细胞生物学.ppt

CELL BIOLOGY,细 胞 生 物 学,C,第一章 绪论 第二章 细胞基本知识概要 第三章 细胞生物学研究方法 第四章 细胞质膜与细胞表面 第五章 物质跨膜运输与信号传递 第六章 细胞质基质与内膜系统 第七章 细胞的能量转换 第八章 细胞核与染色体 第九章 核糖体 第 十 章 细胞骨架 第十一章 细胞增殖及其调控 第十二章 细胞分化与基因表达调控 第十三章 细胞衰老与凋亡,第五章 跨膜运输与信号传递,MEMBRANE TRANSPORT,据估计细胞膜上与物质转运有关的蛋白占核基因编码蛋白的1530%，细胞用在物质转运方面的能量达细胞总消耗能量的2/3。 细胞膜上存在两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白（carrier protein）和通道蛋白（channel protein）。 载体蛋白又称做载体（carrier）、通透酶（permease）和转运器（transporter），有的需要能量驱动，如：各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，如：缬氨酶素。 通道蛋白能形成亲水的通道，允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以自由扩散的方式运输溶质。,Membrane Transport Proteins,第一节 物质的跨膜运输,物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。 主要有三种途径： （一） 被动运输 （二） 主动运输 （三） 胞吐作用,指通过简单扩散或协助扩散实现物质由高浓度向低浓度方向的跨膜转运。动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。,一、被动运输 (passive transport),（一）简单扩散,也叫自由扩散（free diffusion）。特点： 沿浓度梯度（或电化学梯度）扩散； 不需要提供能量； 没有膜蛋白的协助。 某种物质对膜的通透性（P）可以根据它在油和水中的分配系数（K）及其扩散系数（D）来计算： P=KD/t t为膜的厚度。,人工膜对各类物质的通透率： 脂溶性越高通透性越大，水溶性越高通透性越小； 非极性分子比极性容易透过，极性不带电荷小分子，如H2O、O2等可以透过人工脂双层，但速度较慢； 小分子比大分子容易透过；分子量略大一点的葡萄糖、蔗糖则很难透过； 人工膜对带电荷的物质，如各类离子是高度不通透的。,（二）协助扩散,也称促进扩散（facilitated diffusion）。 特点： 比自由扩散转运速率高； 运输速率同物质浓度成非线性关系； 特异性；饱和性。 载体：离子载体和通道蛋白两种类型。,Figure 11-7 Kinetics of simple diffusion compared to carrier-mediated diffusion. Whereas the rate of the former is always proportional to the solute concentration, the rate of the latter reaches a maximum (Vmax) when the carrier protein is saturated. The solute concentration when transport is at half its maximal value approximates the binding constant (KM) of the carrier for the solute and is analogous to the KM of an enzyme for its substrate. The graph applies to a carrier transporting a single solute; the kinetics of coupled transport of two or more solutes (see text) are more complex but show basically similar phenomena.,The carrier protein, the Glucose transporter (GluT1 ) in the erythrocyte PM, alter conformation to facilitate the transport of glucose.,Facilitate diffusion: Protein-mediated movement, movement down the gradient,（三）膜转运蛋白,1、载体蛋白（carrier proteins）：具有通透酶（permease）性质；属多次跨膜蛋白，介导被动运输与主动运输。有特异性结合位点，可同特异性溶质结合。转运过程具有类似于酶与底物作用的饱和动力学曲线。但有两个不同与酶的特征： 其可改变反应平衡点 其对转运溶质分子不作共价修饰,Carrier proteins bind one or more solute molecules on one side of the membrane and then undergo a conformational change that transfer the solute to the other side of the membrane.,载体蛋白通过构象改变介导溶质被动运输假想模型,Figure 11-8 Three types of carrier-mediated transport. The schematic diagram shows carrier proteins functioning as uniports, symports, and antiports.,2、通道蛋白（channel proteins）是跨膜的亲水性通道，允许适当大小的离子顺浓度梯度通过，故又称离子通道。 只介导被动运输，不需与溶质分子结合。 具有两个显著特征： 具有离子选择性，转运速率高； 离子通道是门控的； 有些通道蛋白长期开放，如钾泄漏通道；有些通道蛋白平时处于关闭状态，仅在特定刺激下才打开，又称为门通道（gated channel）。主要有3类： 类型： 电压门通道（voltage-gated channel） 配体门通道（ligand-gated channel） 压力激活通道（stress-activated channel）,Most of the channel proteins are ion channels, including three types, with ion channels that they can be opened and closed,三种类型的门控离子通道示意图,Figure 11-36. A model for the structure of the acetylcholine receptor. Five homologous subunits (a, a, b, g, d) combine to form a transmembrane aqueous pore. The pore is lined by a ring of five transmembrane a helices, one contributed by each subunit. In