细胞生物学教学signal-transduction课件

1,CHAPTER8细胞信号转导SignalTransduction,2,LearningObjectives,掌握概念：细胞通讯、细胞信号转导、受体、细胞内受体、细胞表面受体、信号分子、第二信使、分子开关、G蛋白耦联受体、酶连接受体、离子通道耦联受体。了解细胞表面其他酶连受体、细胞表面整联蛋白介导的信号转导、细胞对细胞的整合、细胞对信号的控制。,3,LearningObjectives,掌握细胞通讯的方式、受体的种类特点及功能、信号分子的特点、信号转导系统的组成、信号转导系统的主要特性、细胞内受体的结构、细胞内受体如何激活基因表达的、NO在导致血管平滑肌舒张中的作用、G蛋白耦联受体的结构与激活、cAMP作为第二信使的信号通路、磷脂酰肌醇双信使信号通路、离子通道耦联受体及其信号途径、G蛋白耦联受体介导的离子通道及其调控、酶连接受体介导的信号转导、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路。,4,主要内容,第一节概述一、细胞通讯二、信号转导系统及其特性第二节细胞内受体介导的信号转导一、细胞内核受体及其对基因表达的调节二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合第三节细胞表面受体介导的信号转导第四节信号整合与控制,5,Section1summary,6,一、细胞通讯,7,Cellcommunication,Cellcommunication：thesignalingcellreleasethesignalmolecule，andtransportthesignaltothetargetcell，thesignalwasdetectedbyaspecificreceptorprotein，thenthesignalwastransportedintotargetcell，achangehappenincellularmetabolism,function,ordevelopmentandsoon细胞通讯：一个细胞发出信息通过介质，传递给靶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。,8,细胞信号转导,Signaltransduction：atthecellularlevelreferstothemovementofsignalsfromoutsideofcelltoinside.细胞信号转导：外界信号与细胞表面受体作用，通过影响细胞内信使水平的变化，把信息传递下去的过程,9,（一）细胞通讯的方式,分泌化学信号进行通讯内分泌（endocrine）：激素旁分泌（paracrine）：一些生长因子自分泌（autocrine）：一些生长因子化学突触（chemicalsynapse）：神经递质接触性依赖的通讯（contact-dependentsignaling）细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白间隙连接（gapjunction）实现代谢偶联或电偶联,11,gapjunction,12,gapjunction,13,Communicationbyextracellularsignalsusuallyinvolvessixsteps,(1)synthesis(2)releaseofthesignalmoleculebythesignalingcell;(3)transportofthesignaltothetargetcell;(4)detectionofthesignalbyaspecificreceptorprotein;(5)achangeincellularmetabolism,function,ordevelopmenttriggeredbythereceptor-signalcomplex;(6)removalofthesignal,whichoftenterminatesthecellularresponse.,14,(二）信号分子与受体,Signalmolecule:Thesesubstancesaresynthesizedandreleasedbysignalingcellsandproduceaspecificresponseonlyintargetcellsthathavereceptorsforthesignalmolecules.信号分子：信号细胞合成并释放的分子，能够对靶细胞的受体分子产生特异的结合，是细胞间传递信息的载体分子，包括化学信号和物理信号,15,CharacteristicOfSignalmolecule,Specific（特异性）Efficiency（高效性）beinactivated（可被灭活）,16,(二）信号分子与受体,1、信号分子（signalmolecule）：激素、局部介质、神经递质、气体分子亲脂性信号分子：甾类激素和甲状腺素，与胞内受体结合亲水性信号分子：大多数肽类激素、局部介质、神经递质，与胞膜受体结合气体性信号分子(NO)-starmolecule，直接激活效应酶2、受体（receptor）多为糖蛋白3、第二信使（secondmessenger）4、分子开关（molecularswitches）,17,信号分子,18,Polarsignalandnonpolarsignal,19,2.Receptors,Receptor：thecellularresponsetoaparticularextracellularsignalmoleculedependsonitsbindingtoaspecificreceptorproteinlocatedonthesurfaceofatargetcellorinitsnucleusorcytosol.受体：一种能够识别和选择性结合某种配体传递信息的大分子，大多数在膜上（称为膜受体），少数在胞质内或核内。,20,twofunctionalsitesonthereceptor,Bindingsite:specificityofligandrecognitionandbindingEffectsite:withactivity，specificeffectsoccurred.结合部位：特异性识别配体并结合效应部位：具有活性，发生特异性的效应。,21,受体的功能functionofReceptor,1.