跨膜信号转导

细胞信息传递,（细胞信号转导）,膜蛋白,膜蛋白镶嵌于脂质双分子层中，是膜功能的主要执行者。膜蛋白多为糖蛋白，分为受体蛋白、转运蛋白和酶蛋白等。,跨膜信号转导Transmembrane signal transduction,信号分子：可与细胞受体结合并传递信息的物质：激素、神经递质、生长因子、细胞因子等。信号转导：指细胞外信号转换成细胞内信使的过程。信号转导涉及：胞外信号分子、受体、胞内第二信使、胞内效应酶,第一信使（first messenger ）,第一信使：所有通过细胞外液作用于细胞的信号物质均可称为第一信使（如激素和神经递质） 。 First messenger: All the messengers, which reach the cell from extracellular fluid are termed first messenger ( hormones, neurotransmitters).,第二信使（Second messenger）,第二信使：是细胞外信号分子作用于细胞受体后在细胞内产生的信号分子，其作用是将细胞第一信使携带的信息“转达”给胞内靶蛋白。Second messenger: Substances that serve as a direct relay from the plasma membrane to the biochemical machinery inside the cell.,第二信使的特点,第二信使是第一信使与膜受体结合后在细胞膜内侧或胞浆中最早出现、并仅在细胞内部起作用的信号分子。 第二信使在细胞信号转导中起重要作用，在细胞内的浓度可瞬间升高、又能快速降低,并由此调节细胞内代谢系统的酶活性,控制细胞的生命活动。,第二信使的种类,环磷酸腺苷 cAMP: 可激活蛋白激酶A Activates protein kinase A. 环磷酸鸟苷 cGMP :可激活蛋白激酶G Activates protein kinase G.二酰甘油 DG : 可激活蛋白激酶 Activate protein C.三磷酸肌醇 IP3: 可释放Ca 2+ Release Ca 2+ 钙离子 Ca 2+ : Activates calmodulin（钙调素） NO（一氧化氮）,NO的发现过程,1977年，Murad发现硝酸甘油等必须代谢为一氧化氮后才能发挥扩张血管的药理作用，由此他认为一氧化氮可能是一种对血流具有调节作用的信使分子，但当时这一推测缺乏直接的实验证据。与此同时，纽约州立大学的Furchgott教授在1980年推测内皮细胞在乙酰胆碱的作用下产生了一种新的信使分子，这种信使分子作用于平滑肌细胞，使血管平滑肌细胞舒张，Furchgott将这种未知的信使分子命名为内皮细胞舒张因子(endotheliumderived relaxing factor, EDRF)。,Louis J. Ignarro与Furchgott合作,加州大学洛杉矶分校的Louis J. Ignarro教授与Furchgott教授合作，针对EDRF的药理作用以及化学本质进行了一系列实验，发现EDRF与一氧化氮及许多亚硝基化合物一样能够激活可溶性鸟苷酸环化酶(soluble guanylate cyclase, sGC)、增加组织中的cGMP水平。,EDRF就是一氧化氮,Ignarro教授与Furchgott教授在1986年作出了大胆的推测：EDRF是一氧化氮或与一氧化氮密切相关的某种(某类)化合物。这篇摘要立即在药理学界引起了轰动，随后(1987年)英国科学家Salvador Moncada及其合作者通过实验证明EDRF就是一氧化氮。六个月后，Ignarro也报道了同样的实验结果。此后，一氧化氮在生物体内的生理及病理作用引起了广泛的关注，进一步的研究表明一氧化氮除了具有调节血流、血压的作用外，还是一种神经信使分子，并在免疫防御中起重要作用。,“ NO NEWS IS GOOD NEWS”,1992 年 NO 被 SCIENCE 杂志评选为本年度明星分子，同期 SCIENCE 杂志上发表一篇被冠以有趣标题 “ NO NEWS IS GOOD NEWS ” 的专论，以强调这一研究领域的重要性和新颖性。 1998 年 Furchgott 、 Ignarro 及 Ferid Murad 获得了诺贝尔生理学或医学奖。,1998 年 诺贝尔生理学 或 医学奖。,受体 Receptor,细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别的是糖脂。The first step in the action of any intercellular chemical messenger on its target cell is the binding of the messenger to specific target cell protein molecules These molecules are known as receptors.,受体的特征Characteristics of receptors,特异性：一种特定的受体只能与特定的配体结合，产生特定的生理效应，受体对配体有高度识别能力，对配体的化学结构、立体结构具有很高的专一性。 