细胞生物学教学课件第6章 信号传导

第六章细胞信号转导,第二节.细胞内受体介导的信号转导,第三节.蛋白耦联受体介导的信号转导,第四节.酶联受体介导的信号转导,讲授提纲,第五节.其它细胞表面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,五节.信号的整合与控制,五节.信号的整合与控制,第六节.信号的整合与控制,第一节.概述,第二节.细胞内受体介导的信号转导,第三节.蛋白耦联受体介导的信号转导,第一节细胞信号转导概述,一、细胞通讯,细胞通讯：信号细胞发出的信息传递到靶细胞并与相应的受体相互作用，引起靶细胞产生特异性效应的过程。,细胞通讯方式：接触性依赖的通讯间隙连接或胞间连丝实现代谢偶联或电偶联分泌化学信号进行通讯,细胞分泌的信号分子只作用于同种细胞及自身；信号分子分泌细胞具有“信号细胞”和“靶细胞”的双重身份。,分泌化学信号进行通讯,信号细胞分泌的信号分子只能影响到周围近邻的细胞,神经末梢分泌神经递质，作用于突触后靶细胞，传递信号,激素(hormone)：可远距离传递，随血流或汁液（植物）散布全身,-“集团效应”,胞外信号所介导的细胞通讯涉及的步骤：信号细胞合成并释放信号分子转运信号分子至靶细胞信号分子与靶细胞表面受体特异性结合并导致受体激活活化受体启动靶细胞内一种或多种信号转导途径引发细胞代谢、功能或基因表达的改变信号的解除并导致细胞反应终止,信号分子（signalmolecule）：细胞的信息载体，包括化学信号和物理信号。物理信号包括：声、光、电和温度等化学信号包括：亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素亲水性信号分子：神经递质、局部介质和蛋白类激素气体性信号分子：NO、CO,二、信号分子与受体,1.信号分子,2.细胞受体（）,概念：是一种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。具有结合特异性和效应特异性。引起的细胞的反应：细胞内预存蛋白活性或功能的改变快反应细胞内特殊蛋白表达量的改变慢反应分类：细胞内受体(intracellularreceptor)和细胞表面受体(cellsurfacereceptor)。前者与脂溶性信号分子结合，后者与水溶性信号分子结合。,主要识别和结合小的脂溶性分子，如甾类激素、甲状腺素、维生素D、视黄酸等。,1、胞内受体:,于细胞质基质或核基质中,在30min内直接诱导少数专一基因转录,初级反应的转录产物又激活其它基因,2、表面受体,同信号配体结合后，将细胞外信号转变成细胞内信号，引起靶细胞的反应,离子通道关联受体(ion-channel-linkedreceptors),G-蛋白关联受体(G-protein-linkedreceptors),间接调节结合在质膜上靶蛋白(酶或离子通道)的活性,G-蛋白(trimericGTP-bindingregulatoryprotein),酶关联受体(enzyme-linkedreceptors),一次穿膜的蛋白质，外端有配体结合部位，内端为催化部位,多为蛋白质激酶或与蛋白质激酶结合在一起，被激活后，可使靶细胞中专一的蛋白质发生磷酸化,多次穿膜蛋白，信号传递由少量神经递质介导,递质门离子通道(transmitter-gatedionchannels),第1节信号细胞与靶细胞,信号转换器(signaltransducer),根据细胞受体蛋白组检测可用的特定信号组(数百种信号分子)细胞按细胞内的装置对接收的信息在细胞内进行不同的整合和译解,靶细胞：信号分子作用的效应细胞,专一识别信号,反应差异,细胞按发育编程，在不同的分化阶段，分别与不同的专一性信号分子结合,靶细胞中的受体,一类特殊蛋白，同信号分子（配体）专一结合，启动靶细胞反应,第1节信号细胞与靶细胞,三第二信使和分子开关,第二信使学说：胞外化学物质不能进入细胞，作用于细胞表面，产生细胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，产生一定的生理效应。第二信使降解使其信号作用终止。,Sutherland因阐明cAMP的功能并提出第二信使学说获得年诺贝尔医学和生理学奖,第二信使：细胞内产生的非蛋白类小分子，cAMP、cGMP、Ca，DAG，IP（肌醇-1,4,5-三磷酸）、PIP（3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇）,分子开关（molecularswitches）：功能作用依赖细胞外信号的刺激，引发信号转导的级联反应的胞内蛋白。,1992年，EdwinGKrebs和EdmondH.Fischer因为发现蛋白磷酸化和去磷酸化作为生物学调节机制而获得医学和生理学奖。1994年AlfredGGilman和MartinRodbell因发现蛋白及其在细胞信号转导中作用而获得诺贝尔医学和生理学奖。,GTPase分子开关调控蛋白构成的GTPase超家族,蛋白激酶磷酸化靶蛋白，从而调节靶蛋白活性,四.信号转导系统及其特性1.信号转导系统的组成,结合-激活,转导,装配,应答,5.受体脱敏或受体下调,信号转导系统：由不同信号蛋白组成的信号传递链信号蛋白之间通过相互作用而彼此联系相互作用靠蛋白质模式结合域所特异介导结合域通常由40-120个氨基酸残基组成球形结构域球形结构域不具酶活性，但能识别特定基序或修饰位点,2.