第九章細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

第一節(jié)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述一、細(xì)胞通訊二、信號分子與受體三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性第一頁，共五十三頁。一、細(xì)胞通訊細(xì)胞通訊（cellcommunication）：指信號細(xì)胞發(fā)出的信息（配體/信號分子）傳遞到靶細(xì)胞并與其受體相互作用，通過細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引起靶細(xì)胞產(chǎn)生特異性生物學(xué)效應(yīng)的過程。（細(xì)胞）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）：指細(xì)胞將外部信號轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨響?yīng)答反應(yīng)的過程。細(xì)胞信號傳遞（cellsignaling）：通過信號分子與受體的相互作用，將外界信號經(jīng)細(xì)胞質(zhì)膜傳遞至細(xì)胞內(nèi)部，通常傳遞至細(xì)胞核，并引發(fā)特異生物學(xué)效應(yīng)的過程。第二頁，共五十三頁。（1）細(xì)胞通過分泌化學(xué)信號進(jìn)行細(xì)胞間通訊;這是多細(xì)胞生物普遍采用的通訊方式。（2）細(xì)胞間接觸性依賴的通訊；

即一方具有跨膜配體另一方具有細(xì)胞表面受體，包括細(xì)胞-細(xì)胞黏著和細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)黏著；（3）動物細(xì)胞間通過間隙連接、植物細(xì)胞間通過胞間連絲，通過交換小分子實現(xiàn)通訊。細(xì)胞通訊可概括為3種方式：第三頁，共五十三頁。不同的細(xì)胞通訊方式A：內(nèi)分泌B：旁分泌C：化學(xué)突觸通訊D：自分泌E：細(xì)胞間接觸依賴性通訊第四頁，共五十三頁。

通過胞外信號所介導(dǎo)的細(xì)胞通訊通常包括如下6個步驟：①信號細(xì)胞合成并釋放信號分子（配體）；②轉(zhuǎn)運(yùn)信號分子至靶細(xì)胞；③信號分子與靶細(xì)胞表面受體特異性結(jié)合并導(dǎo)致受體被激活；④活化的受體啟動靶細(xì)胞內(nèi)一種或多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑；⑤引發(fā)細(xì)胞代謝、功能或基因表達(dá)的改變；⑥解除信號并導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)終止。第五頁，共五十三頁。二、信號分子與受體（一）信號分子（二）受體（三）第二信使與分子開關(guān)第六頁，共五十三頁。（一）信號分子信號分子（signalmolecule）：指細(xì)胞的信息載體，種類繁多，包括化學(xué)信號（①各類激素、②神經(jīng)遞質(zhì)和③局部介質(zhì)等）和物理信號（聲、光、電和溫度等）。類固醇:腎上腺皮質(zhì)激素、性激素等。氨基酸衍生物:甲狀腺素、腎上腺髓質(zhì)激素等。肽與蛋白質(zhì):下丘腦激素、胰島素、降鈣素等。脂肪酸衍生物:如前列腺素。激素（hormone）：是內(nèi)分泌細(xì)胞合成的化學(xué)信號分子，它們經(jīng)血液循環(huán)被送到體內(nèi)各個部位作用于靶細(xì)胞。第七頁，共五十三頁。神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）：突觸前端釋放的一種化學(xué)物質(zhì)，與突觸后靶細(xì)胞結(jié)合，并改變靶細(xì)胞的膜電位。局部介質(zhì)（localmediator）：即由各種不同類型的細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外液中的信號分子，它只能作用于周圍的細(xì)胞，典型的如生長因子、淋巴因子和前列腺素等。第八頁，共五十三頁。根據(jù)化學(xué)信號（分子）的化學(xué)性質(zhì)可分為3類：

①氣體性信號分子（可自由擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞直接激活效應(yīng)酶，如NO）；

②疏水性信號分子（可穿過細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞內(nèi)受體結(jié)合成激素-受體復(fù)合物來調(diào)節(jié)基因表達(dá)，如甾類激素和甲狀腺素）；

③親水性信號分子（只能通過與靶細(xì)胞表面受體結(jié)合而啟動細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，如大多數(shù)蛋白類激素、神經(jīng)遞質(zhì)和局部介質(zhì)）。第九頁，共五十三頁。信號分子舉例第十頁，共五十三頁。（二）受體受體（recsptor）：一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子，大多數(shù)為糖蛋白，少數(shù)是糖脂，還有的是糖蛋白和糖脂組成的復(fù)合物。細(xì)胞內(nèi)受體（intracellularreceptor）細(xì)胞內(nèi)受體位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)或核基質(zhì)中，其本質(zhì)是依賴疏水性激素激活的轉(zhuǎn)錄因子。細(xì)胞表面受體（cell-surfacereceptor）：

