是10-9 M左右。,(三)受体被配体完全结合后呈现可饱和性（saturation） 由于细胞含有有限数量受体分子，提高配体分子的浓度，可使细胞的受体全部被配体所占据，此时的受体处于饱和状态，因为即使增加配体的浓度也不会增加配体与受体的结合。由于一个细胞或一定组织内受体的数目是有限的， 因此受体与配体的结合是可以饱和的。,(四)受体与配体的结合及解离处于可逆的动态平衡中 配体与受体的结合是通过非共价键，所以是快速可逆的。 当引发出生物效应后， 受体-配体复合物解离， 受体可以恢复到原来的状态， 并再次使用。受体与配体结合的可逆性有利于信号的快速解除，避免受体一直处于激活状态。 (五) 受体的磷酸化与非磷酸化具有调节性,第三节 细胞信号转导机制 外源信号-受体-细胞内多种生物分子的浓度、活性、位置变化-细胞应答反应。,（一）信号必须经由受体发挥作用 （二）信号转导分子负责信号在细胞内的传递和转换 细胞的信号转导过程是由一个复杂的网络系统完成的。这一网络系统的结构基础是一些关键的蛋白质分子和一些小分子活性物质，其中的蛋白质分子常被称为信号转导分子，小分子活性物质常被称为第二信使。,一、受体激活后细胞产生接到信号传递的胞内信使,（三）受体激活后细胞产生介导信号 传递的胞内信使 细胞内信使 是指受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导通路的活性物质，又称为第二信使(second messenger)。已经发现的细胞内信使有许多种，其中最重要的有cAMP、钙离子、cGMP、二脂酰甘油、三磷酸肌醇等。,二、cAMP信使体系 cAMP: 是细胞膜的腺苷酸环化酶(AC)在G蛋白激活下，催化ATP脱去一个焦磷酸后的产物。,AC,在G蛋白激活下,催化ATP脱去一个焦磷酸,cAMP,水解,5-AMP,细胞内cAMP信号消失,cAMP,ATP,AC,PPi,AMP,PDE,H2O,磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE),腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase,AC),cAMP的产生与分解,AC: 腺苷酸环化酶，是一种由1100个氨基酸组成的、分子量为150000的糖蛋白， 由 2个大的疏水区域(M1、M2)； 2个胞质区域(C1、C2)组成；,2个疏水区,2个胞质区,跨膜6次,跨膜6次,ATP结合及具酶活性的部位,腺苷酸环化酶的结构,AC的特点： 1）可分为不同的6种亚型; 2) 在不同的细胞中各亚型的分布不同; 3) 不同亚型的AC在活性调节的机制上也存在明显的差异。 AC的主要功能: 是催化ATP生成cAMP，这一过程不仅需经G蛋白激活，还需要Mg2+、Mn2+的存在;,cAMP的作用: 是激活依赖cAMP的蛋白质激酶A(cAMP-dependent protein kinase，PKA)，进一步使下游信号蛋白的丝氨酸苏氨酸残基磷酸化，将其激活或钝化(图15-6)。,PKA是一种能被cAMP活化的蛋白激酶，其分子结构：是由C2R24个亚基组成的四聚体，其中2个C亚基是催化亚基；2个R亚基是调节亚基；催化亚基能催化蛋白质上某些特定丝氨酸苏氨酸残基的磷酸化（底物蛋白），每个调节亚基则可与两个cAMP结合。,当PKA与4分子cAMP结合，C亚基以单体的形式从PKA中游离出来后，即具有了蛋白激酶活性，通过使其蛋白底物磷酸化，进一步调节细胞的代谢反应。,蛋白激酶A的活性依赖于cAMP,R,C,从胞质进入胞核，使cAMP反应元件结合蛋白磷酸化，进而参与基因的转录调节,cAMP,蛋白激酶A的激活机制（演示）,ATP,cAMP,底物蛋白磷酸化,2cAMP-蛋白激酶A的信息转导过程：,当PKA被cAMP激活后，其游离的C亚基可从胞质进入胞核，通过使CREB丝氨酸残基磷酸化而激活，进而参与基因的转录调节。 