第五章第二节细胞通信和信号传递讲课文档

第五章第二节细胞通信和信号传递第1页，共92页。一细胞通讯与细胞识别㈠细胞通讯细胞通讯(cellcommunication)是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应的过程。种类：①分泌化学信号进行通讯；②接触性依赖的通讯(contact-dependentsignaling)；

③通过间隙连接的通信。第2页，共92页。胞内信号发起和细胞对信号反应的类型第3页，共92页。

1分泌化学信号的通讯①内分泌(endocrine):内分泌细胞分泌信号分子到血液中，由血液循环运送并作用于体内各部位靶细胞。②旁分泌(paracrine):细胞分泌局部化学介质到细胞外液中，局部扩散作用于邻近靶细胞。第4页，共92页。③自分泌(autocrine):细胞对自身分泌的物质产生反应。

④通过化学突触传递神经信号。

第5页，共92页。2．细胞接触性依赖的通讯信号细胞通过质膜上结合的信号分子和同其相接触的靶细胞质膜上的受体分子相结合，从而影响靶细胞。信号细胞靶细胞3．间隙连接依赖的通讯细胞间通过间隙连接交换小分子来实现代谢/电偶联。第6页，共92页。㈡细胞识别与信号通路细胞识别(cellrecognition)是指细胞通过其表面受体与胞外信号物质分子(配体)选择性地相互作用，从而导致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。细胞信号通路(signalingpathway)：细胞接受外界信号，通过一套特定的机制，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，这种反应系列称之为细胞信号通路(signalingpathway)。细胞识别通过各种细胞信号通路实现；是细胞通讯的重要环节。细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应的过程。第7页，共92页。㈢细胞的信号分子与受体1．信号分子（signalmolecule)

①亲脂性信号分子：分子小、疏水性强，可跨膜入胞内，与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(甾类激素和甲状腺素)；

②亲水性信号分子：不能过质膜，与靶细胞表面受体结合后在胞内产生第二信使或激活蛋白激酶/磷酸酶的活性，引起细胞的应答。(神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素) ③气体性信号分子：NO。第8页，共92页。2．受体（receptor）

受体：一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子。同配体结合后，通过信号转导(signaltransduction)作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。分类：细胞内受体(intracellularreceptor)，细胞表面受体(cell—surfacereceptor）。特征：多为糖蛋白；至少包括两个功能区域（受体结合区，效应区）。第9页，共92页。受体与信号分子的对应关系同种化学信号结合不同细胞的不同受体，产生不同效应；相同信号分子结合不同细胞上的相同受体产生不同反应；不同信号结合同一细胞不同受体产生相同效应。

第10页，共92页。一种细胞具有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号，产生不同效应。受体和配体结合的特异性及细胞固有的特性决定细胞对外界的反应；避免信号分子过于繁多；第11页，共92页。3．第二信使与分子开关概念：一般将细胞外信号分子称为“第一信使”，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(secondmessenger)，常见的有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)。第二信使学说(secondmessengertheory)：某些胞外信号分子(第一信使)不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。Sutherland因为对cAMP的研究工作，提出第二信使学说而获得1971年诺贝尔医学和生理学奖。第12页，共92页。分子开关蛋白(switchprotein)磷酸化控制：由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶去磷酸化而关闭,多为蛋白激酶。GTP结合控制：结合GTP活化，结合GDP失活。（Ras，G蛋白）在胞内信号传递的过程中，对信号的启动和终止具有重要作用的一类蛋白。第13页，共92页。二通过细胞内受体介导的信号传递1胞内受体特性：本质是激素激活的基因调控蛋白，同亲脂性小信号分子（如脂溶性激素）结合。在胞内与抑制性蛋白(如Hsp90)结合形成复合物（非活化状态）；结合信号分子后，抑制性蛋白解离，DNA结合位点暴露（激活）。第14页，共92页。结构：C端:激素结合位点；中部:DNA/Hsp90结合位点：富含Cys、具锌指结构N端:转录激活结构域。第15页，共92页。2甾类激素分子通过胞内受体的信号传导过程：①经简单扩散跨膜进入胞内；②结合受体，形成激素—受体复合物；③受体构象改变，结合DNA能力增强；④穿过核孔进入核内；⑤激活的受体结合于特异的DNA序列（受体依赖的转录增强子），调节基因表达。第16页，共92页。甾类激素作为信号诱导基因活化的两个阶段：初级反应阶段：直接活化少数特殊基因的转录，发生迅速；次级反应阶段：由初级反应的产物再活化其他基因产生，以放大初级反应，较缓慢。第17页，共92页。3.

