电子科大细胞生物学第八章细胞信号转导

1、本章教学内容本章教学内容细胞内受体介导的信号转导细胞内受体介导的信号转导细胞表面受体介导的信号转导细胞表面受体介导的信号转导细胞表面整联蛋白受体介导的信号转导细胞表面整联蛋白受体介导的信号转导u 概述概述u 细胞的信号分子与受体细胞的信号分子与受体u 细胞信号转导主要途径细胞信号转导主要途径u 细胞信号传递的基本特征细胞信号传递的基本特征 一个细胞发出的信息通过一个细胞发出的信息通过介质介质传递到传递到另一个细胞，使另一细胞产生相应反应的另一个细胞，使另一细胞产生相应反应的过程过程。1、细胞通讯（、细胞通讯（cell communication） 细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生细胞间的通讯

2、对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。第一节第一节 概述概述uu 分泌化学信号进行通讯分泌化学信号进行通讯 内分泌（内分泌（endocrineendocrine） 旁分泌（旁分泌（paracrineparacrine） 自分泌（自分泌（autocrineautocrine） 化学突触（化学突触（chemical synapsechemical synapse） uu 接触性依赖的通讯接触性依赖的通讯 细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞细胞间直接接触，信号分子与受体

3、都是细胞 的跨膜蛋白。的跨膜蛋白。 uu 间隙连接实现代谢偶联或电偶联间隙连接实现代谢偶联或电偶联 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机细胞接受外界信号，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，这种反应系基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。列称之为细胞信号通路。 2、细胞识别（细胞识别（cell recognition）1 1）概念：）概念： 细胞通过其表面的细胞通过其表面的受体受体与胞外信号物质分子与胞外信号物质分子（配体配体）选择性选择性地相互作用，进而导致胞内一系地相

4、互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学生物学效应效应的过程。的过程。2 2）信号通路）信号通路（signaling pathway） uu 亲脂性信号分子：亲脂性信号分子：可穿过细胞膜进入细胞可穿过细胞膜进入细胞，与细胞质，与细胞质或细胞核中的受体结合形成激素或细胞核中的受体结合形成激素- -受体复合体，调节基因表达。主要受体复合体，调节基因表达。主要代表代表甾类激素和甲状腺素甾类激素和甲状腺素。 uu 亲水性信号分子：亲水性信号分子：不能穿过细胞膜的脂双层分子不能穿过细胞膜的脂双层分子，只只能通过与靶细胞能通过与靶细胞表面表面受

5、体结合受体结合，经，经信号转换机制，在胞内信号转换机制，在胞内产生第二信产生第二信使使或或激活蛋白激酶激活蛋白激酶或或蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶活活性，引起细胞应答反应。包括性，引起细胞应答反应。包括神经神经递质、生长因子、局部化学递质和递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素大多数激素。 uu 气体性信号分子：气体性信号分子：NONO1 1、信号分子信号分子（signal molecule） 能够识别和选择性结合某种配体能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导将胞外信号转换为胞后，通过信号转导将胞外信号转换为胞内化学或物理信号

6、，以启动一系列过程，内化学或物理信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。最终表现为生物学效应。2 2、受体、受体（receptor）1 1）概念：）概念： 受体多为糖蛋白受体多为糖蛋白。一般至少包括两个功能区域：。一般至少包括两个功能区域：与配体结合的区域：具有结合特异性与配体结合的区域：具有结合特异性产生效应的区域：产生特异效应产生效应的区域：产生特异效应 离子通道偶联受体离子通道偶联受体（ion-channel-linked receptor, ICLR） G-G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体（G-protein-linked receptor, GPLR） 酶偶联受体酶偶联受体（enz

7、yme-linked receptor, ELR）2 2）类型：）类型：为胞外亲水性信号分子所激活。为胞外亲水性信号分子所激活。细胞表面受体分属三大家族：细胞表面受体分属三大家族： 细胞内受体细胞内受体: 细胞表面受体细胞表面受体:为胞外亲脂性信号分子所激活。为胞外亲脂性信号分子所激活。 介导物质跨膜运输介导物质跨膜运输( (如：受体介导的内吞作用如：受体介导的内吞作用) ) 参与细胞参与细胞信号转导信号转导 特异识别和结合配体，将配体信号准确无误放大并特异识别和结合配体，将配体信号准确无误放大并传递到胞内，启动胞内一系列生化反应，最后使细胞产传递到胞内，启动胞内一系列生化反应，最后使细胞产生

8、特定生理反应。生特定生理反应。 受体的激活（受体的激活（activationactivation）级联反应。级联反应。 受体失敏（受体失敏（desensitization desensitization ）关闭反应。关闭反应。 减量调节（减量调节（down-regulationdown-regulation）降低反应。降低反应。 特异性特异性 高度亲和力高度亲和力 饱和性饱和性3 3）受体的功能：）受体的功能：4 4）受体的特性：）受体的特性： 例如，同为乙酰胆碱，作用于骨骼肌例如，同为乙酰胆碱，作用于骨骼肌细胞引起收缩；作用于心肌细胞降低收缩细胞引起收缩；作用于心肌细胞降低收缩频率；作用于唾

9、腺细胞则引起分泌。频率；作用于唾腺细胞则引起分泌。 受体与信号分子受体与信号分子空间结构的互补性空间结构的互补性是是两者特异结合的主要因素，但并不意味着两者特异结合的主要因素，但并不意味着受体与配体之间是简单的一对一的关系受体与配体之间是简单的一对一的关系。表现在：表现在： 不同细胞，对同一种化学信号分子不同细胞，对同一种化学信号分子可能具有不同受体。可能具有不同受体。 不同不同细胞可能具有相同的受体，当细胞可能具有相同的受体，当与同一种信号分子结合时，不同细与同一种信号分子结合时，不同细胞对同一信号可能产生不同的反应。胞对同一信号可能产生不同的反应。或同一细胞上不同的受体应答于不或同一细胞上