CREB是位于胞核中的cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein,CREB) ; PKA主要分布在胞浆中；在某些胞核中也可见到；不同类的细胞，作用的底物蛋白也不同；,底物蛋白,cAMP通过PKA调节细胞代谢,cAMP反应元件结合蛋白,激活,催化ATP,AC, , ,细胞核,蛋白质,PKA对基因表达的调节作用（演示）,PKA的特点： 1）. 主要分布在胞浆中；在某些胞核中也可见到； 2）. 不同类的细胞，作用的底物蛋白也不同，因此造成了cAMP的生物学效应也不相同。 因此推测各种细胞内可能存在种类和数量各不相同的PKA底物，由此使得PKA作用底物下游的各条信号转导通路呈现差异。,三、钙离子/二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系_磷脂酰肌醇途径,细胞外的某些信号分子，在磷脂酰肌醇信号通路中与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），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（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号（图8-21），这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system），又称钙离子/二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系。,通过G蛋白介导，存在于细胞膜上的PLC可被激活；而PLC则是在受体的酪氨酸蛋白激酶催化下，其酪氨酸残基被磷酸化修饰而激活。 PLC激活后，可催化质膜上的磷脂酰肌醇-4,5-双磷酸（PIP2）水解产生两种第二信使，即甘油二酯（DAG）和1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）。,磷脂酶C（PLC）：,DG (二酯酰甘油) ：在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下激活PKC。,IP3 (三磷酸肌醇) ：与内质网和肌浆网上的IP3受体结合，促使细胞内 Ca2+释放。,磷脂酶C(PLC)_催化_细胞膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2） 水解后 产生,三磷酸肌醇（IP3),二酯酰甘油（DG）,激活Ca2+,激活PKC，使靶蛋白发生磷酸化,Ca2+,胞外信号分子,活化的受体,二磷脂酰肌醇水解,三磷酸肌醇IP3,IP3与Ca2+隔离库膜上的特异受体结合，介导Ca2+通道开放， Ca2+释放入膜质中,二酯酰甘油(DG),胞内靶蛋白磷酸化,特异的磷酸酯酶,启动细胞内Ca2+信号系统，使细胞产生相应反应。,脂溶性的DG生成后仍保留在细胞膜上，在有Ca2+、磷脂酰丝氨酸存在的情况下激活蛋白激酶C(PKC)，,PKC以磷酸化方式对多种胞内蛋白进行修饰，由此启动细胞的一系列生理、生化反应。,这一信号系统又称为“双信使系统”,钙离子/二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系“双信使系统”,PKC(蛋白激酶C),在细胞未受到外界信号刺激时，亦以非活性构像存在于胞质中，其催化结构域的活性中心部分嵌合于调节结构域中；,当细胞膜受体与外界信号结合后，PKC的调节结构域与DG、磷脂酰丝氨酸及Ca2+结合，致使PKC构像发生改变，催化活性中心暴露，PKC由此被激活。当外界信号消失时，DG最先从PKC上解离，使PKC失活。,在钙离子/二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系中 三磷酸肌醇（IP3）动员细胞内Ca2+库与DG活化PKC两个过程，既是独立的又是相互协调的。