北大基础医学生物化学ppt课件 信息细胞传递

刘新文,Signal Transduction,细胞信息传递,北京大学医学部生物化学与分子生物学系,细胞信息传递(Signal Transduction):细胞接受外界的信息（视觉、嗅觉、激素、神经递质、细胞因子、药物等），通过相应的受体，经细胞内信息传递、放大而引起生物学效应的过程,细胞信息传递的方式,1、直接接触的细胞：细胞连接；细胞识别,2、未接触的细胞：化学通讯,具有调节细胞生命活动的化学物质称为信息物质,化学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,第一节 信息传递体系,细胞信息传递体系的四个组成环节：信息分子、受体或感受器、转导体及效应体,一、信息物质,Signal Molecules,细胞间信息物质 细胞内信息物质,（一）细胞间信息物质 (extracellular signal molecule),细胞间信息物质：配体（ligand）或第一信使,由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质,（1）特点：少量、短寿、高效、特异,（2）作用类型：自分泌、旁分泌、内分泌,（3）化学性质：蛋白质和肽类；氨基酸及其衍生物；类固醇激素；脂酸衍生物；气体,（4）溶解性质：水溶性；脂溶性；气体,细胞受第一信使刺激后产生的在细胞内起传递信息作用的化学分子,二、细胞内信息物质 (intracellular signal molecule),在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代谢产物等。,第二信使(secondary messenger),第三信使(third messenger),负责细胞核内外信息传递的物质，是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，能调节基因的转录，又称为DNA结合蛋白。,化学性质,二、受 体,Receptor,细胞膜上或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，或个别糖脂,（一）受体分类,1、环化受体(配体依赖性离子通道),（二）受体结构,2、G蛋白偶联受体 （蛇型受体/七个跨膜螺旋受体）,胞外N端：结合配体，可被糖基化,七个跨膜螺旋和三个胞外环与三个胞内环,胞内第三环与G蛋白偶联,胞内C端：保守Cys残基在肾上腺素受体和视紫质受体中可被棕榈酰化，以稳定C端三级结构,胞内第三环和C端有多个Thr残基，磷酸化后可与抑制蛋白结合，使受体失活,保守Cys残基在稳定受体结构中起重要作用,3、单个跨膜螺旋受体,酪氨酸蛋白激酶受体（催化型受体 ）：受体胞内区具有激酶活性。如：EGF受体、IGF受体,与胞浆中蛋白激酶偶联的受体：受体自身没有激酶活性，但与配体结合后 可偶联胞浆中的T激酶。如：生长素受体、干扰素受体,胞外N端：配体结合区,1个跨膜螺旋：高度疏水,与配体结合后多数进行二聚化,胞内C端：T激酶活性，具有ATP和底物结合位点,自身磷酸化：二聚化受体中的T激酶活性彼此磷酸化对方的酪氨酸残基,一般调节细胞的增值、分化,催化型受体特点,4、具有鸟苷酸环化酶活性的受体,5、胞内受体,高度可变区（N端）：与转录激活有关；抗体结合部位,DNA结合区（中段，含锌指结构）：与激素反应元件结合,铰链区（中段）：与转录因子作用；触发受体向核内移动,配体结合区（C端，含亮氨酸拉链）：与配体结合；与热激蛋白结合；介导二聚化；激活转录,（1）高度专一（特异） （2）高亲和（高效） （3）可饱和 （4）可逆性 （5）特定作用模式 （6）组织特异,(三) 受体的作用特点,（四）受体活性的调节,1、调节方式,2、调节结果：受体下调、上调,（1）磷酸化/去磷酸化,（2）膜磷脂代谢影响,（3）酶促水解,（4）G蛋白的调节,（1）受体下调：数量减少或/和活性降低,（2）受体上调：数量减少或/和活性增加,三、转导体（transducer）：G蛋白,G蛋白(G protein)：位于细胞膜上胞浆侧，可与GTP/GDP结合的一种外周蛋白，它是一种转导体，可将外来的信号转化为传向细胞内的信号，其活性与GTP/GDP密切相关，故而得名。,跨膜信号转导,胞外信息分子与膜受体结 合，将信息传递至胞浆或核内， 调节靶细胞功能的过程。,分类 (Classification),2、常见G蛋白的类型,1、G蛋白组成：G、G、G,、亚基结合紧密,亚基与的结合松散,差异主要表现在亚基上,3、作用机理,两种G蛋白的活性型和非活性型的互变,百日咳毒素：抑制Gi，激活AC,4、G蛋白的活性调节剂,霍乱毒素：激活Gs，激活AC,四、效应体（effecter）,1、蛋白激酶：使细胞内蛋白质磷酸化,2、蛋白磷酸酶：催化脱磷酸化反应,调节细胞内信息传递和生理效应的重要方式 主要方式：蛋白质磷酸化与去磷酸化,Ser/Thr蛋白激酶：催化Ser/Thr磷酸化,Tyr蛋白激酶：催化Tyr磷酸化,酪氨酸磷酯酶,Ser/Thr磷酯酶,第二节 信息传递途径,Signal Pathway,一、膜受体介导的信息传递,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 