南开大学 膜与细胞生物物理-细胞跨膜信号传导

1、1Chapter 4 细胞跨膜信号转导细胞跨膜信号转导 2现代科学认为，世界由物质、能量、信息物质、能量、信息三大要素构成。生物细胞具有极其复杂的生命活动，是一个开放系统，必须与外界进行物质、能量和信息的交换。物质和能量较易理解，本章介绍信息交流。信息一般要通过其物质体现形式信号体现出来，甚至转化或编码为某种符号加以传输。4.1 概述概述34.1.1 细胞信号的主要种类和来源细胞信号的主要种类和来源1.生物大分子的结构信息蛋白质、核酸、多糖的序列和三维结构中包含的信息2.物理信号 主要是电信号3.化学信号 起信号作用的分子。广义狭义4细胞外信号的来源与传导细胞外信号的来源与传导内分泌旁分泌自分

2、泌 （病理，肿瘤细胞）通过化学突触传递神经信号（神经系统）细胞间接触性依赖的通讯 （胚胎发育中细胞的分化）通过细胞间隙传递信号物质 （细胞间的缝隙连接）567化学信号分子（第一信使）的种类化学信号分子（第一信使）的种类激素（激素（Hormone）：）：肾上腺素、胰岛素等（内分泌腺分泌到体液中）递质（递质（Transmitter）：）：突触传递（乙酰胆碱、去甲肾上腺素、-氨基丁酸等）细胞因子（细胞因子（Cytokine）：）：细胞产生的多肽或蛋白质类物质，体液中仅含ng/ml或pg/ml浓度，半衰期为数分钟至数小时，但有很强的生物活性。 激素与细胞因子无本质区别8表 126页94.1.2 细胞通

3、讯的一般过程细胞通讯的一般过程 信号分子的产生信号分子的产生 信号分子信号分子 细胞识别（细胞识别（Cell recognition） 受体蛋白受体蛋白 信号转导（信号转导（Signal transduction） 胞内信号胞内信号 特定基因表达特定基因表达u 应答反应应答反应 10细胞的应答反应细胞的应答反应 酶活性的变化；酶活性的变化； 基因表达的变化；基因表达的变化； 细胞骨架构型；细胞骨架构型； 通透性的变化；通透性的变化； DNA合成活性的变化；合成活性的变化； 细胞死亡程序的变化等。细胞死亡程序的变化等。11细胞信号传导的一般过程细胞信号传导的一般过程1、启动、启动 配体与受体结合

4、，启动膜内侧级联反应，将 信号传给第二信使分子。2、放大和整合、放大和整合 多种信使分子通过不同通路激活一系列蛋白 激酶传导信息，实现信号的放大与整合。3、效应、效应 信号分子或转录因子进入细胞核，与基因相 互作用，调节蛋白质合成或细胞分泌、运动、 形态变化和凋亡。4、终止、终止 通过负反馈途径，活化抑制因子或灭活因子， 终止信号的启动作用。第二信使第二信使蛋白激酶蛋白激酶酶蛋白酶蛋白DNAmRNA转录因子细胞生理功能的调节12细胞信号转导系统的特点细胞信号转导系统的特点 特异性 放大 整合 适应/失敏13特异性放大失敏/适应整合144.1.3 受体受体一、受体的特性：一、受体的特性：识别自己

5、特异的信号物质（配体）。将信号转变为胞内的反应信号转导（signal transduction）启动一系列过程，最终表现为生物学效应。二、二、 配体配体一些信号分子，除了与受体结合外， 本身无其他功能。本身不参加代谢产生有用产物，不直接诱导任何细胞活性，更无酶的活性。15、受体的基本结构：、受体的基本结构： 膜蛋白 糖蛋白 两个功能域：与配体结合的功能域 产生效应的功能域 分别具有：结合特异性（配体与受体的互补） 效应特异性 对于同一种信号分子，不同的靶细胞有不同的受体，产生不同的效应 。 Ach 骨骼肌收缩 心肌 降低收缩频率 唾液腺分泌16四、受体与配体结合的特征四、受体与配体结合的特征特

6、异性高亲和力 胰岛素与胰岛素受体：kd=2*10-8mol/L1.饱和性 但受体数目恒定也是相对的，配体本身可一定程度调节受体浓度17五、激动剂与拮抗剂五、激动剂与拮抗剂配体可分两类：激动剂：激动剂：与受体结合后，激活受体活性。拮抗剂：拮抗剂：与受体结合后，不引起反应，相反还抑制了 激动剂与受体的结合，从而抑制了激动剂的作用。18非竞争性拮抗剂与受体的结合位点与激动剂不同 效应竞争性拮抗剂与受体的结合位点与激动剂相同效应HH六、竞争性拮抗剂和非竞争性拮抗剂六、竞争性拮抗剂和非竞争性拮抗剂19EC50与与IC50EC50表示50%最大效应对应的激动剂浓度 效应加入竞争性拮抗剂，最大效应不变，EC