细胞库的Ca2+在IP3作用下被释放到胞浆，引起Ca2+浓度的升高，Ca2+可进一步与PKC结合并聚集至细胞膜，与DG和膜磷脂一起共同诱导、激活PKC。,通过该信使体系使细胞产生效应的胞外信号分子有：血管紧张素、5-羟色胺、各种生长因子等。,PKC 对基因的早期活化和晚期活化,此信号传递途径与cAMP-蛋白激酶A途径类似，即通过激活鸟苷酸环化酶（GC），催化生成第二信使cGMP，再通过激活蛋白激酶G（PKG）而传递信息。 目前已知心房肽（心房利钠因子）是通过此途径传递信号，可引起血管平滑肌的松弛。 NO可激活GC，从而激活该途径。,四、cGMP信使体系,cGMP 是一种广泛的存在于动物细胞中的胞内信使，是鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase, GC）催化、水解GTP后形成的。,cGMP的合成和降解,GC在细胞中有两种存在形式,膜结合型GC,胞浆可溶型GC,膜结合型GC：是一种跨膜蛋白，在结构上类似于酪氨酸激酶受体，跨膜一次，细胞外结构域是受体部分，膜内为鸟苷酸环化酶催化域。,尿苷酸环化酶催化区,受体部分,胞内的酶催化活性即被激活,可溶性GC:呈颗粒状,溶解于胞质中,由两个亚单位组成，具有两个酶活性部位，可在NO、CO的作用下被激活。,NO、CO激活,两种GC在分布上呈现出组织差异： * 膜结合型GC常存在于心血管组织细胞、小肠、精子及视网膜杆状细胞中； * 可溶性GC则主要分布于在脑、肺、肝等组织中； * 在同一种细胞中，随着细胞生长过程的变化，两种GC的比例可发生改变；,可溶性GC活性低，膜结合型GC的活性高,可溶性GC活性明显增高，而膜结合型GC的活性却降低,在幼鼠肝细胞中,在成年鼠的肝细胞中,GC酶活性的激活剂: NO是GC的天然配体，其辅基亚铁血红素与NO结合成复合体以后，可使可溶型GC激活，cGMP浓度升高，导致神经传导、血管扩张、平滑肌舒张等生物效应的产生。因此， NO、细菌热稳定毒素及海胆卵肽等是GC酶活性的激活剂。,NO： * NO在细胞内可由NO合酶催化精氨酸转化而成; * NO合酶的活性受Ca2+钙调蛋白的调节，其分布具组织特异性; * 胞内Ca2+浓度的增高可增强NO合酶的活性，导致NO的产生,进而使cGMP浓度升高，从而介导乙酰胆碱、谷氨酸、P物质及组胺等神经递质对细胞的作用。,cGMP含量的调节： 无论是膜型GC，还是可溶型GC，其催化产生的cGMP均可被细胞中的磷酸二酯酶(PDE)水解，因此细胞中cGMP的含量高低受GC与PDE的双重调节。,cGMP的作用： 1.在细胞中，cGMP形成后可通过激活cGMP依赖蛋白激酶G(cGMP-depedent protein ki-nase，PKG)磷酸化相应的蛋白质，引起细胞效应。 2. PKG是一个二聚体，在结构上由具有催化活性的亚基及具有结合cGMP活性的调节亚基组成。,PKA同源。PKG催化的底物蛋白主要涉及组蛋白、磷酸化酶激酶、糖原合成酶及丙酮酸激酶等，,3. cGMP作用于Na+离子通道 在脊椎动物的视杆细胞中，cGMP可直接作用于Na+离子通道，在有光信号存在的情况下使Na+离子通道关闭，引起胞内超极化，神经递质释放减少，产生视觉反应。因此，在光信号的转导中cGMP起着重要作用。,4. cGMP在浓度与作用上呈现出与cAMP拮抗的特点 cAMP浓度升高，细胞内特异性蛋白质合成的进程加快，细胞分化受到促进； 而cGMP浓度升高则可加速细胞DNA的复制，进而促进细胞的分裂；,使有关蛋白或酶类的丝、苏氨酸残基磷酸化。,PKG的功能,一、蛋白激酶与蛋白磷酸化是蛋白质活性的开关系统 蛋白激酶是一类磷酸转移酶，它可将ATP的磷酸基转移到底物特定氨基酸残基上，在细胞的信号转导过程中，蛋白激酶将其底物磷酸化，是细胞外信号引起细胞效应的重要环节之一。,蛋白质的磷酸化修饰是体内蛋白质类物质活性快速调节的重要方式之一。