《细胞生物学》教学课件：08 细胞信号转导

1、第八章 细胞信号转导,细胞信号转导概述 通过细胞内受体介导的信号传递 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 细胞表面整联蛋白介导的信号传递 信号的整合与控制,思考题,磷脂酰肌醇途径产生两个第二信使，IP3导致 的释放，DG能激活蛋白激酶 。 配体（如EGF）与受体酪氨酸激酶（RTK）结合，引起受体构象变化，导致受体 和自磷酸化，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。 受体通常为7次跨膜蛋白，而酶偶联型受体通常为 次跨膜蛋白。 蛋白质识别磷酸化酪氨酸残基的结构域是_。 表皮生长因子受体与胰岛素受体分子的结构域功能的共同特点是受体的胞内区都具有_。 下列关于酶的磷酸化叙述错误的是 A、磷酸化和去磷酸化都

2、是酶促反应;B、磷酸化或去磷酸化可伴有亚基的聚合和解聚;C、磷酸化只能使酶变为有活性形式; D、磷酸化反应消耗ATP 不属于蛋白酪氨酸激酶类型的受体是： A EGF受体；B PDGF 受体； C TGF受体；D IGF-1受体,判断题,受体分子位于细胞膜上，细胞内部无受体分子存在 细胞内受体为胞外亲水性信号分子所激活，细胞表面受体为胞外亲脂性信号分子所激活 信号分子与受体之间的结合是特异性的，但不同的细胞对同一种信号分子可能具有不同的受体，因此，不同的靶细胞以不同的方式应答于相同的化学信号。 与细胞表面受体结合的信号分子与细胞内受体结合的信号分子没有根本的不同。 C a2+激酶与PKA、PKC

3、、酪氨酸激酶一样，都是使靶蛋白的丝氨酸和苏氨酸磷酸化。 与信号转导有关的磷脂酶C位于细胞质中。 NO作为局部介质可激活非受体鸟苷酸环化酶。,选择题,以下哪一种分子不是第二信使 A、IP3 B、SOS C、DG D、cAMP E、cGMP 心钠肽是心房肌细胞产生的肽激素，对血压具有调节作用。心钠肽作为第一信使作用于受体，并在细胞内产生第二信使。下面四种第二信使中哪一种对心钠肽应答作用所产生？ A、cAMP B、cGMP C、C a2+ D、DAG Ras是一种单体G蛋白。它有一个GTP/GDP结合位点，当结合有GDP时，没有活性；若Ras-GDP同（ ）结合，可引起GDP和GTP的交换。 A、G

4、TPase B、GTP酶激活蛋白 C、C a2+ - ATPase D、鸟酸交换（释放）蛋白 PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞质中的哪一种离子浓度升高时，PKC转位到质膜内表面 A. Mg2+ B. Ca2+ C. K+ D. Na+ 在磷脂酰肌醇信号通路中，G蛋白的直接效应酶是 A.腺苷酸环化酶 B.磷脂酶C C.蛋白激酶C D .磷脂酶C,第一节细胞信号转导概述,多细胞生物是一个繁忙而有序的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢，还有赖于细胞通讯与信号传递，以协调细胞的行为。 细胞通讯 细胞信号传递中重要的名词、概念 信号转导系统,细胞通讯（cell com

5、munication）,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。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、分化和凋亡是必不可少的。 细胞通讯方式： 分泌化学信号的作用方式 （细胞不需接触） 接触性依赖的通讯 （细胞需接触） 细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 间隙连接实现代谢偶联或电偶联 （细胞需接触）,信号转导系统及其特征,细胞信号途径的组成 信号蛋白 信号蛋白的相互作用 信号转导系统的主要特征,细胞信号途径的组成,1.细胞受体与胞外信号分子特异结合; 2.信号跨膜转导，产生细胞内第二信使; 3.信号放大，逐级传递信

6、息; 4.细胞信号系统关闭(细胞应答胞外信号完成生物学效应后立即关闭),信号蛋白 P225-226,传承蛋白 信使蛋白 接头蛋白 放大和转导蛋白 传感蛋白 分歧蛋白 整合蛋白 潜在的基因调控蛋白,信号蛋白的相互作用,信号在信号蛋白之间传递依赖何种机制保障精确的联系： 互补的特异结构域结合引起构象变化，作用结果是磷酸化（或去磷酸化）。,信号转导系统的主要特征,信号转导系统特异性 信号转导系统的放大作用 信号转导的终止关闭 细胞对多信号的整合,细胞识别（cell recognition）,概念： 细胞识别： 细胞通过其表面的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

