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细胞生物学教学课件 第八章 第十二章 第八章蛋白质分选与膜泡运输 第一节细胞内蛋白质的分选第二节细胞内膜泡运输 第一节细胞内蛋白质的分选 真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外 绝大多数蛋白质都是由核基因编码 起始合成均发生在游离核糖体上 然后或在细胞质基质 游离核糖体 中完成翻译过程 或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成 然而 蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分 因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选 转运至细胞的特定部位 也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复合体 才能参与实现细胞的各种生命活动 这一过程称蛋白质分选 proteinsorting 或蛋白质寻靶 proteintargeting 蛋白质分选不仅保证了蛋白质的正确定位 也保证了蛋白质的生物学活性 实际上 蛋白质分选主要依靠蛋白质自身信号序列 从蛋白质起始合成部位转运到其功能发挥部位的过程 一 信号假说与蛋白质分选信号二 蛋白质分选转运的基本途径与类型三 蛋白质向线粒体 叶绿体和过氧化酶体的分选 一 信号假说与蛋白质分选信号 细胞质的游离核糖体产生非分泌蛋白 内质网附着核糖体产生分泌蛋白 核糖体没有结构差异 假设存在于蛋白质本身 信号假说 signalhypothesis 分泌蛋白可能携带N端短信号序列 一旦该序列从核糖体翻译合成 结合因子和蛋白结合 指导其转移到内质网膜 后续翻译过程将在内质网膜上进行 现在已知 信号假说是解释分泌性蛋白在糙面内质网上合成的重要理论 该过程是包括蛋白质N端的信号肽 信号识别颗粒和内质网膜上信号识别颗粒的受体 又称停泊蛋白 等因子共同协助完成的 信号肽 signalpeptide 信号肽位于蛋白质的N端 一般由16 26个氨基酸残基组成 其中包括信号肽疏水核心区 N端和C端等3部分 原核细胞某些分泌性蛋白的N端也具有信号序列 值得注意的是 信号肽似乎没有严格的专一性 好利用 信号肽的一级结构序列 图8 1 信号识别颗粒 signalrecognitionparticle SRP 信号识别颗粒是由6种不同蛋白质和一个7S小RNA分子构成的RNP颗粒 SRP含有2种结构域 即信号肽识别结构域和核糖体结合结构域 其中信号肽识别结构域中的p54蛋白是一种包含成簇Met残基的GTP酶 Met侧链与信号肽的疏水核心结合 当SRP与信号肽结合后 核糖体结合结构域中的p9和p14蛋白复合体阻断新生肽链的翻译 SRP通常存在于细胞质基质中 等待信号肽从多核糖体上延伸暴露出来 SRP既可与新生信号肽序列和核糖体大亚基结合 又可与内质网膜上SRP受体结合 指导新生多肽及核糖体和mRNA附着到内质网膜上 信号识别颗粒的受体 又称停泊蛋白 dockingprotein DP DP是内质网膜的整合蛋白 由 和 亚基组成 可特异地与SRP结合 亚基可结合GTP 信号肽酶 signalpeptidase 内质网腔面上蛋白水解酶 负责切除并快速降解新生多肽的N端信号肽序列 信号识别颗粒 SRP 的结构示意图 图8 2 在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP DP和微粒体的关系 表8 1 分泌性蛋白的合成与跨越内质网膜的共翻译转运图解 图8 3 共翻译转运 cotranslationaltranslocation 分泌蛋白向rER腔内的转运是同蛋白质翻译过程偶联进行的 这种蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运 膜蛋白的共翻译转运机理 膜蛋白的共翻译转运涉及几个问题 1 靠疏水区滞留在内质网膜上 2 单次跨膜和多次跨膜 3 跨膜段的定向 开始转移序列 starttransfersequence 位于新生肽链N端的信号序列 信号肽 最终不保留 既可被SRP识别 又可引导新生肽链开始穿膜转移 内部信号锚定序列 internalsignal anchorsequence SA 位于新生肽链内部的疏水序列 既是信号序列 又是肽链跨膜锚定在脂双层中的序列 内部停止转移锚定序列 internalstop transferanchorsequence STA 位于新生肽链内部的疏水序列 既是肽段终止转移 又是肽链跨膜锚定在脂双层中的序列 多次跨膜蛋白 含有多个SA和多个STA的肽链将成为多次跨膜蛋白 跨内质网膜肽段的取向 一般而言 带正电荷氨基酸残基多的一端 或带正电荷氨基酸残基多的一侧 朝向细胞质基质一侧 外侧 内质网膜整合蛋白的拓扑学类型 图8 4 STA 内部停止转移锚定序列SA 内部信号锚定序列 线粒体 叶绿体和过氧化物酶体的蛋白质的信号序列特称为导肽 leaderpeptide 其基本的特征是蛋白质在细胞质基质中的游离核糖体上合成以后再转移到这些细胞器中 因此称这种翻译后再转运的方式为翻译后转运 post translationaltranslocation 这种转运方式在蛋白质跨膜过程中不仅需要消耗ATP使多肽去折叠 而且还需要跨膜后由分子伴侣帮助蛋白质再正确折叠形成有功能的蛋白 继信号假说提出与确证后 人们又发现一系列蛋白质分选信号序列 统称信号序列 signalsequence 而且有些信号序列还可形成三维结构的信号斑 signalpatch 指导蛋白的靶向转运和定位 