Specificity: The ability of a receptor to react with only one type or a limited number of structurally related types of molecules.饱和性：受体数量是有限的，能结合的配体量也是有限的。 Saturation: The degree to which receptors are occupied by a messenger. If all are occupied, the receptors are fully saturated.竞争性 Competition: The ability of different molecules very similar in structure to combine with the same receptor.,受体的调节Regulation of receptors,下调 ：特定信号物质长期持续处于高水平状态，其受体总数会相应下降Down-regulation: An decrease in the total number of receptors in response to a chronichigh concentration of a given messenger.上调：特定信号物质长期持续处于低水平状态，其受体总数会相应增加Up-regulation: An increase in the total number of receptors in response to a chronic low concentration of a given messenger.,受体相关信号转导异常,指受体的数量、结构或调节功能改变，使其不能正确介导信息分子信号的病理过程。原发性受体信号转导异常。如家族性肾性尿崩症是ADH受体基因突变导致ADH受体合成减少或结构异常，使ADH对肾小管和集合管上皮细胞的刺激作用减弱或上皮细胞膜对ADH的反应性降低，对水的重吸收降低，引起尿崩症。,受体的类型 Receptor types,离子通道偶联的受体（ion-channel-coupled receptor); G蛋白偶联的受体(G protein-coupled receptor); 酶偶联的受体（enzyme-coupled receptor).第一类受体有组织分布特异性，主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞；后两种存在于不同组织的几乎所有类型的细胞。,G蛋白偶联受体G-protein coupled receptors,构成：由一条肽链组成，其N端在细胞外，C端在细胞内，中段为7个跨膜的螺旋结构胞内胞外各三个环。特点：胞内第二和第三个环能与鸟苷酸结合蛋白（G-protein, G-蛋白）相偶联。受体可通过不同G-蛋白影响腺苷酸环化酶或磷脂酶C等的活性，再引起胞内产生第二信使。G-蛋白有激动型（Gs)、抑制型(Gi)和磷脂酶C型（Gp),G-蛋白及两种构象,G蛋白可偶联受体与效应器（酶或离子通道）。G-蛋白由、和三个亚基组成，可与GTP或GDP结合。非活化型G-蛋白： 三聚体存在并与GDP结合，此时为非活化型。活化型G-蛋白： 亚基与GTP结合并导致二聚体脱落，此时为活化型。,G蛋白质敲开了诺贝尔奖大门,两位美国科学家一一Alfred Gilman和Martin Rodbell于1994年被授予了诺贝尔奖。他们阐明了G蛋白的特点及其在细胞信号传导中的功能。,G-蛋白在信号转导中的作用,活化型Gs：激活腺苷酸环化酶活化型Gi：抑制腺苷酸环化酶活化型Gp：激活磷脂酰肌醇特异性的磷脂酶C,G-蛋白偶联受体介导的信号转导Signal transduction through repcetorG-proteineffector proteins,G蛋白偶联受体是最大的膜受体家族。可介导众多胞外信号分子的信号转导。 The binding of a first messenger to the receptor cause one of the three subunits of the G-protein to link up with another membrane effector proteins (enzymes or ion channel) which mediated the next steps in the sequences of events leading to the cells response.,G-蛋白的效应器蛋白Effector proteins,(a) 腺苷酸环化酶 adenylyl cyclase . (b) 鸟苷酸环化酶 guanylyl cyclase (c) 磷脂酶C phospholipase C (d) 离子通道 ion channel,G蛋白偶联受体介导的信号转导途径之一cAMP-蛋白激酶A 途径,G蛋白相关信号转导异常,如假性甲状旁腺机能减退症（PHP）是由于靶器官对甲状旁腺激素（PTH）的反应性降低而引起的遗传性疾病。PTH受体与Gs耦联。发病机制是由于编码Gs等位基因的单个基因突变，患者Gs mRNA可比正常人降低50%，导致PTH受体与腺苷酸环化酶（AC）之间信号转导脱耦联。