第八章細胞信號轉導

英國詩人JohnDonne:“Nomanisanisland”第八章細胞信號轉導當前1頁，總共96頁。主要內容概述細胞內受體介導的信號轉導G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號轉導酶連受體介導的信號轉導信號的整合與控制當前2頁，總共96頁。一、細胞通訊

第一節(jié)概述細胞通訊:一個細胞發(fā)出的信息通過介質傳遞到另一個細胞，并與靶細胞相應的受體相互作用，再通過細胞信號轉導產生胞內一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細胞整體的生物學效應的過程。當前3頁，總共96頁。細胞信號轉導是細胞間實現(xiàn)通訊的關鍵過程當前4頁，總共96頁。（一）細胞通訊的方式(1)細胞通過分泌化學信號進行細胞間相互通訊(2)細胞間接觸性依賴的通訊(3)細胞間形成間隙連接使細胞質相互溝通，通過交換小分子來實現(xiàn)代謝耦聯(lián)或電耦聯(lián)當前5頁，總共96頁。（3）細胞間隙連接接觸依賴性通訊化學通訊（1）（2）接觸性依賴的通訊當前6頁，總共96頁。通過分泌化學信號的細胞間通訊方式當前7頁，總共96頁。通過胞外信號介導的細胞通訊的一般步驟特定的細胞合成并釋放信號分子信號分子經擴散或血循環(huán)到達靶細胞信號分子與靶細胞的受體特異性結合受體對信號進行轉換并啟動細胞內信使系統(tǒng)靶細胞產生生物學效應信號的解除，細胞反應終止信號轉導信號傳導當前8頁，總共96頁。細胞通訊的方式及引起的某些反應當前9頁，總共96頁。（二）信號分子與受體1.細胞的信號分子親脂性信號分子：甾類激素、甲狀腺素…親水性信號分子：神經遞質、生長因子、局部化學遞質、大多數激素…氣體性信號分子：一氧化氮（NO）…

是細胞的信息載體，包括化學信號、物理信號等?；瘜W信號分子的類型：當前10頁，總共96頁。細胞間信號分子影響細胞功能的途徑種類信號分子受體引起細胞內的變化神經遞質乙酰膽堿、谷氨酸、–氨基丁酸質膜受體影響離子通道關閉生長因子類胰島素樣生長因-1、表皮生長因子、血小板衍生生長因子質膜受體引起酶蛋白和功能蛋白的磷酸化和去磷酸化，改變細胞的代謝和基因表達激素蛋白質、多肽及氨基酸衍生物類激素類固醇激素、甲狀腺素質膜受體胞內受體同上調節(jié)轉錄維生素

維生素A、維生素D

胞內受體

同上

當前11頁，總共96頁。2、受體（receptor)

受體：是一種能夠識別和選擇結合某種配體（信號分子），并能引起細胞功能變化的生物大分子。絕大多數受體是糖蛋白，少數是糖脂兩個功能區(qū)域：配體結合區(qū)、效應區(qū)受體特點：能識別配體并與之特異性結合；能啟動級聯(lián)反應，將信號擴大，將信號轉至效應器。當前12頁，總共96頁。兩類受體：（2）細胞表面受體：位于細胞質膜上，主要與大的信號分子或小的親水性信號分子作用（1）細胞內受體：位于細胞核和胞質溶膠，主要識別能夠穿過細胞質膜的小的脂溶性的信號分子。

當前13頁，總共96頁。離子通道受體Ｇ蛋白偶聯(lián)受體酶聯(lián)受體(生長因子受體)（1）表面受體的類型當前14頁，總共96頁。細胞對信號應答的兩種方式當前15頁，總共96頁。信號分子與受體相互作用的復雜性相同信號作用于不同的細胞可產生不同效應不同信號可產生相同效應：如腎上腺素、胰高血糖素，都能促進肝糖原降解而升高血糖。當前16頁，總共96頁。3.第二信使與分子開關第二信使的發(fā)現(xiàn)20世紀50年代，在研究肝組織中糖原是如何分解時發(fā)現(xiàn)了cAMP。其后提出激素作用的第二信使學說，1971年獲諾貝爾生理和醫(yī)學獎當前17頁，總共96頁。第一信使：細胞外信號分子。第二信使：第一信使與受體作用后在細胞內最早產生的信號分子。目前公認的第二信使包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二?；视?DAG)、Ca2+等。功能:啟動和協(xié)助細胞內信號的逐級放大。當前18頁，總共96頁。第二信使的特性：◆由第一信使同其膜受體結合后最早在細胞膜內側或胞漿中出現(xiàn)◆能啟動或調節(jié)細胞內稍晚出現(xiàn)的信號應答◆僅在細胞內起作用◆對信號的轉導起到逐級放大和終止的作用當前19頁，總共96頁。（2）分子開關：對信號轉導進行精確調控通過磷酸化傳遞信號通過GTP結合蛋白傳遞信號蛋白激酶激活蛋白磷酸酶去活性Fig.細胞內信號轉導過程中兩類分子開關蛋白當前20頁，總共96頁。二、信號轉導系統(tǒng)及其特性（一）信號轉導系統(tǒng)的基本組成與信號蛋白