指导蛋白质从细胞基质转运到细胞器的靶向序列的主要特征 表8 2 二 蛋白质分选转运的基本途径与类型 核基因编码的蛋白质的分选大体可分2条途径 1 共翻译转运 cotranslationaltranslocation 途径 即蛋白质合成在游离核糖体上起始之后 由信号肽和与之结合的SRP引导转移至糙面内质网 然后新生肽边合成边转入糙面内质网腔或定位在ER膜上 经转运膜泡运到高尔基体加工包装再分选至溶酶体 细胞质膜或分泌到细胞外 这种蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运 注意 内质网和高尔基体本身的蛋白质分选也按此途径来完成 2 翻译后转运 post translationaltranslocation 途径 即蛋白质在细胞质基质游离核糖体上合成以后 再转移到膜围绕的细胞器 如细胞核 线粒体 叶绿体和过氧化物酶体 或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白 酵母中有些分泌蛋白由结合ATP的分子Bip蛋白 Bip ATP 与膜整合蛋白Sec63复合物相互作用 水解ATP提供动力驱动翻译后转运途径 即分泌蛋白在细胞质基质游离核糖体上合成后 再转运至内质网中 真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型 图8 5 左 共翻译转运右 翻译后转运 根据蛋白质分选的机制或转运方式不同 又可将蛋白质转运分为4类 1 跨膜转运 transmembranetransport 指共翻译转运途径中蛋白质边合成边转运进入内质网腔或插入内质网膜 另指翻译后转运途径中蛋白质在合成后依不同机制转运到线粒体 叶绿体和过氧化物酶体等细胞器 2 膜泡运输 vesiculartransport 蛋白质被不同类型的转运膜泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体进而再分选转移至细胞的不同部位 其中涉及供体膜出芽形成不同的转运膜泡 膜泡运输和转运膜泡与靶膜的融合等过程 3 选择性门控转运 gatedtransport 在游离核糖体上合成的蛋白质通过核孔复合体在核 质间双向选择性地完成核输入或核输出 4 细胞质基质中蛋白质的转运 蛋白质在细胞质基质中的转运显然与细胞骨架系统密切相关 其它不明 三 蛋白质向线粒体 叶绿体和过氧化酶体的分选 转运到线粒体 叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的蛋白质分选是一个多步过程 需要多个不同的靶向序列 targetingsequence 定位到叶绿体的前体蛋白N端具有40 50个氨基酸组成的转运肽 transitpeptide 用以指引多肽定位到叶绿体并进一步穿过叶绿体被膜进入基质或类囊体中 转运到线粒体和过氧化物酶体的蛋白质靠的是线粒体蛋白N端的导肽 leaderpeptide 或过氧化物酶体蛋白C端的靶向序列 targetingsequence 注意 蛋白质最终的定位还需要其它空间定位信号 蛋白质必须在分子伴侣的帮助下解折叠或维持非折叠状态 以利于通过膜 蛋白质输入通常需要能量 一 蛋白质从细胞质基质输入到线粒体 1 线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质 两性的N端靶向信号序列 形成 螺旋构象 对于指导蛋白质输入线粒体基质是至关重要的 需要分子伴侣胞质蛋白Hsc70和线粒体基质蛋白Hsc70协助 需要从内外膜接触点的Tom 外膜移位子 和Tim 内膜移位子 处输入 2 线粒体蛋白以3种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜 途径A 具有N端基质靶向序列和内部停止转移序列 途径B 具有N端基质靶向序列和内部疏水的Oxa1靶向序列 内膜蛋白Oxa1所识别 途径C 没有N端基质靶向序列 含有多个内部靶向序列 倆种膜间隙蛋白 Tim9 10 为外膜与内膜之间转运的分子伴侣 3 线粒体蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙 途径A 具有N端基质靶向序列和内部间隙靶向序列 其过程类似内膜蛋白途径A 需要内膜上蛋白酶于膜间隙一侧切割释放 途径B 通过外膜Tom40孔直接进入膜间隙 通过后翻译转运途径对核基因编码的线粒体蛋白的转运 图8 6 A 线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质B 线粒体蛋白通过3种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜C 线粒体蛋白通过2种途径从细胞质基质输入到线粒体膜间隙 二 叶绿体基质蛋白与类囊体蛋白的靶向输入 进入基质与线粒体的相似 叶绿体前体蛋白具有N端叶绿体 基质 靶向序列和类囊体靶向序列 进入基质与线粒体的相似 如前体蛋白非折叠 依赖于基质Hsc70水解ATP提供能量 但与线粒体不同的是 不产生跨内膜的电化学梯度 进入基质后不同蛋白的转运途径不同 一个是叶绿体SRP依赖途径 与蛋白质进入内质网过程相似 另一种是pH依赖途径 蛋白质与其辅因子结合 在类囊体靶向序列N端的2个Arg残基和跨线粒体内膜的pH梯度是折叠蛋白输入到类囊体腔所必需的 通过翻译后转运途径将叶绿体蛋白从细胞质基质输入到类囊体腔 图8 7 Toc 外膜转运体复合物Tic 内膜转运体复合物 三 过氧化物酶体蛋白的分选 过氧化物酶体是真核细胞中唯一利用分子氧氧化底物形成小分子用于合成途径的细胞器 由内质网出芽衍生出前体膜泡 然后过氧化物酶体的膜蛋白掺入 形成过氧化物酶体雏形 过氧化物酶体靶向信号 PTS 常见的C端PTS1 