7、变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。 细胞识别是细胞通讯的重要环节。 信号通路（signaling pathway） 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。 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。,细胞信号传递中基本名词、概念,1.信号分子（signal molecule）：与受体选择性结合的生物活性物质又称配体（激素、神经递质、抗原、药物、光、声、嗅P220221） 2.受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体的大分子,它与信号分子结合后产生胞内效应，多为糖蛋白

8、，少为糖脂或两者复合物。 3.受体与配体作用的主要特征 4. 第二信使（second messenger） 5. 分子开关（molecular switches）,信号分子类型,亲脂性信号分子 亲水性 气体性信号分子(NO),受体与配体（信号分子）间作用的主要特征,特异性； 饱和性； 高度的亲和力。,由细胞外信号转换为细胞内信使，从而使细胞对外界信号做出相应的反应，这是通过下列那种机制完成的. A、信号转导 B、cAMP C、第二信使 D、信号分子 信号传递中的第二信使之一是 A、二酰基甘油 B、ATP C、纤粘连蛋白 D、膜受体蛋白 细胞识别 A、是细胞通讯的结果B、亦称细胞通讯 C、是细胞

9、通讯的一个重要环节D、与细胞通讯无关 细胞分泌化学信号有四种：内分泌信号，旁分泌信号、_和_。 细胞通讯中有两个基本概念：信号传导与信号转导,前者注重_ ，后者注重_ 。,1.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） 2.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-coupled receptor） G-蛋白偶联的受体（G-protein-coupled receptor） 酶偶连的受体（enzyme-linked receptor）,3.受体的结构特点和功能： 介导物质跨膜运输(

10、受体介导的内吞作用) 信号转导：受体的激活（activation） （级联反应 ） 受体失敏（desensitization） 关闭反应、 减量调节（down-regulation） 降低反应。,第二节 细胞内受体介导的信号传导,1.细胞内受体介导的甾类激素信号通路 激素调控基因活化分 两步反应阶段： 初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的， 发生迅速； 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。 2.一氧化氮信号分子的信号通路,第三节 细胞表面受体介导的信号跨膜传递,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递 G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递 酶偶联型受体介导的信号跨膜传递,酶

11、连受体介导的信号跨膜传递,与酶连接的细胞表面受体又称催化性受体，已知的这类受体都为跨膜蛋白，当胞外配体与受体结合即激活胞内段的酶活性 一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路 二、细胞表面其它与酶偶联的受体,酶偶联型受体（enzyme linked receptor）,有两类： 其一是受体本身具有酶活性， 如肽类生长因子（EGF，PDGF，等）受体； 其二是受体本身没有酶活性，但常常连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。 这个家族受体的共同点是： 通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，启动其下游信号转导。,五类酶偶联型受体,根据受体胞内端的酶活性特点分为大类 受体酪氨酸激

12、酶 受体鸟苷酸环化酶 受体酪氨酸磷脂酶 受体丝氨酸/苏氨酸激酶 酪氨酸激酶连接的受体,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递,信号途径 特点： 受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白 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例：乙酰胆碱门控Na+和Ca2+通道，氨基丁酸门控Cl-通道,G-蛋白 偶联的受体介导的信号跨膜传递, cAMP信号通路 磷脂酰肌醇信号通路 介导离子通道信号传递 偶联光受体降解cGMP配体门离子通 道关闭的信号传递,在视网膜信号转换过程中，光量子被受体视色素如视紫红质（也具有7个跨膜-螺旋的

13、结构特点）吸收后，也是先激活称为Gt（传导素）的G-蛋白，再激活作为效应器的磷酸二酯酶，使视杆细胞外段中cGMP的分解加强，最后使光刺激转变为外段膜的电变化。,P245,乙酰胆碱受体在心肌细胞膜上的激活离子通道模型P243图,二、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） 酪氨酸蛋白激酶联系的受体,转录因子,（脑钠尿肽）,G-蛋白偶联受体转导cAMP信号通路,组分分析 G-蛋白偶联受体 G蛋白组分及其分析 G-蛋白活化与调节 激活型信号转导通路反应链： 亲水性信号分子G-蛋白偶联受体激活G-蛋白激活腺苷酸环化酶cAMPc

