细胞生物学第八章细胞信号转导课件

,第八章细胞信号转导,内容提示,第一节概述第二节细胞内受体介导的信号转导第三节G蛋白耦连联受体介导的信号转导第四节酶连受体介导的信号转导第五节信号的整合与控制,第一节概述,一、细胞通讯（cellcommunication）1、概念：一个细胞发出的信息通过介质(配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。,第一节概述,2、细胞通讯的方式（1）细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯。（2）细胞间接触依赖性的通讯。细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其它细胞。主要发生在胚胎发育过程中。（3）动物细胞间通过间隙连接、植物细胞间通过胞间连丝使细胞质相互沟通，通过交换小分子物质实现代谢偶联或电偶联。,3、细胞分泌化学信号的方式（1）内分泌：由内分泌腺分泌的激素通过血液传递给靶细胞。特点是低浓度（10-810-12M）、全身性、长时效。（2）旁分泌：细胞通过分泌局部化学介质，通过扩散作用于邻近的细胞。如表皮生长因子、前列腺素、组胺、NO等。（3）自分泌：细胞对自身分泌的物质产生反应。如肿瘤细胞。（4）通过化学突触传递神经信号：神经递质由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。,不同的细胞间通讯方式,细胞通讯的过程：1、产生信号的细胞合成并释放信号分子。2、运送信号分子至靶细胞。3、信号分子与靶细胞受体结合并导致受体激活。4、活化受体启动细胞内一种或多种信号转导途径。5、引发细胞功能、代谢或发育的改变。6、信号的解除并导致细胞反应终止。,二、信号分子与受体1、信号分子（signalmolecule）信号分子是细胞的信息载体，包括化学信号和物理信号。它们唯一的功能是与受体结合，改变受体的性质，通知细胞在环境中存在一种特殊的信号或刺激因素。信号分子能否引起细胞产生相应的生理学效应关键在于细胞表面有没有相应的受体。,（1）亲脂性信号分子：（甾类激素、甲状腺素等）溶于脂双层，通过扩散进入细胞，与细胞质或细胞核内的受体结合形成复合物，调节基因表达。介导较长时间的持续反应。（2）亲水性信号分子：（大多数肽类激素、神经递质、局部化学递质）不能透过膜，只能与膜表面的受体结合，再将信号转导至细胞内部，产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶活性，引起细胞的应答反应。介导短暂的反应。（3）气体信号分子NO：是迄今为止发现的第一个气体信号分子，它能直接进入细胞直接激活效应酶，是近年来出现的“明星分子”。,2、受体（receptor）（1）概念：能识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内物理或化学的信号，以启动一系过程，最终表现出生物学效应。多为糖蛋白，少数是糖脂。（2）受体的类型：分为细胞内受体和细胞表面受体。（3）细胞表面受体三大家族：离子通道耦联受体、G蛋白耦联受体、酶连受体。,（4）受体至少有两个功能域。与配体结合的区域以及产生效应的区域。分别具有结合特异性和效应特异性。（5）受体与配体结合后，通过信号转导引发两种主要的细胞反应。,不同细胞对同一化学信号分子可能具有不同的受体，因此不同的靶细胞以不同的方式应答相同的化学信号。不同的细胞具有相同的受体，但在不同的靶细胞中产生不同的效应。对于不同的信号分子来说，它们的受体不同，但是可以活化细胞内相同的信号通路，产生相应的生理学反应。,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。,（6）受体的特异性与复杂性。,3、第二信使与分子开关（1）cAMP的发现：肾上腺素使血糖升高的实验。（2）第二信使学说（secondmessengertheory）胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。1971年诺贝尔医学和生理学奖。（3）目前发现的第二信使：cAMP、cGMP、IP3、DAG、Ca2+,4、分子开关（molecularswitch）在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必需有正负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制，因此分子开关的作用十分重要。