位于細(xì)胞質(zhì)膜上，主要識別和結(jié)合親水性信號分子，包括分泌型信號分子（如多肽類激素、神經(jīng)遞質(zhì)和生長因子等）或膜結(jié)合型信號分子（如細(xì)胞表面抗原和細(xì)胞表面黏著分子等）。第十一頁，共五十三頁。細(xì)胞表面受體按其功能分為3大家族：

（1）離子通道偶聯(lián)受體（ionchannel-coupledreceptor）：受體-離子通道；

（2）G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupledreceptor，GPCR）：受體·G蛋白；

（3）酶連/聯(lián)受體（enzyme-linkedreceptor）：受體-酶或受體·酶。受體至少有2個功能域：

即結(jié)合配體的功能域和產(chǎn)生效應(yīng)的功能域，分別具有結(jié)合特異性和效應(yīng)特異性。第十二頁，共五十三頁。三種類型的細(xì)胞表面受體第十三頁，共五十三頁。受體通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引發(fā)2種主要的細(xì)胞反應(yīng)：

一是細(xì)胞內(nèi)存量蛋白活性或功能的改變，進(jìn)而影響細(xì)胞代謝功能的短期反應(yīng)（快反應(yīng)）；

二是通過轉(zhuǎn)錄因子的修飾激活或抑制基因表達(dá)的長期反應(yīng)（慢反應(yīng)），最后的綜合效應(yīng)是改變細(xì)胞的行為。第十四頁，共五十三頁。（三）第二信使與分子開關(guān)

第二信使（secondmessenger）：指第一信使分子（胞外化學(xué)信號）與細(xì)胞表面受體結(jié)合后，導(dǎo)致在胞內(nèi)產(chǎn)生（或釋放）的非蛋白類小分子，通過其濃度變化（增加或減少）來應(yīng)答胞外信號，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酶和非酶蛋白的活性，從而在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中行使攜帶和放大信號的功能。包括cAMP、cGMP、Ca2+、DAG（二酰甘油）、IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）和PIP3（3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇）等。第十五頁，共五十三頁。4種常見的細(xì)胞內(nèi)第二信使及其主要效應(yīng)第十六頁，共五十三頁。分子開關(guān)（

molecularswitch）：指通過活化（開啟）和失活（關(guān)閉）2種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來控制下游靶蛋白的活性的調(diào)控蛋白。三種類型：

①G蛋白超家族開關(guān)；

②蛋白激酶/蛋白磷酸酶開關(guān)；

③鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）開關(guān)。第十七頁，共五十三頁。G蛋白開關(guān)活化（開）與失活（關(guān)）的轉(zhuǎn)換GEF（guaninenucleotide-exchangefactor）即鳥苷酸交換因子GAP（GTPase-acceleratingprotein）即GTPase促進(jìn)蛋白RGS（regulatorofGprotein-signaling）即G蛋白信號調(diào)節(jié)子GDI（guaninenucleotidedissociationinhibitor）即鳥苷酸解離抑制蛋白第十八頁，共五十三頁。靶蛋白磷酸化和去磷酸化是細(xì)胞調(diào)節(jié)靶蛋白活性的一種普遍機(jī)制蛋白激酶（PK）/蛋白磷酸酶（PP）：將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到其它蛋白質(zhì)上（或相反）的酶，通常對其它蛋白質(zhì)的活性具有調(diào)節(jié)作用。