14、AMP依赖的蛋白激酶A活化作用于不同细胞的底物生物学应答或基因调控蛋白基因转录 蛋白偶联受体GPLR的失敏（desensitization）与减量调节 细菌毒素对G蛋白的修饰作用（霍乱菌Gas 、百日咳Gai）,P237,GPLR的失敏： 例：肾上腺素受体被激活后，10-15秒cAMP骤增，然后在不到1min内反应速降，以至消失。 受体活性快速丧失（速发相）-失敏（desensitization）； 机制：受体磷酸化 。受体与Gs解偶联，cAMP反应停止并被PDE降解。 两种Ser/Thr磷酸化激酶： PKA 和肾上腺素受体激酶（ ARK）， 负责受体磷酸化 胞内协作因子扑获蛋白（ arres

15、tin）-结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（ arrestin 已克隆、定位11q13）。 反应减弱（迟发相）-减量调节（down-regulation） 机制：受体-配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现 arrestin可直接与Clathrin结合，在内吞中起adeptors作用； 受体减量调节与内吞后受体的分选有关。,G-蛋白偶联受体转导双信使的信号通路, “双信使系统”反应链：胞外信号分子G-蛋白偶联受体激活G-蛋 IP3 胞内Ca2+浓度 Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应 激活磷脂酶C(PLC) 磷脂酰肌醇 4,5二磷酸（P237） DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换

16、使胞内pH 受钙调蛋白调节的酶(见P240表) DG、IP3的失活循环，,磷脂酶C,DG 二酰甘油,IP3 肌醇3磷酸,磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸,DG 结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，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。,一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,受体酪氨酸激酶 家族（receptor tyrosine ki

17、nases，RTKs） 包括6个亚族 信号转导：配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 接头蛋白GEFRas蛋白Raf（MAPKKK）MAPKKMAPK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 基因表达产生（细胞增殖或分化等）生物效应。 RTKs的失敏（desensitization）,Ras信号蛋白小G 蛋白,Ras蛋白的基因突变易引发恶性肿瘤的发生，因为突变的Ras蛋白能与GTP结合，但不能水解成GDP， Ras蛋白被“锁定”在开放态，结果引起鏊生性细胞增生。发现约30%人类恶性肿瘤与其突变有关,小G 蛋白单

18、体GTP结合蛋白,小G 蛋白（Small G Protein）因分子量只有2030KD 而得名，在多种细胞反应中作分子开关。 Ras是第一个被发现的小G 蛋白，它是ras 基因16的产物。其它的还有Rho，SEC4，YPT1 等，微管蛋白 亚基也是一种小G 蛋白。 小G 蛋白的共同特点是，结合GTP 为活化形式，可使下游分子活化，而当GTP 水解成为GDP 时（自身为GTP 酶）为非活化状态。这一点与G 类似，但是小G 蛋白的分子量、酶活性明显低于G。 小G 蛋白结合GTP活化受鸟苷酸交换因子GEF调节增强，小G 蛋白水解GTP时受GTP 酶活化蛋白（GTPase activating pro

19、tein, GAP）促进。,G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活 MAPK（Mitogen-activated protein kinase）又称ERK（extracelular signal-regulated kinase）-真核细胞广泛存在的Ser/Thr蛋白激酶。 MAPK的底物：膜蛋白（受体、酶）、胞浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子-在细胞增殖和分化中具有重要调控作用。 PKC、PLC与G蛋白偶联受体介导的MAPK激活的关系 PKC和PLC 参与G蛋白偶联受体激活MAPK ： G蛋白偶联受体激活G蛋白； G蛋白亚基或 亚基激活PLC，促进膜磷脂代谢； 磷脂代谢产物（

20、 DAG + IP3 ）激活PKC； PKC 通过Ras 或 Raf 激活MAPK ； 由于PKC对钙的依赖性不同，所以G蛋白偶联受体 MAPK途径对钙要 求不同； PKA对G蛋白偶联受体 MAPK途径的负调控 主要机制：特异性的Tyr/Thr磷脂酶可选择性地使MAPK去磷酸化，关闭MAPK信号。 cAMP ， MAPK ；cAMP直接激活cAMP依赖的PKA；PKA可能通过RTK或通过抑制Raf-Ras相互作用起负调控作用。,RTKs的失敏： 催化性受体的效应器位于受体本身，因此失敏即酶活性速发抑制。 机制：受体的磷酸化修饰。EGF（上皮生长因子）受体Thr654的磷酸化导致RTK活性的抑制