NO“明星信号分子”体内NO的特性

：

一种自由基性质的气体，具脂溶性，可快速扩散过质膜，到达邻近靶细胞发挥作用（局部介质）。NO生成部位：血管内皮细胞和神经细胞。NO的生理功效：快速导致血管平滑肌舒张，从而使血管扩张、血流通畅。（硝酸甘油）参与大脑的学习记忆生理过程。第18页，共92页。

NO的作用机理

①血管内皮细胞和神经细胞接受刺激，内源性合成NO：②NO扩散到邻近细胞，同鸟苷酸环化酶(GC)酶活性中心的Fe2+结合，改变GC构象，活性增强，导致cGMP大量合成；③cGMP作为第二信使介导蛋白质磷酸化等过程，发挥多种生物学作用。R．Furchgott等三位美国科学家因此获得1998年诺贝尔医学和生理学奖。NOSL-精氨酸+O2NO+L瓜氨酸第19页，共92页。乙酰胆碱第20页，共92页。三通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递介导亲水性化学信号分子的信号传导。细胞表面受体种类：

离子通道偶联的受体

(ion-channellinkedreceptor)；存在于神经、肌肉等可兴奋细胞。G-蛋白偶联的受体(G-proteinlinkedreceptor)；酶偶联的受体(enzyme-linkedreceptor)。第21页，共92页。㈠离子通道偶联的受体受体—离子通道复合体,由多个亚基组成,既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤。又称配体门离子通道或递质门离子通道.第22页，共92页。㈡G蛋白偶联的受体配体—受体复合物与靶蛋白(酶或离子通道)的作用要通过与G蛋白偶联，调节相关酶活性，在胞内产生第二信使，将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。

多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体。信号分子结合区G蛋白偶联区G蛋白偶联的受体第23页，共92页。1)G蛋白结构：由α,β,γ三个亚基组成；β与γ形成二聚体，结合于膜上，固定α亚基；α亚基具GTP/GDP结合部位并具GTP酶活性；α结合GDP，关闭态；α结合GTP，开启态。1.G蛋白第24页，共92页。2)G蛋白的活化：①配体与受体结合,露出G蛋白结合部位，并同其结合；

②GDP同G蛋白结合减弱，并解离；③G蛋白结合GTP后离解成βγ复合物及α，被激活。第25页，共92页。3)G蛋白的失活：通过α亚基水解GTP而实现。第26页，共92页。4)G蛋白功能：A.调节离子通道;B.激活腺苷酸环化酶产生cAMP；C.激活磷脂酶c（PLC）产生IP3和DAG。第27页，共92页。调节离子通道：G蛋白调节心肌细胞中K＋通道的开放。通过βγ复合物实现。第28页，共92页。2cAMP信号通路

胞外信号与受体结合，导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。此信号通路的首要效应酶是腺苷酸环化酶(A-cyclase,AC)。第29页，共92页。P136Gs活化AC模型第30页，共92页。神经细胞对神经递质快速响应引起cAMP增加第31页，共92页。

1）cAMP信号通路组分：①受体：激活型激素受体(Rs)：与Gs相互作用，激活AC活性(肾上腺素β受体)；

抑制型激素受体(Ri)：与Gi相互作用，抑制AC活性(如肾上腺素α受体）。受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白偶联/结合。已鉴定有几十种Rs和Ri。第32页，共92页。②G蛋白激活型调节G蛋白(Gs)：偶联Rs和A-cyclase；抑制型调节G蛋白(Gi)：偶联Ri和A-cyclase。第33页，共92页。A-cyclase活化第34页，共92页。Gi抑制AC活性的模型两条途径：⑴Gi解离的α亚基与AC结合，抑制酶的活性；⑵Gi解离的βγ复合物与Gs游离的α亚基结合。第35页，共92页。③腺苷酸环化酶和环腺苷酸磷酸二酯酶腺苷酸环化酶（A-cyclase）一种糖蛋白，为cAMP信号通路的催化单位（150KD,跨膜12次）。在Mg2+/Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP。第36页，共92页。降解cAMP生成5’-AMP，终止信号。