its closed conformation, the pore is thought to be occluded by the hydrophobic side chains of five leucines, one from each a helix, which form a gate near the middle of the lipid bilayer. The negatively charged side chains at either end of the pore ensure that only positively charged ions pass through the channel. Both of the a subunits contain an acetylcholine-binding site; when acetylcholine binds to both sites, the channel undergoes a conformational change that opens the gate, possibly by causing the leucines to move outward.,听毛细胞,耳蜗覆膜,支持细胞,硬纤毛,耳蜗基底膜,二、主动运输,是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高的一侧进行跨膜转运的方式。 主动运输的特点是： 逆浓度梯度（逆化学梯度）运输； 需要能量； 都有载体蛋白。 主动运输所需的能量来源主要有： 协同运输中的离子梯度动力； ATP驱动的泵通过水解ATP获得能量； 光驱动的泵利用光能运输物质，见于细菌。,根据能源不同分三种类型：,(一) 由ATP直接提供能量的主动运输钠钾泵,构成：由2个大亚基、2个小亚基组成的4聚体，实际上就是Na+-K+ATP酶，分布于动物细胞的质膜。 工作原理： Na+-K+ATP酶通过磷酸化和去磷酸化过程发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化。在膜内侧Na+与酶结合，激活ATP酶活性，使ATP分解，酶被磷酸化，构象发生变化，于是与Na+结合的部位转向膜外侧；这种磷酸化的酶对Na+的亲和力低，对K+的亲和力高，因而在膜外侧释放Na+、而与K+结合。K+与磷酸化酶结合后促使酶去磷酸化，酶的构象恢复原状，于是与K+结合的部位转向膜内侧，K+与酶的亲和力降低，使K+在膜内被释放，而又与Na+结合。其总的结果是每一循环消耗一个ATP；转运出三个Na+，转进两个K+。,钠钾泵对离子的转运循环依赖自磷酸化过程（ATP上的一个磷酸基团转移到钠钾泵的一个天冬氨酸残基上，导致构象变化），所以这类离子泵叫做P-type。 Na+-K+泵的作用： 维持细胞的渗透性，保持细胞的体积； 维持低Na+高K+的细胞内环境； 维持细胞的静息电位。 地高辛、乌本苷等强心剂抑制其活性；Mg2+和少量膜脂有助于提高其活性。,The Na+-K+ ATPase -A coupling active transport to ATP hydrolysis.,The Na+-K+ ATPase requires K+ outside, Na+ and ATP inside, and is inhibited by ouabain. The ratio of Na+:K+ pumped is 3:2 for each ATP hydrolyzed. The Na+-K+ ATPase is a P-type pump.This ATPase seruentially phosphorylates and dephosphory- lates itself during the pumping cycle. The Na+-K+ ATPase is found only in animals.,A Model Mechanism for the Na+/K+ ATPase,Na+-K+ATP PUMP,（二）由ATP直接提供能量的主动运输钙离子泵,作用：维持细胞内较低的钙离子浓度（细胞内钙离子浓度10-7M，细胞外10-3M）。 位置：质膜和内质网膜。 类型： P型离子泵，其原理与钠钾泵相似，每分解一个ATP分子，泵出2个Ca2+。位于肌质网上的钙离子泵占肌质网膜蛋白质的90%。 钠钙交换器（Na+-Ca2+ exchanger），属于反向协同运输体系，通过钠钙交换来转运钙离子。,Ca2+ ATPase,Maintains low cytosolic Ca2+ Present In Plasma and ER membranes,Model for mode of action for Ca2+ ATPase Conformation change,P-type：利用ATP自磷酸化发生构象的改变来转移质子，如植物细胞膜上的H+泵、动物胃表皮细胞的H+-K+泵（分泌胃酸）。 V-type：存在于各类小泡(vacuole) 膜上，由许多亚基构成，水解ATP产生能量，但不发生自磷酸化，位于溶酶体膜、内体、植物液泡膜上。 F-type：是由许多亚基构成的管状结构，利用质子动力势合成ATP，也叫ATP合酶，位于细菌质膜，线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜上。,（三）质子泵,（四） ABC 转运器,ABC转运器（ABC transporter）最早发现于细菌，属于一个庞大的蛋白家族，每个成员都有两个高度保守的ATP结合区（ATP binding cassette），故名ABC转运器。 每一种ABC转运器只转运一种或一类底物，不同的转运器可转运离子、氨基酸、核苷酸、多糖、多肽、甚至蛋白质。ABC转运器还可催化脂双层的脂类在两层之间翻转，在膜的发生和功能维护上具有重要的意义。,Mammalian MDR1 protein,第一个被发现的真核细胞的ABC转运器是多药抗性蛋白（multidrug resistance protein, MDR），约40%患者的癌细胞内该基因过度表达。ABC转运器还与病原体对药物的抗性有关。,Four types of ATP-powered pumps,（五） 协同运输cotransport,是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵。 动物细胞中常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动。 植物细胞和细菌常利用H+浓度梯度来驱动。 根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，协同运输又可分为：同向协同（symport）与反向协同（antiport）。,同向协同（symport） 物质运输方向与离子转移方向相同。如小肠细胞对葡萄糖的吸收伴随着Na+的进入。在某些细菌中，乳糖的吸收伴随着H+的进入。 反向协同（antiport） 物质跨膜运动的方向与离子转移的方向相反，如动物细胞常通过 Na+/H+ 反向协同运输的方式来转运 H+，以调节细胞内的 pH 值。还有一种机制是 Na+ 驱动的 Cl-HCO3-交换，即Na+与HCO3的进入伴随着Cl和H+的外流，如存在于红细胞膜上的带3蛋白。