生物化学课件(杨洋)16信号传导VIP

SignalTransduction,细胞信息转导,张晓伟xiaoweizhang,北京大学医学部生物化学与分子生物学系,细胞信息传递(SignalTransduction):细胞接受外界的信息（视觉、嗅觉、激素、神经递质、细胞因子、药物等），通过相应的受体，经细胞内信息传递、放大而引起生物学效应的过程。,Ananimalcellsdependenceonmultipleextracellularsignals,细胞信息传递方式,细胞分泌各种化学物质(信息物质）来调节其他细胞的代谢和功能,1、直接接触的细胞：细胞连接；细胞识别,2、未接触的细胞：化学通讯,化学信号转导的一般步骤,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,细胞信息转导体系的基本要素ElementsofCellCommunication,信息分子signalmolecule受体receptor转导体transducer效应体effector,Extracellularsignalmolecule(ligand),Receptorprotein,Intracellularsignalingproteins,Metabolicenzyme,Generegulatoryprotein,Cytoskeletalprotein,Alteredmetabolism,Alteredgeneexpression,Alteredcellshapeormovement,(transducer),(effector),一、信息物质,SignalMolecules,细胞外信息物质细胞内信息物质,（一）细胞外信息物质(extracellularsignalmolecule),细胞外信息物质：配体（ligand）或第一信使,由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质,（1）特点：少量、短寿、高效、特异,（2）作用类型：自分泌、旁分泌、内分泌、神经分泌,神经分泌内分泌旁分泌自分泌,1.神经递质,又称突触分泌信号(synapticsignal),由神经元突触前膜释放，作用时间较短。,乙酰胆碱、去甲肾上腺素,2.内分泌激素(hormone),又称内分泌信号(endocrinesignal),由内分泌细胞分泌，通过血液循环到达靶细胞，经受体介导发挥作用，大多数作用时间较长。,含氮激素,类固醇激素,氨基酸衍生物肾上腺素甲状腺素小肽类胰高血糖素催乳素蛋白质类胰岛素生长激素糖蛋白类促甲状腺素促黄体激素,性激素皮质醇醛固酮,3.局部化学介质,又称旁分泌信号(paracrinesignal,由体内某些普通细胞分泌；不进入血循环，通过扩散作用到达附近的靶细胞；一般作用时间较短。,生长因子、前列腺素、气体信号等,4.其他,有些细胞间信息物质能对同种细胞或分泌细胞自身起调节作用，称为自分泌信号(autocrinesignal),有些细胞间信息物质可在不同的个体间传递信息，如昆虫的性激素。,小分子亲脂性分子类固醇激素、甲状腺素、维生素D、维甲酸亲水分子肽类激素、细胞因子、小分子荷电分子亲脂分子中只与膜受体结合者前列腺素气体分子NO、CO、H2S,细胞外信息分子的种类,细胞受第一信使刺激后产生的在细胞内起传递信息作用的化学分子,（二）细胞内信息物质(intracellularsignalmolecule),在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代谢产物等。,第二信使(secondarymessenger),第三信使(thirdmessenger),负责细胞核内外信息传递的物质，是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，能调节基因的转录，又称为DNA结合蛋白。,二、受体,Receptor,细胞膜上或胞内能特异识别外源化学信号并与之结合，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，或个别糖脂。