細胞信號轉導是指細胞通過胞膜或胞內受體感受信號分子的刺激，經細胞內信號轉導系統(tǒng)轉換，從而影響細胞生物學功能的過程。

當前21頁，總共96頁。胞外信號分子受體胞內信號分子靶蛋白新陳代謝酶基因調控蛋白細胞支架蛋白改變新陳代謝改變基因表達改變細胞形狀或運動通過細胞表面受體介導的信號途徑的組成當前22頁，總共96頁。組成從細胞表面到細胞核的信號途徑的各類信號蛋白組分：①轉承蛋白②信使蛋白③接頭蛋白④放大和轉導蛋白⑤傳感蛋白⑥分歧蛋白⑦整合蛋白⑧潛在基因調控蛋白轉承蛋白接頭蛋白分歧蛋白放大和轉導蛋白整合蛋白信使蛋白潛在基因調控蛋白當前23頁，總共96頁。細胞信號轉導的特點●特異性●信號轉換●逐級放大●信號終止或下調在信號轉導途徑中，上游蛋白對下游蛋白活性的改變主要是通過添加或除去磷酸集團進行的。(二)信號轉導系統(tǒng)的主要特性當前24頁，總共96頁?！駥π盘柧哂姓献饔谩窦毎男盘栟D導對于多細胞生物體的發(fā)生和組織的構建，協(xié)調細胞的功能，控制細胞的生長、分裂、分化和死亡是必須的。細胞外信號不同的組合可以引起動物細胞不同的應答當前25頁，總共96頁。第二節(jié)細胞內受體介導的信號轉導一、細胞內核受體及其對基因表達的調控細胞內受體超家族的本質是依賴激素激活的基因調控蛋白，有3個功能結構域：核受體結構示意圖當前26頁，總共96頁。（A）細胞內受體蛋白作用模型;（B）幾種胞內受體蛋白超家族成員抑制蛋白復合物激素結合位點轉錄激活結構域DNA結合結構域激素當前27頁，總共96頁。甾類激素介導的信號通路

當前28頁，總共96頁。初級反應階段：直接活化少數特殊基因的轉錄，發(fā)生迅速次級反應：初級反應產物再活化其它基因產生延遲的放大作用類固醇激素誘導的基因活化通常分為兩個階段當前29頁，總共96頁。NO的作用機理：乙酰膽堿→血管內皮細胞→Ca2+濃度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌細胞→鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP→血管平滑肌細胞的Ca2+離子濃度下降→平滑肌舒張→血管擴張、血流通暢。硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機理是在體內轉化為NO。二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與酶結合當前30頁，總共96頁。由于NO的半衰期很短(5-10秒鐘)，所以它只能作用于相鄰細胞。當前31頁，總共96頁。1998年三位美國科學家因對NO信號轉導機制的研究而獲得諾貝爾生理和醫(yī)學獎。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

當前32頁，總共96頁。由三部分組成：7次跨膜的受體G蛋白效應物（酶）第三節(jié)G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號轉導當前33頁，總共96頁。一、G蛋白耦聯(lián)受體的結構與激活

G蛋白耦聯(lián)受體當前34頁，總共96頁?！鬐蛋白的結構與功能G蛋白（GTP結合蛋白）：參與細胞的多種生命活動：細胞通訊、核糖體與內質網的結合、小泡運輸、微管組裝、蛋白質合成組成：由三個亞基α、β、γ組成，βγ兩亞基通常緊密結合在一起，只有蛋白變性時才分開。

近年來發(fā)現(xiàn)了小分子G蛋白家族，為單聚體，共50多種。這些小分子G蛋白為重要的信號轉導物質。包括Ras家族、Rho家族、Rab家族和其他等四類。當前35頁，總共96頁。α亞基上有GTP結合位點，具有GTP激酶的活性結構域，ADP核糖化位點。G蛋白在信號轉導過程中起分子開關的作用當前36頁，總共96頁。非活化型活化型-GDP-GTP+

