细胞生物学第8章1

第八章细胞信号转导,要求：1、掌握细胞通讯的基本特点,信号分子(包括第二信使)及其性质和特点、受体的类型信号分子与受体的相互作用。2、掌握PKA和PKC两个系统进行信号转导的机理,包括系统的组成、第二信使的产生、信号的级联放大、信号的解除等。,4、学习和掌握酶联受体信号转导系统的转导机制,重点理解受体酪氨酸激酶/Ras途径及引起的反应,特别是Ras蛋白的激活及所涉及的相关因子。5、理解信息传递的各条途径相互联接、协调、制约，调节生物机体全面综合性的活动的关系。,第一节细胞通讯与信号传递,由信号发放细胞发出信号（接触和产生信号分子）,由信号接收细胞（靶细胞）接收信号,由靶细胞识别信号（受体蛋白）,逐级放大,应答反应（生理反应和遗传活动）,细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的细胞行为。,生物学效应,8.1.12个容易混淆的概念,a.信号传导（cellsignaling）：信号的产生、分泌与传送,即信号分子从合成的细胞中释放出来,然后进行传递。,b.信号转导（signaltransduction）：信号的接收与接收后信号转换的方式(途径)和结果,包括配体与受体结合、第二信使的产生及其后的级联反应等,即信号的识别、转移与转换。,8.1.2细胞通讯方式,3）通过分泌化学信号分子的细胞通讯,1）依赖于细胞直接接触的细胞通讯,2）通过间隙连接和胞间连丝的细胞通讯,（化学通讯）,（细胞识别黏着）,细胞分泌化学信号的作用方式：,1）旁分泌,2）内分泌,3）自分泌,4）化学突触传递神经信号,（根据化学信号分子可以作用的距离范围和细胞类型）,旁分泌（局部介质）,化学突触,内分泌（激素）,自分泌,完成电信号化学信号电信号转换,（神经递质）,8.1.3细胞信号分子与受体,1）细胞信号分子,-生物体内一类能与细胞受体结合并传递细胞信号的化学分子。,物理信号分子：光温电流,信号分子的类型：,亲脂性信号分子：甾类激素和甲状腺素,亲水性信号分子：多数肽类激素、局部介质、神经递质,产生和作用方式：激素、局部介质、神经递质、气体分子（NO）等（看P.220表8-1）,溶解性：,2）受体,-一种能够识别和选择性结合信号分子（配体）的生物大分子。,信号分子与受体间相互作用具有三个主要特征：,特异性；分别具有结合特异性和效应特异性高度的亲和力；饱和性。,亲水性信号分子,亲脂性信号分子,受体类型：,细胞表面受体：受亲水性信号分子激活,细胞内受体：受亲脂性信号分子激活,表面受体的类型：,A.离子通道偶联的受体,-组织特异性；存在神经、肌肉等可兴奋细胞,B.G蛋白偶联的受体,C.酶偶联的受体,-不同组织的所有类型细胞,转导机制和P类型不同,第一信使：细胞外信号,第二信使：第一信使与受体作用后，在胞内最早产生的信号分子。如：cAMP、cGMP、IP3、DG(DAG)等。,3）第二信使与分子开关,第二信使的发现,糖原,1-P-葡萄糖,糖原磷酸化酶a,糖原磷酸化酶b,ATP,ADP,PhK磷酸化酶激酶,PP蛋白质磷酸酶,Pi,糖原磷酸化酶活化及灭活,cAMP,肾上腺素,肝细胞匀浆：,-20世纪50年代，Sutherland证明肾上腺素可以导致糖原磷酸化酶活性增加，进一步发现一种热稳定的小分子物质cAMP。,激素作用的第二信使学说：胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞内部，它作用于细胞表面特异受体，导致胞内第二信使的产生，从而激发一系列的生化反应，产生一定的细胞生理效应，最后第二信使降解，其信号作用终止。EarlW.Sutherland(1970),cAMP的发现和第二信使学说,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1971forhisdiscoveriesconcerningthemechanismsoftheactionofhormones,EarlW.Sutherland,Jr.USAVanderbiltUniversity范德堡大学Nashville,TN,USAb.1915,d.1974,肾上腺素,放大,放大,放大,10-10mol.L-1,腺苷酸环化酶,cAMP10-6mol.L-1,磷酸化酶激酶（蛋白激酶）（效应酶）,糖原磷酸化酶（激活的酶）,产物50%,肾上腺素在细胞内的级联放大作用,信号放大信号转移信号转化信号趋异,信号级联反应：,A.通过磷酸化和去磷酸化传递信号,B.通过GTP结合蛋白传递信号(GTPase),分子开关：能够精确控制信号级联反应的一类蛋白质分子，它具有相应的激活和失活双重机制，使信号逐级放大和终止。,图5-17细胞内信号传导过程中两类分子开关蛋白,第二节细胞内受体介导的信号转导,亲脂性小分子信号，主要是甾类激素分子（300Da）的信号传递方式。,受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。,细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白，受体的DNA结合序列是一种转录调节因子。,细胞内受体的共同结构：,1）C端的激素结合区,2）中部富含半胱氨酸、具有锌指结构的DNA或抑制蛋白结合位点,3）N端的转录激活结构域,几种胞内受体超家族,第三节G蛋白偶联受体介导的信号转导,-配体(信号分子)-受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道蛋白）的作用需要通过与G蛋白偶联才能完成信号转导过程。,类型：a.多种神经递质、肽类激素和局部介质等受体;b.味觉、视觉和嗅觉感受器,-G蛋白的结构和功能,三聚体GTP调节蛋白,由、三个亚基组成,亚基具有GTP酶活性.,是分子开关蛋白,亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。