21、，如果该位点产生Ala突变，则阻止活性抑制，后又发现C端的Ser1046/7也是磷酸化位点。磷酸化位点所在的C端恰好是SH2蛋白的结合部位。 引起受体磷酸化的激酶： PKC-作用于Thr654； CaMK2（Ca2+和CaM依赖的激酶2）-作用于Ser1046/7 还发现：EGF受体是CDK的靶蛋白，提示和周期调控有关。 RTK晶体结构研究表明， RTK激活后形成稳定的非抑制性构象；磷酸化修饰后，形成抑制性构象，引起失敏。 RTK失敏对细胞正常功能所必须， RTK 的持续激活将导致细胞生长失控。,由细胞表面整联蛋白介导的信号传递,整联蛋白与粘着斑 通过粘着斑由整联蛋白介导的信号传递通路： 由细

22、胞表面到细胞核的信号通路 由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路P254,整联蛋白,整联蛋白（Integrins）： 是细胞表面的跨膜蛋白，由和两个亚基形成的异源二聚体糖蛋白。人体细胞中已发现16种链和8种链，它们相互配合形成22种不同的二聚体整合素。 依赖于Ca2+ 、Mg2+或Mn2+；可与不同的配基结合，常与配体上的RGD三肽结构粘着，从而介导细胞与基质、细胞与细胞之间的粘着；更重要的它又提供了一种信号途径，使胞外环境调控细胞内活性,粘着斑,粘着斑：细胞通过肌动蛋白纤维和整联蛋白与细胞外基质之间的一种连接方式。 粘着斑的功能： 一是机械结构功能； 二是信号传递功能,信号的整合与控制,细胞对信

23、号的整合 细胞对信号反应表现发散性或收敛性特征 蛋白激酶的网络整合信息 细胞对信号的控制,细胞对信号的控制,细胞以不同的方式产生对信号的适应(失敏与减量调节) 信号的放大作用和信号终止并存,内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） 化学突触（chemical synapse）,G蛋白偶联受体GPCRs：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜） 信号分子包括：感觉信号（光、嗅、激素、神经递质等） G蛋白偶联受体（GPCR）的效应器： AC、PLC、PLA2、 GRK（ GPLR 激酶）、PDE、离子通道等,离子通道偶联受体,酶偶联受体,G蛋白偶联受体

24、,coupled,分子开关：指在细胞内信号传递中起信号放大和终止作用的激活机制和失活机制。它们都是蛋白质分子。作用方式 ：磷酸化和去磷酸化 GTP和GDP的交替结合,G蛋白（GTP结合蛋白）,蛋白磷酸酶蛋白激酶,蛋白激酶,蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 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有两个方面的作用： 一是通过磷酸化调节蛋白质的活性； 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。,（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,P129,皮质醇受体,雌激素受体,维生素D受体,甲状腺素受体,视黄酸受体,

25、孕酮受体,细胞内受体超家族实质是一类依赖激素激活的基因调控蛋白,甾类激素受体应答的初级反应,甾类激素信号传递的次级反应（延迟的放大作用）,三位科学家提出了血管舒张是血管内皮细胞产生的一种信号分子引起血管平滑肌松弛所致。 机体内的NO分子。 NO信号转导机制的发现,生物体内的NO,NO生成的细胞：血管内皮细胞、神经元细胞 NO生成后快速穿过细胞膜扩散，作用与邻近细胞。,生物体内的NO,NO信号通路-NO信号的产生与作用,NO信号的产生:血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO。 NO信号的作用：NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cycl

26、ase，GC）活性中心的Fe2结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。cGMP使依赖cGMP的蛋白激酶G活化，进而抑制肌丝复合物收缩，引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。 硝酸甘油治疗心绞痛，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量 。,内皮细胞血管平滑肌细胞,乙酰胆碱N受体（260KD） 外周型：5个亚基组成（2） 调节主要为亚基变化 通道开启：Na+ 内流，膜去极化。 P242图,G蛋白耦连受体介导的离子通道调控（合并在下节）,分布在内质网上的离子耦联受体,PKA激活底物Ser/Thr的蛋白（酶） 不同细胞应答不同：糖原降解、甘油三酯水解、

