5. 细胞通讯.doc

5. 细胞通讯5.1 细胞通讯的基本特点5.1.1 细胞通讯的方式与反应5.1.2 信号分子及信号传导5.1.3 受体与信号的接收5.1.4 受体与配体相互作用及研究方法5.1.5 信号转导与第二信使5.2 G蛋白偶联受体及信号转导5.2.1 G蛋白的结构与功能5.2.2 PKA系统的信号转导机理5.2.3 PKC系统5.3 酶联受体信号转导5.3.1 鸟苷酸环化酶受体与第二信使cGMP5.3.2 受体酪氨酸激酶/Ras途径5.4 其它信号转导途径5.4.1 NO的细胞信使作用5.4.2 细胞与ECM相互作用引起的信号5.5 信号的整合、调节与终止5.5.1 信号的汇集、趋异与窜扰5.5.2 信号终止与受体钝化学习指导录像5. 细胞通讯细胞通讯(cell communication)是细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制，对环境作出综合反应的细胞行为。5.1 细胞通讯的基本特点细胞的通讯与人类社会的通讯有异曲同工之妙(图5-1):由信号发射细胞发出信号(接触和产生信号分子)，由信号接收细胞(靶细胞)探测信号，其接收的手段是通过接收分子(受体蛋白)，然后通过靶细胞的识别，最后作出应答。图5-1 信号传导(a)电话接收器将电信号转换成声信号;(b)细胞将细胞外信号(分子A)转变成细胞内的信号(分子B)。5.1.1 细胞通讯的方式与反应 通讯方式细胞有三种通讯方式(图5-2):通过信号分子;通过相邻细胞间表面分子的粘着或连接;通过细胞与细胞外基质的粘着。在这三种方式中，第一种不需要细胞的直接接触，完全靠配体与受体的接触传递信息，后两种都需要通过细胞的接触。所以可将细胞通讯的方式分为两大类:不依赖于细胞接触的细胞通讯;依赖于细胞接触的细胞通讯。图5-2 细胞通讯的方式及引起的某些反应 细胞通讯的反应过程细胞通讯中有两个基本概念: 信号传导(cell signalling) 信号转导(signal transduction)这两个概念反映了细胞通讯的两个最主要的反应过程。请从细胞通讯的反应过程比较这两个概念的差异。5.1.2信号分子及信号传导 信号分子(signal molecules)细胞通讯的信息多数是通过信号分子来传递的。信号分子是同细胞受体结合并传递信息的分子。信号分子本身并不直接作为信息，它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力。 信号分子的类型及信号传导方式有三种类型的信号分子(图5-3)。图5-3 三种不同类型的信号分子及其信号传导方式 激素(hormone)激素是由内分泌细胞(如肾上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体)合成的化学信号分子，一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素，参与细胞通讯的激素有三种类型:蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素(表5-1)表5-1 某些激素的性质和功能名称合成部位化学特性主要作用肾上腺素肾上腺酪氨酸衍生物提高血压、心律、增强代谢 皮质醇肾上腺类固醇在大多数组织中影响蛋白、糖、 脂的代谢雌二醇卵巢类固醇诱导和保持雌性副性征胰高血糖素胰细胞肽在肝、脂肪细胞刺激葡萄糖合成、糖原断裂、 脂断裂胰岛素胰细胞蛋白质刺激肝细胞等葡萄糖吸收、蛋白 质及脂的合成睾酮睾丸类固醇诱导和保持雄性副性征甲状腺素甲状腺酪氨酸衍生物刺激多种类型细胞的代谢 通过激素传递信息是最广泛的一种信号传导方式，这种通讯方式的距离最远，覆盖整个生物体。在动物中，产生激素的细胞是内分泌细胞，所以将这种通讯称为内分泌信号(endocrine signaling)。 局部介质(local mediators)局部介质是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子，它只能作用于周围的细胞。通常将这种信号传导称为旁分泌信号(paracrine signaling)，以便与自分泌信号相区别。有时这种信号分子也作用于分泌细胞本身， 如前列腺素(prostaglandin，PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的)， 它不仅能够控制邻近细胞的活性，也能作用于合成前列腺素细胞自身，通常将由自身合成的信号分子作用于自身的现象称为自分泌信号(autocrine signaling)。 神经递质 (neurotransmitters) 神经递质是由神经末梢释放出来的小分子物质，是神经元与靶细胞之间的化学信使。由于神经递质是神经细胞分泌的,所以这种信号又称为神经信号(neuronal signaling)。 依赖于细胞接触的信号传导通过细胞的接触，包括通过细胞粘着分子介导的细胞间粘着、细胞与细胞外基质的粘着、连接子(植物细胞为胞间连丝)介导的信号传导。通过细胞接触进行的通讯中，信号分子位于细胞质膜上，两个细胞通过信号分子的接触传递信息(图5-4)。