10、不同的受体应答于不同的胞外信号可能产生相同的效应。同的胞外信号可能产生相同的效应。 例如：肝细胞肾上腺素受体和例如：肝细胞肾上腺素受体和胰高血糖素受体在结合各自配体被胰高血糖素受体在结合各自配体被激活后，都能促进糖原降解而使血激活后，都能促进糖原降解而使血糖升高。糖升高。 一种一种细胞具有一套多种类型的受体，细胞具有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号，从而启应答多种不同的胞外信号，从而启动细胞不同生物学效应，如存活、动细胞不同生物学效应，如存活、分裂、分化或死亡。分裂、分化或死亡。 细胞外信号分子称为第一信使细胞外信号分子称为第一信使（first messenger） 。第一信使与受体

11、作用后在胞内最早产生的第一信使与受体作用后在胞内最早产生的信号分子称为第二信使（信号分子称为第二信使（second messenger）。3 3、第二信使与分子开关第二信使与分子开关 Sutherland及其合作者在及其合作者在70年代初提出年代初提出激素作用的第二信使学说（激素作用的第二信使学说（second messenger theory）： 胞外化学物质（第一信使）不能进胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，生化反应，最后产生

12、一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止第二信使的降解使其信号作用终止。 第二信使学说第二信使学说cAMP 另一类主要开关蛋白由另一类主要开关蛋白由GTP结合蛋白结合蛋白组成，组成，结合结合GTP而活化，结合而活化，结合GDP而失活。而失活。 细胞内信号传递中，起着开启和细胞内信号传递中，起着开启和关闭胞内信号传递作用的一些蛋关闭胞内信号传递作用的一些蛋白质分子。白质分子。开关分子开关分子可分为两类：可分为两类： 一类为一类为其活性由蛋白激酶使之磷酸化而开其活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭的开关蛋启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭的开关蛋白白。许多由可逆

13、磷酸化控制的开关蛋白是。许多由可逆磷酸化控制的开关蛋白是蛋白激酶蛋白激酶本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应 。（1）甾类激素分子信号通路（重点）甾类激素分子信号通路（重点）（2 2）一氧化氮信号通路）一氧化氮信号通路（重点）（重点）（1）离子通道偶联受体离子通道偶联受体介导的信号跨膜传递介导的信号跨膜传递（2） G-G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体介导的信号跨膜传递介导的信号跨膜传递（重点）（重点）（3）酶偶联受体酶偶联受体介导的信号跨膜传递介导的信号跨膜传递（重点）（重点） 细胞内受体的细胞内受体的本质是本质是激素激活的激素激活的基因调控蛋白基因

14、调控蛋白，构，构成细胞内受体成细胞内受体超家超家族族。在细胞内，受。在细胞内，受体与抑制性蛋白体与抑制性蛋白（如（如Hsp90）结合）结合形成复合物，处于形成复合物，处于非活化状态。配体非活化状态。配体（如皮质醇）与受（如皮质醇）与受体结合，将导致抑体结合，将导致抑制性蛋白从复合体制性蛋白从复合体上解离，受体通过暴露它的上解离，受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。结合位点而被激活。 这类受体一般有、都有这类受体一般有、都有三个结构域：三个结构域：C端激素结合位点；端激素结合位点；位于中部富含位于中部富含Cys、具锌指结构的、具锌指结构的DNA或或Hsp90结合位点；结合位点；位于位于N端的

15、转录激活结构域端的转录激活结构域。（1）细胞内受体的结构特征）细胞内受体的结构特征 两步反应阶段：两步反应阶段： uu 初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录，发生迅速；初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录，发生迅速； uu次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。作用。1 1）甾类激素介导的信号通路甾类激素介导的信号通路（2）细胞内受体介导的信号转导细胞内受体介导的信号转导2 2）一氧化氮介导的信号通路一氧化氮介导的信号通路 胞外胞外亲水性亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）白

16、激素、生长因子等）一般不能进入细胞一般不能进入细胞，而是通，而是通过过与细胞表面特异受体结合与细胞表面特异受体结合，进行信号转导继而对，进行信号转导继而对靶细胞产生效应。靶细胞产生效应。u离子通道偶联受体离子通道偶联受体（ICLR）介导的信号转导介导的信号转导u G-G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体（GPLR）介导的信号）介导的信号转导转导u细胞表面其它与细胞表面其它与酶偶联的受体酶偶联的受体（ELR）介导）介导的信号的信号转导转导细胞表面受体分属三大家族：细胞表面受体分属三大家族：GPLR：种类繁多，：种类繁多，真核细胞普遍表达真核细胞普遍表达（7次跨膜）次跨膜）信号分子包括：感信号分子包括：感

17、觉信号（光、嗅、觉信号（光、嗅、声等；激素、神经声等；激素、神经递质等）递质等）GPLR的效应器：的效应器：AC、PLC、PLA2、GRK（ GPLR 激激酶）、酶）、PDE、PI3K、离子通道等离子通道等三种类型的细胞表面受体三种类型的细胞表面受体离子通道偶联受体离子通道偶联受体特点：特点：（1 1）离子通道偶联受体介导的信号转导）离子通道偶联受体介导的信号转导 为为受体受体- -离子通道复合体。离子通道复合体。 本身既有信号结合位点，又是离子通道，本身既有信号结合位点，又是离子通道，跨膜信号转导无需中间步骤。跨膜信号转导无需中间步骤。 一般为一般为4-64-6次跨膜蛋白。次跨膜蛋白。 主要

18、存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间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。的突触信号传递。 有选择性：对配体有特异性选择，激活的有选择性：对配体有特异性选择，激活的 通道对运输的离子也有选择性。通道对运输的离子也有选择性。 突触前膜释放的神经突触前膜释放的神经递质结合并开启突触后细递质结合并开启突触后细胞膜上的递质门离子通道，胞膜上的递质门离子通道，结果导致突触后细胞膜离结果导致突触后细胞膜离子流改变，从而将化学信子流改变，从而将化学信号转变为电信号。号转变为电信号。12五种五种亚基组成。亚基组成。1 组成离子通组成离子通道，道，1 7次跨次跨膜区域，膜区域，4个个重复单位。重复单位