介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用)2.信号转导：受体的激活（activation）：级联反应受体失敏（desensitization）：关闭反应减量调节（down-regulation）：降低反应,22,Twomaintypesofcellresponseoccurred,细胞内预存蛋白活性或功能的改变，进而影响细胞功能和代谢影响细胞内特殊蛋白的表达量，通过转录因子激活或抑制基因表达,23,24,receptorscanbedividedintwotypes,细胞内受体（intracellularreceptors）:为胞外亲脂性信号分子所激活，在细胞质或核基质中。如：激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）细胞表面受体（cell-surfacereceptors）:为胞外亲水性信号分子所激活,25,细胞表面受体分属三大家族,离子通道偶联的受体（ion-channel-linkedreceptor）G-蛋白偶联的受体（G-protein-linkedreceptor）酶耦连的受体（enzyme-linkedreceptor）,26,cell-surfacereceptorsandintracellularreceptors,27,28,RelationsbetweenReceptorandsignalmolecule,受体与信号分子特异性结合的主要因素是空间结构的互补性，但并不是简单的一对一的关系。一种信号分子-不同的受体，产生不同的效应一种信号分子-不同细胞的相同受体，产生不同的效应不同信号分子-同一细胞上不同受体，产生相同的效应不同信号分子-同一细胞上不同受体，产生不相同的效应,29,3、第二信使（secondmessenger）,第二信使：在胞内产生的小分子，其浓度变化应答于胞外信号与细胞表面受体的结合，并在细胞信号转导中行使作用。cAMP、cGMP、Ca2+、IP3、DAG等,30,第二信使至少有两个特征是第一信息同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现，仅在细胞内部起作用的信息分子；能启动或调节细胞内稍晚出现的反应。目前公认的第二信使有cAMP、DAG、IP3、cGMP和Ca2+。,31,4、分子开关（molecularswitches）,Molecularswitch:inthecellsignaltransductionprocess,someproteinsthroughtheconversionoftwostatestoregulatetheactivityoftheprotein,playaswitchrole.分子开关（molecularswitches）：在细胞信号转导过程中，一些蛋白通过两种状态的转换来调节蛋白质的活性，起到“开关”的作用。,32,两类分子开关蛋白,GTPase开关蛋白：当结合GTP时开启，结合GDP时关闭蛋白激酶（proteinkinase）、蛋白磷酸酶（proteinphosphatase)：通过使靶蛋白磷酸化和去磷酸化来调节蛋白质活性,33,34,二、信号转导系统及其特性,细胞信号途径的组成：1、细胞通过特异性受体识别胞外信号分子2、信号跨膜转导3、通过胞内级联反应实现信号放大，使细胞活性改变4、信号分子式失活，细胞反应终止或下调,35,信号蛋白,受体蛋白转承蛋白接头蛋白支架蛋白分歧蛋白放大或转导蛋白整合蛋白锚蛋白信使蛋白靶蛋白修饰蛋白潜在基因调控蛋白,36,细胞内信号蛋白的相互作用,细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域的特异性介导的,37,信号转导系统的主要特性,特异性放大作用信号终止或下调特异性组合,38,Section2SignalTransductionbyintracellularreceptors,39,一、细胞内核受体及其对基因表达的调节,Intracellularreceptors:inthenucleusorcytosol,theycanidentifyandcombinesmallhydrophobicsignalmolecules:steroidhormones,thyroidhormone,VD细胞内受体：位于细胞质基质或核基质中，主要是识别和结合小的脂溶性信号分子：甾类激素、甲状腺素、VD,40,基本结构：含三个结构域C端结构域:ligand-bindingdomain中间结构域:DNA-bindingdomainN端结构域:transcription-activatingdomain,41,依赖激素激活的基因调控蛋白，在细胞内，受体与抑制性蛋白结合形成复合物，处于非活化状态，信号分子与受体结合将导致抑制性蛋白离去，使受体通过暴露DNA结合位点而被激活。,42,Aftercrossingtheplasmamembrane,steroidhormonesinteractwithintracellularreceptors,formingcomplexesthatcanincreaseordecreasetranscriptionofspecificgenes.Thesereceptor-steroidcomplexesalsomayaffectthestabilityofspecificmRNAs.Steroidsareeffectiveforhoursordaysandofteninfluencethegrowthanddifferentiationofspecifictissues.,43,两步反应阶段,初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。