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生物膜的信号转导功能 3.1 膜表面受体介导的信号传导 3.1.1 门控离子通道型受体介 导的跨膜信号转导 3.1.2 G 蛋白偶联型受体与第二信使介导的跨膜信号转导 3.1.3 酶偶联的受体介导的跨膜信号转导 3.2 胞内受体介导的信号传导（激素调控机制）,3.1 膜表面受体介导的信号传导 亲水性的化学信号分子 (神经递质、蛋白激素、生长因子等)不能直接进入细胞，只能通过膜表面的特异受体传递胞外信号，使靶细胞产生效应。,三类膜表面受体：,门控离子通道型受体,酶偶联的受体,G 蛋白偶联型受体,3.1 膜表面受体介导的信号传导 3.1.1 门控离子通道型受体介导的跨膜信号转导 3.1.2 G 蛋白偶联型受体与第二信使介导的跨膜 信号转导 3.1.3 酶偶联的受体介导的跨膜信号转导 第一类存在于可兴奋细胞，后两类存在于大多 数细胞。 ,3.1.1 门控离子通道型受体介导的跨膜信号转导,门控离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，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。 神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，继而改变突触后细胞的兴奋性。,3.1.2 G 蛋白耦联型受体 G 蛋白耦联型受体为跨膜蛋白, 是细胞表面由单条多肽链经7次跨膜形成的受体，它的胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与 G 蛋白耦联。通过与 G 蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。,细胞质,质膜,细胞外,G 蛋白耦联型受体,G 蛋白是由三个亚基组成的三聚体,G 蛋白也被称为耦联蛋白或信号转化蛋白，在信号转导过程中起着分子开关的作用。它位于质膜胞质侧，它将受体和腺苷酸环化酶耦联起来，是细胞外信号跨膜转换为细胞内信号，即第二信使。因为这种调节蛋白通过与鸟苷酸结合来发挥作用，所以称之为 GTP 结合调节蛋白(GTP binding regulatory protein) 简称 G 蛋白 。 G 蛋白已被纯化，由 、 三个亚基组成，G 蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当 亚基与 GDP 结合时处于关闭状态，与 GTP 结合时处于开启状态， 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。,由 G 蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP 信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。,第二信使,(1) cAMP 信号通路 在 cAMP 信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，通过 G 蛋白的耦联作用，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。 1、cAMP信号的组分 激活型激素受体(Rs)或抑制型激素受体(Ri); 活化型调节蛋白(Gs)或抑制型调节蛋白(Gi); 腺苷酸环化酶(Adenylyl cyclase): cAMP 信号通路的催化单位，是相对分子量为 150KD 的跨膜糖蛋白。在 Mg2+ 或 Mn2+ 的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。 Gs 耦联Rs和腺苷酸环化酶，Gi耦联 Ri和腺苷酸环化酶。,cAMP 信号与基因表达, 蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：称为依赖于cAMP 的蛋白激酶A。由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有 cAMP 时，以钝化复合体形式存在。cAMP 与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。cAMP 信号通路的最后一步化学反应是通过蛋白激酶 A 完成的。cAMP 特异地活化蛋白激酶A，活化的蛋白激酶A即可使细胞内某些特殊的蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。, 环腺苷酸磷酸二酯酶：可降解 cAMP 生成5-AMP，起终止信号的作用。,Gs调节模型 当细胞没有受到激素刺激，Gs 处于非活化态，亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与 Rs 结合后，导致 Rs 构象改变，暴露出与 Gs 结合的位点，使激素-受体复合物与 Gs 结合，Gs的亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出 亚基和、基复合物，并暴露出亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的 亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。亚基与亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。,该信号途径涉及的反应链可表示为： 激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP 依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。,Gi调节模型 Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径： 当Gi与GTP结合，Gi的亚基与、亚基解离，通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。