细胞内信号蛋白复合物的装配,细胞表面受体和某些细胞内信号蛋白通过与大的支架蛋白结合预先形成细胞内信号复合物依赖激活的细胞受体装配细胞内信号蛋白复合物受体结合胞外信号,三种策略,3.信号转导系统的特性,特异性：受体与配体结合特异性，同时存在饱和性和可逆性放大效应：信号传递至细胞内效应器蛋白，引发细胞内信号放大的级联反应网络化与反馈调节机制：细胞对刺激做出适时适度的反应，同时克服分子间相互作用的随机性等负面干扰正反馈及负反馈的调控整合作用：细胞具有整合不同信息，对细胞外信号分子的特异性组合做出程序性的反应，维持生命活动的有序性。,皮质醇受体,雌激素受体,黄体酮受体,维D受体,甲状腺素受体,视黄酸受体,亲脂性信号分子,受体蛋白结构域,第二节细胞内受体介导的信号转导,细胞内受体超家族实质是依赖激素激活的基因调控蛋白。3个功能区：中部结构域高度保守富含Cys，70-80氨基酸组成2个锌指结构信号分子包括类固醇、视黄酸、维生素D和甲状腺素等，跨膜进入细胞内，以激素-受体复合物形式进入核内，结合激素反应元件HRE，影响转录。,两步反应,亲脂性信号分子介导的信号通路,一氧化氮介导的信号通路,NO可引起血管平滑肌舒张，R.Furchgott等3位科学家的研究获得1998年诺贝尔生理学及医学奖。,体内的No可快速扩散，作用于邻近的靶细胞。但NO的半衰期只有2-30s,只能局部扩散，能被很快氧化为硝酸根或亚硝酸根离子。,NO的生成细胞：血管内皮细胞和神经细胞,NO合酶以L-精氨酸为底物，以NADPH为电子供体，生成NO和瓜氨酸。NO激活鸟苷酸环化酶，生成cGMPcGMP激活蛋白激酶G抑制肌动-肌球蛋白复合物导致血管平滑肌舒张,G蛋白偶联受体,磷脂酶C,血管内皮细胞,哺乳动物:近27余种,第三节蛋白耦联受体（GPCR）介导的信号转导,异二聚体形式存在，锚定于膜脂5种亚基，13种亚基,G蛋白：结合GTP的调节蛋白三聚体，位于细胞质基质一侧,G蛋白耦联型受体：7次跨膜蛋白，N端在胞外，识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，将胞外信号转为胞内信号。该大家族包括多种应答蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物的受体。哺乳动物嗅觉、味觉和视觉受体也为此受体。,1、cAMP信号传递途径,效应酶：腺苷酸环化酶5种蛋白组分：,cAMP的产生过程：,腺苷酸环化酶特性,激活性蛋白（Gs）调节模型:激素配体与激活性受体（Rs）结合，导致Rs构象改变，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的亚基构象改变，排斥GDP，结合GTP而活化，Gs蛋白解离出亚基和基复合物。亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子。,抑制性蛋白（Gi）调节模型抑制性激素与相应抑制性受体（），耦联抑制性蛋白（），结果抑制腺苷酸环化酶的活性，降低水平。,高cAMP浓度引起靶细胞的反应:,引起糖原降解，应付细胞对能量的急需,激活特定基因的转录，合成所需的新蛋白,正常浓度不大于,高浓度的降解：,环腺苷酸二酯酶（）可降解,cAMP的降解,激酶A的活化,激酶A（PKA）总是磷酸化相同基序：X-Arg-Arg/Lys-X-(Ser/Thr)-,cAMP激活蛋白激酶A（PKA）,PKA对糖原代谢的调控,PP：磷蛋白磷酸酶；GPK：糖原磷酸化酶激酶；GP：糖原磷酸化酶GS：糖原合酶；IP：磷蛋白磷酸酶抑制酶,霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，致使亚基丧失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。,百日咳毒素：气管上皮细胞催化Gi的亚基ADP核糖基化，防止G蛋白亚基释放，而处于非活化状态。液体、电解质和粘液分泌减少。,活化PKA对基因转录的激活,2、磷脂酰肌醇双信使信号通路,胞外信号分子与细胞表面G-蛋白偶联受体结合，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（DAG）两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号。,刺激磷脂酰肌醇信号通路的外界信号分子有：神经介质类如肾上腺素、5-羟色胺等；某些多肽类激素如V1-后叶加压素、血管紧张素；生长因子如血小板生长因子、T细胞有丝分裂原等。,30,磷脂酰肌醇(PI)磷酸化产生PIP和PIP2两种多磷酸肌醇,质膜,肌醇,双信使系统,1.IP3-Ca2+信号通路,33,钙离子参与细胞内多种重要生理功能及调节，如细胞的收缩、运动、分泌和分裂等。其信号作用是通过其浓度的升高和降低来实现的（细胞内：10-810-7M，比胞外低104105倍）。同其它胞内信使一样，钙离子需与其靶蛋白或靶酶结合才能传递信息，产生细胞效应。细胞中有多种能与其结合的蛋白质，钙调蛋白（calmodulin，CaM）是其中最重要的一种。