图5-4 通过分泌的信号分子通讯与通过膜结合的信号分子通讯的比较5.1.2信号分子及信号传导 信号分子(signal molecules)细胞通讯的信息多数是通过信号分子来传递的。信号分子是同细胞受体结合并传递信息的分子。信号分子本身并不直接作为信息，它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力。 信号分子的类型及信号传导方式有三种类型的信号分子(图5-3)。图5-3 三种不同类型的信号分子及其信号传导方式 激素(hormone)激素是由内分泌细胞(如肾上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体)合成的化学信号分子，一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素，参与细胞通讯的激素有三种类型:蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素(表5-1)表5-1 某些激素的性质和功能名称合成部位化学特性主要作用肾上腺素肾上腺酪氨酸衍生物提高血压、心律、增强代谢 皮质醇肾上腺类固醇在大多数组织中影响蛋白、糖、 脂的代谢雌二醇卵巢类固醇诱导和保持雌性副性征胰高血糖素胰细胞肽在肝、脂肪细胞刺激葡萄糖合成、糖原断裂、 脂断裂胰岛素胰细胞蛋白质刺激肝细胞等葡萄糖吸收、蛋白 质及脂的合成睾酮睾丸类固醇诱导和保持雄性副性征甲状腺素甲状腺酪氨酸衍生物刺激多种类型细胞的代谢 通过激素传递信息是最广泛的一种信号传导方式，这种通讯方式的距离最远，覆盖整个生物体。在动物中，产生激素的细胞是内分泌细胞，所以将这种通讯称为内分泌信号(endocrine signaling)。 局部介质(local mediators)局部介质是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子，它只能作用于周围的细胞。通常将这种信号传导称为旁分泌信号(paracrine signaling)，以便与自分泌信号相区别。有时这种信号分子也作用于分泌细胞本身， 如前列腺素(prostaglandin，PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的)， 它不仅能够控制邻近细胞的活性，也能作用于合成前列腺素细胞自身，通常将由自身合成的信号分子作用于自身的现象称为自分泌信号(autocrine signaling)。 神经递质 (neurotransmitters) 神经递质是由神经末梢释放出来的小分子物质，是神经元与靶细胞之间的化学信使。由于神经递质是神经细胞分泌的,所以这种信号又称为神经信号(neuronal signaling)。 依赖于细胞接触的信号传导通过细胞的接触，包括通过细胞粘着分子介导的细胞间粘着、细胞与细胞外基质的粘着、连接子(植物细胞为胞间连丝)介导的信号传导。通过细胞接触进行的通讯中，信号分子位于细胞质膜上，两个细胞通过信号分子的接触传递信息(图5-4)。5.1.3 受体与信号的接收 细胞通讯中，由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答，接收信息的分子称为受体( receptor)，信号分子则被称为配体(ligand)。 受体存在的部位 信号分子识别并结合的受体通常位于细胞质膜或细胞内，所以有两类受体: 表面受体(surface receptor) 于细胞质膜上的称为表面受体(surface receptor) 细胞内受体(intracellular receptor) 位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体(intracellular receptor)。 表面受体主要是同大的信号分子或小的亲水性的信号分子作用，传递信息。而细胞内受体主要是同脂溶性的小信号分子作用(图5-5)。 图5-5 细胞表面受体与细胞内受体 细胞内受体细胞内受体通常有两个不同的结构域, 一个是与DNA结合的结构域, 另一个是激活基因转录的N端结构域。此外有两个结合位点,一个是与配体结合的位点,位于C末端,另一个是与抑制蛋白结合的位点,在没有与配体结合时,则由抑制蛋白抑制了受体与DNA的结合,若是有相应的配体,则释放出抑制蛋白(图5-6)。图5-6 细胞内受体的结构示意图细胞内受体在接受脂溶性的信号分子并与之结合形成受体-配体复合物后就成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录和表达(图5-7)。图5-7 糖皮质激素受体激活(a) 类固醇激素通过扩散穿过细胞质膜;(b)激素分子与胞质溶胶中的受体结合;(c)抑制蛋白与受体脱离，露出与DNA结合和激活基因转录的位点;(d)被激活的复合物进入细胞核;(e)与DNA增强子区结合;(f)促进受激素调节的基因转录。 细胞表面受体位于细胞质膜上的受体称为表面受体，主要有三种类型离子通道偶联受体(ion-channel linked receptor)、G-蛋白偶联受体(G-protein linked receptor)、酶联受体(enzyme-linked receptor)(图5-8)。