,受体的特征,高度专一性,高度亲和力,可饱和性,特定的作用模式,可逆性,细胞表面受体（cellsurfacereceptor）细胞内受体（intracellularreceptor）,受体分类,细胞膜受体membranereceptor,受体分类,核受体nuclearreceptor,与G蛋白偶联的受体含内在酶结构的受体与胞浆中酪氨酸激酶偶联的受体离子通道受体(nAChR),胞内受体,（多肽、儿茶酚胺等）,（类固醇激素、甲状腺素、维生素D3）,Cellsurfacereceptors,1、环化受体(配体依赖性离子通道)，配体是神经递质,受体结构,受体本身为离子通道，即配体门通道（ligand-gatedchannel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。分类：阳离子通道：乙酰胆碱、Glu、5-羟色胺受体阴离子通道：Gly、-氨基丁酸受体,离子通道型受体,Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission,2、G蛋白偶联受体（蛇型受体，serpentinereceptors/七个跨膜螺旋受体,7transmembranesegmentreceptors）,蛇形受体结构,G蛋白激活:GTP与G相结合G蛋白失活:GTP酶水解GTP,受体与G蛋白偶联,胞外N端：结合配体，可被糖基化,七个跨膜螺旋和三个胞外环与三个胞内环,胞内第三环与G蛋白偶联,胞内C端：保守Cys残基可被棕榈酰化，使C端锚定在质膜上，以稳定C端三级结构,胞内第三环和C端有多个Thr残基，磷酸化后可与抑制蛋白结合，使受体失活,保守Cys残基在稳定受体结构中起重要作用,分布广，对多数激素和神经递质做出应答,3、单个跨膜螺旋受体,酪氨酸蛋白激酶受体（receptortyrosinekinase,RTK）：受体胞内区具有激酶活性。如：EGF受体、IGF受体,与胞浆中蛋白激酶偶联的受体(kinase-linkedreceptor)：受体自身没有激酶活性，但与配体结合后可偶联胞浆中的T激酶。如：生长激素受体、干扰素受体,RTK受体结构,胞外区,疏水跨膜螺旋区,含RTK的胞内区,受体自身磷酸化(autophosphorylation)当配体与单跨膜螺旋受体结合后，催化型受体(catalyticreceptor)大多数发生二聚化，二聚体的酪氨酸蛋白激酶(tyrosineproteinkinase,TPK)被激活，彼此使对方的某些酪氨酸残基磷酸化，这一过程称为自身磷酸化。,该型受体与细胞的增殖、分化、分裂及癌变有关,4、胞内受体（intracellularreceptor),位于细胞浆和细胞核中的受体，多为DNA结合蛋白。,(1)相关配体类固醇激素、甲状腺素和维甲酸等,(2)功能多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。,高度可变区（N端）：与转录激活有关；抗体结合部位,DNA结合区（中段，含锌指结构）：与激素反应元件结合,铰链区（中段）：与转录因子作用；触发受体向核内移动,配体结合区（C端，含亮氨酸拉链）：与配体结合；与热激蛋白结合；介导二聚化；激活转录,核受体结构示意图,受体类型,环形受体,蛇形受体,单跨膜螺旋受体,胞内受体,三、转导体（transducer）：G蛋白,跨膜信号转导,胞外信息分子与膜受体结合，将信息传递至胞浆或核内，调节靶细胞功能的过程。,美国科学家Gilman和Rodbell因发现G蛋白及其在细胞信息转导中的作用，而共同获得诺贝尔医学及生理学奖(1994)。,G蛋白(Gprotein，trimericGTP-bindingregulatoryprotein)：位于细胞膜上胞浆侧，可与GTP/GDP结合的一种外周蛋白，它是一种转导体，可将外来的信号转化为传向细胞内的信号，其活性与GTP/GDP密切相关，故而得名。,G蛋白组成：G、G、G,、亚基结合紧密,亚基与的结合松散,差异主要表现在亚基上,GDP,非活化型,GTP,活化型,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GTP水解，恢复无活性的三聚体状态。,G蛋白,G蛋白组成,G蛋白活性调节,Gs:激活腺苷酸环化酶adenylatecyclase,AC肾上腺素,胰高血糖素,甲状旁腺素Gi:抑制腺苷酸环化酶adenylatecyclase,AC吗啡Gq：激活磷脂酶C加压素,促甲状腺素释放激素、促甲状腺素Go：激活磷脂酶C大脑中主要的G蛋白，调节离子通道,不同G蛋白亚基不同,亚基基本相同,G蛋白的种类,G蛋白偶联受体的信息传递途径,作用机理,两种G蛋白的活性型和非活性型的互变,百日咳毒素：抑制Gi，激活AC,G蛋白的活性调节剂,霍乱毒素：激活Gs，激活AC,G蛋白,G蛋白ADP化,细菌毒素对G蛋白功能的影响,AC活性持续增高cAMP大量积聚,霍乱毒素,小肠上皮细胞通透性增加，导致严重腹泻，脱水,GsaADP-核糖化,Gs蛋白持续激活,霍乱弧菌,Gsa的GTP酶失活,支气管对组胺、低血糖超敏感，导致阵发性咳嗽,百日咳毒素,百日咳杆菌,GiaADP-核糖化,Gia的GDP不能释放,Gi蛋白无活性,四、效应体（effecter）,1、蛋白激酶：使细胞内蛋白质磷酸化,2、蛋白磷酸酶：催化脱磷酸化反应,调节细胞内信息传递和生理效应的重要方式主要方式：蛋白质磷酸化与去磷酸化,Ser/Thr蛋白激酶：催化Ser/Thr磷酸化,Tyr蛋白激酶：催化Tyr磷酸化,酪氨酸磷酸酶,Ser/Thr磷酸酶,信息传递途径,SignalingPathway,一、膜受体介导的信息传递,cAMP-蛋白激酶途径,Ca2+-依赖性蛋白激酶途径,酪氨酸蛋白激酶途径,核因子途径,一、cAMP信息转导途径（肾上腺素、胰高血糖素）,组成,胞外信息分子G蛋白偶联受体G蛋白腺苷酸环化酶(adenylatecyclase，AC)cAMP(secondmessenger)蛋白激酶A(proteinkinaseA，PKA),A激酶通路,AC：腺苷酸环化酶PKA：蛋白激酶A,A激酶通路,1.cAMP的合成与分解,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE),腺苷酸环化酶(adenylatecyclase,AC),cAMP的作用激活PKA,PKA无活性,PKA有活性,PKA的作用,（1）对代谢的调节作用,使效应蛋白Ser/Thr磷酸化，调节物质代谢和基因表达。,（cAMP-dependentproteinkinase，PKA）,例：肾上腺素调节糖原分解,肾上腺素参与糖原分解，升高血糖,肾上腺素受体,肾上腺素受体复合物,激活s蛋白,激活AC,ATP,cAMP,肾上腺素与肾上腺素能受体结合,cAMP,磷酸化酶b激酶(有活性),磷酸化酶b(无活性),磷酸化酶a(有活性),糖原,1-磷酸葡萄糖,ATP,x分子,40 x分子,10 x分子,100 x分子,1000 x分子,10000 x分子,10000 x分子,PKA(无活性),磷酸化酶b激酶(无活性),PKA(有活性),血糖,(2)对基因表达的调节作用,cAMP应答元件(DNA)(cAMPresponseelement,CRE),cAMP应答元件结合蛋白(protein)(cAMPresponseelementboundprotein,CREB),ATP,cAMP,蛋白磷酸化,结构基因,细胞核,DNA,蛋白质,（二）Ca2+依赖性蛋白激酶途径,Ca2+,Ca2+,2.5mmol/L,0.011mol/L,肌浆网,内质网,线粒体,Ca2+：参与收缩、运动、分泌、分裂等生命活动第二信使,PLC信息传递途径,1.Ca2+磷脂依赖性蛋白激酶途径,组成,胞外信息分子Gq蛋白,蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC),磷脂酶C(phospholipaseC,PLC),甘油二脂(diacylglycerol,DAG),三磷酸肌醇(inositol1,4,5triphosphate,IP3),（C激酶通路）,促甲状腺释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿激素,磷脂酰肌醇（phosphoinositides,PI）：PI、PIP、PIP2占真核细胞膜类脂的2%-8%,磷脂酶C(PLC):在动物脑中含量丰富.水解产物为DAG和各种磷酸肌醇(IP,IP2,IP3等),C激酶通路,(1)DAG，IP3的生物合成和功能,磷脂酰肌醇二磷酸,甘油二酯,三磷酸肌醇,DAG，IP3的功能,DAG：脂溶性，在磷脂酰丝氨酸(PS)和Ca2+协同下激活PKC,IP3：水溶性,与内质网和肌浆网上的受体结合，促使细胞内Ca2+释放,调节基因表达,（2）PKC的生理功能,调节代谢活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝、苏氨酸残基磷酸化。靶蛋白包括：质膜受体、膜蛋白和多种酶。,PLCsignaltransductionpathway,Genetranscription,Ca2+,2.Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径,受体、G蛋白、PLC、IP3、Ca2+、钙调蛋白、CaM激酶（CaMkinasesI-IV),(Ca2+CaM激酶途径),组成,钙调蛋白(calmodulin,CaM)一条多肽链，有四个Ca2+结合位点。