,cAMP的发现者,Earl Wilber Sutherland,cAMP的作用机制,cAMP对细胞的调节是通过激活cAMP依赖性蛋白激酶（protein kinase A, PKA)实现的。PKA含有催化亚基和调节亚基，两个亚基结合时PKA为无活性状态。调节亚基上有两个cAMP结合位点，催化亚基具有催化底物丝/苏氨基酸磷酸化的功能。当cAMP与调节亚基结合后，调节亚基与催化亚基分离，使催化亚基具有了蛋白激酶活性。,蛋白激酶在信号转导中主要作用,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。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。通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,cAMP生成异常,霍乱弧菌的主要致病因素是霍乱毒素（cholera toxin，CT），CT可和小肠黏膜上皮细胞上霍乱肠毒素的受体GM1迅速紧密而不可逆地结合在一起。CT作为第一信使，使腺苷酸环化酶活性增高，使ATP转化cAMP，使细胞膜内cAMP大量增加，进而促进细胞内一系列酶反应，促使细胞分泌功能增强，水及电解质大量分泌。CT一旦与GM1结合，作用的持续时间可达78日。,G蛋白偶联受体介导的信号转导途径之二、三,IP3-Ca2+ 途径 DG-蛋白激酶C 途径,IP3Ca2+信号通路,许多信号分子（配体）与受体结合后可激活Gq蛋白，Gq可激活细胞膜上磷脂酶C（PLC），PLC使膜脂质中的二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）分解为第二信使IP3和DG， IP3 可结合作用于内质网或肌质网上的IP3受体，导致内质网或肌质网中的Ca2+释放。,DGPKC信号通路,DG生成后存在于膜的内表面，而存在于胞质中蛋白激酶C（PKC）可与DG和膜中磷脂酰丝氨酸结合并被激活，激活后的PKC可底物蛋白质发生磷酸化，产生多种生物效应。,酶偶联受体介导的信号通路,受体分两类：1、酪氨酸激酶受体：受体与酶为同一蛋白分子，其膜外肽段具有受体功能，其膜内肽段具有酪氨酸激酶活性。2、结合酪氨酸激酶的受体：受体本身没有酶的活性，但受体被激活时可与酪氨酸激酶结合并使之激活。,具有酪氨酸激酶活性的受体介导的信号转导,Receptor that themselves function as protein kinases（蛋白激酶）, especially as tyrosine kinases（酪氨酸激酶）.该受体分膜外肽段、跨膜区和膜内肽段膜外肽段为识别和结合配体区，膜内肽段具有酪氨酸激酶活性。,酪氨酸激酶受体介导的信号转导,细胞因子等与酪氨酸激酶受体结合，激活其酪氨酸激酶，使其自身酪氨酸残基磷酸化，再使胞内其它蛋白质磷酸化。The binding of a first messenger to the receptor activates its tyrosine kinase. This results in auto-phosphorylation of the receptor, which leads to phosphorylation of other proteins within the cell and finally leading to cells response.,通过酪氨酸激酶受体介导的作用因子,表皮生长因子（EGF）神经生长因子（NGF）胰岛素（Insulin)血小板源生长因子（PDGF）肝细胞生长因子（HGF）成纤维细胞生长因子（PGF）,具有酪氨酸激酶活性的受体-Ras-MAPK 途径,生长因子（如EGF等） 与该类受体结合自身磷酸化使接头蛋白Grb2和鸟苷酸释放因子Sos磷酸化激活小G蛋白Ras 激活Raf蛋白 MAPKK激活因子 激活MAPK激酶激活MAPK（有丝分裂原激活蛋白激酶）发挥磷酸化作用 引发多种生物效应。MAPK是具有广泛催化作用的蛋白激酶。,结合酪氨酸激酶的受体,该类受体无蛋白激酶的结构域，受体本身没有蛋白激酶活性。该类受体与配体结合后可与胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK）结合并使之激活，后者使胞内另一种酪氮酸蛋白激酶STAT发生磷酸化，后者又使转录因子发生磷酸化，进而发挥生物效应。这类受体有：生长素受体、催乳素受体、一些细胞因子等。,离子通道介导的信号转导,有些细胞膜上的受体本身就具备离子通道的功能，配体与其结合后可使其离子通道开放。Receptors that themselves function as ion channels .The protein complex that act as receptor forms an ion channel, activation of the receptor causes the channel to open.如N2型乙酰胆碱受体、A型-氮基丁酸受体,Example of signal transduction,Epinephrine (肾上腺素) -cAMP-糖原分解 Angiotensin II(血管紧张素II)-IP3和DG-缩血管作用Insulin (胰岛素)-tyrosine