15.第十五章 细胞的信号转导.doc

第十五章 细胞的信号转导细胞信号转导研究的内容、任务和意义n 内容：n 细胞通过位于胞膜或胞内的受体,感受细胞外信息分子的刺激，经复杂的细胞内信号转导系统的转换而影响其生物学功能，这一过程称为细胞信号转导。 n 细胞之间为什么需要互相交流？n 细胞之间信号如何传递？n 信号如何从细胞外传递到细胞内？n 信号在细胞内如何传递？n 信号的传递对细胞功能有何影响？n 过程：n 认为细胞对复杂的代谢过程应有精巧的调节控制机制n 1865年，法国生理学家Claude Bernard提出“Stability of the internal environment is the condition of free life”n 1929年，美国生理学家W.B.Cannon提出体内“恒稳态”（homeostasis）概念，表示生物体内通过不断复杂的调节过程所建立起来的动态平衡。n 1955年，Sutherland提出cAMP第二信使学说n 70年代，Ca2+受体蛋白钙调素的发现n 1978年，Rasmussen提出Ca2+第二信使学说n 1983年，Berridge阐明质膜肌醇磷脂代谢途径产生的另外两个胞内信使IP3 and DGn 意义：n 细胞信号转导与生物学n 细胞信号转导与医学n 细胞信号转导与药学n 细胞信号转导与生物高技术产业细胞信号系统研究的现状：n 深入到生物学的各个领域n 大量研究论文出现n 获得诺贝尔生理医学奖n 1991年，E.Nelzer and B.Sokmann 离子单通道研究n 1992年，Krebs and Fischer 糖原代谢中蛋白质的可逆磷酸化n 1994年，Gilman and Rodbell G蛋白n 1998年，Furchgott，Ignarro NO信号分子n 1999年，Blobel 蛋白质运输的信号理论和分子机理n 2000年，Carlsson，Greegard 人脑细胞间信号传递细胞信号转导常用的研究技术：n 分子克隆技术n Western Blottingn 免疫共沉淀n 信号分子抑制剂n RNA 干扰n 基因 knock-out mousen FACSWestern blotting:Gene knockout mousen 细胞间信号转导的几个要素： 1. 化学信号分子第一信使（first messenger） 2. 细胞表面及细胞内部的受体 3. 胞内第二信使（second messenger），cAMP、cGMP、Ca2+ 、DG、IP3 4. 胞内信号转导途径n 细胞间通讯的类型 n （一）直接联系（缝隙连接 gap junction）n （二）间接联系（分泌化学信号） 1 合成和分泌信号分子 2 受体接受信号并启动细胞内信号转导 3 调节细胞功能 4 信号的去除及细胞反应终止 n （三）直接接触（识别与粘合）n 细胞信号的种类：n （一）按照信号的性质分 1 物理信号: 光、电 2 化学信号：激素、神经递质、细胞因子、NO 3 其它：生物大分子的结构信息n （二）按照信号引起的细胞生物效应分 1 调节细胞增殖的信号： 2 促进细胞分化的信号： 3 促进细胞凋亡的信号： 4 调节细胞代谢和功能的信号： 5 诱发细胞应激反应的信号： n 化学信号 n 种类: n （1）内分泌激素 n （2）旁分泌或自分泌因子 n （3）神经递质n （4）气体信号分子 NO n （5）进入体内的药物和毒物 n 化学信号的作用方式: n （1）内分泌（endocrine） n （2）旁分泌（paracrine） n （3）自分泌（autocrine） n （4）内在分泌（intracrine） 受体（receptor）n 背景：n 19世纪末，Langley、Dale提出受体类物质，以后证实是一种蛋白质。n 20世纪80年代，从基因水平上理解受体的复杂功能。n 受体概念：n 存在于细胞膜或细胞内的一种特殊蛋白质，能特异性识别细胞外生物活性物质并转化为一系列生物化学反应，而对细胞的结构或功能产生影响。n 受体所接受的外界信号统称为配体 (ligand)n 受体的功能 1 识别并结合特异性的信号物质（配体） 2 启动一系列生物化学反应 要使胞间信号转换为胞内信号，受体的两个功能缺一不可。受体分类：1.膜受体: 离子通道型受体 G蛋白偶连受体 具有酶活性的受体 2.胞内受体:核受体 (基因转录调节蛋白)离子通道型受体 (ion channel receptor)n 存在于细胞膜上，本身是一种或几种受体的离子通道，配体与受体结合后改变空间构象，使离子通道开放或关闭。n 由多个亚基组成环状的孔道，又称环状受体n 特点：n 反应快速，作用时间短，主要在神经系统的突触反应中起控制作用。n 常见的离子通道型受体： 烟碱型乙酰胆碱受体（nAchR） - 氨基丁酸受体 甘氨酸受体 谷氨酸/天冬氨酸受体n nAchR特点：n 常存在于神经细胞和神经 肌肉接头处n 由多个亚基组成n 每个亚基含4-5个跨膜区域G蛋白偶联受体 （G protein coupled receptor）特征：1.