,34,牛脑钙调蛋白(CaM)的氨基酸序列,Ga2+的应答蛋白：钙调蛋白(calmodulin),钙调素,148个氨基酸残基,4个Ca2+结合位点,结构模式图及其激活机制,动物细胞:107个;1,(A),钙调蛋白调节的酶,2.DAG-PKC信号通路,37,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DAG活化(PIP2水解释放出的DAG是水不溶的(非极性的)，一直停留在质膜上）。PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶，PKC具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，既涉及许多细胞“短期生理效应”如细胞分泌、肌肉收缩等，又涉及细胞增殖、分化等“长期生理效应”。,38,活化的PKC激活基因转录的两条细胞内途径,MAP激酶：促分裂原活化的蛋白激酶（MAPK）,39,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+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。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；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,40,、蛋白耦联受体介导离子通道的调控,是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道(ligandgatedchannel)。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。分为：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。,（1）心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道,细胞膜超极化，减缓心肌细胞的收缩频率,视杆细胞,外节,内节,视紫红质的视盘,（2）Gt蛋白耦联的光受体的活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭,视紫红质(rhodopsin,Rh)为7次跨膜蛋白，是视杆细胞蛋白耦联的光受体，与Rh藕联的G蛋白称为传导素（Gt).,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，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。,降解cGMP的酶为cGMP的磷酸二酯酶PDE,其介导的信号转换：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。,胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用。,受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs）是细胞表面一大类重要受体家族，包括6个亚族，胞外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。RTK主要功能是控制细胞生长、分化而不是调控细胞中间代谢。,45,第四节酶连受体介导的信号,一、受体酪氨酸蛋白激酶及RTK-RAS蛋白信号通路受体,受体酪氨酸激酶被激活后形成胞内信号传递复合物的过程图解,二体型信号分子,Ras蛋白在受体酪氨酸激酶所激起的磷酸化级联反应中的作用图解,受体酪氨酸激酶（RPTK）结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化而活化，活化的RPTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应。RAS蛋白由ras基因编码，有190个氨基酸。,Ras蛋白活化结合GTP的前提是释放GDP，借助鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）；Sos需要接头蛋白（如生长因子受体结合蛋白Grb2）通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与Sos结合。Ras本身的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与，使Ras结合的GTP水解而失活，GAP具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。,二、PI3K-PKB（Akt）信号通路,PI3K：磷脂酰肌醇3磷酸激酶，既具有Ser/Thr激酶活性，又具有磷脂酰肌醇激酶活性。包括p110亚基和p85调节亚基，具有SH2结构域，可结合活化的RTK和多种细胞因子受体胞质内磷酸酪氨酸残基，催化磷脂酰肌醇。PKB（Akt)：PI3K蛋白激酶，分子量60000的Ser/Thr激酶，与PKA和PKC高度同源,N端存在一个PH结构域。作用：活化的PKB抑制细胞凋亡促进胰岛素刺激的葡萄糖摄取与储存,三、转化生长因子TGF-受体及其信号通路,转化因子：细胞外基质中的一类信号分子，已发现仅40种。受体：细胞表面酶联受体，RI、RII、RIIISmad转录因子：3种，R-Smad(Smad3),co-Smad（