图5-8 三种类型的细胞表面受体(a)离子通道偶联受体;(b)G-蛋白偶联受体;(c)酶联受体。 离子通道偶联受体(ino-channel linked receptor)具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道受体， 这种受体见于可兴奋细胞间的突触信号传导，产生一种电效应(图5-9)。图5-9 离子通道偶联受体与信号传导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。烟碱样乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor)是研究得比较清楚的离子通道偶联受体，它存在于脊椎动物骨骼肌细胞以及某些鱼的放电器官细胞的质膜上，受体与乙酰胆碱结合，引起Na+通道的开放，Na+流入靶细胞，使得质膜去极化并引起细胞的收缩。如何通过实验分离烟碱样乙酰胆碱受体并证明烟碱样乙酰胆碱受体具有通道偶联受体的作用? G-蛋白偶联受体(G-protein linked receptor)这类受体的种类很多，在结构上都很相似都是一条多肽链，并且有7次螺旋跨膜区(图5-10)。这种7次跨膜受体蛋白的超家族包括视紫红质(脊椎动物眼中的光激活光受体蛋白)，以及脊椎动物鼻中的嗅觉受体。图5-10 G-蛋白偶联受体的结构每一种G-蛋白偶联受体都有7个螺旋的跨膜区，信号分子与受体的细胞外部分结合，并引起受体的细胞内部分激活相邻的G-蛋白。 酶联受体(enzyme linked receptor)这种受体蛋白既是受体又是酶，一旦被配体激活即具有酶活性并将信号放大，又称催化受体(catalytic receptor)。按照受体的细胞内结构域是否具有酶活性将此类受体分为两大类:缺少细胞内催化活性的酶联受体和具有细胞内催化活性的酶联受体。举例说明什么是缺少细胞内催化活性的酶联受体和具有细胞内催化活性的酶联受体?非酪氨酸激酶受体(nonreceptor tyrosine kinases)就是缺少细胞内催化活性的酶联受体。虽然这种受体本身没有酶的结构域,但实际效果与具有酶结构域的受体是一样的(图5-11)。图5-11 缺少细胞内酪氨酸激酶的酶联受体受体与酪氨酸激酶是分开的，配体与受体结合后，受体形成二聚体，两个酪氨酸激酶分别与受体结合并被激活。细胞内具有催化结构域的酶联受体有很多种类型, 包括具有鸟苷环化酶活性受体和磷酸酶的活性(图5-12a,b)受体、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性受体或酪氨酸蛋白激酶的活性的受体(图5-12c,d)。图5-12 具有细胞内催化结构域的酶联受体5.1.4 受体与配体相互作用及研究方法细胞通过化学信息进行通讯的能力取决于信号分子的合成与分泌以及受体与配体的相互识别和结合,配体与受体的结合又与配体与受体的结构和化学性质相关联。 表面受体超家族(surface receptor superfamilies)根据表面受体进行信号转导的方式将受体分为三大类,若是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(图5-13)。图5-13 单次、7次与多亚基跨膜的表面受体 受体与配体相互作用的特点多细胞生物体中的细胞,其周围环境中常常有多达几百种的化学信号分子,细胞如何去识别?是否一种信号分子只能作用于一种类型的细胞?受体与配体如何结合?这些都是由受体自身的特性决定的。 特异性(specificity) 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 。请设计一个实验研究受体与配体结合的特异性 高亲和力(high affinity binding)受体与配体结合的能力称为亲和力。通过配体与受体结合反应的动力学分析可获得亲和力的信息。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。 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。 可逆性(reversibility)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。 生理反应 (physiological response)信号分子与受体的结合会引起适当的生理反应，反应的强弱与结合配体的受体数量正相关。如在胰岛素与受体的结合时，会激发葡萄糖向靶细胞的运输，并且，葡萄糖运输的数量随受体结合胰岛素的数量增加而增加。 信号分子与受体相互作用的复杂性尽管细胞通过产生有限的受体来限制自己对众多的细胞信号分子作出反应，但是信号分子仍能以相当复杂的方式来控制细胞的行为。这种复杂性分表现在两个方面 虽然一种信号只能同一种受体作用，但能作用于不同的靶细胞引起多种效应如当心肌细胞暴露于神经递质乙酰胆碱时，它降低了收缩的频率；但是当唾液腺暴露于相同的信号分子时，却能分泌唾液(图5-14)。