途径,TGF-途径(含Ser/Thr蛋白激酶的受体途径),此类受体的信息传递可归纳为,(一)cAMP信息传递途径（A激酶通路）,6、胞内效应酶：蛋白激酶A (A激酶，PKA),使效应蛋白丝/苏氨酸磷酸化,调节代谢或影响基因表达,5、胞内信使(第二信使）：cAMP,1、胞外信息：肾上腺素、胰高血糖素等,2、膜受体的特点：蛇型受体,3、转导体：Gs蛋白,4、G蛋白效应酶：腺苷酸环化酶 （AC）,(二)PLC信息传递途径（C激酶通路）,1、胞外信息：促甲状腺释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿激素等,2、膜受体的特点：蛇型受体,3、转导体：Gp蛋白,4、G蛋白效应酶：磷脂酶C（PLC）,5、第二信使：IP3、DAG、Ca2,6、胞内效应酶：PKC、CaM激酶,PKC: 使效应蛋白丝/苏氨酸磷酸化或调节转录因子的活性，调节代谢及基因表达；,CaM激酶: 磷酸化靶蛋白的丝/苏氨酸，调节PKA和酪氨酸蛋白激酶活性,(三)酪氨酸蛋白激酶信息传递/T激酶通路,1、受体型TPK-Ras-MAPK途径,Ras蛋白,PKC、CaM激酶,受体二聚体化,生长因子,膜受体,受体的TPK活化,PLC,调控基因表达,PIP2,IP3,DAG,生物学效应,MAPKK,修饰转录因子,PDK,PI-3K,PI-3,4-P2,PI-3,4,5-P3,PKB/Akt,生物学作用,MAPK,Raf蛋白,（1）胞外信息：胰岛素、肽类生长因子（EGF、PDGF等）,（2）膜受体特点,（3）效应蛋白：受体TPK,胞外区：含配体结合位点 胞内区：含1个疏水跨膜螺旋及1个TPK (tyrosine protein kinase) 结构域，TPK磷酸化Tyr,Ras途径：Raf,PLC途径：PKC；CaM激酶,PI3K途径：PDK,2、JAKs/STAT途径,JAK：连接物蛋白 STAT：信号转导子和转录激动子,（1）胞外信息：生长激素（GH）、细胞因子（G-CSF等）、干扰素（IFN）、白细胞介素（IL-2，6等）,（2）膜受体特点：单个跨膜螺旋受体，与胞浆中蛋白激酶（JAK）偶联,（3）效应蛋白：连接物蛋白（JAK）、信号转导子和转录激动子(STAT),JAK：具有SH2结构域（具TPK活性），激活STAT，进而结合并激活一系列后续效应蛋白，调节基因转录,(四) cGMP蛋白激酶途径（G激酶通路）,生物学效应,受体鸟苷酸环化酶活化,心钠素,膜受体,cGMP,PKG,效应蛋白磷酸化,NO,可溶性受体,1、信息物质：心钠素，NO等,2、受体：膜受体GC、可溶性GC,4、胞内效应酶：PKG(cGMP dependent protein kinase),胞外区：与心钠素结合 跨膜区：含一条螺旋 胞内区：含鸟苷酸环化酶结构域,膜受体结构：,可溶性鸟苷酸环化酶,3、第二信使：cGMP,(五) 核因子B的神经酰胺途径,核因子B (nuclear factor- B, NF- B),（1）胞外信息：肿瘤坏死因子（TNF）等,（2）膜受体,（5）效应蛋白：CAPK等,磷酸化I B，从而激活核因子B ，调节基因转录,（3）受体激活蛋白：鞘磷脂酶(SMase)等,（4）第二信使：神经酰胺（Cer）等,（6）生物效应：机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡、肿瘤生长抑制等,(六) TGF-途径,（1）胞外信息：TGF-、活化素、骨形态发生蛋白等,（2）膜受体：TR和 受体具有Ser/Thr蛋白激酶活性,（3）效应蛋白：SMAD,（4）生物效应：细胞增值、分化、凋亡、迁移等,二、胞浆/核内受体及其信息传递,（4）可变区(近N端)：转录激活；抗体结合部位,1、配体特点(多为脂溶性小分子)：类固醇类激素（雄激素、雌激素、孕激素、糖皮质激素）、甲状腺素、维甲酸、活性维生素D3,2、胞内受体结构特点：分4个区,（1）配体结合区（近C端，含亮氨酸拉链 ）：配体结合；热激蛋白结合；二聚化；激活转录,（3）铰链区（中段）：与转录因子相互作用；触发受体向核内移动,（2）DNA结合区（中段，含锌指结构 ）：与激素反应元件（HRE）结合,信息分子,神经递质,又称突触分泌信号(synaptic signal),特点： 由神经元细胞分泌； 经突触间隙传递； 作用时间较短。,【举例】 乙酰胆碱、去甲肾上腺素等,神经调节,内分泌激素,又称内分泌信号(endocrine signal),特点： 由内分泌细胞分泌 ； 经血液循环传递； 少量、长效。,【举例】 胰岛素、甲状腺素、肾上腺素等,局部化学介质,又称旁分泌信号(paracrine signal,特点： 由普通细胞分泌； 经扩散作用传递； 一般作用时间较短。,【举例】 生长因子、前列腺素、气体信号等。,NO合酶（NOS）氧化L-Arg的胍基，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。,激素的作用机理,受体（receptor）,能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。 