,B. Cotransport: Symport,Na+-linked symporters import amino acids and glucose into many animal cells,Na+-linked antiporter exports Ca+ from cardiac muscle cells,Medicine,Ouabain and digoxin increase the force of heart muscle contraction by inhibiting the Na+/K+ ATPase. Fewer Ca+ ions are exported,肠上皮细胞,细胞外液,小肠上皮细胞吸收葡萄糖（Glc）示意图 Glc 通过 Na+ 驱动的共运输方式进入上皮细胞；在经载体介导的协助扩散方式进入血液；Na + -K + 泵消耗 ATP 维持 Na + 的电化学梯度,同向运输,在动物、植物细胞由载体蛋白介导的协同运输异同点的比较 A：动物细胞Na+驱动的共运输； B：动物细胞H+驱动的共运输,膜电位 是指细胞膜两侧各种带电物质形成的电位差的总和。 静息电位（resting potential）：指静息状态下的膜电位。 动作电位（active potential）：指刺激作用下产生行使功能的快速变化的膜电位。 质膜的极化（polarization）： 是指静息电位使质膜内为负值，质膜外为正值的现象。 质膜的去极化（depolarization）： 细胞接受阀值刺激，Na+通道打开，引起大量Na+流入细胞内，使静息膜电位减小乃至消失，这种现象称之。 质膜的反极化（repolarization） ： 质膜达到去极化时， Na+进一步增加达到Na+平衡电位，形成瞬间的内正外负的动作电位，这种现象称之。 质膜的超极化（super polarization）： 大量Na+流入细胞内时，K+通透性增加，随着动作电位出现，Na+通道从失活到关闭，K+通道完全打开，K+流出细胞使质膜再度极化，以至于超过原来的静息电位，这种现象称之。,（六）物质的跨膜转运与膜电位,（六）物质的跨膜转运与膜电位,真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输。在转运过程中，质双层膜围绕物质，形成包围细胞物质的囊泡，因此又称膜泡运输或批量运输（bulk transport）。二者均属于主动运输。细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）。,三、胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）,胞吞作用是通过细胞膜内陷形成囊泡（称胞吞泡，endocytic vesicle），将外界物质裹进并输入细胞的过程。根据形成的胞吞泡大小和胞吞物质性质，分为： -吞噬作用（phagocytosis) -胞饮作用(pinocytosis),（一）胞饮作用与吞噬作用,细胞内吞较大的固体颗粒物质，如细菌、细胞碎片等，称为吞噬作用。,1、吞噬作用,吞噬作用,伪足,细胞吞入液体或极小的颗粒物质。,2、胞饮作用,3、胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别,（二）受体介导的内吞作用,Model for the formation of a clathrin-coated pit and the selective incorporation of integral membrane proteins into clathrin-coated vesicles,包被的组装,The endocytic pathway is divided into the early endosomes and late endosomes pathway,Materials in the early endosomes are sorted: Integral membrane proteins are shipped back to the membrane; Other dissolved materials and bound ligands Multivesicular body (MT mediated transport) the late endosomes. Molecules that reach the late endosomes are moved to lysosomes., 胞内体（endosome）及其分选作用,胞内体是动物细胞内由膜包围的细胞器，其作用是传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体被降解。其膜上有ATP驱动的质子泵，使腔内pH降低，引起配体与受体分离。,（三）胞吐作用（exocytosis）,包含大分子物质的小囊泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合，将物质排出细胞之外。, 组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway） 是指真核细胞从高尔基体反面管网区分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的过程。是一个连续的分泌过程。 用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子） default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节的分泌泡外，其余蛋白的转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面 调节型外排途径（regulated exocytosis pathway 特化的分泌细胞，产生的分泌物有激素、粘液或消化酶等 。 储存刺激释放 具有共同的分选机制，分选信号存在于蛋白本身。 蛋白的分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白来决定 。 膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的 囊泡与靶膜的识别与融合,组成型和调节型胞吐途径,膜流,顺向运输,反向运输,囊泡与靶膜的识别与融合,N-乙基顺丁烯二酰亚胺-敏感蛋白,NSF连接蛋白,几个容易混淆的概念,细胞信号发放（cell signaling）：细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。 细胞通讯（cell communication）：细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。 细胞识别（cell recognition）：细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，引起细胞反应的现象。 信号转导（signal transduction）： 指外界信号（如光、电、化学分子）作用于细胞表面受体，引起胞内信使的浓度变化，进而导致细胞应答反应的一系列过程。,第二节 细胞通讯与信号传递,一、细胞通讯与细胞识别,（一）细胞通讯（cell communication）,一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必须的。,1、胞间通信的主要类型,三种主要方式：细胞间隙连接、膜表面分子接触通讯、化学通讯。 