对每一步反应既要求有激活机制又要求有相应的失活机制。,细胞内作为分子开关的蛋白分为两类：1)GTPase开关蛋白：分为三聚体G蛋白和单体G蛋白。结合GTP而活化，结合GDP而失活。2)蛋白的磷酸化与去磷酸化:开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭。细胞内影响分子开关活性的蛋白质。,第二节细胞内受体介导的信号转导,亲脂性信号分子通过扩散进入细胞，与胞内受体结合（前列腺素除外）。通常表现为影响细胞分化等长期的生物学效应。一、细胞内核受体及其对基因表达的调节1、细胞内受体超家族的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白。有三个结构域。,C-端激素结合位点,中部的DNA或Hsp90结合位点：富含Cys、锌指结构,N-端转录激活结构域,三个结构域,甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：（1）直接激活少数特殊基因转录的初级反应阶段，快速发生。（2）初级反应的基因产物再活化其它基因产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。,NO可快速扩散透过细胞膜，作用于临近细胞。1、NO的产生：血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由NO合酶（NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。NO极不稳定。2、NO的生物学作用：使血管平滑肌舒张，扩张血管，血流通畅；参与大脑学习与记忆。,二、气体信号分子NO的机理及生物学作用,2、NO的作用机理：血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。cGMP可激活蛋白激酶G,引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。,1998年RFurchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。,RobertF.Furchgott,LouisJ.Ignarro,FeridMurad,第三节G蛋白耦联受体介导的信号转导,亲水性的信号分子不能进入细胞，而与细胞表面的受体结合，进而将信号传递到胞内，根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，将细胞表面的受体分为三大类。（一）G蛋白耦联的受体(Gprotein-linkedreceptor)（二）离子通道耦联的受体(ion-channel-linkedreceptor)（三）酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor),G蛋白耦联受体介导的信号转导是指配体-受体复合物与靶蛋白（效应酶或通道蛋白）的作用要通过与G蛋白的耦联，产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。一、G蛋白耦联受体的结构与激活1、与G蛋白偶联的受体是一种7次螺旋跨膜蛋白。构成7跨膜螺旋受体的人体基因组大约有1000组。,美国科学家罗伯特莱夫科维茨（RobertJ.Lefkowitz）和布莱恩克比尔卡（BrianK.Kobilka）因“G蛋白偶联受体研究”获得2012年诺贝尔化学奖。,RobertJ.Lefkowitz,BrianK.Kobilka,与G蛋白偶联的受体结合的信号分子有：肽类激素、局部介质、神经递质、氨基酸或脂肪酸的衍生物、气味分子、光量子、声等。50%的药物也是通过与G蛋白偶联的受体结合发挥作用。,2、G蛋白即GTP结合的调节蛋白。由、三个亚基组成，和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。G蛋白的发现获1994年诺贝尔医学和生理学奖。,二、G蛋白耦联受体介导的细胞信号通路1、以cAMP为第二信使的信号通路（又称PKA系统2、磷脂酰肌醇信号通路（以IP3和DAG为第二信使）3、G蛋白耦联离子通道信号通路,cAMP通路组成要素：胞外信号分子（第一信使）膜受体G蛋白腺苷酸环化酶（AC）第二信使cAMP蛋白激酶A靶蛋白（底物蛋白）cAMP信号通路分为快速应答胞外信号的过程和缓慢应答胞外信号的过程两种方式。