第十九頁，共五十三頁。三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成及信號蛋白的相互作用（二）細(xì)胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配（三）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特性第二十頁，共五十三頁。（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成及信號蛋白的相互作用信號通路組成：①激活受體：形成配體-受體復(fù)合物；②產(chǎn)生第二信使（或活化的信號蛋白）；③起始信號放大的級聯(lián)反應(yīng)；④細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)：通過酶、轉(zhuǎn)錄因子或細(xì)胞骨架等方式引起；⑤終止或降低細(xì)胞反應(yīng)：如受體脫敏或下調(diào)。第二十一頁，共五十三頁。細(xì)胞內(nèi)信號蛋白之間的相互作用是靠蛋白質(zhì)模式結(jié)合域所特異性介導(dǎo)IRS1：胰島素受體底物第二十二頁，共五十三頁。（二）細(xì)胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配信號蛋白復(fù)合物的生物學(xué)意義：細(xì)胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的形成在時空上增強(qiáng)細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)的速度、效率和反應(yīng)的特異性。細(xì)胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配可能有3種不同類型。第二十三頁，共五十三頁。細(xì)胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物裝配的3種類型A：基于支架蛋白B：基于受體活化域C：基于肌醇磷脂第二十四頁，共五十三頁。（三）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特性（1）特異性（specificity）：“結(jié)合”特異性、“效應(yīng)器”特異性等。（2）放大效應(yīng)（amplification）：效應(yīng)器蛋白（酶或離子通道蛋白）引發(fā)級聯(lián)反應(yīng)（放大效應(yīng)）。（3）網(wǎng)絡(luò)化與反饋調(diào)節(jié)機(jī)制：（4）整合作用（integration）：第二十五頁，共五十三頁。第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)一、細(xì)胞內(nèi)核受體及其對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)二、NO作為氣體信號分子進(jìn)入靶細(xì)胞直接與酶結(jié)合第二十六頁，共五十三頁。一、細(xì)胞內(nèi)核受體及其對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)受體的本質(zhì)是依賴激素激活的轉(zhuǎn)錄因子。

信號分子（類固醇激素、甲狀腺素、維生素D和視黃酸）是一些與細(xì)胞內(nèi)受體相互作用的親脂性小分子；但個別親脂性小分子（如前列腺素）的受體卻在細(xì)胞質(zhì)膜上。信號分子的作用是將抑制性蛋白從細(xì)胞內(nèi)受體上解離，使受體上的DNA結(jié)合位點(diǎn)暴露而激活。激素·受體復(fù)合物與基因的特殊調(diào)節(jié)區(qū)即激素應(yīng)答元件（HRE）結(jié)合，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。第二十七頁，共五十三頁。細(xì)胞內(nèi)受體蛋白及其作用模型細(xì)胞內(nèi)受體一般都含有3個功能域。第二十八頁，共五十三頁。二、NO作為氣體信號分子進(jìn)入靶細(xì)胞直接與酶結(jié)合NO是一種具有自由基性質(zhì)的脂溶性氣體分子，可透過細(xì)胞膜快速擴(kuò)散，通過作用于鄰近靶細(xì)胞而發(fā)揮作用。NO合酶（NOS）（需要NADPH）在催化精氨酸轉(zhuǎn)化為瓜氨酸的同時釋放出NO（血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞是NO的生成細(xì)胞）。

NO的作用機(jī)制：（1）激活靶細(xì)胞內(nèi)具有鳥苷酸環(huán)化酶（GC）活性的NO受體。（2）NO與GC活性中心的Fe2+結(jié)合，改變酶的構(gòu)象，增強(qiáng)酶活性，cGMP水平升高。（3）cGMP激活依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG），抑制肌動-肌球蛋白復(fù)合物信號通路，導(dǎo)致血管平滑肌舒張。第二十九頁，共五十三頁。NO在導(dǎo)致血管平滑肌舒張中的作用第三十頁，共五十三頁。硝酸甘油為什么能用于治療心絞痛？硝酸甘油能在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為NO，可舒張血管，從而減輕心臟負(fù)荷和心肌的需氧量。第三十一頁，共五十三頁。第三節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號通路G蛋白偶聯(lián)受體（GProtein-CoupledReceptors，GPCRs）是細(xì)胞表面受體中最大的多樣性家族；統(tǒng)計表明：現(xiàn)有25%的臨床處方藥物是針對GPCRs所介導(dǎo)信號通路為靶點(diǎn)研制和開發(fā)的。第三十二頁，共五十三頁。一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活G蛋白：是三聚體G蛋白的簡稱，由Gα、Gβ和Gγ3種亞基組成，其中Gα亞基具有GTPase活性，作為分子開關(guān)，Gβ和Gγ亞基以二聚體形式存在，Gα和Gβγ亞基分別通過共價結(jié)合的脂分子錨定在質(zhì)膜上。Gα、Gβ和Gγ各有27種、5種和13種。第三十三頁，共五十三頁。G蛋白的作用（與G蛋白偶聯(lián)受體相聯(lián)系的效應(yīng)蛋白的激活機(jī)制）第三十四頁，共五十三頁。G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)圖G蛋白偶聯(lián)受體（GProtein-CoupledReceptors，GPCRs）是一大類膜蛋白受體的統(tǒng)稱。這類受體的共同點(diǎn)是其立體結(jié)構(gòu)中都有七個跨膜α螺旋，且其肽鏈的C端和連接第5和第6個跨膜螺旋的胞內(nèi)環(huán)上都有G蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。1234567第三十五頁，共五十三頁。G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)無數(shù)胞外信號的細(xì)胞應(yīng)答：