胞内cAMP的快速合成与降解使细胞能快速应答胞外信号。茶碱、咖啡碱可抑制其活性。环腺苷酸磷酸二酯酶Phosphodiesterase第37页，共92页。④蛋白激酶A（PKA）：cAMP依赖性蛋白激酶（简称A激酶，PKA），由两个催化亚基（C）和两个调节亚基（R）组成。无cAMP：钝化复合体；有cAMP：活化的催化亚基解离；第38页，共92页。cAMP通过蛋白激酶对各代谢过程的影响PKA功能：磷酸化某些蛋白特定的Ser和Thr，调节物质代谢和基因表达；(ATP依赖)a)磷酸化胞浆内的核蛋白体蛋白、膜蛋白、微管蛋白及受体蛋白等。第39页，共92页。

b)调节基因表达：PKA催化亚单位进入核，将组蛋白、酸性蛋白、CREB磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的调节区域；

CREB:

CRE结合蛋白。第40页，共92页。cAMP充当第二信使促细胞基因表达的过程cAMP

结合PKA调节亚单位

PKA构象改变组蛋白H1、H2A、H3DNA解螺旋

催化亚单位磷酸化

CREB与DNA上CRE区结合（暴露核定位信号，进入核内）启动特异基因表达合成特异蛋白

抑增殖促分化肾上腺素引起的葡萄糖异生作用激活第41页，共92页。

cAMP激活的PKA在不同细胞中可引起不同靶蛋白磷酸化，从而引起不同效应；可分为快速和慢速效应。第42页，共92页。肾上腺素通过cAMP实现信号的放大第43页，共92页。cAMP信号途径的调控①激素与受体分离；②受体可在活化的PKA作用下失敏；③G蛋白α亚基上GTP/GDP的交替；④cAMP可被磷酸二酯酶水解为5’AMP而失去活性；⑤被磷酸化而激活的蛋白可在磷酸酶作用下去磷酸而失活，磷酸酶又受其抑制蛋白的调控。

第44页，共92页。

3磷脂酰肌醇信号通路

信号分子结合膜上受体，激活磷脂酶C(PLC)，水解膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)成1，4，5—三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG)（或类酯二酰甘油DAG）两个第二信使，使胞外信号转为胞内信号。特点：同时产生两个胞内信使;激活两个信号途径：IP3-Ca2+和DG-PKC途径。跨膜信号转导是通过效应酶磷脂酶C完成的。第45页，共92页。P140PKC第46页，共92页。1）磷脂酰肌醇信号通路的重要组分细胞膜受体；G蛋白①磷脂酶C（PLCβ）：催化4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG）两个第二信使；转换胞外信号为胞内信号。

PLCPIP2DAGIP3第47页，共92页。

IP3：结合并打开内质网上的IP3配体门Ca2+通道，使胞内Ca2+浓度升高，激活各类依赖钙离子的蛋白。DAG：结合于质膜上，通过提高PKC对Ca2+的敏感性而活化与质膜结合的PKC。②三磷酸肌醇和二酰基甘油：第48页，共92页。二磷酸磷脂酰肌醇钙池调控钙离子通道calcium-release-activatedcalcium第49页，共92页。第50页，共92页。③蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC)：胞质中的Ca2+依赖蛋白激酶,[Ca2+]升高时，转位到质膜内表面，被DAG活化。

功能：催化某些蛋白Ser或Thr磷酸化从而启动由这些蛋白调节的细胞分泌、肌肉收缩等“短期生理效应”，及细胞增殖、分化等“长期生理效应”。第51页，共92页。PKC质膜P142非活化态活化态DG-PKC信号通路调节基因转录激活蛋白激酶反应链和激活抑制蛋白的磷酸化第52页，共92页。钙调蛋白(calmodulin，CaM)

含4个Ca2+结合位点，本身无酶活性，结合Ca2+后可活化胞中多种别构激酶和蛋白质（如PKC、AC、磷酸二酯酶和糖原磷酸化酶、Ca2+泵等）

CaM激活靶酶的过程无活性靶酶活性靶酶④由钙调蛋白介导的Ca2+信号传递第53页，共92页。钙调蛋白激活的两类激酶：①多功能的蛋白激酶：可使多种蛋白磷酸化，从而介导因钙离子升高而发生的多种生理功能(如调节基因转录、蛋白合成、细胞分泌，参与多种代谢途径的调节及多种激素信号传递相关酶(如AC、磷酸二酯酶等的激活）②特定的依赖钙调蛋白的激酶：只作用于一种底物(酶)，使其磷酸化(如肌球蛋白轻链激酶、磷酸化激酶、延长因子2激酶，可分别调节肌肉收缩、糖原分解及蛋白合成。第54页，共92页。DG-PKC途径与钙信号系统的相互关系：许多能使DG生成并激活PKC的激素受体往往同时促进胞浆内Ca2+升高，Ca2+能加强PKC活化。Ca2+的效应较短暂，而DG引起的PKC激活则可延长细胞的反应。

