物质的跨膜运输与信号转导

关于物质的跨膜运输与信号转导第一节概述●细胞通讯●信号转导系统及其特性第2页,共73页，2024年2月25日，星期天细胞通讯●细胞通讯的概念●细胞通讯方式

●信号分子与受体

●分子开关与蛋白激酶第3页,共73页，2024年2月25日，星期天细胞通讯（cellcommunication）

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。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。第4页,共73页，2024年2月25日，星期天细胞通讯方式

分泌化学信号进行通讯

内分泌（endocrine）

旁分泌（paracrine）

自分泌（autocrine）

化学突触（chemicalsynapse）

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的跨膜蛋白，如精子和卵子之间的识别

间隙连接和胞间连丝第5页,共73页，2024年2月25日，星期天接触性依赖的通讯第6页,共73页，2024年2月25日，星期天信号分子与受体●信号分子（signalmolecule）

亲脂性信号分子：甾类激素和甲状腺素

亲水性信号分子：神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素

气体性信号分子：NO

第7页,共73页，2024年2月25日，星期天信号分子与受体●受体（receptor）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，多为糖蛋白,少数是糖脂。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。

●第二信使（secondmessenger）:第一信使与受体作用后在胞内最早产生的信号分子，如cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）等第8页,共73页，2024年2月25日，星期天信号分子其共同特点是：①特异性，只能与特定的受体结合；②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；③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。第9页,共73页，2024年2月25日，星期天

细胞内受体:为胞外亲脂性信号分子所激活,激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）

细胞表面受体: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：

离子通道偶联的受体（ion-channel-linkedreceptor）

G-蛋白偶联的受体（G-protein-linkedreceptor）

酶偶连的受体（enzyme-linkedreceptor）受体第10页,共73页，2024年2月25日，星期天受体的功能

介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用)

信号转导第11页,共73页，2024年2月25日，星期天信号转导系统及其特性信号转导系统的基本组成：①信号识别：胞外信号被细胞表面特异性受体识别；②信号的跨膜转导：产生胞内第二信使或活化的信号蛋白；③信号放大：信号传递至胞内效应蛋白，引发胞内信号放大的级联反应，改变代谢活性/基因表达/细胞运动；④信号终止：通过受体的脱敏或下调，终止或降低细胞反应。第12页,共73页，2024年2月25日，星期天信号转导系统及其特性信号转导系统的的特性特异性、放大作用、信号终止或下调、信号整合第13页,共73页，2024年2月25日，星期天第二节细胞内受体介导的信号转导细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白

●甾类激素介导的信号通路:信号分子通过简单扩散进入细胞内,与其受体结合形成激素-受体复合物,穿过核孔进入胞核与特定区段的DNA结合，调节基因表达.

两步反应阶段：

初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录，发生迅速；

次级反应阶段：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。●一氧化氮介导的信号通路第14页,共73页，2024年2月25日，星期天NO作用于邻近细胞。NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L-精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成NO和L-瓜氨酸。NO第15页,共73页，2024年2月25日，星期天NO的作用机理：乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP升高→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO。

第16页,共73页，2024年2月25日，星期天1998年三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

第17页,共73页，2024年2月25日，星期天2.5通过细胞表面受体介导的

信号跨膜传递

●离子通道偶联的受体

●

G-蛋白偶联的受体

●酶偶联受体第18页,共73页，2024年2月25日，星期天离子通道偶联的受体

信号途径

特点：

受体/离子通道复合体，

跨膜信号转导无需中间步骤

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

有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性第19页,共73页，2024年2月25日，星期天G-蛋白偶联的受体(GPLR)

●

G蛋白

●

cAMP信号通路●磷脂酰肌醇信号通路●其它G-蛋白偶联的受体

第20页,共73页，2024年2月25日，星期天G蛋白

三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由α、β、γ三个亚基组成，α和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上（脂锚定蛋白），G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，α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。第21页,共73页，2024年2月25日，星期天G蛋白分子开关第22页,共73页，2024年2月25日，星期天G蛋白的激活与失活第23页,共73页，2024年2月25日，星期天

酶偶联受体

酶偶联型受体分为两类，其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，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：①通常为单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化和自磷酸化而激活，启动其下游信号转导。

第24页,共73页，2024年2月25日，星期天酶偶联受体●受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路●细胞表面其它与酶偶联的受体

受体丝氨酸/苏氨酸激酶

受体酪氨酸磷酸酯酶

受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals）

酪氨酸蛋白激酶联接的受体

组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）

第25页,共73页，2024年2月25日，星期天cAMP信号通路

反应链：激素→G-蛋白偶联受体(GPLR)→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录

第26页,共73页，2024年2月25日，星期天cAMP信号通路

组分及其分析

G-蛋白偶联受体

G-蛋白活化与调节腺苷酸环化酶：效应酶蛋白激酶A

环腺苷酸磷酸二酯酶：降解cAMP生成5’-AMP，终止信号。

细菌毒素对G蛋白的修饰作用第27页,共73页，2024年2月25日，星期天细菌毒素对G蛋白的修饰作用例如：霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者小肠上皮细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。第28页,共73页，2024年2月25日，星期天弧形霍乱菌第29页,共73页，2024年2月25日，星期天不同细胞对cAMP信号途径的反应：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE（cAMPresponseelement）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。第30页,共73页，2024年2月25日，星期天磷脂酰肌醇信号通路第31页,共73页，2024年2月25日，星期天磷脂酰肌醇信号通路

