细胞生物学_翟中和--第八章

1、细胞生物学第八章第八章 细胞信号转导细胞信号转导 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 细胞内受体介导的信号转导细胞内受体介导的信号转导 第三节第三节 G G蛋白耦联受体的信号转导蛋白耦联受体的信号转导 第四节第四节 酶耦联受体介导的信号转导酶耦联受体介导的信号转导 第五节第五节 信号的整合与控制信号的整合与控制细胞生物学一、细胞通讯一、细胞通讯细胞通讯（cell communication）是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个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。细胞生物学分泌化学信号进行通讯分泌化学信号

2、进行通讯接触性依赖的通讯接触性依赖的通讯（一）细胞通讯方式（一）细胞通讯方式细胞生物学间隙连接实现代谢偶联或电偶联：通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联细胞生物学合成并释放信号分子结合靶细胞受体激活靶细胞信号终止靶细胞发生反应运输信号分子细胞生物学细胞生物学1.细胞的信号分子（1）亲脂性信号分子：主要代表是甾类激素和甲状腺素，这类亲脂性分子小、疏水性强，可穿过细胞质膜进入细胞，与细胞质或细胞核中受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达;（2）亲水性信号分子：包括神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素，它们不能穿过靶细胞质膜的脂双分子层，只能通过与靶细胞表面受体结合，再经信号转换机制，在

3、细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。（3）气体性信号分子(NO)细胞生物学2. 2. 受受 体体（1 1）定义：）定义：受体（受体（receptorreceptor）是一种能够识别和选）是一种能够识别和选择性结合某种配基（信号分子）的大分子，当与配择性结合某种配基（信号分子）的大分子，当与配基结合后，通过信号转导（基结合后，通过信号转导（signal transductionsignal transduction）作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体多启动一系列过程

4、，最终表现为生物学效应。受体多为糖蛋白。为糖蛋白。（2 2）结构：）结构：接受部分，效应部分。接受部分，效应部分。（3 3）特点：）特点：特异性，饱和性，可逆性。特异性，饱和性，可逆性。（4 4）分类：）分类：细胞内受体，细胞表面受体。细胞内受体，细胞表面受体。细胞生物学细胞表面受体分属三大家族细胞生物学肾上腺素，胰高血糖素蛋白磷蛋白磷酸酶酸酶细胞生物学激活PKA激活ER钙通道激活PKG激活PKC细胞生物学GAPRGSGDI细胞生物学二、信号转二、信号转导系统及其导系统及其特性特性（一）信号（一）信号转导系统的转导系统的基本组成与基本组成与信号蛋白信号蛋白细胞生物学( (二二) )细胞内信号蛋

5、白的相互作用细胞内信号蛋白的相互作用细胞生物学(三)信号转导系统的主要特性细胞生物学第二节第二节 细胞内受体介导的信号转导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一、细胞内核受体及其对基因表达的调节在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。当配基（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。 这类受体一般都有3个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。细胞生物学细胞生物学甾类激素诱导的基因活化分为两个阶

6、段：（甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：（1 1）直接活）直接活化少数特殊基因转录的初级反应阶段，发生迅速；（化少数特殊基因转录的初级反应阶段，发生迅速；（2 2）初级反应的基因产物再活化其它基因产生延迟的次级反初级反应的基因产物再活化其它基因产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。应，对初级反应起放大作用。细胞生物学二、二、NONO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合1980年，美国科学家Furchaout 在一项研究中发现了一种小分子物质，具有使血管平滑肌松弛的作用，后来被命名为血管内皮细胞舒张因子，被确认为是NO。 1987年，Moncada等

7、用化学方法测定了内皮细胞释放的物质为NO，并据其含量，解释其对血管平滑肌舒张的程度。1988年，Polmer等人证明，L-精氨酸(L-argi-nine , L-Arg)是合成NO的前体，是第一个被发现的气体信号分子。细胞生物学细胞生物学细胞生物学第三节第三节 G蛋白耦联受体的信号转导蛋白耦联受体的信号转导 亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）一般不能直接进入细胞，白激素、生长因子等）一般不能直接进入细胞，而是通过与细胞表面特异受体的结合，进行信而是通过与细胞表面特异受体的结合，进行信号转导继而对靶细胞产生效应。号转导继而对靶细胞产生效应

