第五章：细胞信号转导.ppt

第五章：细胞信号转导,信号转导（signaltransduction）：指外界信号（如光、电、化学分子）与细胞细胞表面受体作用，通过影响细胞内信使的水平变化，进而引起细胞应答反应的一系列过程。,细胞间通信的主要类型：,（一）、细胞间隙连接（gapjunction）是细胞间的直接通讯方式。两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如心肌细胞间的电耦联现象。,间隙连接,细胞间通信的主要类型：,是指细胞通过其表面信号分子（受体）与另一细胞表面的信号分子（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程，即细胞识别（cellrecognition）。,（二）、膜表面分子接触通讯,膜表面分子接触通讯,细胞间通信的主要类型：,化学通讯是间接的细胞通讯，指细胞分泌一些化学物质至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能。根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为4类：1.内分泌（endocrine）：内分泌细胞分泌的激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。其特点是：低浓度：仅为10-8-10-12M；全身性：随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥作用；长时效：激素产生后经过漫长的运送过程才起作用，而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。,（三）、化学通讯,2.旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：各类细胞因子；气体信号分子；3.突触信号：神经递质（如乙酰胆碱）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。4.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。如：大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和rasp21等癌基因表达，从而促进癌细胞的增殖。,各种化学通讯方式,细胞信号转导的作用：,调节代谢：通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质和能量代谢；实现细胞功能：如肌肉的收缩和舒张，腺体分泌物的释放；调节细胞周期：使DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖阶段；控制细胞分化：使基因有选择性地表达，细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞；影响细胞的存活,第一节：信号细胞与靶细胞,生物细胞所接受的信号既可以是物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。信号分子多种多样，可以达几百种。从结构上来分，细胞信号分子主要包括：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等。,一、信号分子：,一、信号分子：,从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类：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、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。,信号分子的特性：,特异性：只能与特定的受体结合；高效性：几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；可被灭活：完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。,特征：1、专一识别信号：细胞在不同的分化阶段，可分别与专一的信号分子结合。2、效应的差异性：一个细胞对环境的反应可以有所不同，这是由于：细胞受体蛋白组检测可用的特定信号；细胞按照细胞内的装置对接收的信息在细胞内进行不同的整合。,二、靶细胞,定义：是信号分子作用的效应细胞,三、靶细胞内的受体,受体（receptor）：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。受体多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体与配体间的作用具有三个主要特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。,三、靶细胞中的受体,根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellularreceptor）和细胞表面受体（cellsurfacereceptor）。细胞内受体：介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体。,细胞内受体,三、靶细胞内的受体,细胞表面受体：介导亲水性信号分子的信息传递，可分为：离子通道型受体G蛋白耦联型受体酶耦联型受体。,细胞表面受体,三、靶细胞内的受体,细胞持续处于信号分子刺激下的时候，细胞通过多种途径使受体钝化，产生适应。如：修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔离，即受体失活(receptorinactivation)。暂时将受体移到细胞内部，即受体隐蔽（receptorsequestration）通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解，即受体下行调节（receptordown-regulation）,第二节胞内受体介导的信号传导,其配体特点：具有疏水性，可以直接穿膜；存在部位：细胞核或细胞质中；大多数细胞内受体为基因调控蛋白；可被配体所激活，从而调控特定基因表达；受体处于两种状态：失活状态；活化状态；启动的基因转录具有细胞类型专一性；,特点：,1、甾类激素类受体：,亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右；,激活基因表达过程：,甾类激素,激素-受体复合物,受体-转录增强子,增加相邻基因的转录水平,1、甾类激素：,甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：初级反应次级反应,2、一氧化氮,（1）、发现：1998年，RFurchgott等三位美国科学家。他们因发现NO作为信号分子而获得诺贝尔医学与生理学奖。,（2）、NO的生成：A、部位：血管内皮细胞和神经细胞；B、生成过程：,乙酰胆碱,胞内Ca2+浓度升高,激活一氧化氮合酶,NO的生成,2、一氧化氮,（3）、一氧化氮的释放：NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。