细胞间隙连接 两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象（电紧张突触）。,connexon, 膜表面分子接触通讯,即细胞识别（cell recognition）。如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。, 化学通讯,细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。,内分泌（endocrine）：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：低浓度10-8-10-12M ，全身性，长时效。 旁分泌（paracrine）：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：各类细胞因子（如表皮生长因子）；气体信号分子（如：NO）。 突触信号发放：神经递质经突触作用于特定的靶细胞。 自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。,旁分泌,内分泌,突触信号发放,自分泌,B. The forms of cell communication- Different types of chemical signals can be received by cells,1. a,b,c:chemical signals dependent cell communication, including chemical synapse; 2. D: contact-dependent cell communication; 3. Chemical and electronic coupling by Gap junction.,（二）细胞识别（cell recognition）,细胞识别： 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用的过程。其可引起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（signaling pathway） 是指细胞接受外界信号，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，引起细胞应答反应的系列过程。 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。,信号通路,Overview of cell signaling,A. Some of the basic characteristics of cell signaling,Cell must respond appropriately to external stimuli to survive. Cells respond to stimuli via cell signaling,细胞信号通路,（三）细胞的信号分子与受体,1、细胞信号分子,从化学结构来看细胞信号分子包括：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等。其共同特点是： 特异性：只能与特定的受体结合； 高效性：几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统； 可被灭活：完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。 种类： (1)脂溶性信号分子:（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。 (2)水溶性信号分子:（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger）。 (3)气体性信号分子: NO （nitric oxide ） and CO （carbon monoxide）,补充内容 第一信使是指各种细胞外信息分子，又称细胞间信号分子即细胞因子，诸如内分泌激素，神经递质和神经肽，局部化学介导因子（神经生长因子，旁分泌激素如前列腺素、组胺与嗜伊红趋化因子等），气体信号分子（、），以及免疫细胞产生的抗体、补体与免疫细胞因子。这些生物活性分子由体内各种不同的细胞产生后，能够通过血液、淋巴液、各种体液及神经分泌等不同途径，作用到细胞膜表面或细胞内的特异受体，引起细胞内的特定反映。 第二信使是指细胞外第一信使与其特异受体结合后，通过信息跨膜传递机制激活的受体，刺激膜内特定的效应酶或离子道，而在胞浆内产生的信使物质。这种胞内信息分子起到将胞外信息传导、放大、变为细胞内信息的作用。从分子学意义上讲，细胞内信息传递过程是以细胞内蛋白质磷酸化与脱磷酸化为基础，依次引起构型的变化和功能的改变，以实现信息的传递。主要有：cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+。 第三信使又称结合蛋白，是指负责核内外信息传递的物质，为一类可与靶基因特异序列相结合的核蛋白，能调节基因的转录水平，发挥转录因子或转录调节因子的作用。这些蛋白质是在胞质内合成后进入胞核内，发挥信使作用，因而称这类核蛋白为“核内第三信使”，以区别于位于胞质内的其他各类信使。,图8-1 细胞通信的作用,2、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，当与配体结合后，通过信号转导作用将细胞外信号转换为胞内化学和物理信号。多为糖蛋白。包括两个功能区域： -配体结合区域 -产生效应的区域 受体的特征： 特异性； 饱和性； 高度的亲和力。 分为： 细胞内受体（intracellular receptor）:介导亲脂性信号分子信息传递。 细胞表面受体（cell surface receptor）:介导亲水性信号分子的信息传递，分为： 离子通道型受体； G蛋白耦联型受体； 酶耦联型受体。,细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。 有时相同的信号可产生不同的效应，如乙酰胆碱（Ach）可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。 有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素激活各自的配体后，都能促进肝糖原降解而升高血糖。,3、第二信使和分子开关： 作为胞内信号传递的分子开关的蛋白质有两类： 通过蛋白激酶/蛋白磷酸酯酶的磷酸化/去磷酸化使蛋白分子开启/关闭。 由GTP结合蛋白组成，结合GTP/GDP而活化/失活。,蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化，可分为5类（表5-1）。