膜受体中最大的家族2.由一条多肽链组成，带有其中7个跨膜疏水区域3.氨基末端朝向细胞外，羧基末端朝向细胞内基质4.细胞内基质的第三个袢和羧基末端各有一个磷酸化位点，与受体活性调控有关。n 常见G蛋白偶连受体：n 肾上腺素受体n 毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAchR）n 视网膜视紫红质受体代表:-肾上腺素受体G蛋白(G protein)n 鸟苷酸结合蛋白(guanine nucleotide-binding protein)n 指信号转导途径中与受体偶连的鸟苷酸结合蛋白n Rodbell、Gilman分离纯化，并获得1994年诺贝尔奖n G蛋白共同特征：n 1.由、三个不同的亚单位构成异聚体n 2.具有结合GTP或GDP的能力，并具有GTPase的 活性，将结合的GTP分解为GDPn 3.其本身构象的改变可进一步激活效应蛋白（effector protein），使后者活化，将细胞外的信号传递到细胞内n 作用方式： G蛋白 受体+配体 Ga-GTP+G （激活态） 影响细胞功能，GTP水解 GDP-G （失活态） n G蛋白分类（基于亚单位的结构与活性）n Gs：与激活AC（腺苷酸环化酶）的受体偶联； 引起cAMP增多； 可被CTX（霍乱毒素）抑制； n Gi：与抑制AC的受体偶联；引起cAMP减少； 可被PTX（百日咳毒素）抑制； n Gq：与激活PLC（磷脂酶C）的受体偶联；引起 IP3（三磷酸肌醇）和DG（二酰基甘油） 增多。 n 配体： n Gs：胰高血糖素、生长激素、降 钙素 n Gi：a2受体激动剂、g氨基丁酸、褪黑素 n Gq：a1受体激动剂、内皮素、血栓素 缓激肽、P物质、胃泌素 具有酶活性的受体n 特点：n 1 位于细胞膜上n 2 受体本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白，其胞外域与配体结合而被激活，通过胞内侧激酶反应而将胞外信号传至胞内。具有酶活性的受体种类：n 1）具有酪氨酸蛋白激酶活性的受体， 如PDGF、EGF和胰岛素等的受体n 2）具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性的受体 如转化生长因子受体成员n 3）鸟苷酸环化酶（GC）受体胞内受体：n 配体往往是疏水性小分子，以甾类激素为主，如类固醇激素、甲状腺素n 结合后的受体作为转录因子直接参与基因表达的调控。n 可在胞浆或胞核，或同时存在。n 常常引起长期的细胞效应，如生长发育的调节。受体作用特点：n 1 特异性n 2 高度亲和力n 3 可饱和性n 4 可逆的动态平衡性n 5 磷酸化与去磷酸化决定结合能力第二信使与蛋白激酶概述：1 指配体与受体结合之后的如何转换为胞内信号的进一步转导过程。2 效应蛋白可以是离子通道或酶分子，这里主要指以酶分子为效应蛋白的信号传递过程。信号进一步转导的主要方式：n 1）产生细胞内第二信使 效应酶产生第二信使 离子通道开放产生第二信使，如Ca2+n 2）酶促信号直接跨膜转换，如具有酶活 性的受体n 3）细胞受体介导的内吞作用（内在化作 用）n 第二信使（second messenger）n 1 定义：指受体激活后在细胞内产生的、能 介导信号转导通路的活性物质。n 2 包括：cAMP，cGMP，Ca2+，DG，IP3， etc。腺苷酸环化酶与cAMPn 腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC)n 一种位于细胞膜上的G蛋白效应蛋白n 共有6种亚型n 可催化ATP分解形成cAMPAC结构示意图：n AC由2个大的疏水区+2个胞质区，每个疏水区跨膜6次，胞质区结合ATP、具有酶活性，其氨基酸高度保守cAMPn 3，5环腺苷酸n 最早发现的第二信使n 1955年Sutherland在糖原分解研究中发现n 由AC以ATP为底物催化生成n 由cAMP-PDE （cAMP特异的环核苷酸磷酸二脂酶）水解，产生5-AMP，将信号灭活n 可进一步激活PKA（cAMP-dependent protein kinase）鸟苷酸环化酶与cGMPn 鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC）n 可分解GTP形成cGMPn 1963年，Goldberg发现cGMPn cGMP与cAMP一样广泛分布于动物和微生物，但浓度比cAMP低得多n GC两种存在形式：膜结合性和可溶性n 至少有3种亚型cGMP（3，5-环鸟苷酸）n 由GC催化分解GTP产生n 由相应的PDE分解灭活n cGMP可进一步活化PKG（cGMP-dependent protein kinase）n 功能上呈现与cAMP相拮抗的特点跨膜GC配体：钠尿激素、肠毒素胞内可溶性GC：配体：NO肌醇磷脂信使体系n 一种膜磷脂n 主要分布于质膜内侧，占膜磷脂总量的10%n 1953年，Hokins发现外界刺激可以加速膜磷脂的代谢活动n 