NO扩散进入平滑肌细胞,（4）、作用过程：进入平滑肌细胞后，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2结合，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。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，血流通畅。,鸟苷酸环化酶,NO的作用机制,第三节膜表面受体介导的信号转导,亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）不能直接进入细胞，只能通过膜表面的特异受体传递信号，使靶细胞产生效应。,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，籍此使信号逐级传送和放大。,一、离子通道型受体,离子通道型受体：是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gatedchannel）。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。,离子通道型受体,一、离子通道型受体,神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,神经肌肉接点处的离子通道型受体,二、G蛋白耦联型受体,1、三聚体GTP结合调节蛋白:简称G蛋白，位于质膜胞质侧，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，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；,G蛋白结构,2、G蛋白耦联型受体,G蛋白耦联型受体：为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。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。,G蛋白耦联型受体,（一）cAMP信号途径,该信号通路根据G蛋白的性质不同又可以分为：Gs调节模型和Gi调节模型；,1、Gs调节模型：该信号通路中，G蛋白为Gs，G蛋白耦联型受体为Rs。A、信号转导的通路：Rs的激活和Gs的激活，Gs的激活和腺苷酸环化酶的激活cAMP的生成蛋白激酶A(PKA)的激活cAMP的失活,Rs的激活和Gs的激活,cAMP的生成,蛋白激酶A(PKA)的激活,cAMP的失活,环腺苷酸磷酸二酯酶：可降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用,Gs引起的生理反应,在肌肉细胞中可启动糖原降解为葡糖1-磷酸：,Gs引起的生理反应,某些分泌细胞，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,cAMP信号与基因表达,2、Gi调节模型,该信号通路中，G蛋白为Gi，G蛋白耦联型受体为Ri。主要作用是抑制腺苷酸环化酶的活性。Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：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。,（二）磷脂酰肌醇途径,G蛋白为Gq蛋白；磷脂酶C;PIP2被水解成第二信使：IP3和DG;,1、信号通路特点：,2、IP3的作用：,IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，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。例如：钙调素（calmodulin，CaM）结合钙离子发生构象改变：可进一步激活钙调素依赖性激酶，使特定蛋白发生的苏氨酸和丝氨酸发生磷酸化。,2、IP3的作用的终止：,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,3、DG的作用：,DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）；PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化使不同的细胞产生不同的反应，一般是促进基因的转录；,3、DG的作用的终止：,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；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。,（三）小G蛋白,小G蛋白（SmallGProtein）分子量：2030KD具有GTP酶活性，在多种细胞反应中具有开关作用。第一个被发现的小G蛋白是Ras，它是ras基因的产物。其它的还有Rho，SEC4，YPT1等，微管蛋白亚基也是一种小G蛋白。小G蛋白的共同特点是，当结合了GTP时即成为活化形式，这时可作用于下游分子使之活化，而当GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶）则回复到非活化状态。这一点与G类似，但是小G蛋白的分子量明显低于G。,三、酶耦联型受体,这类受体本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；或者是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。这类受体的共同点是：通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。,三、酶耦联型受体,受体酪氨酸激酶；受体酪氨酸磷脂酶；受体丝氨酸/苏氨酸激酶；受体鸟苷酸环化酶；,可分为：,（一）受体酪氨酸激酶,酪氨酸激酶有的存在于质膜上，为受体酪氨酸激酶，为单次跨膜蛋白，在脊椎动物中已发现50余种；有的存在于细胞质中，称为胞质酪氨酸激酶，有的存在于细胞核称为核内酪氨酸激酶。2、受体酪氨酸激酶（RPTKs）受体酪氨酸激酶的胞外区是结合配体结构域，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。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，富含酪氨酸，并具有自磷酸化位点。,1、酪氨酸激酶,3、受体酪氨酸激酶的激活,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（dimerization）形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互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活性。,信号在细胞内的继续转导,配体RPTK接头蛋白（Grb2）鸟苷酸交换因子（SOS）RasRaf（MAPKKK，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）MAPKK有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）进入细胞核转录因子基因表达。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,例如：RAS信号途径,（二）受体丝氨酸/苏氨酸激酶,简介：受