图5-14 相同的信号分子在不同的靶细胞中引起不同的应答不同类型的细胞以不同的方式对神经递质乙酰胆碱作出应答。在(a)和(b)中，信号分子与相同的受体蛋白结合，但由于细胞的功能不同，引起不同的反应；在(c)中乙酰胆碱作用于不同的受体。 一个细胞表面有几十甚至上千种不同的受体同时与细胞外基质中的不同信号分子起作用，这些信号分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作用都强得多。所以细胞必须对多种信号进行协调综合。由于不同信号分子间的不同组合，会使细胞产生不同的综合性反应，有些信号组合起来可促进使细胞分裂，有些则促使细胞死亡。 亲和标记法分离表面受体 亲和标记(affinity labeling)是常用的分离细胞表面受体的方法， 其原理是: 将细胞与超量标记的激素(配体)混合，以饱和所有特异受体的激素结合位点。洗去多余的激素，然后加入能够与受体和配体结合的共价交联剂将激素与受体进行共价交联(图5-15)。 图5-15 亲和标记胰岛素受体大多数交联剂(cross-linking agent)含有两个可与蛋白质中自由氨基相互作用的基团(图5-16)， 当表面受体与配体结合后，配体和受体上各自的自由氨基的距离靠近到足以被小分子的交联剂结合时，受体和配体就会被交联在一起。又由于与交联剂共价结合的配体和受体能够耐受去垢剂和变性剂的处理，也就是说，在有去垢剂和变性剂存在时，它们依然交联在一起，因而可用去垢剂和变性剂溶解细胞质膜，分离膜蛋白通过电泳进行分析。图5-16 交联剂的分子结构及与受体和配体的共价交联5.1.5 信号转导与第二信使信号分子这把钥匙一旦打开了细胞表面的受体锁，细胞就要作出应答。由于细胞自身就是一个社会，有各种不同的结构和功能体系，外来信号应由何种功能体系应答? 这就是所谓的信号转导的通路。 信号转导途径信号转导途径有两个层次，第一是将外部信号转换成内部信号途径， 即信号转导途径。第二层次的含义是外部信号转换成内部信号后从哪个途径引起应答。 两种信号转导途径: 一种是通过G蛋白偶联方式，即信号分子同表面受体结合后激活G蛋白，再由G蛋白激活效应物，效应物产生细胞内信号;第二种转导途径是结合的配体激活受体的酶活性，然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物(图5-17)。图5-17 信号转导的两种途径途径：结合的配体激活G蛋白,然后由G蛋白激活效应物产生信号;途径：结合配体激活受体的酶活性,然后由激活的受体酶激活产生信号的效应物。 细胞内生化反应途径:当外部信号被转换成内部信号后，在细胞内的传递途径如何? 细胞内各种不同的生化反应途径都是由一系列不同的蛋白和酶组成的，执行着不同的生理生化功能。各途径中上游蛋白对下游蛋白活性的调节(激活或抑制)主要是通过添加或去除磷酸基团，从而改变下游蛋白的构型完成的(图5-18)。所以，构成生化反应途径的主要成员是蛋白激酶和磷酸酶，它们能够引起细胞活性的快速变化又迅速恢复。图5-18 由蛋白激酶和蛋白质磷酸酶构成的信号转导途径 细胞应答与信号级联放大 细胞应答细胞对外部信号的应答通常是综合性反应，包括基因表达的变化、酶活性的变化、细胞骨架构型的变化、通透性的变化、DNA合成的变化、细胞死亡程序的变化等(图5-19)。这些变化并非都是由一种信号引起的，通常要几种信号结合起来才能产生较复杂的反应，而且通过信号的不同组合产生不同的反应。图5-19 多种细胞外信号引起动物细胞的应答 细胞在信号应答中的每一种最终表现都是受体接受了一套相关的细胞外信号并作出综合应答的结果，图中所示只是推测的简化模式。 信号级联放大(signaling cascade)从细胞表面受体接收外部信号到最后作出综合性应答,不仅是一个信号转导过程,更重要的是将信号进行逐步放大的过程(图5-20)。图5-20 细胞内的信号级联放大作用细胞表面受体蛋白将细胞外信号转变为细胞内信号，经信号级联放大、分散和调节产生综合性的细胞应答。 第二信使(second messengers) 由细胞表面受体接受信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使(图5-21)。图5-21 第二信使的产生及作用 细胞内有五种最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1，2-二酰甘油(diacylglycerol，DAG)、1，4，5-三磷酸肌醇(inosositol 1，4，5-trisphosphate，IP3)、Ca2+ 等(图5-22)。图5-22 细胞内五种第二信使的结构5.2 G蛋白偶联受体及信号转导细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由G-蛋白介导的信号转导。这种信号转导系统有两个重要的特点:系统由三个部分组成:7次跨膜的受体、G蛋白和效应物(酶); 产生第二信使。