,cAMP信号通路,腺苷酸环化酶（催化单位）是G蛋白的效应酶糖蛋白，12次跨膜，在Mg2+和Mn2+存在的条件下，催化ATP生成cAMP。腺苷酸环化酶受不同的受体-配体复合物的激活或抑制。激活型激素与激活型受体（Rs）结合，耦联激活型G蛋白（Gs),激活腺苷酸环化酶活性，提高靶细胞cAMP水平。相反，抑制腺苷酸环化酶活性，降低靶细胞cAMP水平。,第二信使cAMP作为第二信使，一般情况下cAMP浓度10-6mol/L,当刺激型激素与Rs结合后，活化Gs，亚基与腺苷酸酸环化酶结合，激活其活性，cAMP浓度在1秒钟内增加5倍以上。cAMP的降解：环腺苷酸磷酸二酯酶催化cAMP生成5AMP，降低cAMP浓度。,蛋白激酶A（PKA）位于细胞内，由两个催化亚基和两个调节亚基组成，无cAMP时，以钝化复合物形式存在，cAMP与调节亚基结合，改变其构象，催化亚基解离释放，催化亚基可使胞内某些蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化(X-Arg-(Arg/Lys)-X-(Ser/Thr)-)，改变其活性，引起相应的反应。,如肝细胞、肌细胞中肾上腺素诱导的糖原的分解。脂肪细胞中肾上腺素诱导的PKA的激活促进磷脂酶的磷酸化和活化，催化甘油三酯水解为脂肪酸和甘油。卵巢细胞在垂体激素的刺激下，通过G蛋白耦联的受体激活PKA，促进激素和孕酮的合成。以上过程属于细胞对外界信号分子的快速应答过程。,PKA活化后在不同的细胞产生不同效应,快速应答过程,激素,G蛋白偶联的受体,G蛋白,腺甘酸环化酶,cAMP,cAMP依赖的蛋白激酶A,底物蛋白磷酸化,生物学效应,肾上腺素使血糖升高的信号通路,肾上腺素,G蛋白偶联的受体,G蛋白,激活腺甘酸环化酶,cAMP升高,激活cAMP依赖的蛋白激酶A,磷酸化酶激酶被磷酸化,糖原磷酸化酶被磷酸化,糖原分解为葡萄糖,cAMP影响细胞基因表达的过程（缓慢效应）,激素,G蛋白偶联的受体,G蛋白,腺甘酸环化酶,cAMP,cAMP依赖的蛋白激酶A,基因调控蛋白,基因转录,生物学效应,在基因转录调控区有一共同的DNA序列（TGACGTCA），称为cAMP应答元件（cAMPresponseelement,CRE)，可与cAMP应答元件结合蛋白（cAMPresponseelementboundprotein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。PKA的催化亚基进入细胞核后，催化反式作用因子CREB的特定丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，磷酸化的CREB形成二聚体，与DNA上的CRE结合，激活受CRE调控的基因转录。,受体、G蛋白、腺苷酸环化酶有很多异构体，可利用类似的机制通过组合的多样性在不同的细胞中产生多种反应。G蛋白异常引起的疾病：霍乱：霍乱毒素使Gs蛋白永久活化。百日咳：百日咳毒素使Gi不能活化。,2、磷脂酰肌醇信号通路,产生两个第二信使IP3、DAG，又称双信使通路。通路重要组成成分：（1）受体（2）G蛋白（3）磷脂酶C(型）（4）IP3和DAG（5）Ca2+和钙调蛋白（CaM）（6）蛋白激酶C（7）靶蛋白,磷脂酰肌醇信号通路,胞外信号分子,细胞表面受体,G蛋白,磷脂酶C(型）,PIP2水解为IP3和DAG,（1）IP3：结合到内质网膜上的配体门Ca2+通道，打开通道，Ca2+流入细胞质，胞内Ca2+浓度升高，与CaM结合，活化的CaM与靶蛋白结合将其活化。涉及很多生理反应。（2）DAG：结合在质膜上，和Ca2+一起活化由胞质转移到质膜内表面的蛋白激酶C（PKC）。,细胞内Ca2+水平的调节：质膜上的Ca2+泵和Na+Ca2+交换器将Ca2+泵出细胞，内质网和线粒体膜上的Ca2+泵将Ca2+泵入细胞器，使细胞质基质保持低浓度的Ca2+水平（10-7mol/L）。而胞外和内质网、线粒体中储存较高浓度的Ca2+。因此细胞质基质中Ca2+浓度的少量升高就会诱发各种反应。细胞内Ca2+的动员主要依靠内质网膜上的配体门Ca2+通道（IP3门控Ca2+通道）向胞质释放。Ca2+的浓度可双向调节IP3门控Ca2+通道的活性。,细胞内Ca2+水平的调节,细胞内Ca2+水平的调节,CaM(钙调蛋白）：美籍华人张槐耀19681970发现。钙应答蛋白，结合4个钙离子后活化，活化后的CaM与靶酶结合，激活靶酶活性，这是一个受Ca2+浓度控制的可逆反应。钙调蛋白的底物有（表8-3）：Ca2+_ATP酶、肌球蛋白激酶、钙调蛋白激酶、腺苷酸环化酶等。