Ser Lys Leu 和少见的N端PTS2 Arg Lys Leu Ile 5X His Gln Leu 可溶性细胞质受体识别并结合具有PTS序列的基质蛋白将其靶向运输到过氧化物酶体的基质中 可溶性细胞质受体 Pex5或Pex7 和膜结合受体 Pex14 似乎与SRP和SRP受体的功能有相似性 需要ATP水解提供能量 可参考图7 19及相关内容 过氧化物酶体靶向序列1 PTS1 指导的过氧化物酶体基质蛋白的输入 图8 8 第二节细胞内膜泡运输 一 膜泡运输概观二 COP 包被膜泡的装配与运输三 COP 包被膜泡的装配与运输四 网格蛋白 接头蛋白包被膜泡的装配与运输五 转运膜泡与靶膜的锚定和融合六 细胞结构体系的组装 一 膜泡运输概观 在细胞分泌与胞吞过程中 以膜泡运输方式介导的蛋白质分选途径形成细胞内复杂的膜流 这种膜流具有高度组织性 方向性并维持动态平衡 在细胞的膜泡运输中 糙面内质网相当于重要的物质生产车间和供应站 而高尔基体是重要的枢纽和集散中心 高尔基体聚集在微管组织中心 MTOC 附近 高尔基体不同的膜囊具有各自不同的成分 其它内膜系统的成员也一样 这是行使复杂膜泡运输功能的物质基础 受体蛋白返回原来的膜结构中有利于维持特定膜成分的相对稳定 如从受体介导的胞吞泡返回到质膜上 从高尔基体顺面膜囊返回到内质网以及从溶酶体返回到高尔基体的TGN等 很多蛋白质分子的表面可能含有多种介导转移与分选的信号 转运膜泡形成或出芽主要发生在膜的特异部位 即蛋白信号与受体结合的部位 细胞内膜泡运输需要多种转运膜泡参与 根据转运膜泡表面包被蛋白的不同 主要分3种不同类型 网格蛋白 接头蛋白包被膜泡 COP 包被蛋白 包被膜泡和COP 包被膜泡 它们分别介导不同的膜泡转运途径 蛋白质的分泌与胞吞途径概观 图8 9 在细胞合成 分泌与内吞途径中3种不同的主要膜泡运输方式 图8 10 网格蛋白 接头蛋白包被膜泡从TGN出芽和从质膜内化形成 脱包被后与晚期胞内体融合 COP 包被蛋白 包被膜泡介导顺向运输 二去 COP 包被膜泡介导逆向运输 一来 蛋白质转运中涉及的3种包被膜泡的特征比较 表8 3 二 COP 包被膜泡的装配与运输 COP 包被蛋白 包被膜泡介导的细胞内顺向运输 即负责从内质网到高尔基体的物质运输 Sar1 一种调节膜泡转运的小G蛋白 有一个共价结合的疏水N端脂基团 帮助其插入ER膜 同膜结合的Sar1对包被蛋白的进一步装配起募集者作用 膜泡转运既能转运膜结合的蛋白 又能通过膜受体识别并转运可溶性蛋白 其包装特异性取决于被转运蛋白的靶向分选序列 借以区分哪些膜蛋白或可溶性蛋白将进一步包装转运 哪些将作为驻留蛋白而被排除在外 从而使膜泡包被直接选择靶向序列或分选信号 内质网被转运的膜蛋白具有双酸 Asp X Glu 分选信号 Sec24亚基为其受体 参见表8 3 4和图8 11 12 Sar1蛋白在Cop 包被膜泡装配与去装配中作用模型 图8 11 已知的指导蛋白质包装到特异性转运膜泡的分选信号 表8 4 不同类型的膜泡运输 图8 12 A COP 包被膜泡介导顺向运输和COP 包被膜泡介导逆向运输B 驻留蛋白的回收C 出芽与膜泡包装 三 COP 包被膜泡的装配与运输 COP 包被膜泡介导的细胞内膜泡逆向运输 图8 12B 负责从高尔基体反面膜囊到顺面膜囊以及从高尔基体顺面管网状区到内质网的膜泡转运 包括再循环的膜脂双层 内质网驻留的可溶性蛋白和膜蛋白 如v SNARE 是内质网回收错误分选的逃逸蛋白返回内质网的重要途径 ARF 装配反应因子 一种调节膜泡转运的小G蛋白 有一个共价结合的疏水N端脂基团 帮助其插入ER膜 同膜结合的ARF对包被蛋白的进一步装配起募集者作用 细胞器中的蛋白质是通过2种机制保留及回收来维持的 一是转运膜泡将驻留蛋白有效排斥在外 二是对逃逸蛋白的回收机制 使其返回它们正常驻留的部位 KDEL 内质网可溶性驻留蛋白C端分选信号 其受体主要定位在TGN区 COP 和COP 包被膜泡的膜上 KKXX 内质网膜蛋白C端分选信号 其受体是COP 和 亚基 四 网格蛋白 接头蛋白包被膜泡的装配与运输 网格蛋白 接头蛋白包被膜泡介导蛋白质从高尔基体TGN向胞内体 溶酶体 分泌泡和植物细胞液泡的运输 也参与质膜受体介导的胞吞作用中从细胞表面运往胞内体转而到溶酶体的运输 TGN 既是细胞分泌途径中物质转运的主要分选位点 又是网格蛋白包被膜泡的组装位点 网格蛋白呈三腿结构 也有自组装形成多角型网格的特性 接头蛋白 AP 复合物 异四聚体 一方面将网格蛋白网格包被连接到膜上 AP的一个亚基与网格蛋白重链远端的球形结构域特异性结合 另一方面又能特异地促使一些膜结合蛋白 v SNARE 富集到形成包被的膜区 并与之特异性结合 决定哪些蛋白将被包装转运或哪些蛋白将被排除在外 这种特异性是由转运蛋白的分选信号决定的 ARF也参与网格蛋白 接头蛋白包被的起始装配 发动蛋白 dynamin 具有GTPase活性 介导网格蛋白 接头蛋白包被膜泡的缢缩并与供体膜断裂 这很关键 网格蛋白 A 多角形网格包被结构 B 及发动蛋白介导的网格蛋白 接头蛋白包被膜泡的形成 C 示意图 图8 13 五 转运膜泡与靶膜的锚定和融合 膜泡运输的关键步骤至少包括如下过程 供体膜的出芽 装配和断裂 形成不同包被转运膜泡 已学过 在细胞内由马达蛋白驱动 以微管为轨道的膜泡运输 以后学 转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合 现在学 膜泡锚定与融合是一个耗能的特异性过程 其特异性是通过供体膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的 小G蛋白Rab主要介导供体膜和靶膜的锚定 Rab GTP与特定转运膜泡的表面蛋白相互作用 并通过类异戊二烯基团插入转运膜泡内 