与Ca2+结合成Ca2+-CaM，CaM是CaM激酶的亚单位，可磷酸化多种功能蛋白质（Ser/Thr）。,PKA/PKC途径比较：,(Ser/Thr),（三）酪氨酸蛋白激酶途径,(tyrosineproteinkinase,TPK),酪氨酸蛋白激酶,分类,受体型TPK（位于细胞质膜上）如胰岛素受体、生长因子受体及原癌基因（erb-B、kit、fms等）编码的受体,非受体型TPK（位于胞浆）如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的TPK,T激酶通路,1.受体型TPK-Ras-MAPKsignalpathway,Figure6.12aTheBiologyofCancer(GarlandScience2007),SH2结构域：能与Tyr磷酸化的多肽链结合,鸟苷酸交换因子。促进Ras与GTP结合而被激活,几乎1/3人类肿瘤中发现有Ras突变。它对细胞分化至关重要。注射Ras抗体至哺乳动物细胞中可阻断受体酪氨酸激酶引起的DNA合成。,Raf(MAPKKK)：一条肽链，N端调节区,C端催化区.,与Ras-GTP结合后其丝/苏蛋白激酶活性被激活,可磷酸化丝/苏氨酸残基,Ras：一条多肽链，分子量21KD，作用机理类似G。故又称P21蛋白或小G蛋白,MAPKK(mitogenactivatedproteinkinasekinase,MEK):,有丝分裂原活化蛋白激酶的激酶,MAPK(mitogenactivatedproteinkinase,ERK):,有丝分裂原活化蛋白激酶：磷酸化Ser/Thr关键酶,在进化上保守磷酸化包括一系列转录因子的多种底物,调节基因表达.,双重特异性：磷酸化Tyr或Ser/Thr,EGFR介导的Ras-MAPK信号途径,表皮生长因子受体（epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR）是一个典型的受体型TPKRasMAPK途径是EGFR的主要信号通路之一,EGFR介导的信号转导过程,酪氨酸蛋白激酶信息传递/T激酶通路,Ras蛋白,PKC、CaM激酶,受体二聚体化,生长因子,膜受体,受体的TPK活化,PLC,调控基因表达,PIP2,IP3,DAG,生物学效应,MAPKK,修饰转录因子,PDK,PI-3K,PI-3,4-P2,PI-3,4,5-P3,PKB/Akt,生物学作用,MAPK,Raf蛋白,-JAKs-STAT途径,*非催化型受体*JAKs(januskinases)*信号转导子和转录激动子(signaltransductorsandactivatorsoftranscription，STAT),组成,2.非受体型TPKsignalpathway,生长激素（GH）、细胞因子（G-CSF等）、干扰素（IFN）、白细胞介素（IL-2，6等）,干扰素诱导JAK、STAT复合体核内转移及调节基因转录机制,(四)cGMP蛋白激酶途径（G激酶通路）,生物学效应,受体鸟苷酸环化酶活化,心钠素,膜受体,cGMP,PKG,效应蛋白磷酸化,NO,可溶性受体,PKG活化,（五）肿瘤坏死因子受体介导的转录因子NF-B的活化,NF-B是重要的炎症和应激反应信号相关的转录因子。肿瘤坏死因子受体（TNF-R）、白介素1受体等重要的促炎细胞因子受体家族所介导的主要信号转导通路之一是NF-B（nuclearfactor-B，NF-B）通路,Figure6.29aTheBiologyofCancer(GarlandScience2007),生物效应：机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡、肿瘤生长抑制等,(六)TGF-途径,（1）胞外信息：TGF-、活化素、骨形态发生蛋白等,（2）膜受体：TR和受体具有Ser/Thr蛋白激酶活性,（3）效应蛋白：SMAD,（4）生物效应：细胞增值、分化、凋亡、迁移等,二、胞浆/核内受体及其信息传递,配体特点(多为脂溶性小分子)：类固醇类激素（雄激素、雌激素、孕激素、糖皮质激素）、甲状腺素、维甲酸、活性维生素D3,核受体超家族分类,细胞内的受体蛋白有的位于细胞核内，有的位于细胞质中，但是大多为DNA结合蛋白，具有转录因子活性，直接调节细胞的基因表达，因此被称为核受体（nuclearreceptors，NR）,核受体超家族大多具有转录因子活性,三、核受体作为转录因子直接调节靶基因的表达,信息转导途径间的交互联系CrossTalkofSignalTransductionPathway,一条信息转导途径中的成员可干预另一条信息