,(2) 磷脂酰肌醇途径 在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面 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，这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。,IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。,DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。,信号的终止： IP3 信号的终止是通过去磷酸化，或被磷酸化。Ca2+ 由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。 DG 通过两种途径终止其信使作用：一是被 DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被 DG 酯酶水解成单酯酰甘油。 由于 DG 代谢周期很短，不可能长期维持 PKC 活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求 PKC 长期活性所产生的效应。现发现另一种 DG 生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的 DG，用来维持 PKC 的长期效应。,Two major pathways by which G-protein- linked cell-surface receptors generate small intracellular mediators,生物膜的信号转导功能 3.1 膜表面受体介导的信号传导 3.1.1 门控离子通道型受体介 导的跨膜信号转导 3.1.2 G 蛋白偶联型受体与第二信使介导的跨膜信号转导 3.1.3 酶偶联的受体介导的跨膜信号转导 3.2 胞内受体介导的信号传导（激素调控机制）,3.1.3 酶偶联的受体介导的跨膜信号转导,定义：酶偶联受体通常是指与酶连接的细胞表面受体,又称催化性受体。本身具有激酶活性，如肽类生长因子（表皮生长因子EGF，血小板生长因子PDGF，CSF等）受体；或者可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。 类别：受体酪氨酸激酶 酪氨酸激酶连接的受体、受体酪氨酸磷脂酶 受体丝氨酸/苏氨酸激酶 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）。,特点： 单次跨膜蛋白； 接受配体后发生二聚化和自磷酸化，起动下游信号转导。,受体酪氨酸激酶 (1) 酪氨酸激酶，三类： 受体酪氨酸激酶，为单次跨膜蛋白，如 EGF 受体。相关信号途径：RAS 途径、PI3K 途径、磷脂酰肌醇途径； 胞质酪氨酸激酶，如 Src 家族、JAK家族等； 核内酪氨酸激酶, 如 Abl 和 Wee。,受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。,配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化形成二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。这类受体主要有EGF、PDGF、FGF 等。,(2) 信号分子间的识别结构域 SH2 结构域：介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白结合。 SH3 结构域：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白结合。 PH 结构域：与 PIP2、PIP3、IP3 等结合。,(3) RAS 信号途径,RPTK 结合信号分子活化，激活 RAS； RAS 的调节因子具有 GEF(SOS)、GAP； GEF 需要通过接头蛋白 (adaptor, Grb2)与 RPTK 连接。 活化的RAS启动蛋白激酶的磷酸化级联反应，激活转录因子，调节基因表达；,RPTK-Ras Pathway,配体RPTKadaptor (Grb2) GEF (SOS) Ras Raf (MAPKKK) MAPKK MAPK 细胞核 转录因子 基因表达。,胞外,胞质,核质,RPTK,生物膜的信号转导功能 3.1 膜表面受体介导的信号传导 3.1.1 门控离子通道型受体介 导的跨膜信号转导 3.1.2 G 蛋白偶联型受体与第二信使介导的跨膜信号转导 3.1.3 酶偶联的受体介导的跨膜信号转导 3.2 胞内受体介导的信号传导（激素调控机制）,亲脂性小分子：甾类激素、甲状腺激素、类维生素 A、维生素 D NO,3.2 胞内受体介导的信号传导 ,1. 甾类激素,细胞内受体是激素激活的基因调控蛋白。 受体与配体（如皮质醇）结合，使抑制性蛋白（如Hsp90）与受体分离，暴露与DNA的结合位点。 受体结合的序列是受体依赖的转录增强子。,受体具有3个结构域： C 端的激素结合位点； 中部富含 Cys、具有锌指结构的 DNA 或Hsp90 结合位点； N端的转录激活结构域。 激素直接激活的基因产物属于转录因子，而后引起更多的基因表达。,Hsp90,Hsp90,甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。 每种类型的甾类激素与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内。 激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。 受体与DNA序列的结合已得到实验证实，结合序列是受体依赖的转录增强子，这种结合可增加某些相邻基因的转录水平。,2. NO,NO 作用于邻近细胞。 NO 在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以 L-精氨酸为底物，NADPH 为电子供体，生成 NO 和 L-瓜氨酸。NO 没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上 NO 的多少直接与 NO 的合成有关。,NO 和 c