包括多種對蛋白或肽類激素、局部介質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)和氨基酸或脂肪酸衍生物等配體識別與結(jié)合的受體，以及哺乳類嗅覺、味覺受體和視覺的光激活受體（視紫紅質(zhì)）。第三十六頁，共五十三頁。哺乳類三聚體G蛋白的主要種類及其效應(yīng)器第三十七頁，共五十三頁。二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號通路（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號通路（自學(xué)）（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號通路（三）激活磷脂酶C（以IP3和DAG作為雙信使）的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號通路（自學(xué)）第三十八頁，共五十三頁。（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體不同的配體-受體復(fù)合物刺激或抑制腺苷酸環(huán)化酶（AC）活性：受體和G蛋白都有刺激性的（Rs和Gs）和抑制性的（Ri和Gi）。不同的激素-受體復(fù)合物，偶聯(lián)不同的G蛋白（僅Gα亞基不同），導(dǎo)致激活或抑制AC活性。腺苷酸環(huán)化酶（AC）：能夠?qū)TP轉(zhuǎn)變成cAMP。cAMP磷酸二酯酶（cAMP-PDE）：水解cAMP的磷酸二酯酶。蛋白激酶A（PKA）：為cAMP激活型蛋白激酶，屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族。第三十九頁，共五十三頁。脂肪細(xì)胞受激素誘導(dǎo)的AC激活與抑制第四十頁，共五十三頁。PKA的結(jié)構(gòu)與活化示意圖第四十一頁，共五十三頁。cAMP信號通路概念：細(xì)胞外信號和相應(yīng)的受體結(jié)合，導(dǎo)致胞內(nèi)第二信使cAMP（環(huán)腺苷酸）的水平變化而引起細(xì)胞反應(yīng)的信號通路。組分：

受體；調(diào)節(jié)蛋白；腺苷酸環(huán)化酶（Adenylylcyclase）；蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）；環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMPphosphodiesterase）。反應(yīng)鏈：激素→G-蛋白偶聯(lián)受體→G-蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→cAMP依賴的蛋白激酶A→基因調(diào)控蛋白→基因轉(zhuǎn)錄

第四十二頁，共五十三頁。腺苷酸環(huán)化酶cAMP如何起作用？12次跨膜蛋白，含2個胞質(zhì)側(cè)催化結(jié)構(gòu)域，2個膜整合結(jié)構(gòu)域（每個含6個跨膜α螺旋）。AC催化cAMP的生成。第四十三頁，共五十三頁。cAMP特異性活化cAMP依賴的蛋白激酶ASecondmessengers(cAMP),aneffector,amplifytheresponsetoasingleextracellularligandbycAMPtotriggerareactioncascade(反應(yīng)串聯(lián)）.ThecascadestartswiththebindingofcAMPtocAMP-dependentproteinkinaseA.PKAinhibitsglycogen（糖原）synthaseandactivatesphosphorylase（磷酸化酶）kinase.第四十四頁，共五十三頁。cAMP-PKA信號通路對基因轉(zhuǎn)錄的激活激素→GPCR→Gs蛋白（Gsα）→AC→cAMP→PKA→C→CREB→CREB-CBP→CRE→靶基因轉(zhuǎn)錄第四十五頁，共五十三頁。為什么不同的信號（配體）通過類似的機(jī)制會引發(fā)多種不同的細(xì)胞反應(yīng)？G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）存在的多種異構(gòu)體、G蛋白不同亞基組合的多樣性以及一些酶存在的多種異構(gòu)體決定了通過類似機(jī)制可產(chǎn)生眾多不同的細(xì)胞反應(yīng)。第四十六頁，共五十三頁。見p171-172?；魜y毒素百日咳毒素某些細(xì)菌毒素能夠以G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號通路作為作用靶點(diǎn)？第四十七頁，共五十三頁。第四節(jié)酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

酶聯(lián)受體又稱催化性受體，當(dāng)胞外配體與受體的胞外部分結(jié)合時即激活受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的酶活性，包括5類：

①受體酪氨酸激酶