细胞生物学 2课件

张岸平教授,细胞生物学,Medicaimolecularbiology,细胞通信,CELLCOMMUNICATION,细胞通讯(cellcommunication)是指在多细胞生物的细胞社会中,细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制，并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动，尔后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动，使之成为生命的统一整体对多变的外界环境作出的综合反应。,一、直接通信（一）间隙连接（二）膜表面分子接触通信细胞识别1.同种同类（输血和植皮）；2.同种异类（受精）;3.异种异类(病原体对宿主的的识别)。二、间接通讯,第一节细胞通信的主要方式,第二节细胞间接通讯的分子基础,一、信号分子种类：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物。共同特点：特异性；高效性；可被灭活；可逆性。从产生和作用方式划分：内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子、气体分子。突触信号发放：神经递质经突触作用于特定的靶细胞。,从信号分子的作用距离划分内分泌（endocrine）：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：低浓度10-810-12M，全身性，长时效。旁分泌（paracrine）：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：各类细胞因子（如表皮生长因子）；气体信号分子（如：NO）。自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。,根据分子本身的溶解性脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，所以这类信号分子又称为第一信使（primarymessenger）。,第二信使（secondarymessenger）主要有：cAMP、cGMP、IP3、DG(DAG)、Ca2+、NO。第二信使的作用：信号转换、信号放大。,二、受体（receptor）,1.受体的基本概念能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。受体的特征：特异性；饱和性；高度的亲和力;可逆性。,2.膜受体与胞内受体,分为：细胞膜（表面）受体（cellsurfacereceptor）细胞内受体（intracellularreceptor）,生长因子,酪氨酸激酶,类固醇T3,mRNA合成,离子,第二信使,蛋白激酶,细胞膜,第三节膜表面受体介导的信号转导,膜表面受体包括几种类型：,胞外信号可以引导出种主要的细胞内反应：,JAK/STATPathway,配体与受体结合导致受体二聚化；二聚化受体激活JAK；JAK将STAT磷酸化；STAT形成二聚体暴露出入核信号；STAT进入核内调节基因表达。,一是特异的已存在蛋白的活性或功能的改变；二是新生蛋白数量的变化。,膜表面受体主要有三类（）：离子通道型受体（ion-channel-linkedreceptor）；G蛋白耦联型受体（G-protein-linkedreceptor）；酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor）。第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinasecascade）事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级传送和放大。,蛋白激酶,是一类磷酸转移酶，能将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。分为5类，其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性；通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,一、离子通道偶联受体信号转导离子通道的类型：电位门通道、配体门通道、机械门通道、环核苷酸门通道。,IonChannels,配体闸门离子通道（ligand-gatedchannel）,细胞膜,细胞膜,配体,亚基,受体本身为离子通道主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。几个亚单位组成的多聚体亚单位上有配体结合部位中间围成离子通道,Acetylcholinereceptor,NH2,COOH,4个疏水的跨膜区(M1M4),M1,M4,Threeconformationoftheacetylcholinereceptor,阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission,二、G蛋白偶联受体信号转导,类型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体；味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径等。,COOH,一条多肽链7个螺旋跨膜七次一个配体结合位点两个糖基化结合位点细胞质区有G蛋白结合的部位,膜外侧,G蛋白,效应器,配体结合部位,共同结构特征,NH2,P位点,细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。,G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）：trimericGTP-bindingregulatoryprotein。组成：是分子量约10万的可溶性膜蛋白，由三个亚基组成异三聚体，和亚基属于脂锚定蛋白；三聚体位于细胞表面受体和效应器之间的细胞膜的胞质面。,被活化,三聚体，无活性,+,有活性,GTP,激活效应器,GDP,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，还有ADP-核糖的结合位点，其GTP酶的活性能被GAP增强。,1.G蛋白的组成和类型,腺苷酸环化酶（AC）,Gs,Gi,刺激,抑制,刺激型Gs抑制型Gi,cAMP水平升高cAMP水平降低,Rs,Ri,肾上腺素胰高血糖素,肾上腺素毒蕈碱型乙型胆碱受体,Gq家族，GT,2.G蛋白亚单位的聚合和解聚,GDP,GTPGDP,GTPGDP,GTP,GTPase,A,B,C,D,静息,配体与受体结合受体构象改变,G蛋白的功能状态,具有GTP酶的活性,离子通道腺苷酸环化酶磷脂酶磷酸二酯酶,3.G蛋白偶联型受体的钝化,细胞通过受体钝化适应持续刺激：受体失活（receptorinactivation）；受体隐蔽（receptorsequestration）；受体下行调节（receptordown-regulation）。,4.G蛋白偶联受体介导的下游信号体系,G蛋白偶联受体与腺苷酸环化酶,腺苷酸环化酶（AC）,Gs,刺激,cAMP水平升高,Rs,肾上腺素胰高血糖素,M1,M2,腺苷酸环化酶有6种亚型,称为AC。