一旦Rab GTP被结合在膜泡表面 便与靶膜上的Rab效应器结合蛋白相互作用 从而使转运膜泡被锚定在适当的靶膜上 v SNARE与t SNARE蛋白的配对 互补性 是介导转运膜泡与靶膜融合的主要机制 NSF N ethylmaleimide sensitivefactor 即N 乙基马来酰亚胺敏感因子和SNAP solubleNSFattachmentprotein 即可溶性NSF结合蛋白负责介导不同类型膜泡的融合 但没有明显的特异性 SNARE SNAPreceptor 即SNAP受体 可溶性N 乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体 位于细胞器和膜泡膜上的跨膜蛋白大家族 介导膜泡与靶细胞器膜的特异性融合 其中v SNARE位于膜泡的膜上 与之互补配对的t SNARE位于靶细胞器膜上 在供体膜和靶膜之间膜泡的锚定与融合模式图解 图8 14 如果说Rab蛋白主要是控制转运膜泡与适当靶膜的锚定 那么 介导转运膜泡与靶膜融合的主要机制是v SNARE t SNARE蛋白的配对 六 细胞结构体系的组装 细胞结构体系的组装和去组装是整体上认识细胞生命活动应该关注的重要问题 生物大分子的组装方式大体可分为自我装配 self assembly 协助装配 aided assembly 和直接装配 direct assembly 以及更为复杂的细胞结构及结构体系之间的组装 有些装配过程需ATP或GTP提供能量 各类型的装配具有以下生物学意义 1 减少和校正蛋白质合成中出现的错误 2 可大大减少所需的遗传物质信息量 3 通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程 事实上细胞内许多代谢活动往往涉及蛋白质与蛋白质 蛋白质与核酸 蛋白质与磷脂等组装成特定的复合体 这些复合体构成了细胞结构体系的结构基础与功能单位 膜围绕的细胞器大体分为2类 一是内膜系统 二是含有DNA的细胞器 细胞器的组装同样涉及蛋白质与蛋白质 蛋白质与核酸 蛋白质与膜脂的组装 其运输和组装过程与方式也更为复杂 细胞骨架体系在整个细胞结构体系中起着重要的组织作用 本章概要 真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外 绝大多数蛋白质都是由核基因编码 起始合成均发生在游离核糖体上 然后或在细胞质基质 游离核糖体 中完成翻译过程 或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成 然而 蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分 因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选 转运至细胞的特定部位 也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复合体 才能参与实现细胞的各种生命活动 信号肽学说是解释分泌性蛋白在糙面内质网上合成的重要理论 该过程是包括蛋白质N端的信号肽 信号识别颗粒和内质网膜上信号识别颗粒的受体等因子共同协助完成的 蛋白质分选包括蛋白质的跨膜转运 门控转运和膜泡运输等主要的转运方式 其分选指令存在于多肽链自身 继信号假说提出与确证后 人们又发现一系列的信号序列 指导蛋白的靶向转运 细胞内膜泡运输的研究进展较大 包括COP 包被膜泡介导的细胞内顺向运输 即负责从内质网到高尔基体的物质运输 COP 包被膜泡介导的细胞内膜泡逆向运输 负责从cis高尔基体网状区到内质网膜泡转运 包括再循环的膜脂双层 某些蛋白质如v SNARE和回收错误分选的内质网逃逸蛋白返回内质网 网格蛋白 AP包被膜泡介导的蛋白质从高尔基体TGN向质膜 胞内体或溶酶体以及分泌泡的运输 也参与受体介导的细胞内吞作用 包被膜泡的组装 转运及其与靶膜的融合是一个特异性的 需能的过程 膜泡锚定与融合的特异性是通过供体膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的 细胞结构体系的组装和去组装是整体上认识细胞生命活动应该关注的重要问题 第九章细胞信号转导 第一节细胞信号转导概述第二节细胞内受体介导的信号转导第三节G蛋白偶联受体介导的信号转导第四节酶联受体介导的信号转导第五节其他细胞表面受体介导的信号通路第六节细胞信号转导的整合与控制 第一节细胞信号转导概述 一 细胞通讯二 信号分子与受体三 信号转导系统及其特性 一 细胞通讯 1 多细胞生物是一个有序而可控的细胞社会 这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢 更有赖于细胞间通讯与信号调控 从而以不同的方式协调细胞的行为 诸如细胞生长 分裂 分化 凋亡及其它各种生理功能 细胞通讯 cellcommunication 指信号细胞发出的信息 配体 信号分子 传递到靶细胞并与其受体相互作用 通过细胞信号转导引起靶细胞产生特异性生物学效应的过程 细胞 信号转导 signaltransduction 指细胞将外部信号转变为自身应答反应的过程 这是实现细胞间通讯的关键过程 细胞信号传递 cellsignaling 通过信号分子与受体的相互作用 将外界信号经细胞质膜传递至细胞内部 通常传递至细胞核 并引发特异生物学效应的过程 细胞通讯可概括为3种方式 1 细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯 这是多细胞生物普遍采用的通讯方式 2 细胞间接触性依赖的通讯 即一方具有跨膜配体另一方具有细胞表面受体 包括细胞 细胞黏着和细胞 细胞外基质黏着 3 动物细胞间通过间隙连接 