,44,二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合,ReleaseofacetylcholinefromadjacenttissuespromotesinfluxofCa2+intoendothelialcellsliningbloodvessels.,45,AfterCa2+bindstocalmodulin,theresultingcomplexstimulatestheactivityofNOsynthase.,46,Thenitricoxidethatisformeddiffusesfromtheendothelialcellandintoneighboringsmoothmusclecellswhereitbindstoandactivatessolubleguanylatecyclase.,47,ThesubsequentincreaseincGMPthenleadstomusclerelaxationanddilationofthevessel.Nitricoxidealsohelpscontrolcommunicationatcertainsynapsesinthecentralnervoussystem.,48,49,Processofsignaltransduction,鸟苷环化酶,Fig.NO在导致血管平滑肌舒张中的作用神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞，被激活的血管内皮细胞产生并释放NO，通过扩散进入临近平滑肌细胞，导致血管平滑肌舒张,50,NO介导的信号通路,cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。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，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需氧量。,51,1998年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,52,Section3SignalTransductionbycell-surfacereceptors,53,离子通道耦联的受体（ion-channel-linkedreceptor）G-蛋白耦联的受体（G-protein-linkedreceptor）酶耦连的受体（enzyme-linkedreceptor）,54,一、离子通道耦联的受体（ion-channel-linkedreceptor）,Ion-channel-linkedreceptors:multi-subunitcomposition,therearethesignalbindingsite,butalsobeionchannels,itstransmembranesignaltransductionwithoutintermediatesteps,alsoknownasligand-gatedionchannelorneurotransmitter-gatedchannel离子通道耦联受体：多亚基构成，既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤，又称配体门离子通道或递质门离子通道,55,56,特点：受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白跨膜信号转导无需中间步骤主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性,57,二、G-蛋白耦联的受体的结构与激活,Gproteincoupledreceptors:LigandbindingactivatesaGprotein,whichinturnactivatesorinhibitsanenzymethatgeneratesaspecificsecondmessengerormodulatesanionchannel,causingachangeinmembranepotential.概念：指配体受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道）的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。Thelargestfamilyofcellsurfacereceptorstransmitsignalstointracellulartargetsviatheintermediaryactionofguaninenucleotide-bindingproteinscalledGproteins.,58,59,MorethanathousandsuchGprotein-coupledreceptorshavebeenidentified,includingthereceptorsformanyneurotransmitters,neuropeptides,andpeptidehormones.Inaddition,theGprotein-coupledreceptorfamilyincludesalargenumberofreceptorsthatareresponsibleforsmell,sight,andtaste.TheGprotein-coupledreceptorsarestructurallyandfunctionallyrelatedproteinscharacterizedbysevenmembrane-spanninghelices.,60,GPLR的C端富含Ser和Thr磷酸化位点-受体磷酸化失敏机制,G蛋白偶联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。,G-蛋白偶联受体,61,G-蛋白的结构及活化,62,ThebindingofligandstotheextracellulardomainofthesereceptorsinducesaconformationalchangethatallowsthecytosolicdomainofthereceptortobindtoaGproteinassociatedwiththeinnerfaceoftheplasmamembrane.ThisinteractionactivatestheGprotein,whichthendissociatesfromthereceptorandcarriesthesignaltoanintracellulartarget,whichmaybeeitheranenzymeoranionchannel.,63,64,G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递,cAMP信号通路磷脂酰肌醇信号通路,65,cAMP信号通路,靶蛋白磷酸化,激素,G-蛋白耦联受体,G-蛋白,腺苷酸环化酶,cAMP,cAMP依赖的蛋白激酶A（PKA),基因调控蛋白,基因转录,66,Gs与Gi调节模型,67,ThelevelofcAMPusuallyiscontrolledbythehormoneinducedactivationofadenylylcyclase.AnotherpointofregulationisthehydrolysisofcAMPto5-AMPbycAMPphosphodiesterase.Thishydrolysisterminatestheeffectofhormonestimulation.,68,cAMP-dependentproteinkinaseA,PKA,69,cAMP信号与糖原降解,cAMP信号与基因表达,70,cAMP及其信号放大,71,毒素对cAMP信号途径的影响霍乱毒素(choleratoxin):具有ADP-核糖转移酶活性能把NAD+上的ADP-核糖转移到Gs蛋白的亚基上，使G蛋白GTPase活性丧失，GTP无法水解，cAMP水平增加。