5.2.1 G蛋白的结构与功能G蛋白，即GTP结合蛋白(GTP binding protein)，参与细胞的多种生命活动,如细胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成等。 异源三体G蛋白(heterotrimeric G protein)的结构组成G蛋白偶联系统中的G蛋白是由三个不同亚基组成的异源三体,三个亚基分别是、, 总相对分子质量在100kDa左右。G蛋白有多种调节功能, 包括Gs和Gi对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对cGMP磷酸二酯酶的活性调节、对磷酯酶C的调节、对细胞内Ca2+浓度的调节等， 此外还参与门控离子通道的调节(表5-2)。表5-2 某些G蛋白的功能效应物G蛋白作用腺苷酸环化酶Gs激活酶活性Gi抑制酶活性K+离子通道Gi打开离子通道磷脂酶CGp激活酶活性cGMP磷酸二脂酶Gt激活酶活性 G蛋白循环(G protein cycle)在G蛋白偶联信号转导系统中， G蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。一种是静息状态，即三体状态; 另一种是活性状态， G蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋白循环(G protein cycle，图5-23)。G蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联: GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs) 鸟苷交换因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs) 鸟苷解离抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，GDIs) 图5-23 G蛋白循环G蛋白与GDP结合时是非活性状态，如果无活性的G蛋白与GDI结合，则处于被抑制状态(无活性)，如果G蛋白与GEF相互作用，将GDP换成了GTP，G蛋白则被激活，可启动下游反应。处于活性状态的G蛋白与GTPase激活蛋白(GAP)相互作用，会激活GTPase，使GTP水解成GDP， 此时的G蛋白又恢复到无活性状态。什么是G蛋白循环(G protein cycle)? 与哪些蛋白相关? G蛋白的信号转导作用在G蛋白偶联受体的信号转导中G蛋白起重要作用， 它能够将受体接受的信号传递给效应物， 产生第二信使，进行信号转导， 某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性(图(图5-24)。一个典型的例子是通过神经递质乙酰胆碱调节心肌收缩。图5-24 G蛋白偶联受体能够激活心肌质膜的K+离子通道打开(a)神经递质乙酰胆碱与心肌细胞的膜受体结合，使得G蛋白的亚基与、亚基分开;(b)激活的、亚基复合物同K+离子通道结合并将K+离子通道打开;(c)亚基中的GTP水解，导致亚基与、亚基重新结合，使G蛋白处于非活性状态，使K+离子通道关闭。 5.2.2 PKA系统(protein kinase A system， PKA)的信号转导机理该系统的信号分子作用于膜受体后，激活G蛋白偶联系统，产生cAMP后，激活蛋白激酶A进行信号的放大， 故将此途径称为PKA信号转导系统。 系统组成G蛋白偶联系统由三部分组成:表面受体、G蛋白和效应物(图5-25),由于这三种复合物都是结合在膜上,故此将它们称为膜结合机器(membrane-bound machinery)。图5-25 G蛋白偶联系统的组成:膜结合机器 受体 G蛋白偶联受体都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括肾上腺素(型)受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等。 G蛋白 效应物(effector) 所谓效应物是指直接产生效应的物质,通常是酶,如腺苷酸环化酶、磷酸脂酶等,它们是信号转导途径中的催化单位(表5-3)。表5-3 异质G蛋白介导的生理效应配体受体效应物生理效应肾上腺素-肾上腺受体腺苷酸环化酶糖原水解血清紧张素血清紧张素受体腺苷酸环化酶行为敏感好学光视紫红质cGMP磷酸二酯酶视觉兴奋IgE抗原复合物肥大细胞Ig-受体磷脂酶C 分泌f-Met肽趋化受体磷脂酶C趋化性乙酰胆碱毒蝇碱受体K+通道降低起搏活性 第二信使:cAMP 腺苷酸环化酶(adenylate cyclase， AC)腺苷酸环化酶是膜整合蛋白，能够将ATP转变成cAMP(图5-26)，引起细胞的信号应答，故此，AC是G蛋白偶联系统中的效应物。图5-26 腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMPcAMP是如何被发现的?科学家如何证明腺苷酸环化酶在信号转导中的作用?很多不同类型的细胞都是通过cAMP浓度的变化引起细胞的应答(表5-4)，在无脊椎动物中cAMP也可作为第二信使起作用。