8、。细胞生物学一、一、 G蛋白耦联受体的结构和激活蛋白耦联受体的结构和激活、 G-蛋白:l发现细胞生物学组成组成: 一般由三个亚基组成一般由三个亚基组成, 分别叫分别叫、, 其其中中、两亚基通常紧密结合在一起两亚基通常紧密结合在一起, 只有在蛋只有在蛋白变性时才分开。白变性时才分开。功能功能位点位点: 亚基具有三个功能亚基具有三个功能位点位点：GTP结合位点结合位点; 鸟苷三磷酸水解酶鸟苷三磷酸水解酶(GTPase)活性活性; ADP-核糖化位点。核糖化位点。细胞生物学细胞生物学、G蛋白耦联受体的结构蛋白耦联受体的结构细胞生物学The largest family of cell surface

9、 receptors transmit signals to intracellular targets via the intermediary action of guanine nucleotide-binding proteins called G proteins. More than a thousand such G protein-coupled receptors have been identified, including the receptors for many neurotransmitters, neuropeptides, and peptide hormon

10、es. In addition, the G protein-coupled receptor family includes a large number of receptors that are responsible for smell, sight, and taste.细胞生物学The G protein-coupled receptors are structurally and functionally related proteins characterized by seven membrane-spanning helices . The binding of ligan

11、ds to the extracellular domain of these receptors induces a conformational change that allows the cytosolic domain of the receptor to bind to a G protein associated with the inner face of the plasma membrane. This interaction activates the G protein, which then dissociates from the receptor and carr

12、ies the signal to an intracellular target, which may be either an enzyme or an ion channel.细胞生物学细胞生物学 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细胞生物学（一）（一） 以以cAMPcAMP信号通路为第二信使的信号通路信号通路为第二信使的信号通路l该系统属该系统属G G蛋白偶联受体信号传导；蛋白偶联受体信号传导；l在该系统中在该系统中, , 细胞外信号要被转换成第二信息细胞外信号要被转换成第二信息cAMPcAMP引起细胞反应。引起细胞反应。lG G腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶细胞生

13、物学细胞生物学Mg2+或Mn2+细胞生物学激活型的系统组成激活型的系统组成激活型受体：提高膜内激活型受体：提高膜内cAMPcAMP的水平的水平肾上腺素肾上腺素(型型) )受体受体, , 胰胰高血糖素受体等高血糖素受体等此类受体都是此类受体都是7 7次跨膜的次跨膜的膜整合蛋白。膜整合蛋白。激活型的激活型的G-G-蛋白蛋白 将受体接收的信号传递给将受体接收的信号传递给腺苷酸环化酶，使该酶激活。腺苷酸环化酶，使该酶激活。 效应物效应物 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 C C抑制型的系统组成抑制型的系统组成抑制型受体抑制型受体(Inhibite (Inhibite Receptor, Ri)Receptor

14、, Ri)抑制型的受体抑制型的受体(Ri)(Ri)通过通过GiGi抑抑制腺苷酸环化酶的活性制腺苷酸环化酶的活性, ,降降低膜内低膜内cAMPcAMP的水平。的水平。抑制型抑制型G G蛋白蛋白(Gi-(Gi-proteins)proteins) 抑制型的抑制型的GTPGTP结合蛋白传递结合蛋白传递抑制性信号抑制性信号, ,降低腺苷酸环降低腺苷酸环化酶的活性。化酶的活性。效应物效应物腺苷酸环化酶。腺苷酸环化酶。细胞生物学细胞生物学蛋白激酶蛋白激酶A A（Protein Kinase AProtein Kinase A，PKAPKA）由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有由两个催化亚基和两个调节亚

15、基组成，在没有cAMPcAMP时，以钝化复合体形式存在。时，以钝化复合体形式存在。cAMPcAMP与调节与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶激酶A A催化亚基可使细胞内某些蛋白的催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。进一步影响到相关基因的表达。细胞生物学细胞生物学细胞生物学细胞生物学毒素对cAMP信号途径的影响霍乱毒素(cholera toxin)