19、。uu G-蛋白与蛋白与G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体uu 信号通路：信号通路： 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（2）G-蛋白偶联受体介导的信号转导蛋白偶联受体介导的信号转导 未作特殊说明时，常指未作特殊说明时，常指与膜受体与膜受体偶联的偶联的异三聚体异三聚体G蛋白蛋白。 G-蛋白蛋白如：如：Ras、Rho、SEC4、YRT1、微管蛋白微管蛋白亚基亚基等。等。凡能与凡能与GTP结合的蛋白质均可称为结合的蛋白质均可称为G-蛋白。蛋白。大大G蛋白（即：异三聚体蛋白（即：异三聚体G蛋白）蛋白）小小G蛋白蛋白！动物受到惊吓动物受到惊吓 肾上腺素肾上腺素 AC cAMP 血

20、糖血糖ATP 逃身、反抗等逃身、反抗等异三聚体异三聚体G蛋白蛋白从一个实例从一个实例谈起：谈起： u 20世纪世纪80年代初，年代初，M.Rodbell等发现，破损细胞等发现，破损细胞中，中，外源外源GTP对于激素激活或抑制的对于激素激活或抑制的AC是必需是必需的的，跨膜信号转导需要，跨膜信号转导需要GTP存在存在。 u 此后，此后，A.G.Gilman等人发现，等人发现，G蛋白缺失蛋白缺失的突变的突变细胞系细胞系尽管具有正常水平的受体和尽管具有正常水平的受体和AC，但肾上，但肾上腺素仍不能使腺素仍不能使AC激活激活。如果将这种不能偶联的。如果将这种不能偶联的细胞的质膜制剂与用去垢剂从正常细胞

21、中制备的细胞的质膜制剂与用去垢剂从正常细胞中制备的G蛋白混合在一起蛋白混合在一起，则则可以重组需可以重组需GTP的对激素的对激素敏感的敏感的AC体系体系；以后；以后用纯化的肾上腺素受体、用纯化的肾上腺素受体、激活型激活型G蛋白（蛋白（Gs）和）和AC可以在人工磷脂囊泡上可以在人工磷脂囊泡上重组有活性的肾上腺素激活的重组有活性的肾上腺素激活的AC系统系统。a) G蛋白的发现蛋白的发现知识外延知识外延 1994年，年，A.G.Gilman和和M.Rodbell 获医学和生理获医学和生理学诺贝尔奖。学诺贝尔奖。知识延伸知识延伸u 由由、三种亚基组成，天然电泳时，三种亚基组成，天然电泳时， 与与 亚基

22、紧密联系在一起，以共价键亚基紧密联系在一起，以共价键结合结合。 亚基分子量：亚基分子量：39-48kD。各种各种G蛋白亚基中，蛋白亚基中， 亚基差别最大，常作亚基差别最大，常作G蛋白分类依据蛋白分类依据。 亚基：分子量亚基：分子量36kD左右。左右。亚基：分子量亚基：分子量7-8kD之间。之间。u 分子量约为分子量约为100kD。b) G蛋白分子结构蛋白分子结构u 亚基的共同点是亚基的共同点是： 具有一个具有一个GTP结合位点。结合位点。 具具GTP酶活性，酶活性，GTPGDP+Pi 在某些在某些G蛋白的蛋白的亚基上有些特殊氨亚基上有些特殊氨基酸残基（基酸残基（Arg或或Cys）可被特定的）可

23、被特定的细胞毒素所修饰，从而调节生理功细胞毒素所修饰，从而调节生理功能。能。亚基：分子量亚基：分子量36kD左右。左右。亚基：分子量亚基：分子量7-8kD之间。之间。异三聚体异三聚体G蛋白位于细胞膜内侧，不跨膜蛋白位于细胞膜内侧，不跨膜。！ 通过分子克隆，现已分离鉴定出通过分子克隆，现已分离鉴定出21种不种不同的同的亚基，亚基，4种种亚基，亚基，7种种亚基。亚基。Gs: 能激活能激活AC与与Ca2+通道，抑制通道，抑制Na+通道。通道。Gi: 抑制抑制AC活性。活性。Gt、 G0、GgGQ: 与磷脂代谢有关，其活性不受细胞与磷脂代谢有关，其活性不受细胞毒素修饰。毒素修饰。G12: 活化磷脂酶活

24、化磷脂酶C。c) G蛋白种类蛋白种类Stimulate 刺激，激活刺激，激活Inhibit 抑制抑制 G蛋白蛋白 亚基与亚基与GDP结合时，结合时，G蛋蛋白处于关闭状态白处于关闭状态 抑制抑制信号传递信号传递 G蛋白蛋白亚基与亚基与GTP结合时，结合时，G蛋白处蛋白处于于开启状开启状态态 传递信号传递信号。G蛋白在信号转导过程中起分子开关作用蛋白在信号转导过程中起分子开关作用d) G蛋白功能蛋白功能 G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体A. G-蛋白偶联受体的发现蛋白偶联受体的发现知识延伸知识延伸u 1968年，莱夫科维茨（美国）分离提取细胞年，莱夫科维茨（美国）分离提取细胞膜膜-肾上腺素受体，对其作

25、用机制进行了研肾上腺素受体，对其作用机制进行了研究。究。u 20世纪世纪80年代，科比尔卡（美国）分离获得年代，科比尔卡（美国）分离获得-肾上腺受体基因。肾上腺受体基因。u 现发现，大约有一半的药物需要通过现发现，大约有一半的药物需要通过G-蛋白蛋白偶联受体而才能实现其药效。偶联受体而才能实现其药效。 2012年年10月月10日，罗伯特日，罗伯特.莱夫科维莱夫科维茨和布赖恩茨和布赖恩.科比尔卡获诺贝尔化学奖。科比尔卡获诺贝尔化学奖。 存在于细胞膜上、介导信号传存在于细胞膜上、介导信号传递时通过递时通过与与细胞细胞膜内侧的膜内侧的G蛋白偶蛋白偶联后在胞内产生第二信使联后在胞内产生第二信使，从而将