第55页，共92页。2）磷脂酰肌醇信号通路的终止：

IP3信号终止：去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。DG信号终止：被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，被DG酯酶水解成单酯酰甘油。

Ca2+信号的终止：质膜上的Ca2+泵和Na+_Ca2+交换器将其抽出细胞；内质网膜上的钙泵将其抽进内质网。第56页，共92页。㈢与酶连接的受体为跨膜蛋白，胞外段结合配体后，即激活其胞内段的酶活性，又叫催化性受体(catalyticreceptor)。分类：①受体酪氨酸激酶；②受体丝氨酸／苏氨酸激酶；③受体酪氨酸磷酸酯酶；④受体鸟苷酸环化酶；⑤酪氨酸蛋白激酶联系的受体。第57页，共92页。1．受体酪氨酸激酶(RTKs)及RTK-Ras蛋白信号通路配体结合受体后，激活受体的酪氨酸蛋白激酶活性，引起一系列磷酸化级联反应，改变细胞生理或基因表达。

特点：无需信号偶联蛋白参与，由受体本身酶活性的激活来完成信号跨膜传递。第58页，共92页。

①结构：胞外区:结合配体的结构域；跨膜区:一个α螺旋；胞内区:酪氨酸蛋白激酶催化部位和自磷酸化位点；②分类：胰岛素和多种生长因子受体等6个亚族.1）受体酪氨酸激酶（RTKs)：胰岛素受体血管内皮生长因子血小板衍生生长因子血小板衍生生长因子第59页，共92页。2）RTKs的激活

配体（二聚体）结合受体受体二聚化，形成同源或异源二聚体各受体的Tyr激酶活性被激活，并相互磷酸化胞内段的Tyr细胞内信号蛋白结合磷酸化的Tyr信号向下传递。受体相互磷酸化Tyr第60页，共92页。

3）结合于RTK磷酸化Tyr上的胞内蛋白

①信号蛋白：PI3-Kinase,PLCγ,GTP酶活化蛋白（GAP）；②接头蛋白(adaptorproteins)：本身无酶活性也不能传递信号;可联接受体和其他信号分子，形成信号转导复合物。二者共性：

含至少2个高度保守区域：SH2域：识别并结合磷酸化的Tyr；SH3域：结合富含Pro的序列。鸟苷酸释放蛋白第61页，共92页。4）RTKs的作用直接激活或磷酸化其Tyr而激活信号蛋白，将信号向下传递给：磷脂酶C

(PLC)、PI3激酶（将磷脂酰肌醇类物质磷酸化,，参与磷脂酰肌醇循环），将信号传递到磷脂酰肌醇信号途径。蛋白磷酸酯酶;接头蛋白：由其介导将信号下传；

Ras等低分子量G蛋白；第62页，共92页。结合GTP被活化，结合GDP则失活；鸟苷酸释放因子(GRF)参与GDP的解离，其通过接头蛋白结合RTK；GTP酶活化蛋白(GAP)促进GTP的水解；Ras蛋白：一种G蛋白，具GTPase活性，位于质膜胞质侧，在RTKs激活的信号传导中起分子开关作用。5）RTK—Ras信号通路第63页，共92页。GRF

Ras蛋白的激活第64页，共92页。Ras蛋白激活的激酶磷酸化途径

Ras-GTP结合Raf的N端Raf活化(MAPKKK)（磷酸化MAPKK的Ser／Thr残基）MAPKK活化

磷酸化MAPK的Ser/Thr残基MAPK（有丝分裂原活化蛋白激酶）活化进入细胞核磷酸化核内底物蛋白（各类MAP）的Ser／Thr残基，修饰它们的活性，调节基因表达MAP：有丝分裂原活化蛋白细胞有丝分裂第65页，共92页。蛋白激酶的磷酸化级联反应P146RafMAPKKKMAPKKMAPK第66页，共92页。RTK—Ras信号通路作用模式：配体——RTK——adaptor（接头蛋白）——GRF—

—Ras-GDP——Ras-GTP——Raf(MAPKKK)——MAPKK——MAPK——

进入细胞核——

启动其他激酶或基因调控蛋白(转录因子)的磷酸化修饰。GAP第67页，共92页。2受体酪氨酸磷酸酯酶(receptortyrosinephosphatases)