植物细胞间通过胞间连丝 通过交换小分子实现通讯 不同的细胞通讯方式 图9 1 A 内分泌B 旁分泌C 化学突触通讯D 自分泌E 细胞间接触依赖性通讯 一 细胞通讯 2 通过胞外信号所介导的细胞通讯通常包括如下6个步骤 信号细胞合成并释放信号分子 配体 转运信号分子至靶细胞 信号分子与靶细胞表面受体特异性结合并导致受体被激活 活化的受体启动靶细胞内一种或多种信号转导途径 引发细胞代谢 功能或基因表达的改变 解除信号并导致细胞反应终止 本章讨论后4步 二 信号分子与受体 一 信号分子 二 受体 三 第二信使与分子开关 一 信号分子 信号分子 signalmolecule 指细胞的信息载体 种类繁多 包括化学信号 各类激素 神经递质和 局部介质等 和物理信号 声 光 电和温度等 激素 hormone 激素是内分泌细胞合成的化学信号分子 它们经血液循环被送到体内各个部位作用于靶细胞 神经递质 neurotransmitter 突触前端释放的一种化学物质 与突触后靶细胞结合 并改变靶细胞的膜电位 局部介质 localmediator 即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 典型的如生长因子 淋巴因子和前列腺素等 根据化学信号 分子 的化学性质可分为3类 气体性信号分子 可自由扩散进入细胞直接激活效应酶 如NO 疏水性信号分子 可穿过细胞质膜与细胞内受体结合成激素 受体复合物来调节基因表达 如甾类激素和甲状腺素 和 亲水性信号分子 只能通过与靶细胞表面受体结合而启动细胞信号转导 如大多数蛋白类激素 神经递质和局部介质 信号分子举例 表9 1 二 受体 1 受体 recsptor 受体是一种能够识别和选择性结合某种配体 信号分子 的大分子 大多数为糖蛋白 少数是糖脂 还有的是糖蛋白和糖脂组成的复合物 细胞内受体 intracellularreceptor 与细胞表面受体 cell surfacereceptor 细胞内受体位于细胞质基质或核基质中 其本质是依赖疏水性激素激活的转录因子 细胞表面受体位于细胞质膜上 主要识别和结合亲水性信号分子 包括分泌型信号分子 如多肽类激素 神经递质和生长因子等 或膜结合型信号分子 如细胞表面抗原和细胞表面黏着分子等 细胞表面受体按其功能分为3大家族 1 离子通道偶联受体 ionchannel coupledreceptor 受体 离子通道 2 G蛋白偶联受体 G protein coupledreceptor GPCR 受体 G蛋白 3 酶连 联受体 enzyme linkedreceptor 受体 酶或受体 酶 受体至少有2个功能域 不管哪种类型的受体 一般至少有2个功能域 即结合配体的功能域和产生效应的功能域 分别具有结合特异性和效应特异性 三种类型的细胞表面受体 图9 2 二 受体 2 受体通过信号转导引发2种主要的细胞反应 受体结合特异性配体后而被激活 通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内信号 引发2种主要的细胞反应 一是细胞内存量蛋白活性或功能的改变 进而影响细胞代谢功能的短期反应 快反应 二是影响细胞内特殊蛋白的表达量 最常见的方式是通过转录因子的修饰激活或抑制基因表达的长期反应 慢反应 最后的综合效应是改变细胞的行为 靶细胞对外界信号产生反应 受体与配体空间结构的互补性是二者特异性结合的主要因素 但并不意味着受体与配体之间是简单的一对一的关系 靶细胞对外界信号产生反应 一是通过受体对信号结合的特异性 二是通过细胞本身固有的特征 细胞表面受体转导胞外信号引发两类主要反应 快反应和慢反应 图9 3 三 第二信使与分子开关 1 第二信使 secondmessenger 第二信使是指第一信使分子 胞外激素或其他配体 与细胞表面受体结合后 导致在胞内产生 或释放 的非蛋白类小分子 通过其浓度变化 增加或减少 来应答胞外信号 调节细胞内酶和非酶蛋白的活性 从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能 目前公认的第二信使包括cAMP cGMP Ca2 DAG 二酰甘油 IP3 1 4 5 三磷酸肌醇 和PIP3 3 4 5 三磷酸磷脂酰肌醇 等 分子开关 molecularswitch 分子开关是指通过活化 开启 和失活 关闭 2种状态的转换来控制下游靶蛋白的活性的调控蛋白 G蛋白超家族开关 GTP结合蛋白 包括三聚体 大G蛋白 和单体 小G蛋白 都具有GTPase活性 都具有2种存在状态 即G蛋白 GDP为失活的 关闭 状态 而G蛋白 GTP为活化的 开启 状态 GEF即鸟苷酸交换因子通过以GTP交换G蛋白上的GDP引发G蛋白构象改变而活化 开启 随着结合的GTP的水解形成GDP 则恢复失活 关闭 GTP的水解速率被GAP即GTPase促进蛋白和RGS即G蛋白信号调节子所促进 被GDI即鸟苷酸解离抑制蛋白所抑制 4种常见的细胞内第二信使及其主要效应 图9 4 G蛋白开关活化 开 与失活 关 的转换 图9 5 GEF guaninenucleotide exchangefactor 即鸟苷酸交换因子GAP GTPase acceleratingprotein 即GTPase促进蛋白RGS regulatorofGprotein signaling 即G蛋白信号调节子GDI guaninenucleotidedissociationinhibitor 即鸟苷酸解离抑制蛋白 三 第二信使与分子开关 2 蛋白激酶 蛋白磷酸酶开关 通过蛋白激酶 proteinkinase PK 使靶蛋白磷酸化和通过蛋白磷酸酶 proteinphosphatase PP 使靶蛋白去磷酸化 从而调节靶蛋白的活化 开启 与失活 关闭 当有些靶蛋白被磷酸化时活化 开启 