7、50右移效应加入非竞争性拮抗剂，最大效应减小，EC50不变EC50EC50HH20激动剂的作用IC50拮抗剂浓度 IC50表示抑制了某浓度激动剂效应50%的拮抗剂浓度21 七、受体的分类七、受体的分类 细胞信号分子根据其溶解性可分为亲脂性和亲水性两类。亲脂性信号分子：亲脂性信号分子： 受体在细胞内受体在细胞内主要是甾体类激素和甲状腺素，它们分子小、疏水性强，可直接进入细胞，与细胞质或细胞核中受体结合形成激素-受体复合物，调控基因表达。亲水性信号分子：受体在细胞外亲水性信号分子：受体在细胞外大部分激素、递质和细胞因子都是亲水性的，他们不能穿过细胞膜，只能通过与靶细胞表面受体结合，经信号转导机制，

8、在胞内产生第二信使或激活蛋白激酶的活性，引起细胞效应。 22细胞受体的种类细胞受体的种类细胞内受体细胞内受体细胞表面受体的种类细胞表面受体的种类离子通道受体：离子通道受体：即有信号接收部位，又是离子通道，跨膜转导无需中间步骤，反应快速（ms），如Ach受体通道（N型Ach受体）。G蛋白偶联型受体：蛋白偶联型受体：受体中最重要的一类，必须与G蛋白偶联才能将信号转导到胞内，产生第二信使如cAMP，cGMP，DAG，IP3等。（共同特征：七次跨膜）具有酶活性的受体：具有酶活性的受体：即具有受体功能，又具有酶活性，可将胞外信号直接转化为胞内效应。2324膜表面受体主要有三类 252627284.1.4

9、 第二信使第二信使 （针对细胞表面受体）（针对细胞表面受体）？29大多数激素类信号分子不能直接进入细胞，只能通过同膜大多数激素类信号分子不能直接进入细胞，只能通过同膜受体结合后进行信息转换，通常把细胞外的信号称为第一受体结合后进行信息转换，通常把细胞外的信号称为第一信使，而把细胞内最早产生的信号物质称为第二信使。信使，而把细胞内最早产生的信号物质称为第二信使。第二信息至少有两个特征第二信息至少有两个特征: : 是第一信息同其膜受体结合后最早在胞膜内侧或胞浆是第一信息同其膜受体结合后最早在胞膜内侧或胞浆中出现，仅在细胞内部起作用的信息分子；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

10、内稍晚出现的反应。能启动或调节细胞内稍晚出现的反应。 第二信使的概念与特征第二信使的概念与特征30第二信使生成酶功能 cAMPAC活化PKAcGMPGC活化PKGDAG/DGPLC活化PKCIP3PLC调节Ca2+释放Ca2+调节CaM-PK等神经酰胺神经鞘氨酯酶调节磷酸酯酶等cADPRADP核糖环化酶调节Ca2+释放NONOS调节GC31信号传导的分子开关信号传导的分子开关第二信使靶标的开关第二信使靶标的开关32激酶激酶(kinase)：使底物蛋白质氨基酸残基（Ser, Thr, Tyr）磷酸化，从而使其活化。磷酸酶磷酸酶(phosphatase)：底物去磷酸化，失活。蛋白酶：蛋白酶：使蛋白

11、质肽键断裂，蛋白质水解为短肽或氨基酸。酯酶：酯酶：使底物酯键断裂。常用的概念：常用的概念：33The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1992“for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism”Edwin Krebs and Edmond Fischer发现了磷酸化和蛋白激酶的重要作用，获1992年Nobel Prize。34 信号通路n信号通路（signaling pathway）指细胞接受

12、外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应。n在细胞中，各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递，构成信号转导通路（signal transduction pathway）。35n不同的信号转导通路之间发生交叉调控（cross talking），形成复杂的信号转导网络（signal transduction network）系统 。信息传递途径的交联对话表现为：（1）一条信息途径的成员，可参与激活或抑制另一条信息途径。如促甲状腺素释放激素与膜受体结合后，通过Ca2+磷脂依赖性蛋白激酶系统激活PKC，同时Ca2+浓度增高会激

13、活腺苷酸环化酶，生成cAMP，进而激活PKA。 36（2）两种不同的信息途径可共同作用于同一种效应蛋白或同一基因调控区而协同发挥作用。如糖原磷酸化酶，其，亚基可被PKA磷酸化而使酶活化，亚基可与Ca2+磷脂依赖性蛋白激酶系统通路产生的Ca2+结合而使酶活化。上述两条途径在核内可使转录因子CREB的Ser 133激酶磷酸化而活化，进而调控多种基因表达。37（3）一种信息分子可作用几条信息传递途径。如胰岛素与膜受体结合后，可通过受体底物激活， PLC 产生 IP3 和 PAG ，激活 PKC ；另外也可激活 Ras 途径。 38n细胞在转导信号过程中所采用的基本方式包括： 改变细胞内各种信号转导分

14、子的构象； 改变信号转导分子的细胞内定位； 促进各种信号转导分子复合物的形成或解聚； 改变小分子信使的细胞内浓度或分布。394.2 细胞内受体介导的信号传导40细胞内受体的结构（下页）： 激素结合位点 C端 DNA和抑制蛋白结合位点 中部 转录激活位点 N端4142信号作用与传递过程生物学作用：调控基因的表达 信号如何放大： 初级反应 次级反应43甾类激素介导的信号通路甾类激素介导的信号通路uu 初级反应阶段：直接活化少初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速；数特殊基因转录的，发生迅速；uu次级反应：初级反应产物再活化次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用其它基因产