蛋白激酶在信号转导中主要作用有两个方面：其一是通过磷酸化调节蛋白质的活性，磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制，有些蛋白质在磷酸化后具有活性，有些则在去磷酸化后具有活性；其二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,表5-1 蛋白激酶的种类 激酶 磷酸基团受体 蛋白丝氨酸苏氨酸激酶 丝氨酸苏氨酸羟基 蛋白酪氨酸激酶 酪氨酸的酚羟基 蛋白组赖精氨酸激酶 咪唑环，胍基，氨基 蛋白半胱氨酸激酶 巯基 蛋白天冬氨酸谷氨酸激酶 酰基,3、 Two types of intracellular signaling proteins that act as Molecular Switches,Phosphorylation and dephosphorylation via protein kinases and phosphatases. Thereby stimulating or inhibiting the activities,GAPs inactivate G-protein; GEFs activates G-protein; GDIs(guanine nucleotide-dissociation inhibitors) maintain the G-protein inactive.,二、 胞内受体介导的信号传导,细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。 细胞内受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。这类受体一般都有三个结构域： （1）位于C端的激素结合位点 （2）位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点 （3）位于N端的转录激活结构域。 受体结合的DNA序列是受体依赖的转录增强子。 锌指（zinc fingre）：一种常出现在DNA结合蛋白中的一种结构基元。是由一个含有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys或2个Cys和2个His配位的Zn2+构成，形成的结构像手指状。,（一）甾类激素,甾类激素：是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。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，激活的受体与特异的DNA序列结合，调节基因表达。 受体与DNA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。 这类激素通常表现为影响细胞分化等长期的生物学效应。 甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段： 直接活化少数基因转录的初级反应阶段，发生迅速。 初级反应的基因产物再活化其他基因，产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。 个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。,Intracellular receptors （Steroid hormone receptors）,（A）细胞内受体蛋白作用模型; （B）几种胞内受体蛋白超家族成员,Figure 15-13 Early primary response (A) and delayed secondary response (B) that result from the activation of an intracellular receptor protein. The response to a steroid hormone is illustrated, but the same principles apply for all ligands that activate this family of receptor proteins. Some of the primary-response proteins turn on secondary-response genes, whereas others turn off the primary-response genes. The actual number of primary- and secondary-response genes is greater than shown. As expected, drugs that inhibit protein synthesis suppress the transcription of secondary-response genes but not primary-response genes.,甾类激素两步反应阶段,NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。 血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，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。,（二）NO,NO的作用机理： 乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。 硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。,The action of Nitric oxide on blood vessels,Guanylate cyclase,图5-32 鸟苷酸环化酶,图5-33 NO的作用机制,Regulation of contractility of arterial smooth muscle by NO and cGMP,乙酰胆碱,O,1998年RFurchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。,Robert F. Furchgott,Louis J. Ignarro,Ferid Murad,三、 膜表面受体介导的信号转导,膜表面受体主要有三类： 离子通道型受体（ion-channel-linked receptor） G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）； 酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）。 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（kinase cascade）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。,Cell surface receptors,三种类型的细胞表面受体,特点： 受体本身为离子通道，即配体门通道（ligand-gated channel），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其他可兴奋细胞间的突触信号传递，其信号分子为神经递质。 有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞。 分为： 阳离子通道：如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体； 阴离子通道：如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,（一）离子通道型受体,A. Mediated by the Ion-Linked Receptors which convert chemical signals into electrical ones,图8-8 离子通道型受体,Acetylcholine receptor,图8-9 乙酰胆碱受体结构模型,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,G蛋白：即：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RGS（regulator of G protein signaling）增强，RGS也属于GAP（GTPase activating protein）。