當前37頁，總共96頁。RＲHACγαβGDPαGTPβγ腺苷酸環(huán)化酶ACATPcAMP當前38頁，總共96頁。二、G蛋白偶聯(lián)受體介導的細胞信號通路根據引起的級聯(lián)反應的不同，分為◆cAMP信號通路◆磷脂酰肌醇信號通路當前39頁，總共96頁。（一）以cAMP為第二信使的信號通路細胞外信號與相應受體結合，導致細胞內第二信使cAMP的水平變化而引起細胞反應的信號通路。cAMP作為第二信使主要通過激活蛋白激酶A進行信號放大。當前40頁，總共96頁?！颿AMP信號通路組成激活型（Rs)抑制型（Ri)

活化型(Gs)

抑制型(Gi)

效應物：即腺苷酸環(huán)化酶(AC)受體

G蛋白接受激活型信號后通過Gs

激活腺苷酸環(huán)化酶的活性通過Gi抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，降低細胞質中cAMP的水平激活腺苷酸環(huán)化酶的活性，提高細胞質中cAMP的水平抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，降低細胞質中cAMP的水平當前41頁，總共96頁。

在信號傳遞中，必有正、負兩種相輔相成的反饋機制來調控其傳遞！●激活型由激活型的信號作用于激活型的受體，經激活型的G蛋白去激活腺苷酸環(huán)化酶，從而提高cAMP的濃度引起細胞的反應?！褚种菩屯ㄟ^抑制型的信號分子作用于抑制型的受體，經抑制型的G蛋白去抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性。當前42頁，總共96頁。激活型與抑制型受體進行信號傳導的效應當前43頁，總共96頁。在該系統(tǒng)中，G蛋白在信號轉導過程中起著分子開關的作用，將信號從受體傳遞給效應物。包括三個過程：配體（信號分子）＋受體受體的構型改變，提高與G蛋白的親和力受體＋G蛋白受體－G蛋白復合物α亞基－GTPG蛋白活化激活效應物（腺苷酸環(huán)化酶）●G蛋白被受體激活●G蛋白將信號向效應物轉移●信號作用終止當前44頁，總共96頁。Gs的調節(jié)作用配體結合改變受體構象，暴露出與Gs結合位點配體－受體復合物與Gs結合GDP解離，GTP取代與之結合，導致α亞基從Gs復合物上解離當前45頁，總共96頁。α亞基結合并活化腺苷酸環(huán)化酶，產生cAMP，同時配體與受體解離，受體恢復原來構象GTP水解導致α亞基脫離腺苷酸環(huán)化酶并與βγ復合物結合成Gs蛋白當前46頁，總共96頁。Gi的調節(jié)作用：Gi對腺苷酸環(huán)化酶的抑制通過兩條途徑：Gi的α亞基與βγ亞基解離后，①通過α亞基與腺苷酸環(huán)化酶結合，直接抑制酶的活性；②通過βγ亞基與游離的Gsα亞基結合，阻斷Gs的α亞基對腺苷酸環(huán)化酶的活化。當前47頁，總共96頁。cAMP的合成與分解:由腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成●第二信使：cAMP●腺苷酸環(huán)化酶：跨膜蛋白，在Mg2+或Mn2+的存在下可催化ATP生成cAMP當前48頁，總共96頁。通過cAMP介導的激素應答實例組織激素應答肝腎上腺素和胰高血糖素糖原水解，葡萄糖合成糖原合成的抑制心肌腎上腺素加快收縮

腎加壓素提高表皮細胞對水的通透性脂肪腎上腺素和胰高血糖素三酰甘油降解當前49頁，總共96頁。當前50頁，總共96頁。●

cAMP的作用機制

通過活化cAMP依賴的蛋白激酶A蛋白激酶A(PKA)是由四個亞基組成的四聚體:

兩個調節(jié)亞基(R亞基)兩個催化亞基(C亞基)當前51頁，總共96頁。蛋白激酶A的激活當前52頁，總共96頁。cAMP信號通路當前53頁，總共96頁。蛋白激酶A的作用機理

被激活的蛋白激酶A可以以兩種方式起作用:①PKA使其靶酶磷酸化：將ATP上的磷酸基團轉移到特定蛋白質的絲氨酸和蘇氨酸殘基（X-Arg-(Arg/Lys)-X-(Ser/Thr)-ф）上進行磷酸化(快速應答）②直接激活特定的基因調控蛋白（CREB）

