分子生物学信号转导

第四节信号转导与基因表达调控

细胞外信号通过与细胞表面的受体相互作用转变为胞内信号并在细胞内传递的过程称为信号转导（signaltransduction）。信号转导是多细胞生物细胞间协调统一，以及与外环境协调适应的一个重要途径。通过细胞外信号分子与细胞的相应受体相互作用，调节细胞的基因表达、代谢和功能。当前1页，总共52页。一、基本概念（一）信号分子（配体）带有生物信息的物质分子。1、激素：含氮激素、甾醇类激素、脂肪酸衍生物。2、神经递质：神经细胞突触释放的信号分子。3、生长因子：细胞分泌的能促进增殖生长的肽或蛋白质4、细胞因子：细胞受外界刺激产生调节蛋白5、代谢物、光、离子、气体药物等小分子物质。从从产生和作用方式分为：当前2页，总共52页。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。

当前3页，总共52页。（二）、受体（receptor)

受体是细胞表面或亚细胞组分中的一种分子，可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质（配体）结合，从而激活或启动一系列生物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效应。两个功能区域：与配体结合的区域产生效应的区域两个功能：1、识别特异的配体；2、把识别和接受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部，产生特定的细胞反应。当前4页，总共52页。靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为两类：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。细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分为①离子通道型受体、②G蛋白耦联型受体③酶耦联型受体（具有酶活性的受体）。2、细胞表面受体。1、细胞内受体当前5页，总共52页。（三）受体与配体的结合特点1、高度的特异性2、高亲和力：极低浓度的配体也能被受体识别结合3、可逆性：非共价键结合4、可饱和性Ｌ＋ＲＬＲ当前6页，总共52页。二、细胞表面受体与信号的跨膜传递RGE第二信使级联反应生物效应信号分子

受体效应器当前7页，总共52页。第一信使：胞外信号分子。第二信使：通过第一信使作用细胞产生的胞内信号分子。cAMPCa2+cGMP甘油二酯（DG）三磷酸肌醇（IP3）NO当前8页，总共52页。（一）离子通道型受体的信号传递是有多亚基组成受体/离子通道复合体，除本身有信号接受部位外，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤，反应快，一般只需几毫秒，改变细胞膜的兴奋性。开放或关闭直接受配体的控制，无配体时，关闭，配体与受体结合时开放。乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体当前9页，总共52页。（二）G蛋白偶联受体的信号传递1、G蛋白的结构和类型受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白结合，使其释放活性因子，再与效应蛋白发生反应。由于这些偶联蛋白的结构和功能极为类似，且都能结合并水解GTP，所以通常称G蛋白，即鸟苷酸调节蛋白结构：

α、β、γ三个亚基组成；α上有GTP或GDP的结合位点，具GTP酶活性,并能与效应蛋白结合，激活后者无活性状态：αβγ有活性状态：βγ+α当前10页，总共52页。类型：（1）Gs：激活腺苷酸环化酶，产生cAMP第二信使（2）Gi：Gs相反的生物学效应。（3）Gt：激活cGMP磷酸二酯酶，同视觉有关。（4）Gq：激活磷脂酶C，（5）Ras蛋白当前11页，总共52页。2、cAMP信号途径效应蛋白是腺苷酸环化酶（AC），第二信为使cAMP信号分子受体G蛋白腺苷酸环化酶ATPcAMPA激酶Pro（靶蛋白）Pro-p生理功能调节当前12页，总共52页。AC与cAMP

ATP

腺苷酸环化酶

Gs

Gi

cAMPA激酶

cAMP磷酸二酯酶

5’-cAMP

(1)cAMP信号体系当前13页，总共52页。cAMP依赖的蛋白激酶（A激酶，PKA）1.结构：2个催化亚基，2个调节亚基的蛋白质2.激活：别构激活（别构剂cAMP）A激酶3.作用：ProPro-P当前14页，总共52页。靶蛋白1.代谢途径中的一些酶骨骼肌糖原代谢

2.激活一些特异基因的转录(转录因子磷酸化）CREB(CRE结合蛋白)

A激酶

CREB-P+CRE(cAMP反应元件)

当前15页，总共52页。刺激型：G蛋白为Gs，

Gsα激活AC，cAMP升高抑制型：G蛋白为Gi，

Giα抑制AC，

Gi游离的βγ两个亚基与Gsα结合抑制Gsα

的活性cAMP降低（2）cAMP信号途径的类型如生长激素释放抑制因子受体如肾β-上腺素受体当前16页，总共52页。3、甘油二酯（DG）和三磷酸肌醇（IP3）途径细胞膜中约5%的肌醇磷脂（PI），分布于膜内层，在ATP作用下，PI磷酸化形成PIP2（4，5二磷酸肌醇）。受体+配体活化Gq

磷脂酶C

磷脂酶C活化

P1P2

IP3+DG

（第二信使）(1)DG（DAG）和IP3的产生(G蛋白为Gq)血管加压素生长因子等当前17页，总共52页。（2）IP3与DG的作用

DG使蛋白激酶C（PKC）磷酸化后被活化。活化后的PKC可附着于膜上，调节Na+-H+的交换器促进Na+流入，H+流出，使PH升高。PKC可对胞内的多种靶蛋白磷酸化，改变其功能，促进细胞增殖等。IP3作用于肌浆网上的Ca2+受体通道蛋白，使通道开放，肌浆网内的Ca+流入细胞质，作为第三信使，调节相关的蛋白质的功能。DGCa2+磷脂酰SerPKC无活性PKC活性当前18页，总共52页。配体+受体活化Gq磷脂酶C活化P1P2DG