,（二）G蛋白耦联型受体,G蛋白耦联型受体：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。 介导的信号分子类型： 多种神经递质、肽类激素和趋化因子； 味觉、视觉和嗅觉感受器。 G蛋白耦联型受体介导的细胞信号通路： -cAMP途径 -磷脂酰肌醇途径。,B. Signal transduction mediated by G protein-linked receptors,The structure of G protein-linked receptors: Seven-helix transmembrane; C-terminal: Ser- and Thr-rich -the sites of phosphorylation make for the desensitization of GPLR.,GTP-binding regulatory protein,图8-12 G蛋白分子开关,1、cAMP信号途径,通过腺苷酸环化酶调节cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。 主要组分： 激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri）； 活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）； 腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。,G-protein linked receptor,Adenylate cyclase,蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase, PDE）：降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。,Degredation of cAMP,cAMP通路组分及其分析,Gs调节模型: 激素与Rs结合，Rs构象改变，与Gs结合，Gs的亚基排斥GDP，结合GTP而活化，Gs解离出和。 亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。 亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子。 霍乱毒素具有ADP核糖转移酶活性，能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，使亚基丧失GTP酶的活性，处于持续活化状态。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。,Gs调节模型:,Gi调节模型 与GDP结合失活，与GTP结合激活。 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。 百日咳毒素抑制的活性。催化Gi的亚基ADP核糖基化，降低了GTP与Gi的亚基结合的水平。,cAMP信号途径可表示为： 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基因调控蛋白磷酸化基因转录。 不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同： 在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。 在某些分泌细胞，需要几个小时， 激活的PKA 进入细胞核，将CRE （cAMP response element ）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。,Glycogen breakdown in skeletal muscle,图8-18 cAMP信号与糖原降解,cAMP activate protein kinase A, which phosphorylate CREB（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription. CRE is cAMP response element in DNA.,cAMP信号与基因表达,cAMP通路对基因的激活,胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，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（diacylglycerol, DAG）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开启胞内IP3门控钙通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。 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/苏氨酸残基磷酸化使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。DG的作用可用佛波醇酯（phorbol ester）模拟。,2、磷脂酰肌醇途径,PIP2 Hydrolysis, “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(CaM)细胞反应 磷脂酶C(PLC) DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH,Double Messenger system,IP3-Ca2+ pathway and DG-PKC pathway,Elevation of cytosolic Ca2+ via the IP signaling pathway,SignalsGPLR GP PLC IP3 and DAG (twin signals). IP3 IP3 receptor(Ca2+ channel, located at the surface of sER) Elevation of cytosolic Ca2+; DAG activates PKC to phosphoralate Ser and Thr on target proteins. Calcium binds to calcium-binding proteins(CaM) which affects other proteins.,图 IP3和DG的作用,D. The pathway through phospholipase C results in a rise in intracellular Ca+,钙调蛋白（calmodulin，CaM）：由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。 蛋白激酶C：位于细胞质，Ca2+浓度升高时，