“双信使系统”反应链：胞外信号分子→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→

→IP3→胞内Ca2+浓度升高→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化、活化Na+/H+交换使胞内pH

信号的终止

第32页,共73页，2024年2月25日，星期天二酰基甘油（DG）DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，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，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。第33页,共73页，2024年2月25日，星期天IP3信号：依次去磷酸化为自由肌醇。Ca2+信号：被钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被泵回内质网。DG信号：被DG激酶磷酸化为磷脂酸；或被DG酯酶水解成单酯酰甘油。信号的终止第34页,共73页，2024年2月25日，星期天受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路

受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs） 包括6个亚族，主要功能是调控细胞生长分化。

信号转导：配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→ 激活RTK→胞内信号蛋白→启动信号传导

RTK-Ras信号通路： 配体→RTK→adaptor←GRF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸。第35页,共73页，2024年2月25日，星期天Ras蛋白

Ras蛋白是ras基因的表达产物，Ras蛋白的活化对细胞的分化和增殖是必须的，大量研究表明，约30%的人类恶性肿瘤与ras基因突变相关。原因在于突变的Ras蛋白失去了其水解GTP的能力，所以被锁定在开启状态，引起增殖失控。第36页,共73页，2024年2月25日，星期天受体酪氨酸激酶的二聚化

和自磷酸化第37页,共73页，2024年2月25日，星期天由细胞表面整联蛋白介导的信号传递●整联蛋白与粘着斑●粘着斑的功能：

一是机械结构功能；

二是信号传递功能：有到胞核和核糖体得两条信号途径第38页,共73页，2024年2月25日，星期天整联蛋白由

和

两个亚基形成的异二聚体糖蛋白，其胞外段具有多种胞外基质组分的结合位点，可与不同的配基结合。不仅介导细胞与基质之间的粘着，还提供了一种细胞外环境调控细胞内活性的渠道。第39页,共73页，2024年2月25日，星期天信号的整合与控制

●细胞对信号的整合：

细胞信号系统是多通路、多环节、多层次和高度复杂的可控过程，细胞反应得适当性依赖于细胞对多种接收信号的整合能力。细胞对信号反应具有收敛（convergence）和发散（divergence）的特点：

信号的强度或持续时间不同从而控制反应的性质；

不同细胞的同样受体其下游通路也是不同的；

整合信号汇聚其他信号通路的输入从而修正细胞对信号的反应。胞内信号系统是多途径，多环节，多层次整合的复杂的网络系统第40页,共73页，2024年2月25日，星期天信号的整合与控制细胞对信号的整合：信号的解除与终止和信号的启动对确保细胞对信号的适度反应同等重要。细胞以不同的受体脱敏方式产生对信号的适应。靶细胞对信号分子脱敏的5种方式：受体没收、受体下行调节、受体失活、信号蛋白失活和产生抑制蛋白第41页,共73页，2024年2月25日，星期天第42页,共73页，2024年2月25日，星期天第43页,共73页，2024年2月25日，星期天第44页,共73页，2024年2月25日，星期天第45页,共73页，2024年2月25日，星期天2.3分子开关

（molecularswitches）第46页,共73页，2024年2月25日，星期天2.3蛋白激酶

（Proteinkinases）

蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将ATP的γ磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化，蛋白激酶在信号转导中主要作用有两个方面：其一是通过磷酸化调节蛋白质的活性，磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制；其二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。第47页,共73页，2024年2月25日，星期天2.3蛋白激酶

蛋白激酶的种类

激酶

磷酸基团受体蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶丝氨酸／苏氨酸羟基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羟基蛋白组／赖／精氨酸激酶咪唑环，胍基，ε－氨基蛋白半胱氨酸激酶巯基蛋白天冬氨酸／谷氨酸激酶酰基第48页,共73页，2024年2月25日，星期天（A）细胞内受体蛋白作用模型;（B）几种胞内受体蛋白超家族成员第49页,共73页，2024年2月25日，星期天第50页,共73页，2024年2月25日，星期天NO在血管平滑肌舒张中的作用第51页,共73页，2024年2月25日，星期天

乙酰胆碱N受体（290KD）

5个亚基组成（

2

）调节主要为亚基变化通道开启：Na+

内流，K+外流，膜去极化。第52页,共73页，2024年2月25日，星期天cAMP信号通路反应链第53页,共73页，2024年2月25日，星期天蛋白激酶A第54页,共73页，2024年2月25日，星期天第55页,共73页，2024年2月25日，星期天IP3和DG的作用第56页,共73页，2024年2月25日，星期天第57页,共73页，2024年2月25日，星期天腺苷酸环化酶第58页,共73页，2024年2月25日，星期天第59页,共73页，2024年2月25日，星期天第60页,共73页，2024年2月25日，星期天第61页,共73页，2024年2月25日，星期天ConvergeonRas第62页,共73页，2024年2月25日，星期天第63页,共73页，2024年2月25日，星期天第64页,共73页，2024年2月25日，星期天RTKGLRLigandLigand