26、，从而将胞外信号传递到胞内并影响细胞行胞外信号传递到胞内并影响细胞行为的一种跨膜蛋白。为的一种跨膜蛋白。B. G-蛋白偶联受体的蛋白偶联受体的概念概念 单条多肽，单条多肽，7次跨次跨膜，膜，N端在胞外，端在胞外，C端端在胞内。含在胞内。含7个疏水残个疏水残基肽段，每段基肽段，每段22-24个个氨基酸残基，形成氨基酸残基，形成7次次跨膜螺旋，其中跨膜螺旋，其中5和和6之间的胞内环状结构之间的胞内环状结构及及C端肽段对与端肽段对与G蛋白蛋白的相互作用至关重要的相互作用至关重要。介导的胞外信号分子介导的胞外信号分子种类众多，包括多种种类众多，包括多种蛋白质或肽类激素、蛋白质或肽类激素、局部介质、神经

27、递质、局部介质、神经递质、氨基酸、脂肪酸衍生氨基酸、脂肪酸衍生物、光量子等。物、光量子等。C. 结构结构 所有真核生物从单细胞酵母所有真核生物从单细胞酵母到多细胞哺乳类，到多细胞哺乳类，G蛋白偶联受体蛋白偶联受体都具有相似的都具有相似的7次跨膜结构次跨膜结构。甚至。甚至在在细菌中虽然没有细菌中虽然没有G蛋白，但也具蛋白，但也具有结构相似的膜蛋白有结构相似的膜蛋白视紫红质视紫红质（一种光驱动的质子泵）。（一种光驱动的质子泵）。 它是一个跨膜它是一个跨膜7次的膜蛋白，其中两个极性的氨基次的膜蛋白，其中两个极性的氨基酸侧链（球状体）可能与质子的转移有关酸侧链（球状体）可能与质子的转移有关细菌紫膜质分

28、子的三维结构细菌紫膜质分子的三维结构A）以以cAMP为第二信使的信号通路为第二信使的信号通路a. cAMP通路在质膜上的组分通路在质膜上的组分 激活型激素受体激活型激素受体（Rs） 抑制型激素受体抑制型激素受体（Ri） 与与GDP结合的活化型调节蛋白结合的活化型调节蛋白（Gs） 与与GDP结合的抑制型调节蛋白结合的抑制型调节蛋白（Gi） 催化成分催化成分腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶（AC）cAMP通路在质膜上的通路在质膜上的5种成分种成分：Stimulate 激活激活Inhibit 抑制抑制u Rs和和Ri Rs为与为与Gs相互作用的激活型激素受体。相互作用的激活型激素受体。 Ri为与为与Gi相互

29、作用的抑制型激素受体。两者具有相似的相互作用的抑制型激素受体。两者具有相似的7次次跨膜结构，但其相应的胞外信号不同。二者的胞外跨膜结构，但其相应的胞外信号不同。二者的胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与与G蛋白偶联。蛋白偶联。u Gs和和Gi Gs和和Gi均为异三聚体均为异三聚体G蛋白，其蛋白，其、亚基相同，亚基相同，其其亚基不同。亚基不同。 Gs和和Gi在信号转导中起分子开关作在信号转导中起分子开关作用。用。 Gs偶联偶联Rs和和AC；Gi偶联偶联Ri 和和AC。u 腺苷酸环化酶（腺苷酸环化酶（AC） 为结合在质膜上的结合在质膜上的糖

30、蛋糖蛋白白，相对分子质量，相对分子质量1.5105，跨膜跨膜12次次，在，在Mg2+或或Mn2+ 存存在下能催化在下能催化ATP生成生成cAMP。 正常情况下，正常情况下，cAMP浓浓度度10-6mol/L。激素激活。激素激活AC后，后， cAMP急剧急剧，产生快速，产生快速应答。应答。 细胞内还有另一种酶，细胞内还有另一种酶，即环腺苷酸磷酸二酯酶即环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE），可降解，可降解cAMP生生成成5-AMP，导致细胞内，导致细胞内cAMP水平下降。水平下降。cAMP磷酸二酯酶催化磷酸二酯酶催化cAMP生成生成5-AMPu Gs蛋白的调节作用蛋白的调节作用 Gs偶联受体激活偶联受体激

31、活AC模型模型b. G蛋白在蛋白在cAMP信号通路中的调节作用信号通路中的调节作用u Gi蛋白的调节作用蛋白的调节作用 Gi偶联受体抑制偶联受体抑制AC模型模型u Gs蛋白的调节蛋白的调节作用作用（Gs偶联偶联受体激活受体激活AC模模型）型） 细胞未受激素刺激时，细胞未受激素刺激时，Gs处处于非活化态时，于非活化态时，Gs为异三聚体，为异三聚体，亚基与亚基与GDP结合，此时结合，此时AC无活无活性；当激素配体与性；当激素配体与Rs受体结合，受体结合，导致受体构象改变，暴露出与导致受体构象改变，暴露出与Gs结合的位点，膜的流动性使激素结合的位点，膜的流动性使激素-受体复合物与受体复合物与Gs结合

32、，结合，Gs的的亚亚基构象改变，从而排斥基构象改变，从而排斥GDP，结，结合合GTP而活化，使三聚体而活化，使三聚体Gs解离解离出出亚基和亚基和亚基复合物，并暴亚基复合物，并暴露出露出亚基与亚基与AC的结合位点；结的结合位点；结合合ATP的的亚基与亚基与AC结合，使结合，使AC活化，并将活化，并将ATP转化为转化为cAMP。 活化的活化的亚基复合物也亚基复合物也可直接激活胞内分子，具有可直接激活胞内分子，具有传递信号功能。此外，传递信号功能。此外，亚亚基复合物也能与膜上的效应基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合酶结合，对结合GTP的的亚基亚基起协同或拮抗作用。随着起协同或拮抗作用。随着GTP