,C1,C2,膜结合型，有两个疏水区M1和M2，还有两个较大的细胞质区域，C1和C2。作用：催化ATP分解形成cAMP。,（一）cAMP信号途径,通过调节cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。主要组分：激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri）；活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；,G-proteinlinkedreceptor,腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。,Adenylatecyclase,蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMPphosphodiesterase,PDE）：降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。,DegredationofcAMP,cAMP信号途径可表示为：激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMPPKA肌细胞。依赖cAMP的蛋白激酶A（CREB）基因调控蛋白磷酸化基因转录。,不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。,Glycogenbreakdowninskeletalmuscle,磷酸化酶激酶,糖原颗粒（肝细胞）,光面内质网,糖原磷酸化酶,葡萄糖-1-P,P,葡萄糖磷酸变位酶,葡萄糖-6-P,P,葡萄糖-6-磷酸酶,葡萄糖,肝细胞膜,血液,PKA,cAMP,葡,透性酶,葡,肌细胞质,TCA循环,在肝细胞中还可以启动合成糖原的酶。在脂肪细胞中，PKA使磷脂酶磷酸化三酰甘油水解在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的调节区域。,Gi调节模型通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。,霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，使亚基丧失GTP酶的活性，处于持续活化状态。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。,正常胃酸可杀灭霍乱弧菌，当胃酸分泌缺乏或低下，或入侵的霍乱弧菌数量较多，未被杀灭的弧菌就进入小肠，在碱性肠液内迅速繁殖，并通过粘液对细菌的趋化吸引作用、细菌鞭毛活动及弧菌粘蛋白溶解酶和粘附素等的作用，粘附于小肠粘膜的上皮细胞表面，并在此大量繁殖。此菌产生强烈的外毒素，即霍乱肠毒素，由A亚单位和B亚单位组成。B亚单位与该处粘膜上皮细胞表面受体神经节苷脂结合，A、B两种亚单位解离，A亚单位穿过细胞膜进入细胞内，激活腺苷酸环化酶(AC)，使细胞内三磷酸腺苷(ATP)转化为环磷酸腺苷(cAMP)，使细胞内环磷酸腺苷含量提高，促使一系列酶反应加速进行，导致空肠到回肠部腺细胞分泌功能亢进，引起大量液体及血浆中的钠、钾、氯等离子进入肠腔，由于分泌功能超过肠道再吸收能力，从而造成严重的腹泻及呕吐；由于胆汁分泌减少，且肠腔中有大量水、粘液及电解质，故排泻物呈白色“米泔水”样；由于剧烈吐泻，导致脱水和电解质丢失，引起缺钾、缺钠及肌肉痉挛；由于碳酸氢根离子丢失，酸性代谢物在体内蓄积，引起代谢性酸中毒；由于有效血容量急剧减少，血液浓缩，导致尿量减少、血压下降，甚至休克；由于肾缺血、缺氧，细胞内缺钾，导致肾小管上皮细胞变性、坏死，造成急性肾功能衰竭。主要病变均由严重脱水引起，临床可见指纹皱缩，皮下组织及肌肉干瘪。心、肝、脾等脏器均见缩小。内脏浆膜无光泽。肠腔高度扩张、肠内充满泔水样液体，肠粘膜松弛，但粘膜上皮完整，无溃疡。胆囊内充满粘稠胆汁。肾小球及间质的毛细管扩张，肾小管肿胀、变性及坏死。其他脏器也有出血、变性等变化。,、G蛋白偶联受体与离子通道,静息电位动作电位膜膜去极化膜超级化（内负外正）（内正外负）（内负外正）,心肌毒蕈碱型乙酰胆碱受体激活蛋白打开通道,G,GDP,GDP,GTP,GTP,G,+-,+-,激活的型乙酰胆碱受体,膜外侧胞液侧,Gi,Gi,乙酰胆碱,通道,质膜的超极化,在横纹肌细胞中，引发肌肉收缩的动作电位；相反，在心肌细胞中乙酰胆碱的功能却是抑制性的，心肌收缩率减慢。,t偶联受体能够被光激活,人类的视网膜两种光感受器：视杆细胞和视锥细胞视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。,RoleofcGMPinPhotoreception,视紫红质,视紫红质是视杆细胞的感光色素，而视锥细胞的感光色素是视紫蓝质。视紫红质由视蛋白和视黄醛结合而成，在亮处分解，在暗处又可重新合成。而视紫蓝质则在明处合成。,有光时cGMP浓度下降的负效应引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。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。,（二）G蛋白偶联受体与蛋白激酶,胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，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（diacylglycerol,DAG）。DG激活蛋白激酶C（PKC）；IP3开启胞内IP3门控钙通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。,甘油二酯,Pi,Pi,PI+ATP,PIP+ATP,PIP2,PI-磷酯酰肌醇PIP-4-磷酸磷酯酰肌醇PIP2-4、5-二磷酸磷酯酰肌醇,是关键物质,G蛋白偶联受体与蛋白激酶,三磷酸肌醇,Inositolphospholipidsignaling,Mimickedbyionomycin,胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，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（diacylglycerol,DAG）。,PIP2Hydrolysis,DG激活蛋白激酶C（PKC）；IP3开启胞内IP3门控钙通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。,1.IP3动员细胞内质网中Ca2+的释放,4个相同的亚基组成，每个亚基在其N端的胞质面都有一个IP3位点。,TRP通道,蛋白激酶C位于细胞质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化，PKC是作用于蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。属于钙结合蛋白,2.DAG激活蛋白激酶,信号的终止IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。