则去磷酸化时失活 关闭 有些靶蛋白具有相反的变化模式 蛋白质磷酸化和去磷酸化可以改变蛋白质的电荷并改变蛋白质构象 从而导致该蛋白质活性的增强或降低 这是细胞内普遍存在的一种调节机制 在代谢调节 基因表达和细胞周期调控中均具有重要作用 细胞内许多蛋白 诸如结构蛋白 酶 膜通道蛋白和信号蛋白其活性变化都是通过蛋白激酶 蛋白磷酸酶开关调节的 并具有靶蛋白特异性 此外 钙调蛋白 calmodulin CaM 可通过与Ca2 的结合或解离分别处于活化 开启 或失活 关闭 的状态 靶蛋白磷酸化和去磷酸化是细胞调节靶蛋白活性的一种普遍机制 图9 6 蛋白激酶 PK 蛋白磷酸酶 PP 将磷酸基团转移到其它蛋白质上 或相反 的酶 通常对其它蛋白质的活性具有调节作用 三 信号转导系统及其特性 一 信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用 二 细胞内信号蛋白复合物的装配 三 信号转导系统的主要特性 一 信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用 细胞表面受体介导的信号通路通常由下列5个步骤组成 激活受体 形成配体 受体复合物 产生第二信使 或活化的信号蛋白 信号初级跨膜转导 起始信号放大的级联反应 由第二信使或信号蛋白复合物起始 细胞应答反应 通过酶 转录因子或细胞骨架等方式引起 终止或降低细胞反应 如受体脱敏或下调 信号传递链 细胞信号转导系统是由细胞内多种行使不同功能的信号蛋白所组成的信号传递链 具有可调控的动态特征 涉及细胞内信号蛋白复合物的装配 蛋白质模式结合域 modularbindingdomain 蛋白质模式结合域通常由40 120个氨基酸残基组成 一侧有较浅凹陷的球形结构域 虽不具酶活性 但能识别蛋白质上特定基序或特定修饰位点 它们与识别对象的亲和性较弱 因而有利于快速和反复进行精细的组合式网络调控 细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域所特异性介导的 多种模式结合域经多重相互作用极大地拓展了细胞内信号网络的多样性 SH2结构域 Srchomology2domain 由约100个氨基酸残基组成 可特异性结合围绕磷酸酪氨酸 p Tyr 残基的氨基酸序列 含有SH2结构域的蛋白质家族包括多种功能性成员 酶 enzyme 含有1或2个与催化序列相联系的SH2结构域 如PK PP PLC Ras Pho GAP和GEF等 锚定蛋白 dockingprotein IRS 胰岛素受体底物 等 接头蛋白 adaptor 含单个SH2和多个SH3结构域 如Grb2 生长素受体结合蛋白2 等 调节蛋白 regulator STAT通路 转录因子 癌蛋白 oncoprotein SH2结构域 细胞表面受体介导的细胞信号转导系统的组成 图9 7 细胞内信号蛋白之间的相互作用是靠蛋白质模式结合域所特异性介导的示意图 图9 8 IRS1 胰岛素受体底物 蛋白质模式结合域及其结合基序特异性 表9 2 二 细胞内信号蛋白复合物的装配 信号蛋白复合物的生物学意义 细胞内信号蛋白复合物的形成在时空上增强细胞应答反应的速度 效率和反应的特异性 细胞内信号蛋白复合物的装配可能有3种不同类型 1 基于支架蛋白预先装配成等待激活的信号复合物 2 在 自磷酸化 活化受体上装配信号复合物 3 在受体活化的肌醇磷脂锚定位点上装配信号复合物 募集具有PH结构域信号蛋白 细胞内信号蛋白复合物装配的3种类型 图9 9 A 基于支架蛋白B 基于受体活化域C 基于肌醇磷脂 三 信号转导系统的主要特性 1 特异性 specificity 结合 特异性 饱和性和可逆性以及 效应器 特异性 2 放大效应 amplification 效应器蛋白 酶或离子通道蛋白 引发级联反应 放大效应 3 网络化效应与正反馈 positivefeedback 和负反馈 negativefeedback 环路 网络化效应有利于克服分子间相互作用的随机性对细胞生命活动的负面干扰 正反馈和负反馈环路对于及时校正反应的速率和强度是最基本的调控机制 4 整合作用 integration 细胞通过整合不同的信息 对细胞外信号分子的特异性组合做出程序性反应 甚至做出生死抉择 这样才能维持生命活动的有序性 第二节细胞内受体介导的信号转导 一 细胞内核受体及其对基因表达的调节二 NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合 一 细胞内核受体及其对基因表达的调节 信号分子 类固醇激素 甲状腺素 维生素D和视黄酸 是一些与细胞内受体相互作用的亲脂性小分子 但个别亲脂性小分子 如前列腺素 的受体却在细胞质膜上 细胞内受体的本质是依赖激素激活的转录因子 信号分子的作用是将抑制性蛋白从细胞内受体上解离 使受体上的DNA结合位点暴露而激活 激素 受体复合物与基因的特殊调节区即激素应答元件 HRE 结合 调节基因转录 细胞内受体一般都含有3个功能域 N端是转录激活结构域 中部是DNA 或抑制性蛋白Hsp90 结合域 C端是激素结合域 中部结构域是高度保守富含Cys的区域 具有2个锌指结构重复单位 类固醇激素诱导的基因活化通常分为2个阶段 快速的初级反应阶段 即直接激活少数特殊基因转录 延迟的次级反应阶段 即初级反应的基因产物再激活其它基因转录 对初级反应起放大作用 细胞内受体蛋白及其作用模型 图9 10 二 NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合 血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞 NO合酶 NOS 需要NADPH 在催化精氨酸转化为瓜氨酸的同时释放出NO