百日咳毒素(whoopingcouchtoxin)作用机理同霍乱毒素相同，但是使Gi蛋白进行ADP核糖化,GDP无法释放，Gi被锁定在非活化状态，其结果也是使cAMP的浓度增加。,72,磷脂酰肌醇信号通路(phosphoinositides,PI),G蛋白偶联受体系统的一种。该通路也称IP3、DAG、Ca2+信号通路,或称为PKC(ProteinkinaseC)系统。signalmoleculesThesignalmoleculesofstimulatinginositollipidshaveavarietyofhormones,neurotransmitters,andsomelocalmedias.Thesesignalmoleculeswiththereceptorbinding,andfurtheractivatethephosphataseC,producestwosecondmessengers.刺激肌醇酯(inositollipids)的信号分子有各种激素、神经递质类和一些局部介质。这些信号分子通过与受体的结合，并进一步激活磷酸酯酶C，产生两个第二信使。,73,磷脂酰肌醇信号通路,反应链：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DAG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH,即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（DAG）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）。,74,磷脂肌醇信号途径,75,详细机制：IP3与内质网上的IP3配体闸门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。DAG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DAG活化。PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而使不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。,76,IP3动员细胞Ca2+释放IP3moleculesformedatthemembranediffuseintothecytosolandbindtoaspecificIP3receptorlocatedatthesurfaceofthesmoothendoplasmicreticulum.TheIP3receptordoesmorethanbindaligand;itisalsoatetramericCa2+channel.BindingofIP3opensthechannel,allowingCa2+ionstodiffuseintothecytoplasm.Calciumionscanalsobeconsideredasintracellularmessengersbecausetheybindtovarioustargetmolecules,triggeringspecificresponses.,77,IP3和DAG的作用,78,蛋白激酶C活化基因的作用,PKC是钙和磷脂依赖性酶，在未受刺激的细胞中,PKC主要分布在细胞质中,呈非活性构象。它的激活需有Ca2+、DAG和脂的存在。,79,Ca2+的第二信使作用Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，而这种调节作用是通过改变胞质中Ca2+浓度进行的。Calciumionsplayasignificantroleinaremarkablevarietyofcellularactivities,includingmusclecontraction,celldivision,secretion,endocytosis,fertilization,synaptictransmission,metabolism,andcellmovement.,80,钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。,81,钙调蛋白(calmodulin)Eachmoleculeofcalmodulincontainsfourbindingsitesforcalcium.CalmodulindoesnothavesufficientaffinityforCa2+tobindtheioninanon-stimulatedcell.If,however,theCa2+concentrationrisesinresponsetoastimulus,theionsbindtocalmodulin,changingtheconformationoftheproteinandincreasingitsaffinityforavarietyofeffectors.,82,细胞中Ca2+浓度的调节,83,信号的终止IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。DAG通过两种途径终止其信使作用：a，被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；b，被DG酯酶水解成单酯酰甘油。,84,信号的终止,由于DAG代谢周期