（慢速應答）當前54頁，總共96頁。對代謝的調節(jié)(快速應答）當前55頁，總共96頁?！飳虮磉_的調節(jié)作用（緩慢應答）cAMP也能啟動基因的表達cAMP蛋白激酶A激活轉錄因子

細胞核DNA特定位點（cAMP反應元件）CREB基因轉錄當前56頁，總共96頁。GsACATPcAMPCCRRCC蛋白磷酸化RR2cAMP2cAMPCREBNPiPiPi轉錄活化域DNA結合域細胞膜核膜當前57頁，總共96頁。ＣＣ結構基因ＣＲＥＢＣＲＥＢ細胞核PiPiＣＲＥＢPiＣＲＥＢPiＣＲＥDNA蛋白質當前58頁，總共96頁。cAMP信號的終止細胞內cAMP濃度的升高對細胞的代謝及基因的表達有重要影響，因此對cAMP的濃度必須進行嚴格控制，以免細胞一直處于過敏狀態(tài)。信號解除有兩種方式●將cAMP迅速降解，通過磷酸二酯酶●通過抑制型的信號作用于RiGiGiα與腺苷酸環(huán)化酶結合抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性當前59頁，總共96頁。細菌毒素對G蛋白的修飾作用(1)霍亂毒素具有ADP－核糖轉移酶活性可以催化Gs的α亞基ADP-核糖基化，使α亞基結合的GTP不能水解，因而處于持續(xù)活化狀態(tài)。(2)百日咳毒素催化Gi的α亞基ADP－核糖基化，使Gi的α亞基不能活化，阻斷了Ri受體引起的對AC的抑制作用。當前60頁，總共96頁。當前61頁，總共96頁。(二)

磷脂酰肌醇雙信使信號通路

第二信使：IP3,二?；视虳G4，5-二磷酸磷脂酰肌醇當前62頁，總共96頁?！半p信使系統(tǒng)”反應鏈：

胞外信號分子→G-蛋白偶聯(lián)受體→G-蛋白→

→IP3

→胞內Ca2+濃度升高

磷脂酶C(PLC)→

→DG→激活PKC→Ca2+結合蛋白(CaM)→細胞反應→蛋白磷酸化或促Na+/H+交換使胞內pH組成：受體、G蛋白、效應物（磷脂酶C)當前63頁，總共96頁。處于靜息狀態(tài)的磷脂酰肌醇信號通路當前64頁，總共96頁。當前65頁，總共96頁。第二信使的產生磷脂酶C的激活:第二信使IP3/DG的生成4，5－二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2)二?；视停―G)三磷酸肌醇（IP3)

IP3啟動第三信使Ca2+的釋放當前66頁，總共96頁。蛋白激酶C的激活蛋白激酶C非活性時是水溶性的，激活后成為膜結合酶。其激活是脂和Ca2+依賴性在IP3、DG和Ca2+共同作用下被激活作用：蛋白激酶C可將靶蛋白的絲氨酸和蘇氨酸殘基磷酸化，參與細胞內生化反應的調控，同時也能作用于細胞核中的轉錄因子，參與基因的調控。當前67頁，總共96頁。對基因表達的調節(jié)作用①蛋白激酶C激活蛋白激酶蛋白激酶磷酸化激活特定基因表達的調控蛋白②蛋白激酶C激活基因表達調控蛋白的抑制蛋白（磷酸化）釋放基因調控蛋白基因轉錄兩條途徑：當前68頁，總共96頁。當前69頁，總共96頁。Ca2+的作用Ca2+除了參與蛋白激酶C的激活外，在細胞分裂、分泌活動、內吞作用、受精、突觸傳遞、代謝以及細胞運動等都有重要作用。細胞中Ca2+濃度：靜息狀態(tài)時，細胞中Ca2+濃度非常低（<10-7M），細胞外和ER中Ca2+濃度要高10000倍。

細胞質中Ca2+濃度的調節(jié)當前70頁，總共96頁。細胞中Ca2+濃度的調節(jié)IP3受體通道氨酸激酶受體Ca2+泵ER中Ca2+泵鈣離子通道當前71頁，總共96頁。鈣調蛋白（CaM）：存在于真核細胞中與Ca結合形成Ca2+－鈣調蛋白復合物（Ca2+-CaM）激活CaM-蛋白激酶靶蛋白磷酸化影響細胞的生命活動鈣調蛋白當前72頁，總共96頁。IP3/DG/Ca2+信號的終止DG信號的解除：（1）被DG磷酸激酶磷酸化，生成磷脂酸（2）被DG酯酶水解生成單脂酰甘油