NO是一种具有自由基性质的脂溶性气体分子 可透过细胞膜快速扩散 通过作用于邻近 平滑肌 靶细胞而发挥作用 可溶性气体NO作为局部介质在许多组织中发挥作用 其主要机制是激活靶细胞内具有鸟苷酸环化酶 GC 活性的NO受体 NO可与GC活性中心的Fe2 结合 改变酶的构象 导致GC活性增强 cGMP水平升高 cGMP激活依赖cGMP的蛋白激酶G PKG 抑制肌动 肌球蛋白复合物信号通路 导致血管平滑肌舒张 硝酸甘油为什么能用于治疗心绞痛 硝酸甘油能在体内转化为NO 可舒张血管 从而减轻心脏负荷和心肌的需氧量 NO在导致血管平滑肌舒张中的作用 图9 11 第三节G蛋白偶联受体介导的信号转导 一 G蛋白偶联受体的结构与激活二 G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 一 G蛋白偶联受体的结构与激活 1 大G蛋白 大G蛋白是三聚体G蛋白的简称 由G G 和G 3种亚基组成 其中G 亚基具有GTPase活性 作为分子开关 G 和G 亚基以二聚体形式存在 G 和G 亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上 G G 和G 各有27种 5种和13种 大G蛋白的作用 当配体与受体结合时 受体与大G蛋白 偶联 结合 发生GTP与GDP交换 导致大G蛋白解离 游离出来的G GTP结合并激活效应器蛋白 从而传递信号 当G GTP水解成G GDP时 则处于失活的关闭状态 终止信号传递并导致大G蛋白的重新装配 恢复系统进入静息状态 在有些信号途径中 效应器蛋白是离子通道 其活性受游离的G 亚基激活与调节 与G蛋白偶联受体相联系的效应蛋白的激活机制 图9 12 一 G蛋白偶联受体的结构与激活 2 G蛋白偶联受体 Gproteincoupledreceptor GPCR G蛋白偶联受体都含有7次疏水跨膜 螺旋段 N端在细胞外侧 C端在细胞胞质侧 其中胞外环状结构域 E4环 结合胞外信号 配体 跨膜螺旋5 H5 和螺旋6 H6 之间的胞内环状结构域 C3环 对于受体与G蛋白之间的相互作用具有重要作用 受体活化G蛋白 与受体偶联的大G蛋白作为 活化 与 失活 转换的分子开关而起作用 推测配体与受体的E4环结合会引起H5和H6螺旋的彼此相对移动 结果导致C3环构象改变 从而容许结合并激活G 亚基 G蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答 包括多种对蛋白或肽类激素 局部介质 神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物等配体识别与结合的受体 以及哺乳类嗅觉 味觉受体和视觉的光激活受体 视紫红质 G蛋白偶联受体的结构图 图9 13 哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器 表9 3 二 G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 根据G蛋白偶联受体 GPCR 在质膜上的效应蛋白的不同又可分为3类 1 调节离子通道的GPCR 如心肌细胞的乙酰胆碱受体 其效应蛋白是K 通道 2 激活或抑制腺苷酸环化酶的GPCR 细胞内第二信使为cAMP 3 激活磷脂酶C的GPCR 细胞内第二信使包括IP3 Ca2 DAG 一 激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 二 激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 三 激活磷脂酶C 以IP3和DAG作为双信使 的G蛋白偶联受体所介导的信号通路 一 激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 1 心肌细胞上M型 蝇蕈碱 Ach受体激活G蛋白开启K 通道Ach M型Ach受体 Gi蛋白 Gi G G K 通道 K 外流 超极化 减缓心肌细胞的收缩频率2 光受体活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭光 视紫红质 感受弱光刺激 Gt蛋白 传导素 Gt G Gt cGMP PDE 磷酸二酯酶 抑制性 亚基 cGMP PDE 破坏cGMP 水解 cGMP门控阳离子通道关闭 膜瞬间超极化 视神经 脑 心肌细胞上M型乙酰胆碱受体的活化与效应器K 通道开启的工作模型 图9 14 视杆细胞中Gt蛋白偶联的光受体诱导的阳离子通道的关闭 图9 15 二 激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体 不同的配体 受体复合物或刺激或抑制腺苷酸环化酶 AC 活性 受体和G蛋白都有刺激性的 Rs和Gs 和抑制性的 Ri和Gi 不同的激素 受体复合物 偶联不同的G蛋白 仅G 亚基不同 导致激活或抑制AC活性 腺苷酸环化酶 AC 12次跨膜蛋白 含2个胞质侧催化结构域 2个膜整合结构域 每个含6个跨膜 螺旋 AC催化cAMP的生成 cAMP磷酸二酯酶 cAMP PDE 水解cAMP的磷酸二酯酶 蛋白激酶A PKA 意为cAMP激活型蛋白激酶 属于丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶家族 无活性时 2个调节亚基和2个催化亚基 R2C2 有活性时 依赖cAMP与R亚基结合而释放出C亚基 仅2个催化亚基 C2 cAMP与R亚基是以协同方式结合的 即第一个cAMP的结合会促进第二个cAMP的结合 因此胞内cAMP水平的很小变化就能导致PKA的C亚基快速释放而活化 几个重要结论 1 通过激素引发的某些抑制物的解离导致酶的迅速活化是各种信号通路的普遍特征 