33、的水解使的水解使亚基恢复原来亚基恢复原来的构象并导致的构象并导致AC解离，终止解离，终止AC的活化作用。的活化作用。亚基与亚基与亚基重新结合，使细胞回复亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。到静止状态。 Gi对对AC的抑制作用可通过两个途径：的抑制作用可通过两个途径：当当Gi与与GTP结合，结合， Gi的的亚基与亚基与亚基解亚基解离后，离后，一是通过一是通过亚基与亚基与AC结合，直接抑结合，直接抑制制AC酶的活性；二是通过酶的活性；二是通过亚基复合物亚基复合物与游离的与游离的Gs亚基结合，阻断亚基结合，阻断Gs亚基对亚基对AC的活化的活化。u Gi蛋白的调节作用蛋白的调节作用（Gi偶联受体抑制偶

34、联受体抑制AC模型）模型） 激活型和抑制性激活型和抑制性G蛋白偶联系统蛋白偶联系统 胰高血糖素和肾上腺素胰高血糖素和肾上腺素是如何使靶细胞中的是如何使靶细胞中的cAMP的浓度升高的的浓度升高的?讨论讨论 霍乱毒素霍乱毒素具有具有ADP-核糖转移酶活性，能核糖转移酶活性，能催催化胞内的化胞内的NAD+的的ADP核糖基核糖基共价结合到共价结合到Gs的的亚基上，使亚基上，使亚基丧失亚基丧失GTP酶活性，酶活性，GTP永久结合在永久结合在Gs的的亚基上，亚基上，亚基处于持续活亚基处于持续活化状态，因而化状态，因而AC不可逆地永久活化不可逆地永久活化。A. 霍乱毒素霍乱毒素 霍乱病患者症状是严重腹泻，主

35、要原因是霍乱病患者症状是严重腹泻，主要原因是霍乱毒素催化霍乱毒素催化Gs的的亚基亚基ADP-核糖基化，使核糖基化，使AC被被“锁定锁定”在活化状态在活化状态，致使小肠上皮细，致使小肠上皮细胞中胞中cAMP增加增加100倍以上，导致膜蛋白让大量倍以上，导致膜蛋白让大量Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。导读导读c. 细菌毒素对细菌毒素对G蛋白的修饰作用蛋白的修饰作用G蛋白的核糖蛋白的核糖化化 百日咳毒素催化百日咳毒素催化Gi的的亚基亚基ADP-核核糖基化，造成糖基化，造成Gi的的不能结合不能结合GTP， Gi的的因而不能活化，从而阻断了因而不能活化，从而阻断了

36、Ri受体受体对对AC的抑制作用，导致的抑制作用，导致AC不可逆永久不可逆永久活化。活化。B. 百日咳毒素百日咳毒素u 结构结构d. cAMP信号通路中的下游开关分子信号通路中的下游开关分子 蛋白激酶蛋白激酶A（PKA） 被被cAMP激活的激活的PKA，大多数在胞质溶大多数在胞质溶胶中激活一些细胞质靶胶中激活一些细胞质靶蛋白蛋白, , 少数被激活的少数被激活的PKA可转移到细胞核中可转移到细胞核中磷酸化某些核蛋白，其磷酸化某些核蛋白，其中多数是被称为中多数是被称为CREB（cAMP response element binding，cAMP效应元效应元件结合因子件结合因子）的转录因的转录因子。子

37、。 PKA的细胞核功能的细胞核功能: : 调节基因表达调节基因表达u 功能功能 在脊椎动物中，糖原的分解受在脊椎动物中，糖原的分解受一些激素的控制，如肾上腺素和胰一些激素的控制，如肾上腺素和胰高血糖素中的任何一种激素同细胞高血糖素中的任何一种激素同细胞膜受体结合，都会膜受体结合，都会激活磷酸化酶激活磷酸化酶，使糖原分解成使糖原分解成1-磷酸葡萄糖，然后磷酸葡萄糖，然后进一步分解为进一步分解为6-磷酸葡萄糖、葡萄磷酸葡萄糖、葡萄糖后进入血液。糖后进入血液。 PKA的细胞质功能的细胞质功能: : 糖原分解糖原分解讨论讨论 哺乳动物细胞中糖原哺乳动物细胞中糖原的分解是第二信使的分解是第二信使cAMP

38、通通过过PKA激活细胞质中的靶酶激活细胞质中的靶酶引起信号转导的典型例子，引起信号转导的典型例子，请说明其机理。请说明其机理。 反应伊始，胰高血糖素或肾上腺素同受体结合，反应伊始，胰高血糖素或肾上腺素同受体结合，通过通过G蛋白激活蛋白激活AC，激活的激活的AC催化催化ATP生成生成cAMP，cAMP扩散进入细胞质。在细胞质中扩散进入细胞质。在细胞质中cAMP同蛋白激同蛋白激酶酶A的调节亚基的别构部位（的调节亚基的别构部位（allsoteric site）结合，）结合，将蛋白激酶将蛋白激酶A激活。在肝细胞中，激活的激活。在肝细胞中，激活的PKA有很多有很多作用底物，包括作用底物，包括磷酸化酶激酶

39、磷酸化酶激酶和和糖原合成酶糖原合成酶。糖原合。糖原合成酶的磷酸化抑制了酶的催化活性，阻止了由葡萄糖成酶的磷酸化抑制了酶的催化活性，阻止了由葡萄糖合成糖原。与此相反，磷酸化酶激酶通过磷酸化激活合成糖原。与此相反，磷酸化酶激酶通过磷酸化激活自身的酶活性，从而催化自身的酶活性，从而催化磷酸化酶的磷酸化磷酸化酶的磷酸化（将磷酸（将磷酸基团加到磷酸化酶特异的苏氨酸残基上）。被激活的基团加到磷酸化酶特异的苏氨酸残基上）。被激活的磷酸化酶可将糖原磷酸化而分解成磷酸化酶可将糖原磷酸化而分解成1-磷酸葡萄糖，最磷酸葡萄糖，最后生成葡萄糖进入血液循环。后生成葡萄糖进入血液循环。参考答案：参考答案：e. 反应链分子