,27513人,7次跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。,G蛋白耦联受体的结构,G蛋白偶联受体模式图E1-E4:细胞外环状结构域;H1-H7:跨膜a螺旋;C1-C4:胞质环状结构域,H1,H2,H2,H3,H4,H5,H6,H7,E1,E2,E3,E4,C1,C2,C3,C4,静息状态,激活状态,失活关闭状态,G蛋白耦联受体介导的细胞信号通路：1、cAMP信号通路2、磷脂酰肌醇IP3信号通路(IP3和DG)3、G蛋白耦联离子通道的信号通路,（一）cAMP信号通路,通过调节腺苷酸环化酶活性，调节cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号,而引起细胞级联反应。这是真核生物应答激素反应的主要机制之一。,1）激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）2）活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）3）腺苷酸环化酶（Adenylylcyclase）：cAMP4）环腺苷酸磷酸二酯酶：降解cAMP，终止信号。5）蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）,cAMP信号通路的组分：,stimulation,inhibitor,receptor,Gs调节模型,Gi调节模型,cAMP,前列腺素腺苷,胰高糖素,促肾上腺皮质激素,由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基,活化蛋白激酶A的活性。,蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）,图-cAMP与蛋白激酶对细胞活性的影响,PKA直接修饰细胞质中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用进入细胞核作用于基因表达的调控蛋白,启动基因的表达,依赖cAMP信号通路启动基因表达涉及的反应链:,激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。,（二）磷脂酰肌醇-IP3通路,胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAGorDG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双信使系统”（doublemessengersystem）。,IP3开启胞内IP3配体门钙通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。IP3/Ca2+,DG激活蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）,使底物蛋白质磷酸化，或促Na+/H+交换使胞内pH。DG/PKC,磷脂酰肌醇通路图解,胞外信号分子,激活G蛋白偶联受体,激活的G蛋白,激活的磷脂酶C,二磷酸磷脂酰肌醇,三磷酸肌醇,Ca2+。,Ca2+,DG,激活的蛋白激酶C,佛波醇脂,离子霉素,蛋白质磷酸化,钙调蛋白（calmodulin，CaM）是真核细胞中普遍存在的Ca2+应答蛋白。具有四个钙离子结构域，结合钙离子发生构象改变，改变活性。可活化各种蛋白/酶，如钙调蛋白激酶（CaM-Kinase），引起细胞反应。,受钙调蛋白调节的酶：见教材P240表8-3,IP3和DG的作用,表-由蛋白激酶C介导的部分反应,PKC参与基因表达调控,图-蛋白激酶C激活特定基因转录的两种途径,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，进入细胞核，磷酸化激活基因调节蛋白Elk-1，并与血清反应元件SRE结合，与SRF共同调节基因表达。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。,胞外信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白磷脂酶C(PLC)IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应PIP2DG激活PKC蛋白磷酸化(或促Na+/H+交换使胞内pH),“双信使系统”反应链：,细胞反应,IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。,DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。,信号的终止:,第四节酶连受体介导的信号传导,-大多数受体本身具有酶活性或与酶相连，又称催化受体。,-单次跨膜蛋白,-类型（细胞内结构域是否具有酶活性）：,酪氨酸激酶偶联的受体：细胞内结构域无酶活性,内源酶促活性受体：受体鸟苷酸环化酶，受体酪氨酸酯酶，受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，受体酪氨酸蛋白激酶等。,受体酪氨酸蛋白激酶及RTK-RAS蛋白信号通路（receptorproteintyrosinekinase，RPTKorRTK）,单次跨膜蛋白。胞外区是结合配体结构域，单次跨膜的螺旋区，胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。,配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子，主要控制细胞的生长和分化等。,细胞表面一大类重要受体家族，50多种，6个亚族。