表5-4 某些通过cAMP介导的激素应答实例组织激素应答肝肾上腺素和胰高血糖素糖原水解，葡萄糖合成(糖异生)， 糖原合成的抑制骨骼肌肾上腺素糖原分解，糖原合成的抑制 心肌肾上腺素加快收缩脂肪肾上腺素，ACTH， 胰高血糖素三酰甘油降解肾加压素(ADH)提高表皮细胞对水的通透性甲状腺TSH甲状腺激素分泌肾上腺ACTH增强糖皮质激素的分泌骨甲状旁腺素甲状旁腺素卵巢LH增强胆固醇激素的分泌 G蛋白偶联受体跨膜信号转导机理在G蛋白偶联系统中，G蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物，它包括了三个主要的激发过程(图5-27):图5-27 G蛋白和cAMP在信号转导中的作用胰高血糖素和肾上腺素是如何引起靶细胞中cAMP的浓度升高的? G蛋白被受体激活 G蛋白将信号向效应物转移 应答的终结 当与G结合的GTP被水解成GDP时，信号转导就会终止。因此， GTP水解的速率在某种程度上决定着信号转导的强度和时间的长短。G亚基具有较弱的GTPase的活性，能够缓慢地水解GTP，进行自我失活.失活可通过与GAP的作用而加速。一旦GTP水解成GDP， G-GDP能够重新与G复合物恢复结合，形成非活性的三体复合物。 激活型和抑制型cAMP信号途径 组成和作用效果在某些细胞中，G蛋白不仅可激活酶活性（又称向上调节，up regulation)，也可抑制其作用的酶活性（向下调节，down regulation)，因此有激活型和抑制型两种不同的系统(图5-28)。图5-28 激活型和抑制型G蛋白偶联系统比较激活型与抑制型G蛋白偶联系统的异同 毒素对G蛋白的核糖化作用霍乱弧菌(Vibrio cholerae)感染人体后，产生一种毒素:霍乱毒素(cholera toxin，一种毒蛋白)，具有催化作用，可将NAD+上的ADP-核糖基团转移到Gs亚基上(图5-29)， 使G蛋白核糖化(ADP-ribosylation)，这样抑制了亚基的GTPase活性，从而抑制了GTP的水解，使Gs一直处于激活状态。其结果使腺苷酸环化酶处于永久活性状态，cAMP的形成失去控制，引起Na+和水分泌到肠腔导致严重腹泄。百日咳则是由百日咳杆菌(Bordetella pertussis)所引起， 该菌产生的百日咳毒素(pertussis toxin)同样使G蛋白的亚基ADP核糖化。与霍乱毒素作用机理不同的是，百日咳毒素使Gi蛋白亚基进行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白亚基上的GDP被GTP取代， 使其失去对腺苷酸环化酶的抑制作用， 其结果也是使cAMP的浓度增加。由于百日咳是经呼吸道感染的，被感染的细胞与呼吸系统相关，这些细胞中cAMP浓度的提高，促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。图5-29 G蛋白的核糖化 蛋白激酶A与底物磷酸化 蛋白激酶 A (protein kinase A，PKA)又称为依赖于cAMP的蛋白激酶A (cyclic-AMP dependent protein kinase A)，是由四个亚基组成的四聚体(图5-30)。一般认为， 真核细胞内几乎所有的cAMP的作用都是通过活化PKA，从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的。图5-30 cAMP激活蛋白激酶AcAMP与PKA的调节亚基结合，使PKA的调节亚基与催化亚基分开，被激活的催化亚基可使底物磷酸化。 磷酸化与去磷酸化磷酸化和去磷酸化是信号转导中最简便而又十分快捷的反应方式,一般是通过磷酸化而激活,去磷酸化而失活,磷酸成为蛋白(酶)的活性标记。例如，磷酸酶-1的激活是受一种称为抑制剂-1(inhibitor-1)的蛋白控制,而这种抑制蛋白又是通过磷酸化和去磷酸化进行活性与非活性状态的转换(图5-31)。图5-31 抑制剂-1的磷酸化和去磷酸化在激素应答中的作用 蛋白激酶A的细胞质功能与细胞核功能 蛋白激酶A被cAMP激活后能够使多种底物磷酸化，引起多种反应(表5-5)。表5-5 可被PKA磷酸化的某些底物肌钙蛋白磷酸化酶激酶肌糖原合成酶激素敏感性脂酶丙酮酸激酶乙酰胆碱受体 肝酪氨酸羟化酶S6核糖体蛋白磷酸化酶激酶蛋白磷酸酶抑制剂-1磷酸化酶激酶肌球蛋白轻链激酶乙酰CoA羧化酶果糖-1，6-二磷酸酶磷酸果糖激酶CREB(cAMP效应元件结合因子磷酸酶-1蛋白 PKA既可直接修饰细胞质中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以进入细胞核作用于基因表达的调控蛋白(如CREB),启动基因的表达(图5-32)。图5-32 cAMP与蛋白激酶对细胞活性的影响 蛋白激酶A的细胞质功能:糖原分解在脊椎动物中,糖原的分解受一些激素的控制,如肾上腺素和胰高血糖素中的任何一种激素同细胞膜受体结合,都会激活磷酸化酶,使糖原分解成1-磷酸葡萄糖,然后进一步分解为6-磷酸葡萄糖、葡萄糖后进入血液 (图5-33)。哺乳动物细胞中糖原的分解是第二信使cAMP通过PKA激活细胞质中的靶酶引起信号转导的典型例子， 请说明其机理。