40、顺序反应链分子顺序CREBCRE 激素等配体激素等配体77次跨膜受体构象变化次跨膜受体构象变化异三聚体异三聚体G蛋白的蛋白的亚基与亚基与GTP结合并与结合并与亚亚基分离基分离游离的游离的G-GTP使使AC活化活化cAMP产生产生cAMP与与PKA的的R亚基结合亚基结合PKA的的C亚基从与亚基从与R亚基的结合状态中脱离亚基的结合状态中脱离PKA的的C亚基转移进细胞核亚基转移进细胞核催化基因调控蛋白催化基因调控蛋白CREB（即即cAMP应答元件结合蛋白，为转录应答元件结合蛋白，为转录因子）的磷酸化并使其活化因子）的磷酸化并使其活化与与cAMP反应元反应元件件CRE结合结合具有具有CRE反应元件的基

41、因转录反应元件的基因转录。基因转录B）磷脂酰肌醇双信使信号通路磷脂酰肌醇双信使信号通路PIP2DG胞外信号分子胞外信号分子G- -蛋白偶联受体蛋白偶联受体G-蛋白蛋白磷脂酶磷脂酶C（PLC）“双信使系统双信使系统”反应链反应链胞内胞内Ca2+Ca2+结合蛋白结合蛋白（CaM）DG细胞反应细胞反应蛋白磷酸化蛋白磷酸化或促或促Na+/H+交交换使胞内换使胞内pH激活激活PKCIP3（1） IP3R （即：（即：IP3受体受体）内质网内质网Ca2+通道至少有两种：通道至少有两种：（2） RyR （即：（即：Ryamodine受体）受体）为为IP3门控的门控的Ca2+通道，其通道，其 接受接受IP3后

42、，引起后，引起Ca2+通道开放。通道开放。其接受其接受cADPR 后，引起肌质网后，引起肌质网Ca2+通道开放。通道开放。 RyR 主要存在于可兴奋细胞（如骨骼肌细胞）主要存在于可兴奋细胞（如骨骼肌细胞）肌质网膜上。最初发现这种肌质网膜上。最初发现这种Ca2+通道因对一种植物碱通道因对一种植物碱ryamodine敏感而故名敏感而故名ryamodine 受体（受体（RyR）钙通钙通道。现发现，真正在胞内的激活者为道。现发现，真正在胞内的激活者为cADPR 。知识延伸知识延伸信使分子：信使分子：cADPR？ PKC参与的生理过程极其广泛，既涉及许多细胞的参与的生理过程极其广泛，既涉及许多细胞的“短

43、短期生理效应期生理效应”，如细胞的分泌作用、肌肉的收缩等，也参与，如细胞的分泌作用、肌肉的收缩等，也参与细胞的细胞的“长效生理过程长效生理过程”，如蛋白质合成、，如蛋白质合成、DNA合成、细胞合成、细胞的生长分化等。的生长分化等。u 调节质膜离子运转调节质膜离子运转u 调节质膜受体功能调节质膜受体功能u 调节基因转录过程调节基因转录过程u 调节生物活性物质的合成与分泌调节生物活性物质的合成与分泌u 参与细胞代谢调节参与细胞代谢调节u 等等PKC的生理功能的生理功能PKC调节细胞代谢：调节细胞代谢：如：如： PKC可使糖原合成酶、糖原磷酸化酶可使糖原合成酶、糖原磷酸化酶激酶、激酶、6-磷酸果糖激

44、酶等磷酸化而参与磷酸果糖激酶等磷酸化而参与糖代谢调节。糖代谢调节。PKC调节质膜离子运转：调节质膜离子运转：如：如： PKC可使质膜上可使质膜上Ca2+泵（泵（Ca2+-ATP酶）酶）而激活，维持细胞而激活，维持细胞Ca2+稳定稳定。如：如： PKC参与质膜上参与质膜上Na+-H+交换系统交换系统的调的调节，该系统可将节，该系统可将H+从胞内转运到胞外。从胞内转运到胞外。细胞内的碱性化是某些细胞内的碱性化是某些RNA转录和蛋转录和蛋白质合成的必要条件之一。白质合成的必要条件之一。质膜质膜Ca2+泵结构泵结构如：如：G蛋白偶蛋白偶 联受体常联受体常 通过通过PKC 途径激活途径激活 MAP激酶激

45、酶 （MAPK）PKC激活常伴随某些基因转录活性增强。激活常伴随某些基因转录活性增强。PKC调节基因转录：调节基因转录：PKC调节质膜受体功能：调节质膜受体功能：如：如： PKC可使胰岛素受体的可使胰岛素受体的亚基的亚基的Ser或或Thr磷酸化磷酸化，结果使，结果使胰岛素胰岛素与其受体结合力降低，从而抑制与其受体结合力降低，从而抑制胰岛素作用。胰岛素作用。如：如： PKC可使表皮生长因子（可使表皮生长因子（EGF） 受体的第受体的第654位位Ser磷酸化。磷酸化。 （ EGF是一种与细胞生长增殖、是一种与细胞生长增殖、分裂分化有关的多肽类生长因子，分裂分化有关的多肽类生长因子， 其其受体是一种

46、受体是一种Tyr蛋白激酶，蛋白激酶， EGF通过通过调节其激酶活性而控制细胞的生长调调节其激酶活性而控制细胞的生长调节机制）节机制） 与酶连接的细胞表面受体称为与酶连接的细胞表面受体称为酶偶联受体酶偶联受体，又，又称称催化性受体（催化性受体（catalytic receptor），均为，均为跨膜蛋白跨膜蛋白。当胞外配体与受体结合即激活当胞外配体与受体结合即激活受体胞内段的酶活性受体胞内段的酶活性。（3）酶偶联受体介导的信号跨膜传递）酶偶联受体介导的信号跨膜传递u 受体酪氨酸激酶（受体酪氨酸激酶（RTK or RPTK）u 受体丝氨酸受体丝氨酸/苏氨酸激酶苏氨酸激酶u 受体酪氨酸磷酸酯酶受体酪氨