15、生延迟的放大作用反应阶段：反应阶段：44NO是一种信号分子是一种信号分子 自1980年，一氧化氮在生物学上的重要地位被提出以后，出现了超越万份以上的研究论文。1992年一氧化氮被科学杂志推举为“本年度明星分子本年度明星分子”。1998年诺贝尔的生理医学奖项颁给福察哥（Furchgott）、伊那罗（Ignarro）、和慕拉 （Murad）三位美国科学家，为了奖励他们在一氧化氮（Nitric Oxide）方面的研究。他们发现一氧化氮是一种气体，在人体内扮演着传递重要讯息和调节细胞功能的角色。这个震惊各界具有革命性的发现证实了：一氧化氮能促进血液循环。这是人类前所未有的发现。 1998年诺贝尔生理医

16、学奖得主路易斯博士认为：解决心脑血管疾病的唯一途径是提升体内的一氧化氮。 45 NO的产生和作用途径的产生和作用途径NO很容易从制造的细胞中扩散出来并且进入到邻近的细胞。由于NO的半衰期很短(5-10秒钟)，所以它只能作用于相邻细胞。NO作用的靶酶是鸟苷环化酶，使GTP转变成cGMP。 cGMP又作为新的信使分子46NO的作用机制 乙酰胆碱平滑肌细胞内皮细胞精氨酸鸟苷酸环化酶瓜氨酸钙调素47生理学功能生理学功能: 舒张血管 长时程记忆48494.3 离子通道偶联受体 介导的细胞信号传导离子通道受体是由多亚基组成的受体离子通道复合物，本身即有信号接收部位，又是离子通道，跨膜转导无需中间步骤，反应

17、快速，又称配体门离子通道（ligand-gated channel）主要分布于神经细胞、肌细胞或其他可兴奋细胞间突触传递。 神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，从而导致通道的打开或关闭，改变质膜对离子的通透性，在毫秒内将胞外化学信号转变为电信号，继而改变突触后细胞兴奋性。50离子通道偶联受体与信号传导51乙酰胆碱的突触传递：52乙酰胆碱受体534.4 G蛋白偶联受体介导的细胞信号传导54什么是什么是G蛋白？蛋白？ GTP binding regulatory protein GTP GDPReceptor + ligand G-protein Enzyme second messen

18、ger target（重要的细胞信号传导通路）4.41 G蛋白蛋白55 二 发现与研究： 1971年，Rodbell发现胰高血糖素激活大鼠cAMP需要GTP存在，提出受体与效应器之间应存在一个转换器。1977年，Ross和Gilman证实此转换器为G蛋白。1980年，Gilman和他的同事纯化了Gs蛋白。此后十多年，G蛋白及其偶联受体以及其介导的信号转导通路迅速发展。Rodbell和Gilman获得1994年诺贝尔医学和生理学奖。56The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994“for their discoveries of G-protein

19、s and the role of these proteins in signal transduction in cells”美国科学家Alfred G Gilman and Martin Rodbell 因发现G蛋白获1994年Nobel Prize。57三三 G蛋白的种类与结构蛋白的种类与结构 存在于质膜的胞浆一侧 G蛋白是一个异三具体的蛋白质，由、三个亚基组成。其中亚基具有GTPase活性，在信号传导中起分子开关的作用； 、共价结合锚定于膜上，起稳定亚基的作用。G蛋白是一个有很多成员的蛋白家族，各种G蛋白差异主要在亚基上。至2001年，已确定23种G，5种G和10种G ，可以有上千种

20、组合。58G蛋白偶联系统的组成:膜结合机器 Effector第二信使第二信使594.42 G蛋白偶联的受体蛋白偶联的受体 G蛋白偶联的受体是受体中最重要的一类，必须与G蛋白偶联才能将信号转导到胞内，产生第二信使。 G蛋白偶联的受体是细胞表面有单条多肽链7次跨膜形成的受体，N端在胞外，C端在胞内，受体的氨基酸序列含有7个疏水残基肽段，形成7次跨膜螺旋。其中H5-H6之间的连接区和C端对受体与G蛋白的结合至关重要。60G蛋白偶联受体的结构 C-terminal: Ser- and Thr-rich -the sites of phosphorylation make for the desensi

21、tization of GPLR. G protein-linked receptors61Effector第二信使第二信使G蛋白介导的跨膜信号转导模型蛋白介导的跨膜信号转导模型621234636465G蛋白可以作用于不同的效应蛋白（Effector），产生不同的信号分子，从而启动不同的细胞内信号通路，主要包括： cAMP信号通路信号通路 磷脂酰肌醇信号通路磷脂酰肌醇信号通路66674.43 G蛋白介导的蛋白介导的cAMP-PKA信号通路信号通路 1. 调节过程：调节过程： 受体 G蛋白 腺苷酸环化酶的活性 细胞内信号分子cAMP的水平。 效应分子：腺苷酸环化酶（ATP-cyclase，AC)