为单次跨膜蛋白受体，胞内区具有Tyr磷酸酯酶的活性，活化酶可使特异的胞内信号蛋白的磷酸Tyr残基去磷酸化。作用:持续地逆转RTKs的效应，在细胞信号系统中和细胞周期调控中发挥重要作用。第68页，共92页。3受体鸟苷酸环化酶(receptorguanylatecyclase)单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为GC催化结构域。配体：心房排钠肽(atrialnatriureticpeptides，ANPs)，可促进肾细胞排水和钠，使血管平滑肌细胞松弛，降低血压。ANPs作用途径：ANPs＋受体激活受体GCGTPcGMP结合激活

cGMP依赖的蛋白激酶G(PKG)

靶蛋白Ser／Thr残基磷酸化第69页，共92页。4受体丝氨酸／苏氨酸激酶(receptorserine／threoninekinases)为一次性跨膜蛋白受体，胞内区具有丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶活性，以异二聚体行使功能。配体：转化生长因子—βs(transforminggrowthfactor—βs，TGF—βs)家族。它们可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨的形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中诱导信号等。第70页，共92页。5酪氨酸蛋白激酶联系的受体(tyrosinekinase-linkedreceptors)本身无酶活性，其胞内段具有酪氨酸蛋白激酶的结合位点，其活性依赖于非受体酪氨酸蛋白激酶(nonreceptorTyrkinases)。受体：调节细胞增殖与分化的局部介质(细胞因子)的受体、生长激素和催乳素的受体以及T淋巴细胞和B淋巴细胞抗原特异性受体。信号转导途径：受体与配体结合后，通过与之相联系的TK的活化，磷酸化各种靶蛋白的Tyr残基来实现信号转导。第71页，共92页。分类：与Src蛋白家族相联系的受体；与Janus激酶家族相联系的受体。与RTKs异同：活化过程均涉及受体二聚化，都形成功能受体复合物。不同：非受体酪氨酸蛋白激酶由另外的基因编码，并以非共价键与受体多肽结合。信号转导子第72页，共92页。四由细胞表面整联蛋白介导的信号传递整联蛋白(integrin)是细胞表面的跨膜蛋白，由α和β两个亚基组成的异二聚体，其胞外段具有纤连蛋白、胶原和蛋白聚糖的结合位点；参与形成半桥粒和粘着斑等细胞连接，介导细胞附着到胞外基质上；与胞外配体结合，可产生多种信号如：Ca2+

进入细胞质基质；肌醇第二信使的合成；胞内蛋白Tyr残基的磷酸化等，引起信号传导。第73页，共92页。（一）粘着斑的功能：机械结构：通过整联蛋白连接肌动蛋白纤维和多种肌动蛋白的结合蛋白而实现；信号传递：通过酪氨酸激酶Src和粘着斑激酶(focaladhesionkinase，FAK)而实现。第74页，共92页。通路1：1.胞外配体与整联蛋白结合，Rho—GDP转换为Rho—GTP导致Rho蛋白激活(和Ras蛋白类似)；2.Rho—GTP激活磷脂酰肌醇5—激酶PI(5)K；3.活化的PI(5)K使PI(4)P磷酸化生成PI(4，5)P2；4.PI(4,5)P2结合微丝结合蛋白gelsolin和profilin；5.gelsolin和profilin分别和F-actin、G-actin分离；6.肌动蛋白单体(G—actin)聚合到微丝(F—actin)末端。（二）粘着斑装配的两条信号通路第75页，共92页。通路2：1.胞外配体与整联蛋白结合，Rho—GDP转换为Rho—GTP导致Rho蛋白激活(和Ras蛋白类似)；2b.Rho—GTP与Rho激酶结合，活化其激酶活性；3b.活化的Rho激酶磷酸化并失活肌球蛋白轻链磷酸酶(myosinlightchainphosphatase，MLCP)活性；4b.MLCP的失活导致肌球蛋白活化，从而有利于肌动蛋白纤维(张力丝)的装配。第76页，共92页。profilinG-actinP149第77页，共92页。第78页，共92页。（三）通过粘着斑由整联蛋白介导的信号传递通路1.由细胞表面到细胞核的信号通路:

整联蛋白与胞外配体作用整联蛋白簇集

酪氨酸激酶Src活化；

粘着斑激酶（FAK）的Tyr残基磷酸化；结合（通过接头蛋白Grb