图5-33 肝细胞对胰高血糖素和肾上腺素的应答 蛋白激酶A的细胞核功能:调节基因表达被cAMP激活的PKA,大多数在胞质溶胶中激活一些细胞质靶蛋白,也有少数被激活的PKA可以转移到细胞核中磷酸化某些重要的核蛋白,其中多数是被称为CREB(cAMP response element binding,cAMP效应元件结合因子)的转录因子(图5-33)。为什么说肾上腺素和胰高血糖素不仅激活了催化糖原裂解的酶，而且还促进细胞利用小分子前体合成葡萄糖? cAMP信号的终止该途径的信号解除有两种方式: 通过cAMP磷酸二酯酶(cAMP phosphodiesterase,PDE)将cAMP的环破坏,形成5-AMP(图5-34)。图5-34 cAMP磷酸二酯酶催化cAMP生成5-AMP 通过抑制型的信号作用于Ri,然后通过Gi起作用。Gi蛋白被激活后，GTP同Gi蛋白的亚基结合，Gi的亚基与Gi复合物分离，并在细胞膜的胞质面进行扩散；当Gi的亚基与腺苷酸环化酶结合后则抑制其活性；而Gi复合物则可同激活型的Gs作用，阻止它去激活腺苷酸环化酶。 5.2.3 PKC系统(protein kinase C system)在这一信号转导途径中，膜受体与其相应的第一信使分子结合后，激活膜上的Gq蛋白(一种G蛋白)，然后由Gq蛋白激活磷酸酯酶C (phospholipase C， PLC)， 将膜上的脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol biphosphate， PIP2)分解为两个细胞内的第二信使: DAG和IP3，最后通过激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)，引起级联反应，进行细胞的应答。该通路也称IP3、DAG、Ca2+信号通路（图5-35）。图5-35 处于静息状态的磷脂肌醇信号转导系统静息状态时，G蛋白的亚基上结合的是GDP，所以没有活性，磷脂酶C也是处于非活性状态。第二信使IP3/DAG还是以前体PIP2存在。内质网上的Ca2+离子配体闸门通道是关闭的，蛋白激酶C也是以可溶的非活性状态存在于细胞质中。 系统组成与信号分子 系统组成由三个成员组成:受体、G蛋白和效应物。Gq蛋白也是异源三体,其亚基上具有GTP/GDP结合位点,作用方式与cAMP系统中的G蛋白完全相同。该系统的效应物是磷酸肌醇特异的磷脂酶C-(phosphatidylinositol-specific phospholipase C-, PI-PLC),此处的表示一种异构体。 信号分子与该系统受体结合的信号分子有各种激素、神经递质和一些局部介质（表5-6）。表5-6 某些激活磷脂酶C的信号分子信号分子靶细胞反应肾上腺素肝细胞(1受体)糖原裂解加压素肝细胞糖原裂解PDGF成纤维细胞细胞增殖乙酰胆碱平滑肌(毒蝇碱性受体)收缩凝血酶血小板凝结 第二信使的产生该途径有有三个第二信使:IP3、DAG、Ca2+。产生过程包括磷脂酶C的激活、IP3/DAG的生成、Ca2+的释放。 磷脂酶C-的激活 磷脂酶C-相当于cAMP系统中的腺苷酸环化酶,也是膜整合蛋白,它的活性受Gq蛋白调节。当信号分子识别并同受体结合后，激活Gq蛋白的亚基。激活的Gq-亚基通过扩散与磷脂酶C-接触，并将磷脂酶C-激活。 第二信使IP3/DAG的生成 被激活的磷脂酶C-水解质膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)， 产生三磷酸肌醇(inositol 1，4，5-triphosphate，IP3)和二酰甘油(diacylglycerol， DAG) (图5-36)。图5-36 磷脂酶C-催化PIP2水解生成DAG和IP3 IP3 启动第二信使Ca2+的释放 由PIP2水解后产生的IP3是水溶性的小分子， 它可以离开质膜并迅速在胞质溶胶中扩散。IP3同内质网膜上专一的IP3受体(IP3 receptor)结合， 使IP3-门控Ca2+ 通道打开， 使Ca2+ 从内质网中释放出来。 蛋白激酶C的激活蛋白激酶C的激活涉及一系列复杂的反应过程，是三种第二信使共同作用的结果。PKC信号转导过程总结于图5-37。图5-37 蛋白激酶C的激活过程及将要引起的应答 蛋白激酶C的作用蛋白激酶C是一种细胞质酶,在未受刺激的细胞中,PKC主要分布在细胞质中, 呈非活性构象。一旦有第二信使的存在,PKC将成为膜结合的酶，它能激活细胞质中的酶,参与生化反应的调控, 同时也能作用于细胞核中的转录因子, 参与基因表达的调控, 是一种多功能的酶。 对糖代谢的控制在肝细胞中, 蛋白激酶C与蛋白激酶A协作磷酸化糖原合成酶，抑制葡萄糖聚合酶(glucose-polymerizing enzyme)的活性,促进糖原代谢(图5-38)。图5-38 肝细胞中两个第二信使的协同作用，促进糖原分解并抑制糖原合成cAMP介导的促进糖原分解、抑制糖原合成作用是由胰高血糖素受体和肾上腺素受体结合了相应激素所引起;而IP3、DAG和Ca2+介导的促进糖原分解和抑制糖原合成的是由肾上腺受体结合肾上腺素所引起。cAMP激活蛋白激酶A，而IP3、DAG和Ca2+ 激活蛋白激酶C。 