受体的特征： 特异性； 饱和性； 高度的亲和力。,细胞内受体（intracellular receptor） 细胞表面受体（cell surface receptor）,Cell surface receptors,受体本身为离子通道，即配体门通道（ligand-gated channel）。 主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。 分类： 阳离子通道：乙酰胆碱、Glu、5-羟色胺受体 阴离子通道：Gly、-氨基丁酸受体,离子通道型受体,Acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,G蛋白偶联型受体：7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使。 类型： 多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体 味觉、视觉和嗅觉感受器。 相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径等,G蛋白偶联型受体,蛇形受体结构, G蛋白激活: GTP与G相结合 G蛋白失活: GTP酶水解GTP,受体与G蛋白偶联,本身具有激酶活性 本身没有酶活性，但可连接非受体激酶 已知类型： 受体酪氨酸激酶 受体丝氨酸/苏氨酸激酶 受体酪氨酸磷脂酶 酪氨酸激酶连接的受体 受体鸟苷酸环化酶 组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。,酶偶联型受体 enzyme linked receptor,酶偶联型受体特点： 单次跨膜蛋白 二聚化,受体类型,环形受体,蛇形受体,单跨膜螺旋受体,胞内受体,G蛋白,G蛋白组成,G蛋白：trimeric GTP-binding regulatory protein。 组成：、三个亚基，和亚基属于脂锚定蛋白。 作用： 分子开关：亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态。 亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被GAP增强。,（1）Gs（刺激型）： 激活腺苷酸环化酶。 【实例】-肾上腺素能, 胰高血糖素, 甲状旁腺素, 黄体生成素等,（2）Gi（抑制型）：抑制腺苷酸环化酶。 【实例】类阿片, 生长激素释放抑制因子, 血管紧张素II, -肾上腺素能, 乙酰胆碱等 （3）Gp（磷脂酶C型）：激活磷脂酶C 【实例】加压素, 肽类生长因子(PDGF等), 促甲状腺素释放激素， 乙酰胆碱等 （4）Go：大脑中主要的G蛋白，调节离子通道 （5）GT(传导素)：激活视觉,G蛋白的类型,G蛋白活性调节,G蛋白,G蛋白ADP化,霍乱毒素作用机理,G蛋白活性调节,G蛋白,蛋白激酶,蛋白质Ser/Thr/Tyr磷酸化,蛋白激酶,A激酶通路,A激酶通路,肾上腺素受体,A激酶通路,cAMP,cAMP代谢,茶碱可抑制磷酸二脂酶 （PDE）的活性,Activation of cAMP-dependent protein kinase.,Structure of one catalytic subunit of the cAMPdependent protein kinase.,PKA激活, 基因表达调控 CREB：cAMP response element binding protein CRE: cAMP response element 5 TGACGTCA 3,作用：底物蛋白丝/苏氨酸残基磷酸化, 调节代谢-化学修饰: 磷酸化,激活脂肪酶促进脂肪分解,如:肾上腺素:,A激酶通路,PKA的作用,Glycogen breakdown in skeletal muscle,肾上腺素调节脂代谢,cAMP activate protein kinase A, which phosphorylate CREB（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription. CRE is cAMP response element in DNA.,调控基因表达,Gi调节模型 亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性 亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化 百日咳毒素抑制Gi的活性。,C激酶通路,磷脂酰肌醇（phosphoinositides, PI）：PI、PIP、PIP2占真核细胞膜类脂的2%-8%,磷脂酶C(PLC): 在动物脑中含量丰富. 水解产物为DAG和 各种磷酸肌醇(IP, IP2, IP3等),C激酶通路,IP3: 水溶性, 第二信使；DAG：脂溶性，第二信使,C激酶通路,C端催化区：382个AA，激酶活性 N端调节区：290个AA, 含DAG、PS和Ca2+结合位点,PKC的组成: 一条肽链,结构与分型：其氨基酸序列有四个保守区（C1、C2、C3、C4 )和可变区（），分为调节域和催化域。