IP3PKC活化Na+-H+的交换器PH升高靶蛋白磷酸化细胞功能变化肌浆网Ca2+通道Ca2+升高胞内效应总途径：当前19页，总共52页。3、Ca2+信号途径Ca2+可通过两种途径进入胞质：通过膜Ca2+通道(胞外胞质内)通过ER上Ca2+通道(内质网库胞质内)(1)细胞质内Ca2+的调节通常情况下，细胞质中Ca2+的浓度极低10-7M。

Ca2+的排出：细胞膜、内质网、线粒体上的钙泵当前20页，总共52页。（2）Ca2+结合蛋白Ca2+作为信号分子，通过与钙结合蛋白作用，调节这些蛋白的功能，进而调节细胞的功能活动如促进细胞增殖、分泌、骨骼肌收缩等。钙调蛋白（CaM）（主要）PKC等钙调节酶IP3受体，当前21页，总共52页。（三）酶耦联型受体的跨膜信号传递受体特点：受体均为跨膜蛋白

膜内具酶活性

胞外与配体结合区跨膜区胞内酶活性区与配体结合后，自身的酶活性被激活。当前22页，总共52页。1、受体鸟苷酸环化酶信号途径特点：受体具GC活性，无需G蛋白介导信号分子受体GTPcGMPG激酶ProPro-p生理功能调节心钠素鸟苷酸环化酶（GC）还有一种类型存在于细胞质中，受其它信号分子（NO）调节。当前23页，总共52页。细胞中cGMP的含量大约是cAMP的1/10，其作用与cAMP相对抗。cGMPcAMP糖原分解合成细胞分裂抑制促进细胞分化促进抑制二者的相互拮抗、相互制约，共同调节细胞的功能和生理活动。当前24页，总共52页。2、受体酪氨酸蛋白激酶信号途径（1）受体本身具有酪氨酸蛋白激酶（TPK）活性，活化后能使自身的酪氨酸磷酸化。（2）在无配体时，受体与单体的形式存在，与配体结合后形成二聚体被激活，引起自身磷酸化（酪氨酸磷酸化）。特点：在细胞质中还有一类非受体的酪氨酸蛋白激酶。当前25页，总共52页。转导途径：配体+TPK受体TPK受体二聚体（活化）受体自身磷酸化SH2蛋白RAS蛋白活化效应RAS信号途径许多生长因子的受体为TPK。当前26页，总共52页。（四）跨膜信号传递的级联作用在信号转导过程中，信号逐级放大

当前27页，总共52页。

三、脂溶性细胞外信号分子介导的信号转导系统（一）脂溶性细胞外信号分子：1、种类：类固醇激素、甲状腺激素、VitD等

2.特点：

（1）疏水性，能进入细胞浆或细胞核

（2）该类信号分子受体在细胞内

在细胞质中或细胞核中当前28页，总共52页。（二）细胞内受体------转录因子(蛋白质)

三个结构域:

激素结合区

DNA结合区:高度同源性.富含Cys,锌指结构

变区:激活转录

(启动子/细胞专一性)

（三）专一DNA序列:反应元件

激素反应元件(HRE):能对激素作出反应顺式作用元件当前29页，总共52页。信号分子

受体信号分子受体专一DNA序列基因转录转录因子反应元件信号途径：当前30页，总共52页。转录因子转录因子+反应元件图17-21当前31页，总共52页。当前32页，总共52页。本章小结1、真核生物的基因结构---断裂基因2、真核生物不同水平的基因表达调控。3、真核细胞与原核细胞在基因转录、翻译及DNA的空间结构方面的差异4、配体与受体的结合特点，主要的信号转导途径。5、基因概念断裂基因，受体，第二信使，激素反应元件，锌指基因扩增,简单转录单位,复杂转录单位当前33页，总共52页。当前34页，总共52页。由5个亚基组成，形成了5个跨膜区。当前35页，总共52页。当前36页，总共52页。当前37页，总共52页。当前38页，总共52页。当前39页，总共52页。CAMP信号途径：刺激型1、信号与受体结合，受体活化，构象改变，暴露与G蛋白的结合部位。2、配体－受体复合物与G蛋白结合，G活化，Gsα构象改变，结合GTP3、Gsα-GTP复合物与βγ分离，暴露与AC的结合部位。4、Gsα-GTP与AC结合，AC活化，分解ATP为cAMP5、Gsα分解GTP为GDP，构型改变，与AC分离，AC失活，Gsα与βγ结合，恢复静息状态。当前40页，总共52页。肾上腺素当前41页，总共52页。当前42页，总共52页。当前43页，总共52页。当前44页，总共52页。图17-12当前45页，总共52页。当前46页，总共52页。

钙调蛋白（CM）结构:单链多肽4个Ca2+结合位点，具别构效应CM无活性+Ca2+Ca2+-CM活性