22、 第二信号分子：cAMP 作用：调节cAMP的水平（升高或降低） 682. cAMP信号通路的组成成分：信号通路的组成成分： 胞外信息分子胞外信息分子 通过这一途径传递信号的第一信使主要有儿茶酚胺类激素、胰高血糖素等（含氮激素）。 信号信号受体受体（Receptor） 7次跨膜的膜整合蛋白。胞外信息分子结合形成激素-受体的复合物、使受体变构激活。 G-蛋白蛋白 激活的受体催化Gs的GDP与GTP交换，亚基与二聚体解离、形成s-GTP， G-蛋白被活化，进而可激活下游的效应物。二聚体在信号传导和信息通路的交联对话中也起着重要作用、能够独立激活G蛋白活化所产生的效应器。二聚体参与PH结构域（如AC

23、、PLC、Ras、MAPK等）的调节、改变相应酶活性。GTP水解构成G蛋白循环。69 效应物（靶蛋白）效应物（靶蛋白） 腺苷酸环化酶 AC 第二信使第二信使cAMP s-GTP激活下游的效应物腺苷酸环化酶（AC），催化ATP转化成cAMP。cAMP经磷酸二酯酶降解成5-AMP、胰岛素能激活该酶、茶碱则抑制酯酶。cAMP是分布广泛而重要的第二信使、细胞内的平均浓度为106mol/L、其浓度受腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶调节。70在信号传递中，必有正、负两种相辅相成的反在信号传递中，必有正、负两种相辅相成的反馈机制来调控其传递！馈机制来调控其传递！激活型激活型 由激活型的信号作用于激活型的受体，经激活

24、型的由激活型的信号作用于激活型的受体，经激活型的G蛋白去激活腺苷酸环化酶，从而提高蛋白去激活腺苷酸环化酶，从而提高cAMP的浓度的浓度引起细胞的反应。引起细胞的反应。抑制型抑制型 通过抑制型的信号分子作用于抑制型的受体，经抑通过抑制型的信号分子作用于抑制型的受体，经抑制型的制型的G蛋白去抑制腺苷酸环化酶的活性。蛋白去抑制腺苷酸环化酶的活性。71激活型、抑制型系统组成激活型、抑制型系统组成激活型激活型抑制型抑制型受体受体激活型受体激活型受体(Rs)（接受肾上腺素等）（接受肾上腺素等）抑制型受体抑制型受体(Ri)（接受胰高血糖素等）（接受胰高血糖素等）G-蛋白蛋白激活型的激活型的G-蛋蛋白（白（G

25、s）抑制型抑制型G-蛋白蛋白(Gi)靶蛋白靶蛋白腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 （AC）7273 cAMP信号传导通路中的主要组分信号传导通路中的主要组分Rs, Gs, Ri, Gi ACACRiGsGiRs743. Gs 的调节途径的调节途径75Step 2 and step 376Step 4, 5, 6774. Gi的调节途径：的调节途径：785. 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶AC79RsGsRiGiACATPcAMPPKAAMPGTPGDPGTPGDPPDEFskCTxPTxCaffeine刺激信号抑制信号806. cAMP信号通路效应信号通路效应ATP cAMPMg2+ ，or Mn2+腺苷酸

26、环化酶腺苷酸环化酶激活靶酶激活靶酶蛋白激酶蛋白激酶A（Protein kinase A，PKA）级联反应级联反应信号的解除：信号的解除：环腺苷酸磷环腺苷酸磷酸二酯酶酸二酯酶5-AMP81蛋白激酶蛋白激酶A的激活的激活调节亚基调节亚基 催化亚基催化亚基PKA是一种由四个亚基构成的寡聚体。其中有两个亚基为催化亚基，另两个亚基为调节亚基。当调节亚基与cAMP结合后发生变构（每一调节亚基可结合两分子cAMP），与催化亚基解聚，从而激活催化亚基。8283蛋白激酶蛋白激酶A的作用机理的作用机理被激活的蛋白激酶A可以以两种方式起作用: PKA对糖代谢的调节作用：PKA可促使多种酶或蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的

27、磷酸化，从而调节酶的催化活性或蛋白质的生理功能。例如肾上腺素调节糖原分解的级联反应。 直接激活特定的转录调控因子 （cAMP response element binding protein，or CREB）。 84肾上腺素的肾上腺素的cAMP信号转导机制信号转导机制激素（胰高血糖素、肾上腺素等）激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+ 受体受体 腺苷环化酶腺苷环化酶 （无活性（无活性）腺苷环化酶（有活性）腺苷环化酶（有活性） ATP cAMP PKA(无活性无活性) PKA(有活性有活性) 磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶 磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶-P Pi 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶-1 Pi Pi 磷

28、蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶-1 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶-1 磷蛋白磷酸酶抑制剂磷蛋白磷酸酶抑制剂-P 糖原合酶糖原合酶 糖原合酶糖原合酶-P 磷酸化酶磷酸化酶b 磷酸化酶磷酸化酶a-P 85PKA 对对底底物物蛋蛋白白的的磷磷酸酸化化作作用用组组蛋蛋白白失失去去对对转转录录转转录录，促促进进的的阻阻遏遏作作用用蛋蛋白白质质的的合合成成核核蛋蛋白白体体蛋蛋白白 加加速速翻翻译译促促进进蛋蛋白白质质的的合合成成细细胞胞膜膜蛋蛋白白膜膜蛋蛋白白构构象象及及改改变变膜膜对对水水及及离离子子功功能能改改变变通通道道的的通通透透性性微微管管蛋蛋白白构构象象和和功功能能改改变变 影影响响细细胞胞分分泌泌心心肌