,第四节 调节蛋白质活性的开关系统,根据其作用底物的氨基酸残基的特异性，信号转导过程中的蛋白激酶主要可分为两类： 蛋白质酪氨酸激酶（TPK） 蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶（STK），,蛋白磷酸酯酶： 是指具有催化已经磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化反应的一类酶分子，与蛋白激酶相对应存在，共同构成了磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。,蛋白激酶,包括,蛋白质,磷酸化,蛋白磷酸酯酶,去磷酸化,共同构成了磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。,开关系统,（一）酪氨酸激酶（tyrosine protein-specific kinase,TPK） 是蛋白激酶家族中最重要的成员之一，酪氨酸激酶被激活后可催化底物蛋白酪氨酸残基，使其发生磷酸化。对细胞的生长、增殖、分化有重要的调节作用。此类激酶包括三大类：受体型TPK，位于细胞膜上；非受体型TPK，位于细胞质中；核内酪氨酸蛋白激酶。,受体型TPK 是酪氨酸激酶家族中最重要的成员之一，其家族的共同特点是胞内域都有一个或几个专一的酪氨酸残基，当与配体结合后，其胞内域可发生自生磷酸化。活化的受体型TPK可进一步作用于ras蛋白、腺苷酸环化酶、多种磷脂酶等底物。,发生磷酸化,P,Ras、腺苷酸环化酶等底物,受体型TPK-Ras-MAPK途径 是细胞外信号传递到细胞核内的重要通道, 它最终磷酸化靶蛋白,激活转录因子,促进细胞的增殖和活化. 包括: GRB2(growth factor receptor bound protein 2):一种接头蛋白,SH2域: 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2结构域同源，该区域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合。,SOS、 Ras蛋白、MAPK激酶系统。,SOS (son of sevenless)： 乌苷酸释放因子，富含脯氨酸，可与SH3结合，促使Ras的GDP换成GTP。,Ras蛋白：原癌基因产物，类 似与G蛋白的G亚基,Raf蛋白：具有丝苏氨酸蛋白激酶活性,MAPK系统 (mitogen-activated protein kinase system)：,是一组酶兼底物的蛋白分子，通常由三种蛋白激酶的级联反应构成，种类较多，包括： MAP激酶激酶激酶(MAPKKK)，如Raf-1激酶。 MAP激酶激酶(MAPKK)，如MEK1/2。 MAP激酶(MAPK)，如ERK1/2。,当受体与激素结合引起受体的二聚发生，进而引起胞内受体酪氨酸残基发生磷酸化,乌苷酸释放因子(sos)，可与SH3结合，促使Ras的GDP换成GTP。,分离,受体型TPK-Ras-MAPK途径,细胞外信号 EGF、PDGF等,具PTK活性的受体,Ras-GTP,细胞膜,二聚化,非受体型TPK 有9个亚族，JAK是一个主要的亚族，还有Fas、SRC等，它们在结构上有特别保守的区域，而这些区域在信号转导中起重要的作用。,信息转导途径的组成： 胞外信息分子，包括一部分生长因子和大部分细胞因子； 非催化性受体； JAKs（janus kinases）； 信号转导子和转录激动子（signal transductors and activators of transcription ，STAT）。,转导途径： JAK-STAT途径：,信息转导过程： 细胞因子或生长因子 + R 受体二聚化JAK STAT 基因转录活性改变 细胞生理功能改变。,非受体型TPK常与非催化型受体偶联，在信号转导中起作用，如干扰素、生长激素、白介素、集落刺激因子等细胞外信号分子的受体，它们的胞内域没有酪氨酸蛋白激酶（TPK)活性区，本身缺乏酪氨酸激酶活性，但胞内近膜区有一个富含脯氨酸（Pro）的“Boxl”结构。是JAK的结合位点。当这些受体与配体结合后，可使JAK活化，JAK则可进一步激活与转录相关的调节蛋白，由此影响基因的转录。