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。,ControlsonCytosolicCalcium,信号的终止：Ca2+被质膜上的钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。,钙结合蛋白：结合Ca2+离子，有许多种.钙调蛋白（calmodulin，CaM）是水溶性的存在于胞质中，由148个氨基酸组成的单条多肽，分子量为16.7kDa，外观呈哑铃型，哑铃型的两个球型末端共结合4个Ca2+，钙调蛋白与Ca2+结合后构象改变，形成Ca2+-CaM复合物而被活化，增强与效应物结合的亲和力。例如：肌球蛋白轻链激酶、cAMP磷酸二酯酶。,（三）Ca2+/CaM复合物介导多种胞外信号诱导的细胞反应,分为两种情况：本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF等的受体；本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。已知六类：受体酪氨酸激酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶、受体酪氨酸磷脂酶、酪氨酸激酶连接的受体、受体鸟苷酸环化酶、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。,三、酶耦联型受体（催化受体）enzymelinkedreceptor,ss,ss,ss,富含Cys结构域,Tyr激酶结构域,免疫球蛋白样结构域,激酶插入结构域,EGF受体,质膜,细胞内,胰岛素受体IGF-1受体,NGF受体,FGF受体,PDGF受体M-CSF受体,VEGF受体,Receptortyrosinekinases,（一）受体酪氨酸激酶,1、酪氨酸激酶胞质酪氨酸激酶：如Src、Tec、ZAP70、JAK；核内酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；受体酪氨酸激酶（RPTKs）：为单次跨膜蛋白，配体（如EGF）与受体结合。导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基。,NH2,TPK自身磷酸化,COOH,单条肽链跨膜糖蛋白N端有配体结合部位C端胞质区含酪氨酸具有特意酪氨酸蛋白激酶活性,ATPADP+Pi,OH,Pi,靶蛋白,靶蛋白磷酸化,受体酪氨酸激酶,一种在细胞膜上一种存在于胞质中,ATPADP+,Pi,Pi,SH2结合位点,细胞质中的酶,细胞膜上,细胞膜上,OH,酶偶联型受体的共同点：单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化，起动下游信号转导。,Receptortyrosinekinases,受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RAS途径、PI3K途径、磷脂酰肌醇途径等。,2、信号分子间的识别结构域SH2结构域（SrcHomology2）介导与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合。SH3结构域（SrcHomology3）介导与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。PH结构域（PleckstrinHomology）与磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合。,注：Src是一种癌基因，最初在（Rous）劳氏肉瘤病毒中发现,RPTK结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化，活化的RPTK激活RAS，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，可使许多底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。,3、RAS信号途径,Ras释放GDP需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；Sos有SH3结构域，但没有SH2结构域，不能直接和受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接。Ras的GTP酶活性不强，需要GAP的参与。,Ras-GEF,RafisaPKthattriggersMAP-Kpathway,c-fos,c-junCellproliferation,RPTK-RasPathway,Grb2:growthfactorreceptor-boundprotein2（Ash蛋白adaptor类）,RPTK-Ras信号途径可概括如下：配体RPTKadaptorGEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子基因表达。,4.PI3KPATHWAY磷脂酰肌醇3-羟基激酶（PH结构域）,作业：试述胰岛素的信号转导机制,PDKisphosphoinositoldependentkinaseAktisPKB,influencecellsurvival,PDK被特异性激酶磷酸化,PKB蛋白激酶B,PDK是磷酸肌醇依赖性激酶,激酶,第四节、胞质受体和核受体,细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。细胞内受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。受体结合的DNA序列是受体依赖的转录增强子。,Intracellularreceptors（Steroidhormonereceptors）,激素结合位点抑制蛋白复合物DNA结合结构域铰链区转录激活结构域,甾类激素分子相对质量为300Da左右，这类激素通常表现为影响细胞分化等长期的生物学效应。甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：直接活化少数基因转录的初级反应阶段，发生迅速。初级反应的基因产物再活化其他基因，产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。,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NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NOS的多少直接与NO的合成有关。,血管平滑肌的松弛是由cGMP介导的蛋白激酶G诱发的,鸟苷酸环化酶Guanylatecyclase,NO的作用机理：乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高Ca2+与CaM结合一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP浓度上升血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降激活蛋白激酶G(PKG)PKG磷酸化并抑制肌动蛋白-肌球蛋白复合物，激活