29、肌肌肌原原蛋蛋白白 易易与与C Ca a2 2+ +结结合合加加强强心心肌肌收收缩缩底底物物蛋蛋白白磷磷酸酸化化的的后后果果生生理理意意义义组组蛋蛋白白失失去去对对转转录录转转录录，促促进进的的阻阻遏遏作作用用蛋蛋白白质质的的合合成成核核蛋蛋白白体体蛋蛋白白 加加速速翻翻译译促促进进蛋蛋白白质质的的合合成成细细胞胞膜膜蛋蛋白白膜膜蛋蛋白白构构象象及及改改变变膜膜对对水水及及离离子子功功能能改改变变通通道道的的通通透透性性微微管管蛋蛋白白构构象象和和功功能能改改变变 影影响响细细胞胞分分泌泌心心肌肌肌肌原原蛋蛋白白 易易与与C Ca a2 2+ +结结合合加加强强心心肌肌收收缩缩底底物物蛋蛋白白

30、磷磷酸酸化化的的后后果果生生理理意意义义cAMP变构激活变构激活PKA，PKA磷酸磷酸化激活磷酸化激酶，再磷酸化激化激活磷酸化激酶，再磷酸化激活糖原磷酸化酶活性，促进糖原活糖原磷酸化酶活性，促进糖原分解的调节。分解的调节。8687 PKA对基因表达的调节作用：对基因表达的调节作用：n在基因转录调控区有一共同的DNA序列（TGACGTCA），称为cAMP应答元件（cAMP response element, CRE）、可与cAMP应答元件结合蛋白（cAMP response element bound protein, CREB）相互作用而调节此基因的转录。nPKA的催化亚基进入胞核后、催化CR

31、EB中特定的丝氨酸/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、从而激活受CRE调控的基因转录。nPKA还可使细胞核内蛋白质等磷酸化、影响这些蛋白质的功能。88cAMP activate protein kinase A, which phosphorylate CREB（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription.CRE is cAMP response element in DNA with a motif 5TGACGTCA3 89cAMP信号放大信号放大直接激活特定的转录调控因子直接

32、激活特定的转录调控因子 90直接激活特定的直接激活特定的转录调控因子转录调控因子 91 4.44 G蛋白介导的磷脂酰肌醇信号通路蛋白介导的磷脂酰肌醇信号通路该通路也称该通路也称IP3-DAG-Ca2+信号通路，或称为信号通路，或称为PKC (Protein kinase C)系统。系统。G-蛋白蛋白激活磷酯酶激活磷酯酶C(PLC)PIP2IP3DG受体受体组成成分：组成成分： 信号信号受体（受体（Receptor）：接）：接受的信号分子有各种激素、神受的信号分子有各种激素、神经递质类和一些局部介质。经递质类和一些局部介质。 G-蛋白蛋白 效应器：磷脂酶效应器：磷脂酶 C （PLC）92磷脂酰肌

33、醇的信号传导途径磷脂酰肌醇的信号传导途径磷脂酰肌醇的信号传导途径磷脂酰肌醇的信号传导途径94磷脂酰肌醇代谢途径：肌醇三磷酸（IP3）和二酰甘油（DAG）的合成来自膜结合的磷脂酰肌醇（PI）95DAG, IP3的产生过程：96PLC催化DAG和IP3的生成97IP3 胞内胞内Ca2+浓度升高浓度升高 Ca2+结合蛋白结合蛋白(CaM) 细胞反应细胞反应DG 激活激活PKC 蛋白磷酸化蛋白磷酸化 或促或促Na+/H+交换使胞内交换使胞内pH内源内源Ca2+库库（内质网中的（内质网中的Ca2+ ）磷脂酰肌醇信号通路效应磷脂酰肌醇信号通路效应98 蛋白激酶蛋白激酶C的激活的激活 CaM 受受CaM调节

34、的酶调节的酶:腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶鸟苷酸环化酶鸟苷酸环化酶钙调蛋白激酶钙调蛋白激酶Ca2+-ATP酶酶 PKC由一条多肽链组成，含一个由一条多肽链组成，含一个催化结构域和一个调节结构域，两者催化结构域和一个调节结构域，两者活性中心部分贴近或嵌和，活性中心部分贴近或嵌和， PKC的的调节结构域与调节结构域与DAG结合使其构象改变，结合使其构象改变，暴露活性中心而被激活。暴露活性中心而被激活。 PIP2水解释放出的水解释放出的DAG是水不溶是水不溶的（非极性的），一直停留在质膜上。的（非极性的），一直停留在质膜上。 一旦一旦IP3动员释放了动员释放了Ca2+，DAG在在 Ca2+和磷脂酰丝氨酸