,干扰素,JAK的结合位点,Pro,转录因子（STAT),影响基因的转录,干扰素受体,干扰素诱导JAK、STAT复合体核内转移及调节基因转录机制,通过SH2构成复合物,与DNA结合,一般情况下，细胞因子通 过与细胞因子 受体结合而活化JAKs激酶，JAKs活化后激活STATs，活化的STATs进入细胞核中调控基因表达 。,JA Ks-STATs家族由多个成员组成，并可能与其他信号转导通路相互影响，在调节 机体的免疫、 炎症反应过程中发挥着极为重要的作用。,1JAKs和STATs家族及其结构特点 JAKs家族是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶(PTK )，其分子质量为120130 ku，有JAK1、JAK2、JAK3和TYK2等4个成员。,该 家族中的成员由7个 功能域构成，Kanus激酶同源域(JH，JAK homology region)为JAK 激酶同源域，JH1是有PTK催 化活性的激酶功能域；,JH1是有PTK（非受体型酪氨酸蛋白激酶）催 化活性的激酶功能域；JH2为激酶样功能域,由于缺乏激酶活化所必需的氨基酸残基而没有激 酶活性，同时是与STATs结合的部位，,JAKs与其他的PTK不同，其结构内无Src癌基因同源域(SH)。,STAT是一种DNA结合蛋白，结构中含有SH2、SH3功能域。STATs家族共有7个 成员，即STAT1、 STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6。该家族成员的功能域中C端的酪氨酸磷酸化(Tyr-P)有助于形成同源或异源二聚体。 STATs形成二聚体 后进入细胞核内与特异的DNA序列及转录因子结合,调节靶基因的转录。,2、JAKs-STATs途径信号转导的基本过程 研究证实： JAKs主要由细胞因子受体超家族活化。 1.细胞因子与细胞因子受体结合后，其受体 的胞内部分发生二聚体化， 2.JAKs与二聚体化受体的box功能区结合并发生磷酸化而激活。 3.活 化的JAKs进一步诱发二聚体受体复合物周围的PTK底物活化，包括细胞因子受体型PTK、JAKs 家族成员和STATs等。,JAKs-STATs作为细胞因子受体介导的主要信号转导途径，参 与了多种免疫和造血细胞的发育、分化、成熟、凋亡和功能表达过程。,（二）丝氨酸/苏氨酸激酶 是除了酪氨酸激酶外，在信号转导中起重要作用的激酶，起主要作用是通过变构而激活蛋白质，它能催化底物蛋白丝氨酸/苏氨酸残基发成磷酸化。PKA、PKC、PKG、钙调蛋白激酶（CaMK）和丝裂原激活蛋白激酶（MAPK)等均属此类。,蛋白激酶B（protein kinase B,PKB)是新发现的一种丝氨酸/苏氨酸激酶。与PKC、PKA有很高的同源性。,PKB有三种亚基（ ）,各亚型间存在有分子量上的差异，在组织中的分布也不太相同，PKB分布较广泛（脑、心、肺等组织均有），PKB的表达则呈特异性，主要表达于脑及睾丸 。,其结构均为一条多肽链构成，包括三个结构域：,人PKB-,鼠PKB-1,人PKB-1,人PKB-2,血小板-白细胞C激酶同源区 PH,丝氨酸/苏氨酸激酶区,Thr位点,调节区,Ser位点,480,520,481,454,C端,N端,蛋白激酶催化蛋白磷酸化的过程是可逆的，磷酸化的蛋白在磷酸酶的作用下可以发生去磷酸化。,蛋白激酶与磷酸酶的相对活性决定了蛋白质上的磷酸基团的数量。,而胞内许多信号分子自身就是蛋白激酶，其本身又可被上游的蛋白激酶磷酸化而激活，由此引起细胞内一系列蛋白的磷酸化，产生级联效应（cascade）。,二、G蛋白的GTP/GDP开关作用,GTP结合蛋白又称鸟苷酸结合蛋白，亦称G蛋白。是一类重要的信号转导分子，在各种细胞信号转导途径中，G蛋白起到开关的作用。,G蛋白偶联受体信号转导途径的基本模式： 1. 配体与受体结合； 2. 受体活化G蛋白； 3. G蛋白激活或抑制效应分子； 4. 效应分子改变第二信使的含量与分布； 5. 