80年代发现IP3可以促进Ca2+的释放n PKC的发现阐明了DG的第二信使功能Ca2+/甘油二酯/三磷酸肌醇信使体系G蛋白活化磷脂酶C（phospholipase C，PLC） 催化4，5-二磷酸酯酰肌醇（phosphatidyliosotol 4，5- biphosphate，PIP2） 分解甘油二酯 + 1，4，5-三磷酸肌醇（diacylglycel，DG）（inositol1，4，5-triphosphate，IP3） 动员Ca2+库中的Ca2+释放到胞质n 刺激PIP2分解的第一信使主要有生长因子、多肽激素、神经递质等n 产生的DG可活化PKC（protein kinase C）n IP3可动员细胞内Ca2+的释放DG活化蛋白激酶C（PKC）n PKC广泛分布、单一肽链蛋白质、一个亲水的催化活性中心和一个膜结合区n DG活化PKC， 使PKC对Ca2+亲和力增强，实现对底物蛋白酶的磷酸化。n DG是PIP2水解得到的暂时性产物，可被两种方式终止：n 1）被DG激酶磷酸化为磷脂酸，参加肌醇 磷脂循环重新生成DGn 2）被DG脂酶水解分解为甘油和花生四烯酸IP3动员细胞内Ca2+的释放n IP3是PIP2水解产生的水溶性物质，可从细胞膜扩散到细胞质，与内质网膜上的IP3受体结合，动员Ca2+中的Ca2+转移到细胞浆中。n IP3受体与Ca2+通道高度同源n Ca2+活化钙结合蛋白，激活蛋白激酶或磷酸酶，调节细胞代谢。n IP3也可脱磷酸灭活参与肌醇磷脂循环n IP3动员Ca2+活化PKC既各自独立又互相协调，两者间的协调作用对于跨膜控制细胞内反应十分重要。n G蛋白效应器： n 腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase, AC) cAMP 影响PKA的活性 影响靶蛋白磷酸 化而发挥作用 n 磷酸脂酶C（phospholipase C,PLC）： PLC(+) IP3 细胞钙 DG PKC激活 靶蛋白磷酸化 钙离子/钙调蛋白信使体系n Ca2+信使不是由于酶反应的结果，而是其在胞内外、钙库之间移动的结果n Ca2+信号产生的两个主要途径：n 1）通过质膜钙离子通道从胞外内流n 2）胞内钙库的释放钙调蛋白（calmodulin， CaM）n 一种钙结合蛋白n 广泛存在于真核胞质中n 有4个可与Ca2+结合的区域，每个区域结合一个Ca2+，使构象改变而活化，激活靶蛋白或靶酶蛋白激酶使底物磷酸化n 蛋白激酶是一类磷酸转移酶，作用是将ATP的磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，将底物磷酸化n 根据其作用的底物不同，主要分为两类 1）蛋白质酪氨酸激酶（TPK） 2）蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶（STK） 3）双重底物特异性蛋白激酶蛋白质酪氨酸激酶（tyrosine protein-specific kinase，TPK）n 激活后催化底物蛋白酪氨酸残基磷酸化n 主要调控细胞的生长、增殖和分化n 包括两大类： 1）细胞膜上的受体型TPK 2）胞质中的非受体型TPK 蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶（serine/theonine protein specific kinase，STK）n 激活后可催化底物蛋白丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化n PKA、PKC、PKG、钙调蛋白激酶等均属此类蛋白质的可逆磷酸化n 蛋白质的磷酸化反应是指通过酶促反应把磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上的过程,是生物体内存在的一种普遍的调节方式，在细胞信号的传递过程中占有极其重要的地位。n 已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋白质激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基因。蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上位的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质脱磷酸化。蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用n 在胞内介导胞外信号时具有专一应答特点。n 蛋白质的磷酸化与脱磷酸化控制了细胞内已有的酶“活性”。与酶的重新合成及分解相比，这种方式能对外界刺激做出更迅速的反应。n 对外界信号具有级联放大作用n 蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外界信号的持续反应。n 被磷酸化的主要氨基酸残基：丝氨