35、（和磷脂酰丝氨酸（ PS ，phosphatidylserine）的存在下使）的存在下使PKC结合到质膜上并使之激活。结合到质膜上并使之激活。 4个结构域，每个结个结构域，每个结构域结合一个构域结合一个Ca2+99DAG激活PKC信号途径PKC:101nPKC被激活后可引起一系列靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基发生磷酸化反应。nPKC能催化质膜的Ca2+通道磷酸化，促进Ca2+ 流入胞内，提高胞浆Ca2+浓度；PKC也能催化肌浆网的Ca2+ -ATP酶磷酸化，使钙进入肌浆网，降低胞浆的Ca2+浓度。由此可见，PKC能调节多种生理活动，使之处于动态平衡。PKC对代谢的调节作用对代谢的调节作用102nP

36、KC对基因的活化过程可分为早期反应和晚期反应两个阶段。PKC能使立早基因的反式作用因子磷酸化，加速立早基因的表达。立早基因多数为细胞原癌基因（如 c-fos、AP-1/jun），它们表达的蛋白质具有跨越核膜传递信息之功能，因此称为第三信使。第三信使受磷酸化修饰后，最终活化晚期反应基因并导致细胞增生或核型变化。n促癌剂佛波酯（phorbol ester）作为PKC的强激活剂而引起细胞持续增生，诱导癌变。 PKC对基因表达的调节作用对基因表达的调节作用103PKC 对基因的早期活化和晚期活化对基因的早期活化和晚期活化104活化的活化的PKC激活基因激活基因转录的两条细胞内途转录的两条细胞内途径：径

37、：1. PKC激活MAPK，MAPK活化基因调控蛋白Elk-1，Elk-1与另一种DNA结合蛋白血清应答因子SRF共同结合在DNA调控序列（血清应答元件，SRE）上，调节基因转录。2.PKC活化导致I-B磷酸化，使基因调控蛋白NF-B与 I-B 解离并转位至细胞核，与相应的基因调控序列结合激活基因转录。105PKC的激的激活与活与基因基因调控调控Figure Two intracellular pathways by which activated C-kinase can activate the transcription of specific genes. In one (red ar

38、rows) C-kinase activates a phosphorylation cascade that leads to the phosphorylation of a pivotal protein kinase called MAP-kinase, which in turn phosphorylates and activates the gene regulatory protein Elk-1. Elk-1 is bound to a short DNA sequence in association with another DNA-binding protein. In

39、 the other pathway (green arrows) C-kinase activation leads to the phosphorylation of Ik-B, which releases the gene regulatory protein NF-kB so that it can migrate into the nucleus and activate the transcription of specific genes. 106n钙调蛋白（calmodulin, CaM）是一种分子量为17kD，耐热、耐酸的钙结合蛋白质，由148个氨基酸残基构成。n一分子的C

40、aM可结合四分子的Ca2+。当胞浆Ca2+的浓度高到10-9mol/L时、Ca2+结合后，可发生变构， Ca2+CaM复合物的功能主要有以下方面。Ca2+CaM（钙调蛋白）依赖性途径（钙调蛋白）依赖性途径107n1.Ca2+内流 开放质膜和肌浆网的Ca2+通道；质膜Ca2通道开放钙库Ca2通道开放Ca2浓度升高108n2. 激活依赖CaM的蛋白激酶（CaMPK） CaMPK 是一种作用底物非常广泛的蛋白激酶，通过对这些酶或蛋白质的磷酸化修饰，产生相应的调节作用；nCaM激活靶酶的机制：靶酶存在自抑制结构域，结合CaM后，消除了自抑制作用而被活化。 109110111n3. 激活其他关键性的酶，

41、如：控制信息传递中，第二信使cAMP合成与分解的腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶；在糖原合成与分解中能提供和储存能量的磷酸化酶激酶和糖原合酶激酶，能调节细胞内钙离子浓度，起着钙泵作用的Ca2+-ATPase，还有与平滑肌收缩有关的肌球蛋白轻链激酶等。 112 Ca2+依赖性信息转导过程依赖性信息转导过程H + RGpPLCPIP2DAGIP3内质网内质网IP3受体受体胞液胞液Ca2+CaMCaMPK靶酶靶酶/蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化生理效应生理效应TPK的的磷酸化磷酸化113The pathway throughphospholipase C results in a rise in intracel

42、lular Ca+ Cytosolic calcium levels are determined by events within a membrane. 114vIP3-Ca2+ pathway and DG-PKC pathwaySignalsGPLR GP PLC IP3 and DAG (twin signals).IP3 IP3 receptor(Ca2+ channel, located at the surface of sER) Elevation of cytosolic Ca2+; DAG activates PKC to phosphoralate Ser and Th

43、r on target proteins.Calcium binds to calcium-binding proteins(CaM) which affects other proteins.115 受体蛋白既是受体又是酶，配体与受体结合激活受体酶活性。都是一次跨膜的，细胞内结构域常常具有某种酶的活性，通过形成同源或异源二聚体发挥作用，一旦与配体结合即具有酶活性并将信号放大，又称催化受体（catalytic receptor）。但并非所有的酶联受体的细胞内结构域都具有酶活性，所以，按照受体的细胞内结构域是否具有酶活性将此类受体分为两大类：缺少细胞内催化活性的酶联受体，和具有细胞内催化活性的受