47、酸磷酸酯酶u 受体鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶u 酪氨酸蛋白激酶联系的受体酪氨酸蛋白激酶联系的受体至少有五类：至少有五类：1 1）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 uu 受体酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 又称酪氨酸又称酪氨酸蛋白激酶受体，蛋白激酶受体，是细胞表面一大是细胞表面一大类重要受体家族，类重要受体家族，包括包括6 6个亚族个亚族。它的胞外配体是它的胞外配体是可溶性或膜结合可溶性或膜结合的多肽或蛋白类的多肽或蛋白类激素。激素。有有8种生长因子的受体属于这类受体：种生长因子的受体属于这类受体

48、： 表皮生长因子（表皮生长因子（ EGF ）受体）受体 血小板生长因子（血小板生长因子（ PDGF ）受体）受体 巨噬细胞集落刺激因子（巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）受体）受体 胰岛素受体胰岛素受体 类胰岛素生长因子（类胰岛素生长因子（ IGF-1 ）受体）受体 肝细胞生长因子（肝细胞生长因子（ HGF ）受体）受体 神经生长因子（神经生长因子（NGF）受体）受体 血管内皮生长因子（血管内皮生长因子（VEGF）受体）受体活化的活化的RTK可与细胞溶质中带有可与细胞溶质中带有SH2结构域的多种结构域的多种结合蛋白或信号蛋白结合：结合蛋白或信号蛋白结合： PTK上述两类结合蛋白均具有高度保守而

49、上述两类结合蛋白均具有高度保守而无催化活性的无催化活性的SH2和和SH3结构域，这两种结构域结构域，这两种结构域由于最先在由于最先在Src蛋白中发现，故称为蛋白中发现，故称为Src同源区同源区（Src homolog region2 and 3）。）。 一类为一类为生长因子结合蛋白生长因子结合蛋白-2（Grb2）；）；另一类为信号通路中相关的另一类为信号通路中相关的酶酶：如：磷脂酶如：磷脂酶C GTP活化蛋白（活化蛋白（GAP） 蛋白磷酸酯酶（蛋白磷酸酯酶（SyP） Src类非受体酪氨酸蛋白激酶等）类非受体酪氨酸蛋白激酶等）SH2选择性结合磷酸化的酪氨酸残基。选择性结合磷酸化的酪氨酸残基。GR

50、F只有只有SH3，而没有，而没有SH2，因此，不能直因此，不能直接与受体结合。接与受体结合。SH3选择性结合不同位点的富含选择性结合不同位点的富含Pro序列。序列。接头蛋白接头蛋白Grb2具有具有SH2 和和SH3，因此，配体，因此，配体激活受体后，接头蛋白通过激活受体后，接头蛋白通过SH2与受体的与受体的Tyr-p结合，再通过结合，再通过SH3与与GRF结合，结合，GRF与膜上与膜上Ras接触，从而活化接触，从而活化Ras。 接头蛋白接头蛋白Grb2具有具有SH2 和和SH3结构域结构域。 SH2和和SH3这两种结构域高度保守，无催化这两种结构域高度保守，无催化活性。由于这两种结构域最先发现

51、在活性。由于这两种结构域最先发现在Src蛋蛋白白（为一种非受体酪氨酸蛋白激酶为一种非受体酪氨酸蛋白激酶）中，中，故称为故称为Src同源区同源区（Src homolog region2 and 3， SH2 or SH3 ）。 接头蛋白通过接头蛋白通过SH2与细胞膜上磷酸化的与细胞膜上磷酸化的受体酪氨酸蛋白激酶的受体酪氨酸蛋白激酶的Tyr-p结合，再通过结合，再通过SH3与与GRF结合，结合，GRF与膜上与膜上Ras接触，从接触，从而活化而活化Ras。SH2选择性结合细胞膜上活化的受体酪氨酸选择性结合细胞膜上活化的受体酪氨酸蛋白激酶的磷酸化酪氨酸残基。蛋白激酶的磷酸化酪氨酸残基。GRF（鸟苷酸释

52、放因子鸟苷酸释放因子）只有只有SH3，而没有，而没有SH2，因此，不能直接与受体结合。，因此，不能直接与受体结合。SH3选择性结合不同位点的富含选择性结合不同位点的富含Pro序列。序列。 生长因子结合蛋白生长因子结合蛋白-2（Grb2）： Grb2的的作用是作用是偶联偶联活化活化与与，参，参与信号转导复合体的构成。与信号转导复合体的构成。 故称接头蛋白。故称接头蛋白。 细胞内，细胞内，Ras与质膜下的几个蛋白形成复合物而与质膜下的几个蛋白形成复合物而存在。其一是生长因子结合蛋白存在。其一是生长因子结合蛋白（Grb2）。Grb2含含有有SH2和和SH3两类结构域，两类结构域，SH2与与受体酪氨酸

53、蛋白激酶受体酪氨酸蛋白激酶（ RPTKs）结合，而结合，而SH3与鸟苷酸释放因子与鸟苷酸释放因子（GRFs，又称又称GEFs）结合结合 SOS（son of sevenless）属于属于GRFs蛋白蛋白 ，因而，因而Grb2又称为又称为“接头蛋白接头蛋白”。Ras可在可在GRFs作用下释放作用下释放GDP，结合，结合GTP，从而被激活，从而被激活，但只有较弱的水解但只有较弱的水解GTP能力；而在能力；而在GTP酶激活蛋白酶激活蛋白（GAPs）的催化加速下，活化态的催化加速下，活化态Ras迅速水解迅速水解GTP，从而结束其功能状态。因此，对从而结束其功能状态。因此，对Ras来讲，来讲， GRFs