IP3信號的解除（1）IP3被水解，在5’磷酸酶的作用下，水解為1，4－二磷酸肌醇肌醇（2）被磷酸化生成肌醇－1，3，4，5－四磷酸，再水解成無活性的肌醇－1，3，4三磷酸當前73頁，總共96頁。Ca2+信號的解除：通過降低胞質溶膠中的Ca2+濃度需要四磷酸肌醇參與，打開細胞質膜上Ca2+通道，細胞外Ca2+進入細胞內，Ca2+濃度升高鈣調蛋白活化與膜上Ca2+-ATP酶結合，提高對鈣的親和力將Ca2+迅速泵到細胞外及內質網內使胞質的Ca2+濃度恢復基態(tài)水平CaM-蛋白激酶復合物解離。當前74頁，總共96頁。PKA與PKC系統(tǒng)的不同點：●產生的第二信使不同PKA：cAMPPKC：IP3、DAG●效應物不同：PKC：磷脂酶C，蛋白激酶CPKA：腺苷酸環(huán)化酶，蛋白激酶A●PKC有Ga2+的參與共同點：都是與G蛋白耦聯(lián)當前75頁，總共96頁。一、受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路

受體酪氨酸激酶包括6個亞族

信號轉導：配體→受體→受體二聚化→受體的自磷酸化→激活RTK→胞內信號蛋白→啟動信號傳導第四節(jié)酶聯(lián)受體介導的信號轉導受體酪氨酸激酶，簡稱RTK，是最大的一類酶聯(lián)受體，Ras是原癌基因c-ras表達的產物。當前76頁，總共96頁。當前77頁，總共96頁。

RTK-Ras信號通路：

配體→RTK→adaptor←GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→進入細胞核→其它激酶或基因調控蛋白（轉錄因子）的磷酸化修飾。當前78頁，總共96頁。MAP(有絲分裂原活化蛋白）當前79頁，總共96頁。二聚體彼此相互磷酸化受體胞內酪氨酸殘基.磷酸化的酪氨酸殘基可被含有SH2結構域的胞內信號蛋白或結合蛋白識別并結合當前80頁，總共96頁。GRB-2是一種接頭蛋白，起偶聯(lián)作用，GRB-2同時具有SH2和SH3結構域，Ras激活蛋白（GEF)無SH2結構域，只有SH3結構域。SH2、SH3結構域：Src同源區(qū)GRB-2當前81頁，總共96頁。Ras蛋白具有分子開關作用，Sos是Ras蛋白激活蛋白Ras蛋白從失活態(tài)活化態(tài)需GEF參與GAP可促進Ras蛋白結合的GTP水解為GDP，導致Ras蛋白從活化態(tài)失活態(tài)當前82頁，總共96頁。Ras蛋白的活化對誘導不同類型細胞的分化或增殖是必要而充分的。約30％的人類惡性腫瘤與ras基因突變有關。由RTK介導的信號通路具有廣泛的功能：調節(jié)細胞的增殖與分化，促進細胞存活等。主線：RTK介導的信號通過活化的Ras蛋白激活一系列激酶磷酸化級聯(lián)反應，使信號向下游傳遞。當前83頁，總共96頁。配體是轉化生長因子-βs家族成員，包括TGF-β1-5。依細胞類型不同，可抑制細胞增殖、刺激胞外基質合成、刺激骨骼的形成、通過趨化性吸引細胞、作為胚胎發(fā)育過程中的誘導信號等。（一）受體絲氨酸/蘇氨酸激酶二、細胞表面其他酶連受體當前84頁，總共96頁。使特異的胞內信號蛋白去磷酸化。控制磷酸酪氨酸殘基的壽命，使靜止細胞具有較低的磷酸酪氨酸殘基水平。與酪氨酸激酶協(xié)同工作，如參與細胞周期調控。（二）受體酪氨酸磷酯酶當前85頁，總共96頁。位于腎和血管平滑肌細胞，配體為ANP或BNP。血壓升高時，心房肌細胞分泌ANP，促進腎細胞排水、排鈉，血管平滑肌松弛，血壓下降。信號途徑為：配體→受體鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP→依賴cGMP的蛋白激酶G（