,受体的结构特点及类型：,图8-26各类受体酪氨酸激酶,表皮生长因子,胰岛素受体,神经生长因子,成纤维细胞生长因子,血管内皮细胞生长因子,富含半胱氨酸结构域,酪氨酸激酶结构域,血小板生长因子，巨噬细胞集落刺激因子,6个亚族，50余种,配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性,在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基(受体自磷酸化)，进一步导致受体构象改变。,受体酪氨酸激酶的激活：二聚化和自磷酸化,图5-33受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化,SH2结构域（SrcHomology2结构域）：选择性地与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。,SH3结构域（SrcHomology3结构域）：选择性地与富含脯氨酸的蛋白分子结合。,胞内信号蛋白分子的结构特点：,信号转导：配体受体受体二聚化激活RTK受体的自磷酸化胞内信号蛋白启动信号传递,如：Adaptor接头蛋白如：GRB2蛋白信号通路中的有关酶：GAP蛋白、非受体酪氨酸激酶等,RTKs-RAS信号通路,Ras蛋白(Rasprotein):,原癌基因c-ras的表达产物，21kDa,是单体GTP结合蛋白，其活化需鸟苷交换因子(GEF)，失活需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与。,定位在细胞质内表面，正常情况下与GDP结合，处于失活型状态。活性状态对细胞的增殖、分化、细胞骨架构建、蛋白质运输和分泌等有影响。,大鼠肉瘤（ratsarcoma）英文缩写。,GEF蛋白和接头蛋白（adaptor）：,接头蛋白：（GRB2蛋白，growthfactorreceptor-boundprotein2），含SH2和SH3结构域，可与磷酸化的酪氨酸直接结合，同时与GEF结合，形成adaptor-GEF复合物，使质膜上Ras蛋白激活，引起信号级联反应。,GEF：（鸟苷交换因子，又称Sos蛋白）:编码鸟苷酸释放蛋白的基因sos的产物。在RTKs-RAS信号途径中促进Ras释放GDP,结合GTP。含SH结合位点，是Ras的激活蛋白。,Ras蛋白的激活与失活:,EGF等激活受体,.受体细胞质结构域磷酸化；,adaptor-GEF蛋白复合物同受体磷酸化位点结合，使GEF蛋白活化；,活化的GEF促进Ras蛋白GDP与GTP交换，激活Ras蛋白,启动信号传递；,与活化受体结合的GAP导致Ras蛋白结合的GTP水解，终止信号传递。,Ras蛋白的激活与失活,生长因子等信号经Ras的信号途径调控细胞增殖和生长反应链：,配体EGFRTKadaptor（GRB2）GEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子基因表达。,MAP:有丝分裂原活化蛋白Raf=MAPKKK:MAP激酶激酶的激酶（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）MAPKK=MEK:MAP激酶的激酶MAPK:有丝分裂原活化蛋白激酶,RTKs-RAS信号途径,受体酪氨酸激酶（RTK）结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化而活化，活化的RTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应。最终激活有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK）。活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化（底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化），将基因调控蛋白激活，促进DNA调控序列的表达。,cAMP信号途径:信号分子G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。(肾上腺素和胰高糖素糖原的分解调节模式),磷脂酰肌醇IP3途径：二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）信号分子G蛋白耦联受体G蛋白磷脂酶CIP3Ca2+浓度升高DG激活蛋白激酶C基因调控蛋白基因转录。（蛋白分泌和肌肉收缩的调节）,酶藕联受体传导途径：信号分子RTKadaptorGEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子基因表达。（胰岛素、表皮生长因子等细胞增殖、生长、分化）,粘着斑激酶,整联蛋白与细胞外基质的相互作用能够激活一些细胞质中的蛋白激酶，如Src，使下游蛋白质磷酸化，使信号进入细胞核，激活与生殖生长有关的基因的转录。这是细胞贴壁生长的原因。,GTP-GDPcyclingofRasprotein,RashasaveryweakGTPaseactivityandwouldremainintheactive,GTP-boundstatefor30mins.Inthecell,RasactivityisregulatedbyGAPthatstimulatetheRasGTPaseabout105-fold.,表：被动运输与主动运输在起始条件、运输方式和产生的结果的比较：,SignalsReceptorsMAPKKK(Raf)80MAPKK10MAPK23TFTargetgenesMAPKKKcanbeactivateddirectlybyreceptorsandGproteins.,NO-一种气体信号分子,NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。,血管内皮细胞和神经细胞是