44、体。 这类受体传导的信号主要与细胞生长、分裂有关。4.5 与酶连接的受体介导的信号转换与酶连接的受体介导的信号转换116酶酶联联受受体体117酶联受体的种类酶联受体的种类受体酪氨酸磷酸酯酶 (Receptor of tyrosine phophatase RTP)；受体鸟苷酸环化酶 (Receptor guanylyl cyclase)；酪氨酸激酶偶联受体(tyrosine kinase-linked receptors)或称受体酪氨酸激酶 (Receptor tyrosine kinase, RTK)；表皮生长因子受体 (Epidermal growth factor receptor, E

45、GFR)；胰岛素受体(Insulin receptor)；受体丝氨酸/苏氨酸激酶 (Receptor serine/threonine kinase)。118n此信号传递途径与cAMP-蛋白激酶A途径类似，即通过激活鸟苷酸环化酶（GC），催化生成第二信使cGMP，再通过激活蛋白激酶G（PKG）而传递信息。n信号途径为：n配体受体鸟苷酸环化酶cGMP依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。受体鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶 -cGMP-PKG信号传导系统信号传导系统 119n配体与鸟苷酸环化酶活性的受体结合、引起受体的催化结构域二聚化、激活鸟苷酸环化酶（GC）、催

46、化 GTP 生成cGMP、 cGMP由磷酸二酯酶催化而降解。n临床上应用血管扩张剂的硝酸甘油和硝酸盐的作用机制是释放一氧化氮（NO）。 NO在平滑肌细胞中可激活鸟苷酸环化酶，使cGMP生成增加，激活蛋白激酶G，导致血管平滑肌松弛。cGMP的合成120121cGMP的合成和降解 GTPGMg2+PPicGMP 磷酸二酯酶磷酸二酯酶H2OCa2+ 或或 Mg2+5 - GMP122n激活cGMP依赖性蛋白激酶G（PKG）；n激活PKA cGMP浓度增高时，交叉激活PKA；n结合特异的磷酸二酯酶家族 cGMP激活或抑制PDE活性，引起PKA活性的改变；n别构效应调节离子通道 在视觉和嗅觉系统有cGM

47、P控制的阳离子通道、近期发现、心脏和肾脏有一种cGMP门通道、可能与cGMP介导的利尿作用有关。cGMP的功能123n蛋白激酶G是激酶家族的一员。它能催化靶蛋白的丝氨酸苏氨酸残基磷酸化，产生生物学效应。nPKG和PKA磷酸化相似、但对底物的亲和力不同、表现不同的功能。cGMP依赖的蛋白激酶PKG124NOGCPKG 蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化GCGTPcGMP激素激素R胞胞 膜膜125几种主要的受体酪氨酸激酶几种主要的受体酪氨酸激酶126Figure Six subfamilies of receptor tyrosine kinases. Only one or two members of

48、each subfamily are indicated. Note that the tyrosine kinase domain is interrupted by a kinase insert region in some of the subfamilies. The functional significance of the cysteine-rich and immunoglobulinlike domains is unknown. 127受体酪氨酸激酶的激活及细胞内信号转导复合物的形成 128Phsphorylated Tyrosine Serve as docking s

49、ites for protein with SH2 domains (Src homology region).Other protein modules such as SH3 binds to proline-rich motifs in intracellular proteins.RTK activity stimulated by cross-phosphorylation.129受体酪氨酸激酶及受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路蛋白信号通路 Ras是原癌基因的表达产物； 通路：信号（配体）受体（RTK）受体二聚化（Dimer）受体的自磷酸化 激活RTK的激酶活性胞内信号蛋白

50、（Ras）启动信号传导 该通路与EGF（表皮生长因子）受体有关，并且有一中介蛋白参与。130接头蛋白（接头蛋白（adaptor protein）nSH2（Src-homology domain 2） 特异结合磷酸化的酪氨酸区域nSH3（Src-homology domain 3） 特异识别和结合脯氨酸富集区nPH （Pleckstrin-homology domain） 从pleckstrin蛋白中发现和鉴定出来，与介导G蛋白的生物功能及PIP2磷脂结合等有关。一些PH结构域与4, 5- 二磷酸化磷脂酰肌醇PIP2 、3, 4- PIP2和3, 4, 5- PIP3等磷酸肌醇类化合物有很强的分

51、子亲和力。 nDeath Domain（DD）131132133134RTK- Ras 蛋白信号传递途径蛋白信号传递途径 细胞外信号受体Ras 接头蛋白GRB2（Sos） Raf (MAPKKK) MAPKKMAPK 转录因子的磷酸化激活靶基因细胞应答和效应。135n接头蛋白（adaptor protein）是信号转导通路中不同信号转导分子的接头，连接上游信号转导分子与下游信号转导分子。nGRB2 ：细胞内存在一种接头蛋白- Grb2（生长因子受体结合蛋白2，growth factor receptor bound protein 2）同时具有SH2结构域和SH3结构域，SH2结构域能识别磷酸