第二信使作用于相应的靶分子，使之构象改变，从而改变细胞的代谢过程及基因表达 等功能。,G蛋白的亚基具有多样性 1. 不同的G蛋白具有不同的亚单位； 2.亚基的多样性保证了实现G蛋白对多种功能的调节； 3.亚基的多样性不仅决定了受体作用的专一性，同时也决定了G蛋白对下游蛋白的不同作用。G蛋白下游效应蛋白通常是离子通道或与膜结合的酶。,信息传递过程中的蛋白,不同的效应蛋白受不同类型G蛋白的影响，也就是说，不同的G蛋白具有不同的功能，因此对效应蛋白的作用也不同。,G蛋白包括： 可与G蛋白偶联受体相结合的异源三聚体G蛋白，如：激动型G蛋白、（Gs家族 ）抑制型G蛋白（Gi家族）和磷脂酶C型G蛋白（Gp家族）等。, 另一类G蛋白为小分子单体G蛋 白，分子量只有21kd. 第一个被发现的低分子量G蛋白是ras , 因此这一类蛋白质亦被称为ras超家族成员。,三、支架蛋白和衔接蛋白参与信号转导复合物的形成。 蛋白相互作用结构域负责信号转导分子之间的特异性相互识别和结合，形成不同的信号转导通路，一般由50-100个氨基酸构成。如：SH2。SH3，PH，PTB。,第五节 不同的信号转导途径 具有其共同的特点,细胞内信号转导过程是由前后相连的生物化学反应组成的，前一个反应的产物可作为下一个反应的底物，通过一系列的蛋白质与蛋白质相互作用，信息可从胞内一个信号分子传递到另一个分子，每一个信号分子都能够激起下一个信号分子的产生，直至代谢酶被激活、基因表达被启动和细胞骨架产生变化等细胞生理效应的产生。,在这些前后相联的生化反应中，存在着信号转导共同的机制。,产物1,信号传递,信号传递,信号传递,细胞内信号转导过程是由前后相连的生物化学反应组成,一、蛋白质的磷酸化和去磷酸化是信号转导分子激活的共同机制 真核生物中，非活性蛋白与活性蛋白构象之间的转换是通过构象效应和共价修饰机理来实现的。 其中蛋白磷酸化和去磷酸化是一种通过可逆共价键修饰调节蛋白的方式来实现的。,细胞表面的受体和细胞核内的转录机制之间存在着物理的分离和距离，细胞外信号通过受体某些蛋白激酶的级联系统的作用，经过多步骤的蛋白质磷酸化，最后改变转录因子的活性，使基因转录激活或阻滞。,蛋白质的磷酸化和去磷酸化，是绝大多数信号分子可逆地激活的共同机制。,比如：Fos的激活要其丝氨酸和苏氨酸的磷酸化；JAK的激活要其酪氨酸的磷酸化，在传递信息后又都要去磷酸化。,因此，真核细胞是一个主要被蛋白质磷酸化和去磷酸化所调控的实体，包括细胞的增殖、发育和分化、神经活动、肌肉收缩、新陈代谢、肿瘤的发生等生命活动。,二、信号转导过程中的各个反应相互衔接而形成级联式反应 信号转导过程中的各个反应相互衔接，形成一个级联反应过程。,细胞外信号,mRNA,cAMP,PKA,需要通过多次的信号转换，使信号加强。,如在cAMP-蛋白激酶途径中，一个信号分子可与多个受体结合，活化的受体则可作用于数个G蛋白，每一个G蛋白又能调节多个效应酶，由此产生大量的胞内信使，进一步磷酸化其他靶蛋白，使细胞产生明显的效应。,肾上腺素,AC(腺苷酸环化酶）,cAMP,蛋白激酶,活化磷酸化酶，分解糖原,逐级放达作用,信号转导的级联效应,三、二聚作用是调节信号转导的一种常见形式 二聚作用是蛋白质与蛋白质相互作用的一种形式，是指两个蛋白质分子通过其两个有关的亚单元组成一个蛋白质-蛋白质复合物。信号转导过程中的许多环节都涉及到二聚作用，蛋白质的二聚作用对信号转导通路的开启与关闭有着非常重要的意义。,信号转导中的二聚作用主要有以下几个方面： 1. 受体与配体结合后，可被配体诱导发生二聚作用。 2. 受体间的相互磷酸化作用。对于有酪氨酸激酶活性的受体来说，结合胞外配体所引起的二聚作用，可促使其彼此的激酶域相互接近，受体间发生磷酸化，使已经形成的二聚的受体进一步稳定。,配体,细胞外区配体结合二聚体形成,自身磷酸化部位,细胞内区 ATP结合 底物结合 催化激酶活性,跨膜区,结合胞外配体所引起的二聚作用，可进一步的起稳定作用,二聚作用促使受体彼此的激酶域相互接近，受体间发生磷酸化，使已经形成的二聚的受体进一步稳定。