,蛋白激酶C的结构,分 类,Ca2+ 依赖型：，,Ca2+ 非依赖型： 、,PKC的作用,2、调节基因表达,1、调节代谢：使膜蛋白和多种酶蛋白丝/苏氨酸残基磷酸化,早期反应：磷酸化立早基因（c-fos、AP1/c-jun等）编码的反式作用因子，加速表达,晚期反应：立早基因产物可作为第三信使，跨越核膜传递信息，最终活化晚期反应基因，导致细胞增生或核型变化。如：佛波酯的致癌作用,钙调蛋白,二、Ca2+-CaM激酶的作用：磷酸化Ser/Thr 调节多种酶活性：激活环核苷酸磷酸二酯酶(PDE)、AC、胰岛素受体中的酪氨酸蛋白激酶；GC, ATP酶，蛋白磷酸酶等,一、CaM的组成：一条多肽链 4个Ca2+结合位点,【实例】：加压素调节血糖 IP3 Ca2+ CaM 糖原磷酸化酶 PKC 糖原合酶,A ribbon model of the structure of calmodulin, determined by X-ray crystallography. The four Ca2+-binding sites (red) are shown occupied by Ca2+ (yellow).,Ca2+-钙调蛋白,钙调蛋白,Ca2+,激酶（无活性）,激酶（有活性）,Calmodulin, contains four high-affinity Ca2+-binding sites. The binding of Ca2+ induces a conformational change in calmodulin. One of the many enzymes regulated by calmodulin and Ca2+ is Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase, which phosphorylates Ser and Thr residues in target proteins.,钙调蛋白,T激酶通路,T激酶通路,受体二聚化,PDGF 受体的多位点自身磷酸化,Tyr857被磷酸化, 可激活其激酶活性,T激酶通路,Grb2: 1个SH2结构域和2个SH3结构域。,经2个SH3结构域可结合另一个信号传导分子Sos.,Ras通路,GRB2 (growth factor receptor bound protein 2）,SH2 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。,SH2,SH3,SH3,*信号分子间的识别结构域,SH2结构域：能与Tyr磷酸化的多肽链结合 SH3结构域：能与富含脯氨酸的肽段结合 PH结构域(pleckstrin homology domain) ：识别磷酸化Ser/Thr的短肽；并能与G蛋白的复合物结合；还能与带电的磷脂结合,Sos: 又称为鸟苷酸交换因子。促进Ras与GTP结合而被激活,几乎1/3人类肿瘤中发现有Ras突变。它对细胞分化至关重要。注射Ras抗体至哺乳动物细胞中可阻断受体酪氨酸激酶引起的DNA合成。,Raf：一条肽链，N端调节区, C端催化区.,与Ras-GTP结合后其丝/苏蛋白激酶活性被激活,可磷酸化丝/苏氨酸残基,Ras：一条多肽链，分子量21KD，作用机理类似G。故又称P21蛋白或小G蛋白,MAPKK(mitogen activated protein kinase kinase):,有丝分裂原活化蛋白激酶的激酶,MAPK( mitogen activated protein kinase) :,有丝分裂原活化蛋白激酶：磷酸化Ser/Thr 关键酶, 在进化上保守 磷酸化包括一系列转录因子的多种底物, 调节基因表达.,双重特异性：磷酸化Tyr或Ser/Thr,MEK/MAPKK,ERK/MAPK,生长因子,Tyrosine protein kinase-mediated signal transduction pathway,MAPK：有丝分裂原激活蛋白 TPK：Tyr蛋白激酶,Ras通路,胰岛素信号通路,胞外,胞内,受体,PDGF,DAG,PKC,Ca2+,IP3,PIP2,PLC通路,PI3K通路,PDK: phosphoinositol dependent kinase Akt/PKB, influence cell survival,PI3K通路,JAK通路,红细胞生成素 + 受体 受体二聚化或多聚化 结合JAK2(TPK活性） 使受体及JAK2磷酸化, 形成受体-JAK2复合物 转录因子STATs 磷酸化, 二聚化 (STAT: signal transducers and activators of transcription, 信号转导物和转录激活剂, STAT1, STAT1, STAT2, STAT3, STAT4,84kD-113kD) 进入核内 作为转录因子, 调控基因表达,实例,G激酶通路,Guanylate cyclase,PKG活化,Regulation of contractility of arterial smooth muscle by NO and cGMP,胞内受体通路,The DNA-binding domain common to