52、化的酪氨酸残基并与之结合。磷酸化的受体通过接头蛋白可偶联其他效应蛋白。136nSOS（son of sevenless）：一种鸟嘌呤核苷酸释放因子（GEF），富含脯氨酸。 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。磷酸化的Grb2可与下游的SOS结构域SH3结合形成复合体，使SOS磷酸化。 SOS磷酸化，促使Ras的GDP交换成GTP。nSos和接头蛋白GRB2与磷酸化的酪氨酸残基结合，将受体和无活性的Ras蛋白偶联。137Phosphotyrosines of RTK act as binding sites for a specific

53、 SH2 protein called GRB2 (Growth factor receptor binding protein in mammalian).GRB2 is not a protein with catalytic activity, but one that functions solely as an adapter molecule that links other proteins into a complex.Sos (son of sevenless) is a guanine nucleotide exchange factor for Ras (Ras-GEF)

54、When a ligand binds to the RTK and recruits the Grb2-Sos to the inner surface of the membrane, the Sos protein binds to Ras causing GDP/GTP exchange, thus activating Ras.vSteps in activation of Ras by RTKs受体酪氨酸激酶调节细胞增殖，分化RTK-Ras-细胞增殖（A A）（B B）（A A）（C C）（D D）139140In the cell, Ras activity is regulat

55、ed by GAPs（GTP酶活化蛋白GTPase activating proteins）and GEF.141vMAP-kinase serine/threonine phosphorylation Pathway activated by RasRas-activated phosphorylation cascadeMAP kinase=mitogen-activated protein kinase; MAP-KKK=Raf (Ser/Thr-PK)142143vRTK-Ras signaling pathway144 EGFR介导的信号转导过程介导的信号转导过程145RTK-PI3

56、K-PKB(Akt) pathway磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇3激酶激酶 leading cell to growth磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）蛋白家族参与细胞增殖、分化、凋亡和葡萄糖转运等多种细胞功能的调节。PI3K活性的增加常与多种癌症相关。146PI-3K的作用：PI3K可催化磷脂酰肌醇PI（一种膜磷脂）肌醇环的第3位碳原子磷酸化。PI在细胞膜组分中所占比例较小，比磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸含量少。但在脑细胞膜中，含量较为丰富，达磷脂总量的10%。PI的肌醇环上有5个可被磷酸化的位点，多种激酶可磷酸化PI肌醇环上的4th和5th位点，因而通常在这两位点之一或两位点发生磷酸化修饰

57、，尤其发生在质膜内侧。通常，PI-4,5-二磷酸（PIP2）在磷脂酶C的作用下，产生 二 酰 甘 油 （ D A G ） 和 肌 醇 - 1 , 4 , 5 - 三 磷 酸 。147PI3K转移一个磷酸基团 至位点3，形成的产物对细胞的功能具有重要的影响。譬如，单磷酸化的PI-3-磷酸，能刺激细胞迁移（cell trafficking)，而未磷酸化的则不能。PI-3,4-二磷酸则可促进细胞的增殖（生长）和增强对凋亡的抗性，而其前体分子PI-4-磷酸则不然。PIP2转换为PI-3,4,5-三磷酸，可调节细胞的黏附、生长和存活。 产物：PtdIns-3-P（3-磷酸磷脂酰肌醇）PtdIns-3，4

58、-P2（3，4-二磷酸磷脂酰肌醇）PtdIns-3，5-P2（3，5-二磷酸磷脂酰肌醇）PtdIns-3，4，5-P3（3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇）PIP3148149PI3KCatalytic subunit p110Adaptor/regulatory subunit p85(heterodimers)PI-3K的活化：PI3K为异源二聚体，由一个调节亚基和一个催化亚基组成。调节亚基含有SH2和SH3结构域，与含有相应结合位点的靶蛋白相作用。PI3K的活化很大程度上参与到靠近其质膜内侧的底物。多种生长因子和信号传导复合 物，包括成纤维细胞生长因子（FGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、

59、人生长因子（HGF）、血管位蛋白I（Ang1）和胰岛素都能启始PI3K的激活过程。150PI3KCatalytic subunit p110Adaptor/regulatory subunit p85(heterodimers)这些因子激活受体酪氨酸激酶（RTK），从而引起自磷酸化。受体上磷酸化的残基为异源二聚化的PI3Kp85亚基提供了一个停泊位点 （docking site）。然而在某些情况下，受体磷酸化则会介导募集一个接头蛋白（adaptor protein）。比如，当胰岛素激活其受体后，则必须募集一个胰岛素受体底物蛋白（IRS)，来促进PI3K的结合。p85亚基的SH2和SH3结构域均

60、在一个磷酸化位点与接头蛋白结合。PI3K募集到活化的受体后，起始多种PI中间体的磷酸化。与癌肿尤其相关的PI3K转化PIP2为PIP3。151PIP3调节的蛋白激酶：调节的蛋白激酶： Akt/PKB Akt/PKB：胸腺瘤分离的癌基因编码一种Ser/Thr蛋白激酶，C末端激酶结构域与PKC、PKA相似，N末端有PH结构域。 Akt/PKB的分子结构中： S124、T450是基本磷酸化位点 T308、S473是与活化相关的磷酸化位点 PH结构域结构域激酶结构域激酶结构域S124T308T450S473152n许多蛋白含有一个Pleckstrin Homology（PH）结构域，因而可使其与PI-