与多种生理活动有关。,钙调蛋白的作用,钙调蛋白的结构及活化底物的过程,蛋白激酶C引发的作用1、短期生理效应：活化的PKC使细胞中底物蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，涉及许多生理过程，如细胞分泌、肌肉收缩、活化Na+H+交换引起胞内pH升高。2、长期生理效应：增强特殊基因的转录，引起细胞增殖、分化。PKC增强基因转录活性的两条途径：激活一条蛋白激酶的级联反应，使基因调控蛋白磷酸化而被激活；导致抑制蛋白的磷酸化，使调控蛋白释放并进入细胞核。,磷脂酰肌醇信号通路,胞外信号分子,G蛋白耦联受体,G蛋白,磷脂酶C(型）,PIP2,IP3,胞内Ca2+浓度升高,Ca2+与钙调蛋白结合,钙调蛋白依赖的激酶激活,DAG,激活PKC,靶蛋白磷酸化或促Na+H+交换使胞内pH,磷脂酰肌醇信号通路的终止：IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2或磷酸化为IP4。Ca2+被质膜上的钙泵和Na+-Ca2+交换泵出细胞，或被内质网膜上的钙泵泵回内质网储存。DAG通过两种途径终止其信使作用：一是被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,（三）G蛋白耦联受体介导离子通道的调控,1、离子通道耦联受体及其信号转导特点：配体门离子通道，多次跨膜蛋白（4次或6次），分布在神经、肌肉等可兴奋细胞膜和内质网膜上。既有信号分子的结合位点，又是离子通道。跨膜信号转导无需中间步骤。信号转导途径：突触前膜释放的神经递质结合并开启突触后细胞膜上的递质门离子通道，结果导致突触后细胞膜离子流改变，从而将化学信号转换成电信号。,（三）G蛋白耦联受体介导离子通道的调控,2、G蛋白耦联受体介导离子通道及其调控（1）许多神经递质的受体需要耦联G蛋白，活化的G蛋白的效应器是Na+或K+离子通道，离子通道的开放或关闭引起膜电位的改变，传递神经冲动。（2）有些神经递质、嗅觉受体、光受体通过耦联活化G蛋白，产生第二信使，第二信使调节离子通道的开闭引起膜电位的改变，传递神经冲动。,嗅觉产生信号传递通路（2004年诺贝尔MP）,气味分子,鼻黏膜上皮嗅觉细胞表面受体,激活G蛋白,激活腺苷酸环化酶,cAMP浓度升高,激活cAMP门控阳离子通道,引起Na+内流，膜去极化产生神经冲动,神经冲动传递到嗅球,传递到大脑经整合产生嗅觉,视觉感受器中的G蛋白,黑暗条件下视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时cGMP浓度下降的负效应起传递光刺激的作用。光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。,第四节酶连受体介导的信号转导,催化性受体，都是跨膜糖蛋白，胞外部分与信号分子结合后，激活胞内段的酶活性，再磷酸化靶蛋白，通过一系列的磷酸化级联反应，影响基因的表达。分为五类：1、受体是酪氨酸激酶2、受体是丝氨酸/苏氨酸激酶3、受体是酪氨酸磷酸酯酶4、受体是鸟苷酸环化酶5、与酪氨酸蛋白激酶联系的受体,一、受体酪氨酸激酶的激活6个亚族，单次跨膜蛋白，它的胞外配体大部分是生长因子以及胰岛素。主要功能是控制细胞生长、分化。结构特点：由胞外结构域（配体结合位点）、一个跨膜螺旋、一个胞质结构域（具有酪氨酸激酶活性）组成。,配体与受体结合，受体二聚化，二聚体内彼此磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶的活性。磷酸化酪氨酸残基可被含有SH2结构域的蛋白分子识别并结合，由此启动信号转导和引起一系列磷酸化级联反应。即：配体受体受体二聚化受体的自磷酸化激活RTKs胞内信号蛋白（含SH2结构域）启动信号转导。,受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有:RAS途径、PIK3途径、磷脂酰肌醇信号途径等。,二、受体酪氨酸激酶及RTKRas蛋白信号通路1、接头蛋白：具有SH2结构域，与含磷酸化酪氨酸残基的蛋白分子结合；SH3结构域，可与富含脯氨酸的蛋白分子结合。接头蛋白偶联活化的受体与下游信号蛋白。如生长因子受体结合蛋白-2（GRB-2），本身不具有酶的活性，也没有传递信号的性质。信号通路中有关的酶，如：GTP酶活化蛋白（GAP），磷脂酰肌醇代谢有关的酶（-磷脂酶C，3-磷脂酰肌醇激酶）等。,受体酪氨酸激酶及RTKRas蛋白信号通路,2、Ras蛋