16、 能把NAD+上的NAD-核糖转移到Gs蛋白的亚基上，使G蛋白核糖化(ADP-ribosylation),这样将抑制GTP的水解。百日咳毒素(whooping couch toxin) 作用机理同霍乱毒素相同，但是使Gi蛋白进行ADP核糖化,其结果也是使cAMP的浓度增加。细胞生物学细胞生物学（二）磷脂肌醇双信使信号通路（二）磷脂肌醇双信使信号通路细胞生物学细胞生物学细胞生物学蛋白激酶蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC)PKCPKC是钙和磷脂依赖性酶，在未受刺激的细胞是钙和磷脂依赖性酶，在未受刺激的细胞中中,PKC,PKC主要分布在细胞质中主要分布在细胞质中, ,呈非活性构象

17、。呈非活性构象。当细胞接受刺激，产生当细胞接受刺激，产生IP3IP3，使，使Ca2+Ca2+浓度升高，浓度升高，PKCPKC便转位到质膜内表面，被便转位到质膜内表面，被DGDG活化，活化，PKCPKC可以使可以使蛋白质的丝氨酸蛋白质的丝氨酸/ /苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、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。增殖和分化等。细胞生物学细胞生物学细胞生物学Ca2+的第二信使作用的第二信使作用Calcium ions play a significant role in a remarkable variety

18、 of cellular activities, including muscle contraction, cell division, secretion, endocytosis, fertilization, synaptic transmission, metabolism, and cell movement.细胞生物学钙调蛋白钙调蛋白(calmodulin，CaM ) Each molecule of calmodulin contains four binding sites for calcium. Calmodulin does not have sufficient af

19、finity for Ca2+ to bind the ion in a non-stimulated cell. If, however, the Ca2+ concentration rises in response to a stimulus, the ions bind to calmodulin, changing the conformation of the protein and increasing its affinity for a variety of effectors细胞生物学细胞生物学细胞生物学信号的终止信号的终止IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷

20、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。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，进入磷脂酰肌醇循环；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。细胞生物学细胞生物学（三）G-蛋白耦联受体介导离子通道的调控、离子通道耦联受体及其信号转导细胞生物学、G-蛋白耦联受体介导的离子通道及其调控细胞生物学、GtGt蛋

21、白耦联的光受体蛋白耦联的光受体的活化诱发的活化诱发cGMP-cGMP-门控阳门控阳离子通道的关闭离子通道的关闭细胞生物学细胞生物学第四节第四节 酶耦联受体介导的信号转导酶耦联受体介导的信号转导细胞生物学、受体结构特点及类型结构： 跨膜区、细胞外结构域、细胞内结构域类型：表皮生长因子受体(Epidermal growthfactor, EGF);胰岛素受体(insulin receptor) 。细胞生物学2、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

22、氨酸蛋白激酶活性。细胞生物学细胞生物学细胞生物学3、RAS信号途径信号途径Ras蛋白与Raf的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又称MAPKKK）活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化。MAPKK又使MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。RPTK-Ras信号通路可概括如下：配体RPTKadaptor

23、GEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子基因表达。细胞生物学细胞生物学SH2结构域结构域一种与磷酸化酪氨酸基元具有高亲和性的结一种与磷酸化酪氨酸基元具有高亲和性的结合位点（氨基酸序列）；合位点（氨基酸序列）；sites Phsphorylated Tyrosine Serve as docking for protein with SH2 domains (Src homology region).Other protein modules such as SH3 binds to proline-rich motifs in intracellular prot

24、eins.细胞生物学细胞生物学细胞生物学细胞生物学受体丝氨酸受体丝氨酸/苏氨酸激酶是单次跨膜蛋白受体，在胞苏氨酸激酶是单次跨膜蛋白受体，在胞内区具有丝氨酸内区具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，该受体以异苏氨酸蛋白激酶活性，该受体以异二聚体行使功能。主要配体是转化生长因子二聚体行使功能。主要配体是转化生长因子-s。（TGF-s。）。家族成员，包括。）。家族成员，包括TGF-1TGF-5，这些成员具有类似结构与功能，对细胞具有多方面这些成员具有类似结构与功能，对细胞具有多方面的效应。依细胞类型不同，可能抑制细胞增殖、刺的效应。依细胞类型不同，可能抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋

25、化性吸激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中引细胞和作为胚胎发育过程中 的诱导信号等的诱导信号等。细胞生物学受体酪氨酸磷酯酶为单次跨膜蛋白受体，受体受体酪氨酸磷酯酶为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。较低的磷酸酪氨酸残基的水平。细胞生物学受体鸟苷酸环化酶是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体心房排钠肽（A