54、与与GAPs分别起启动和终止其活性的作用。很可能分别起启动和终止其活性的作用。很可能RPTK、Grb2、SOS、Ras甚至甚至Raf都在膜下形成复都在膜下形成复合体相互作用。合体相互作用。 活化的活化的Ras与与Raf的的N端结构域结合并使其端结构域结合并使其磷酸化，磷酸化，Raf 是是Ser/Thr蛋白激酶（又称蛋白激酶（又称MAPKKK ，即，即MAPKK激酶），激酶）， MAPKKK经磷酸化被活化后可使经磷酸化被活化后可使MAPKK（MAPK激酶激酶或或MEK）磷酸化而被激活（使该酶的）磷酸化而被激活（使该酶的Ser/Thr及及Tyr磷酸化），进而使磷酸化），进而使MAPK（有丝分裂原（

55、有丝分裂原激酶，亦称激酶，亦称ERKs）磷酸化而活化。）磷酸化而活化。注：注：MAP称为有丝分裂原称为有丝分裂原 活化后的活化后的MAPK可通过两种途径将转录因可通过两种途径将转录因子（如子（如cMyc、cJun、cFos等）磷酸化：一种等）磷酸化：一种是进入细胞核直接使是进入细胞核直接使TF磷酸化，另一是通过磷酸化，另一是通过与与Rsk作用，使作用，使Rsk磷酸化（磷酸化（ Rsk是一种是一种Ser/Thr蛋白激酶），后者再使蛋白激酶），后者再使TF磷酸化。磷酸化。MAPK或磷酸化的或磷酸化的TF进入核内调节与生长有进入核内调节与生长有关的基因转录。其中一个首先被激活的基因产关的基因转录。其

56、中一个首先被激活的基因产物可能是物可能是MAPK磷酸酶（磷酸酶（MAP1）。）。 MAP1又又可反馈作用于可反馈作用于MAPK，使，使MAPK脱磷酸失活，脱磷酸失活，减弱其信号途径产生的反应。实际上通路中每减弱其信号途径产生的反应。实际上通路中每个组分其本身、其调控者或效应者都是多个，个组分其本身、其调控者或效应者都是多个，从而组成一个十分庞杂的信号网络。从而组成一个十分庞杂的信号网络。 uu RTK- Ras信号通路信号通路配体配体受体（受体（RTK） 受体二聚化受体二聚化（同源或异源）（同源或异源）受体的自磷酸化受体的自磷酸化激激活活RTK Grb2 鸟苷酸释放因子鸟苷酸释放因子（GRFs

57、，又称，又称GEFs）RasRaf （MAPKKK）MAPKKMAPK 进入细胞核进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）磷酸化修钸（转录因子）磷酸化修钸基因转录基因转录RTK- Ras信号通路信号通路 目前已知目前已知Ras途径是多种生长因子，包途径是多种生长因子，包括括EGF（表皮生长因子）、（表皮生长因子）、PDGF（血小板（血小板生长因子）、胰岛素、神经生长因子等等生长因子）、胰岛素、神经生长因子等等实实现其功能所共有的信号通路，在细胞信号转现其功能所共有的信号通路，在细胞信号转导网络中占有重要位置。导网络中占有重要位置。 小小G蛋白特点：蛋白特点：能与能与G

58、TP结合。结合。具具GTP酶活酶活性。性。为单体。为单体。分子量小。分子量小。位于质膜内侧。位于质膜内侧。 受酪氨酸蛋白激酶调节。受酪氨酸蛋白激酶调节。 分子量仅分子量仅20-30kD。 为单体分子。如为单体分子。如Ras、Rho、SEC4、YRT1、微、微管蛋白管蛋白亚基等。亚基等。 Ha-ras: Harrey鼠肉瘤病病毒中发现。鼠肉瘤病病毒中发现。 Ki-ras: Kirfen鼠肉瘤病病毒中发现。鼠肉瘤病病毒中发现。 N-ras: 神经母细胞瘤中发现。神经母细胞瘤中发现。 Ha-ras、Ki-ras、N-ras均存在于人类。均存在于人类。小小G蛋白蛋白Ras SyP Src2 2）受体丝

59、氨酸）受体丝氨酸/ /苏氨酸激酶苏氨酸激酶 又称又称TGF-受体（受体（Transforming growth factor-），），为一次性跨膜蛋白受为一次性跨膜蛋白受体，其胞内区具有丝氨酸体，其胞内区具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶苏氨酸蛋白激酶活性。该受体以异二聚体行使功能，主要活性。该受体以异二聚体行使功能，主要配体为转化生长因子配体为转化生长因子- （Transforming growth -）。）。 TGF-受体可有受体可有3种分子质量：种分子质量：R、R和和R受体，受体， 其中其中R受体最丰富。受体最丰富。 R为组成型活化激酶，在没有为组成型活化激酶，在没有 TGF-配体的情况下，可磷

60、酸化自身。配体的情况下，可磷酸化自身。右图所示：右图所示：TGF-与受体结合诱与受体结合诱导受体复合物形导受体复合物形成，成， R 磷酸化磷酸化R丝氨酸和苏丝氨酸和苏氨酸，从而激活氨酸，从而激活R 。 为一次性跨膜蛋白受体。为一次性跨膜蛋白受体。活化后，活化后，胞内胞内区具区具鸟苷酸环化酶活性。鸟苷酸环化酶活性。 配体：心房排钠肽（配体：心房排钠肽（ANNs，为心房肌为心房肌细胞分泌的一种肽类激素，可使血管平滑肌细胞分泌的一种肽类激素，可使血管平滑肌细胞松弛细胞松弛）。）。3 3）受体酪氨酸磷酸酯酶）受体酪氨酸磷酸酯酶4 4）受体鸟苷酸环化酶）受体鸟苷酸环化酶 为一次性跨膜蛋白受体。为一次性跨