对细胞分化的控制肌细胞生成素是一种转录因子，在肌细胞分化中起关键作用。在成肌细胞(myoblast)中， 蛋白激酶C可使肌细胞生成素磷酸化，抑制了肌细胞生成素与DNA结合的能力，因而阻止了细胞分化为肌纤维。 参与基因表达调控蛋白激酶C至少可通过两种途径参与基因表达的控制(图5-39)。 图5-39 蛋白激酶C激活特定基因转录的两种途径一种途径是蛋白激酶激活一个磷酸化的级联系统，使MAP蛋白激酶磷酸化，磷酸化的MAP蛋白激酶将基因调节蛋白Elk-1磷酸化，使之激活。激活了Elk-1与一个短的DNA序列(称为血清反应元件，SRE)结合，然后与另一个因子(血清反应因子，SRF)共同调节基因表达。另一种途径是蛋白激酶磷酸化并激活抑制蛋白I-B，释放基因调节蛋白NF-B，使之进入细胞核激活特定基因的转录。蛋白激酶C如何参与基因表达的调控? 此外，有人认为PKC能够催化未被其他激酶催化的蛋白，如催化与分泌和增殖有关的蛋白磷酸化。还可以活化Na+-K+交换系统、使细胞内H+减少、提高细胞质中的pH，还可以提高Na+/K+泵的运转等。蛋白激酶C在细胞的生长、分化、细胞代谢以及转录激活等方面具有非常重要的作用(表5-7)。表5-7 由蛋白激酶C介导的某些反应组织反应组织反应血小板分泌血清紧张素肥大细胞释放组胺肾上腺髓质分泌肾上腺素胰腺分泌胰岛素肝糖原水解脂肪组织合成脂肪垂体细胞分泌GH和LH甲状腺分泌降钙素睾丸睾丸酮的合成神经元释放多巴胺 第二信使Ca2+(calcium ions)的作用由IP3动员释放到细胞内的Ca2+ 除了参与蛋白激酶C的激活以外，在细胞的生命活动中还有许多重要作用，包括细胞分裂、分泌活动、内吞作用、受精、突触传递、代谢以及细胞运动。 细胞中Ca2+浓度及其控制在静息状态的细胞中，Ca2+浓度维持在非常低的水平，通常只有10-7M。但在细胞外和某些膜结合细胞器，如ER和植物液泡的腔中 Ca2+ 浓度比胞质溶胶中要高10，000倍。细胞质中的低Ca2+浓度是通过各种通道和运输泵控制的(图5-40)。图5-40 细胞中Ca2+浓度的调节细胞质膜中的Ca2+通道和内质网膜中的IP3及ryanodine受体Ca2+通道的打开可使胞质溶胶中的Ca2+浓度升高;细胞质膜中Ca2+泵、内质网膜中的Ca2+泵、细胞质膜中的Na+-Ca2+交换泵，以及线粒体中的Ca2+泵降低胞质溶胶中的Ca2+浓度。细胞质中的Ca2+浓度通常不到10-7M, 这是如何控制的? 钙调蛋白(calmodulin) 一个钙调蛋白可以结合4个Ca2+。Ca2+同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物(calcium-calmodulin complex)，就会引起钙调蛋白构型的变化，增强了钙调蛋白与许多效应物结合的亲和力(图5-41)。图5-41 钙调蛋白的结构 Ca2+-钙调蛋白复合物的信号放大作用 在不同的细胞中，Ca2+-钙调蛋白复合物可以同CaM-蛋白激酶、cAMP磷酸二酯酶、以及质膜中的Ca2+运输蛋白结合， 将它们激活，进行信号的放大(图5-42)。图5-42 CaM-蛋白激酶的激活举例说明Ca2+-钙调蛋白依赖性的蛋白激酶(Ca2+ /calmodulin-dependent protein kinase， CaM-Kinase)的激活与作用。 植物细胞中Ca2+的调节作用在植物细胞中Ca2+也是重要的第二信使。在光、压力、引力以及各种植物激素的刺激下，植物细胞中的Ca2+浓度发生急剧变化。在静息状态下，植物细胞主要是通过质膜和液泡膜中的Ca2+运输泵维持胞质溶胶中的低Ca2+浓度。植物叶片中气孔直径大小的调节主要是通过Ca2+的第二信使作用调控的(图5-43)。图5-43 Ca2+在植物叶保卫细胞关闭中的第二信使作用Ca2+在植物叶保卫细胞关闭中起什么作用? IP3/DAG/Ca2+信号的终止如同cAMP引起的信号转导，磷脂肌醇和Ca2+离子的第二信使作用也必须迅速解除，使细胞重新回到静息状态。 DAG信号的解除DAG只是由PIP2水解得到的暂时性产物, 寿命只有几秒钟, 靠两种方式进行降解:被DAG磷酸激酶磷酸化,生成磷脂酸(PA),随后PA被CTP磷酸化为CMP-磷脂酸,再与肌醇作用合成磷脂肌醇(PI)。DAG被DAG酯酶水解生成单脂酰甘油,再进一步水解成游离的多不饱和脂肪酸和花生四烯酸甘油,花生四烯酸甘油再被氧化成许多生物活性代谢物,如前列腺素、白三烯等。从细胞中释放出来的这些生物活性代谢物可作用于自身或邻近细胞上的受体,引起细胞应答。 IP3信号的解除 有两种途径终止IP3的信号作用(图5-44)。图5-44 胞质溶胶中IP3的命运细胞如何解除IP3的信号作用? Ca2+信号的解除 Ca2+信号的解除主要是通过降低胞质溶胶中的Ca2+浓度。由IP3磷酸化生成的四磷酸肌醇参与打开细胞质膜上的Ca2+ 通道，让胞外的Ca2+ (10-3M)进入细胞内，使细胞质中的Ca2+ 浓度较为持久地升高。胞内Ca2+浓度持久升高，会使钙调蛋白活化，活化的钙调蛋白与膜(质膜一内质网膜)上的Ca2+-ATP酶结合，提高它对Ca2+的亲和力，并使酶的活力提高67倍， 提