27、雌激素合成、基因转录等P234-235,四聚体蛋白激酶A,调节亚基,催化亚基,第二信使,G蛋白偶联受体家族成员的保守结构,7次跨膜螺旋 5、6跨膜间的环结合G蛋白区 6、7间的胞外区域形成识别和结合信号分子区,亚基-被异戊酰化（isoprenylated）修饰连在膜上； 亚基-被豆蔻酸化（myristoylated）修饰连在膜上。,P246,RTKs主要功能是控制细胞生长、分化,而不是调控细胞中间代谢,上皮生长因子受体,神经生长因子受体,血小板衍生生长因子受体,成纤维细胞生长因子受体,血管内皮生长因子受体,Ras蛋白激活的通路,IP3信使产生的信号通路,G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活,Ra

28、f,MAPK：有丝分裂原活化蛋白激酶，苏氨酸、酪氨酸被磷酸活化。,Converge on Ras,抑制性激素,前列腺素E1,腺苷,激活性激素,肾上腺素,胰高血糖素,促肾上腺皮质激素,G蛋白亚基多类型成员,G蛋白偶联受体多个成员,RTK,GLR,Ligand,Ligand,PLC,Ras,AC,GP,Raf,DAG,IP3,cAMP,MAPKK,MAPK,Transcription Factors,PKC,Ca2+,CaMK,PKA,PM,膜受体的结构特点,配体结合区,域：受体蛋白向着细胞外部分，多为糖蛋白，可识别不同的配体，狭义受体指此部位。,：受体蛋白向着细胞质部分，一般具有酶的活性，配体与

29、受体结合前，它是无活性的，只有受体与配体结合后才被激活，引起一系列变化，产生相应的生物效应。,效应区域,膜受体类型,单体型：由一个镶嵌蛋白分子构成。,复合型：由两个或多个镶嵌蛋白聚合一起形成。,第一信使（第一信号）：指细胞外的信号分子，与受体结合的配体不直接参与细胞的物质和能量代谢，而作为一种信使起传递信息的作用。,第二信使（第二信号）：第一信使与受体作用后在胞内最早产生的信号分子，可改变靶细胞中已存在的酶或非酶蛋白的活性，引起细胞对外界信号的反应。,第二信使学说1965Sutherland1971年获诺贝尔奖,cAMP 环化腺苷一磷酸: 激活蛋白激酶,cGMP 环化鸟苷一磷酸: 开启阳离子通

30、道,DG 二酰基甘油：激活蛋白激酶,IP3 三磷酸肌醇：开启内质网钙离子通道,第二信使分子 P223,级联反应,信号进行的逐级传递放大称级联反应或信号级联放大。 组成级联反应的各个成员称一个级联：由磷酸化酶和去磷酸化酶组成。 级联反应作用：信号放大，信号转移，信号转化等。,P146图,G蛋白偶联受体的信号转导途径由四部分组成：a 细胞膜受体b G蛋白c 效应酶 d第二信使,G蛋白的亚基及其效应分子,P232,五大类蛋白激酶,GPLR的C端富含Ser 和Thr磷酸化位点-受体磷酸化失敏机制,1 G蛋白耦联受体GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜） 2 信号分子包括：感觉信号（光、嗅、声

31、等；激素、神经递质等） 3 G蛋白偶联受体（GPLR）的效应器： AC、PLC、PLA2、 GRK（ GPLR 激酶）、 PDE(磷酸二脂酶)、离子通道等,G蛋白耦联受体,2012年诺贝尔化学奖获得者,罗伯特莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz），美国杜克大学医学中心医学教授、生物化学教授。 布莱恩克比尔卡（Brian K. Kobilka），斯坦福大学医学院医学教授、分子与细胞生理学教授。,2012年诺贝尔化学奖,罗伯特莱夫科维茨和布莱恩科比尔卡共获2012年诺贝尔化学奖。他们解开了人体“感知”外界的工作原理，这个核心物质就是G蛋白偶联受体。 上世纪60年代末到70年代初用同位素标记配