,二聚作用也可发生于胞内受体 这一过程主要通过胞内受体的DNA结合域来完成，DNA结合域在没有DNA存在时是单体，与DNA结合后发生聚合。胞内受体的配体结合域也有诱导其二聚的功能，但主要作用是稳定受体-DNA复合物中已经二聚的受体。,4. 调节转录因子的二聚作用 基因表达的变化是许多胞外信号引起的重要细胞效应，而转录因子的二聚作用也是信号转导过程中最常见的一种二聚作用。,许多转录因子，如BZIP家族成员，其分子内有一个约35个氨基酸残基组成的区域，其中每隔7个残基就有一个亮氨酸残基，并在每个亮氨酸残基之后第4个位置处是另一个疏水的残基，这些分子彼此间可通过形成亮氨酸拉链结构而发生二聚，形成同源或异源二聚体。,碱性亮氨酸拉链结构与DNA形成二聚体,STAT磷酸化二聚体,四、 信号转导途径具有通用性与特异性 通用性：是指同一条信号转导途径可在细胞的多种功能效应中发挥作用，如：cAMP途径不仅可接到细胞外信号对细胞的生长、分化产生效应，也可在物质代谢的调节、神经递质的释放等方面起作用。 特异性：要介导信号对细胞功能精细的调节，信号转导途径还必须具有特异性，其产生基础首先是受体的特异性，如生长因子受体的酪氨酸激酶的活性，能在生长因子刺激的细胞增殖中起独特作用。,五、胞内信号转导途径的相互交叉,由于参与信号转导的分子大多数都有复杂的异构体和同工酶，它们对上游激活条件的要求各不相同，而对其下游底物分子的识别也有差别，使得各信号转导途径之间可相互交叉及影响，形成复杂的信号网络，共同协调机体的生命活动，具体包括以下两种：,（一）一条信号转导途径的成员可激活或抑制另一条信号转导途径 如：促甲肾上腺素与其受体结合后，不仅可通过钙离子/二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系激活PKC，还可因Ca2+浓度的升高激活腺苷酸环化酶，促进cAMP的生成，进而使PKA激活。,胞外信号分子,活化的受体,二磷脂酰肌醇水解,三磷酸肌醇IP3,IP3与Ca2+隔离库膜上的特异受体结合，介导Ca2+通道开放， Ca2+释放入膜质中,二酯酰甘油(DG),胞内靶蛋白磷酸化,特异的磷酸酯酶,启动细胞内Ca2+信号系统，使细胞产生相应反应。,脂溶性的DG生成后仍保留在细胞膜上，在有Ca2+、磷脂酰丝氨酸存在的情况下激活蛋白激酶C(PKC)，,PKC以磷酸化方式对多种胞内蛋白进行修饰，由此启动细胞的一系列生理、生化反应。,这一信号系统又称为“双信使系统”,钙离子/二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系“双信使系统”,（二）不同信号转导途径可通过同一种效应蛋白或同一基因调控区彼此协调地发挥作用,通过这种作用可使细胞对信号进行更精确的相互制约和调控。,例如：,G蛋白偶联受体可以激活PLC-IP3/DG信号通路，一些酶偶联受体也可激活这条通路，只是它们所激活的PLC是不同的亚基；,而cAMP-蛋白激酶途径与钙离子/二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系均能使细胞内的转录因子CREB发生磷酸化，通过活化CREB与DNA序列的结合影响多种基因的转录。,细胞外信号配体分子多种多样，不同的配体分子可激活不同的受体，不同的受体又可激活不同的靶蛋白，不同的靶蛋白参与了不同的信号传导途径，激起不同的级联反应。各种胞内信号传导途径之间又彼此的相互作用，组成了极其复杂的信号调控网络。,细胞内的信号传导途径概括为4条：,经G蛋白关联受体转导，通过cAMP和磷脂酶C传导的两条；,经酶关联受体转导，通过磷脂酶C和Ras传导的两条。,各条传导途径彼此有所不同，各有各的组成成分，可是它们之间又有着交叉作用关系，组成相互联系的作用网络。各个途径最后都是激活蛋白酶，调节细胞的各种代谢过程。,2条G蛋白关联受体转导途径,2条经酶关联受体转导途径,第六节 信号转导引起的生物效应,信号转导的最终结果是使细胞产生生物学效应，细胞的迁移运动、增殖、细胞分