2 虽然许多激素刺激G蛋白偶联受体导致PKA的激活 但是细胞应答反应可能只依赖于细胞表达的特殊PKA异构体和PKA底物 3 虽然PKA在不同类型的细胞中作用于不同底物 但PKA总是磷酸化相同序列的基序 X R R K X S T 脂肪细胞受激素诱导的AC激活与抑制 图9 16 哺乳动物AC的结构与该酶同Gs GTP的相互作用 图9 17 A 哺乳动物腺苷酸环化酶的结构示意图B 包含牛Gs 亚基 狗 型腺苷酸环化酶和鼠 型腺苷酸环化酶催化结构域的重组三维结构 PKA的结构与活化示意图 图9 18 cAMP PKA信号对肝和肌细胞糖原代谢的调节 图9 19 cAMP PKA信号通路对基因转录的激活 图9 20 激素 GPCR Gs蛋白 Gs AC cAMP PKA C2 CREB CREB CBP CRE 靶基因转录 为什么不同的信号 配体 通过类似的机制会引发多种不同的细胞反应 GPCR存在的多种异构体 G蛋白不同亚基组合的多样性以及一些酶存在的多种异构体决定了通过类似机制可产生众多不同的细胞反应 霍乱毒素与百日咳毒素对G蛋白的特殊作用 霍乱毒素具有ADP 核糖转移酶活性 进入细胞催化胞内的NAD 中的ADP 核糖基共价结合在Gs 亚基上 结果使Gs 亚基丧失GTPase活性 导致Gs 亚基被 锁定 在持续活化状态并不断地激活AC cAMP增加100倍以上 致使细胞大量Na 和水分子持续外流 产生严重腹泻而脱水 百日咳毒素催化Gi 亚基ADP 核糖基化 结果阻止与Gi 亚基结合的GDP的释放 使Gi 亚基被 锁定 在非活化状态 导致气管上皮细胞内cAMP水平升高 促使液体 电解质和黏液分泌减少 三 激活磷脂酶C 以IP3和DAG作为双信使 的G蛋白偶联受体介导的信号通路 磷脂酰肌醇代谢途径 双信使DAG和IP3来自膜结合的磷脂酰肌醇 PI 磷脂酰肌醇 PI 磷脂酰肌醇 4 磷酸 PIP 磷脂酰肌醇 4 5 二磷酸 PIP2 二酰甘油 DAG 肌醇 1 4 5 三磷酸 IP3 DAG是亲脂性分子 锚定在膜上 IP3扩散在细胞质中 磷脂酶C phospholipaseC 的 异构体 PLC 催化PIP2水解产生二酰甘油 DAG 和肌醇 1 4 5 三磷酸 IP3 2个第二信使分子 蛋白激酶C PKC 意为Ca2 激活型蛋白激酶 属于丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶家族 可广泛磷酸化多种不同的蛋白质底物 DAG和Ca2 共同激活PKC 锚定在质膜上的DAG使PKC转位结合于质膜内侧 IP3刺激内质网释放Ca2 进入细胞质基质 使胞质Ca2 浓度升高 DAG和Ca2 共同激活PKC 广泛磷酸化多种底物蛋白 DAG也可单独激活一些PKC 磷脂酰肌醇代谢途径 图9 21 IP3 Ca2 和DAG PKC双信使信号通路 图9 22 配体 GPCR Go Gq蛋白 Go Gq PLC PIP2 DAG IP3 IP3R Ca2 PKC转位到质膜上 DAG激活PKC 调节代谢或基因转录 1 IP3 Ca2 信号通路与钙火花IP3 Ca2 信号通路 配体 GPCR Go Gq蛋白 Go Gq PLC PIP2 IP3 IP3R Ca2 PKC转位到质膜 PKC被DAG激活 调节代谢或基因转录IP3的主要功能 IP3结合于内质网上的IP3门控受体 IP3R Ca2 通道 引发该通道释放贮存在内质网中的Ca2 到细胞质基质中 使胞质中游离Ca2 浓度瞬时提高 细胞质基质中Ca2 浓度的升降因素 升的因素 内质网上的IP3受体 IP3R 通道和莱恩素受体 RyR 通道 质膜上的Ca2 通道 降的因素 内质网上的Ca2 泵 质膜上的Ca2 泵和Ca2 Na 通道 Ca2 作为第二信使发挥作用 钙火花 Ca2 spark 在短短的10ms内 细胞内某一微区Ca2 探针Fluo 3的荧光强度骤升1倍 随后又在20ms内消失 故称钙火花 钙火花的发生是一个 扩散 反应 的过程 即Ca2 从一簇莱恩素受体构成的发放源放出 向周围扩散 并通过不同的分子机制回收或清除 以恢复细胞质中正常的Ca2 浓度 钙火花是微区钙信号传导基本单元 显示出钙信号转导过程中 在时间 空间和幅度上形成多尺度 多层次上的精细结构 钙火花在时空上的叠加形成了细胞水平的钙振荡 细胞内Ca2 水平调控示意图与心肌细胞钙火花 图9 23 A 细胞内Ca2 水平调控示意图B Fluo 3染色心肌细胞的共聚焦显微图像 示钙火花的空间特征 C 钙振荡 上图 与钙火花 下图 的时间 空间特征 受钙调蛋白调节的酶 表9 4 钙调蛋白 calmodulin CaM 每个CaM分子由148氨基酸残基组成 含2个EF手结构域 每个结构域可结合2个Ca2 CaM是一种广泛分布的高度保守的小分子Ca2 结合 应答 蛋白 参与许多Ca2 依赖性的生理反应与信号转导 Ca2 通过形成Ca2 CaM复合物将靶酶激活或抑制 这是一种受Ca2 浓度控制的可逆反应 2 DAG PKC信号通路DAG PKC信号通路 配体 GPCR Go Gq蛋白 Go Gq PLC PIP2 DAG PKC 调节代谢或基因转录DAG的主要功能 DAG结合在质膜上 可活化与质膜结合的PKC PKC有2个功能区 亲水的催化活性中心和疏水的膜结合区 当细胞质基质中的PKC与Ca2 结合并转位到质膜内表面 才被DAG活化 PKC的功能 PKC是Ca2 和PS依赖性的Ser Thr蛋白激酶 具有广泛的作用底物 参与众多生理过程 既涉及许多细胞 短期生理效应 如细胞分泌 肌肉收缩等 又涉及细胞增殖 分化等 长期生理效应 在许多细胞中 PKC的活化可增强特殊基因的转录 已知至少有2条途径 一是PKC激活一条蛋白激酶的级联反应 导致特殊转录因子的磷酸化和激活 进而使特殊基因转录 二是PKC