大學分子細胞學第6章 信號傳導(dǎo)

第6章細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)內(nèi)容提要

一.細胞通訊與信號識別二.通過細胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳遞(重點和難點)三.通過細胞表面受體介導(dǎo)的信號跨膜傳遞(重點和難點)四.由細胞表面整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的信號傳遞(難點)五.細胞信號傳遞的基本特征與蛋白質(zhì)激酶的網(wǎng)絡(luò)整合信息第一節(jié)細胞通訊

cellcommunication生命與非生命物質(zhì)最顯著的區(qū)別在于生命是一個完整的自然的信息處理系統(tǒng)。生命現(xiàn)象是信息在同一或不同時空傳遞的現(xiàn)象，生命的進化實質(zhì)上就是信息系統(tǒng)的進化。一、細胞通訊

cellcommunication(一)細胞通訊（cellcommunication）

是體內(nèi)一部分細胞發(fā)出信號，另一部分細胞（targetcell）接收信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎δ茏兓倪^程。細胞針對外源信息所發(fā)生的細胞內(nèi)生物化學變化及效應(yīng)的全過程稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）。多種細胞外信號引起動物細胞的應(yīng)答

細胞通訊的功能:多細胞生物體的發(fā)生和組織的構(gòu)建,協(xié)調(diào)細胞的功能,控制細胞的生長和分裂.細胞通訊的主要類型細胞通訊的方式及引起的某些反應(yīng)

三種主要方式：細胞間隙連接、細胞間接觸依賴性通訊、化學通訊。（1）細胞間隙連接兩個相鄰的細胞以連接子（connexon）相聯(lián)系。連接子中央為直徑1.5nm的親水性孔道。允許小分子物質(zhì)如Ca2+、cAMP通過，有助于相鄰?fù)图毎麑ν饨缧盘柕膮f(xié)同反應(yīng)，如可興奮細胞的電耦聯(lián)現(xiàn)象（電緊張突觸）。（2）細胞間接觸依賴性通訊即細胞識別（cellrecognition）。如：精子和卵子之間的識別，T與B淋巴細胞間的識別。（3）化學通訊細胞分泌一些化學物質(zhì)（如激素）至細胞外，作為信號分子作用于靶細胞，調(diào)節(jié)其功能，按作用方式可分為4類?(1)內(nèi)分泌（endocrine）：內(nèi)分泌激素隨血液循環(huán)輸至全身，作用于靶細胞。特點：①低濃度10-8-10-12M，②全身性，③長時效。(2)旁分泌（paracrine）：信號分子通過擴散作用于鄰近的細胞。包括：①各類細胞因子（如表皮生長因子）；②氣體信號分子（如：NO）。(3)突觸信號：神經(jīng)遞質(zhì)經(jīng)突觸作用于特定的靶細胞。(4)自分泌（autocrine）：信號發(fā)放細胞和靶細胞為同類或同一細胞，常見于癌變細胞。(二)、細胞的信號分子與受體1.細胞的信號分子(分親脂性和親水性兩類)種類：短肽、蛋白質(zhì)、氣體分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂類、膽固醇衍生物。特點：①特異性；②高效性；③可被滅活。三種不同類型的信號分子及其信號傳導(dǎo)方式

脂溶性信號分子（如甾類激素和甲狀腺素）可直接穿膜進入靶細胞，與胞內(nèi)受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物，調(diào)節(jié)基因表達。水溶性信號分子（如神經(jīng)遞質(zhì)）不能穿過靶細胞膜，只能經(jīng)膜上的信號轉(zhuǎn)換機制實現(xiàn)信號傳遞，所以這類信號分子又稱為第一信使（primarymessenger）。2、受體（receptor）能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白，至少包括兩個功能區(qū)域：配體結(jié)合區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域。如整聯(lián)蛋白.受體的特征：①特異性；②飽和性；③高度的親和力。根據(jù)存在部位分為：細胞內(nèi)受體（intracellularreceptor）、細胞表面受體（cellsurfacereceptor）。細胞表面受體與細胞內(nèi)受體

細胞對信號的反應(yīng)不僅取決于其受體的特異性，而且與細胞的固有特征有關(guān)。(受體與配體間不是一對一的關(guān)系)有時相同的信號可產(chǎn)生不同的效應(yīng)，如乙酰膽堿可引起骨骼肌收縮、降低心肌收縮頻率，引起唾腺細胞分泌。(信號放大效應(yīng))有時不同信號產(chǎn)生相同的效應(yīng)，如腎上腺素、胰高血糖素，都能促進肝糖原降解而升高血糖。(信號增強)相同的信號分子在不同的靶細胞中引起不同的應(yīng)答

2、第二信使與分子開關(guān)1957年，E.Sutherland在研究腎上腺素促進肝糖原分解的機制時發(fā)現(xiàn)，這些激素的作用依賴于細胞產(chǎn)生一種小分子化合物環(huán)腺苷酸（cyclicAMP，cAMP），從而提出了cAMP是激素在細胞內(nèi)的第二信使這一著名的激素信號跨膜傳遞學說。第一信使：細胞外信號分子。第二信使（secondarymessenger）：胞外信號分子與受體作用后在胞內(nèi)最早產(chǎn)生的信號分子。第二信使的產(chǎn)生及作用

第二信使的作用：信號轉(zhuǎn)換、信號放大。對cAMP的研究及第二信使的提出獲得1971年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎.細胞內(nèi)五種第二信使的結(jié)構(gòu)

主要的第二信使：cAMP、cGMP、IP3、DAG、Ca2+cAMP和cGMP的結(jié)構(gòu)及其代謝GTPase開關(guān)蛋白GTP酶GTP酶GTP活化失活GDPGAPRASGDIGTPGDPGEF靶蛋白的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白細胞應(yīng)答反應(yīng)細胞外信號受體細胞內(nèi)多種分子的濃度、活性、位置變化細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本路線二、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特征

第二節(jié)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)細胞內(nèi)受體的本質(zhì)是激素激活的基因調(diào)控蛋白細胞內(nèi)受體的結(jié)構(gòu):位于C端的激素結(jié)合位點位于中部的DNA或HSP90結(jié)合位點位于N端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域。一、細胞內(nèi)核受體及其基因表達的調(diào)節(jié)位于細胞內(nèi)的受體多為轉(zhuǎn)錄因子，與相應(yīng)配體結(jié)合后，能與DNA的順式作用元件結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)基因表達。該型受體結(jié)合的信息物質(zhì)有類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸、維生素D等，它們進入細胞后，有些可與其位于細胞核內(nèi)的受體相結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物，有些則先與其在細胞質(zhì)內(nèi)的受體相結(jié)合，然后以激素-受體復(fù)合物的形式穿過核孔進入核內(nèi)。核受體結(jié)構(gòu)及作用機制示意圖1、甾類激素信號分子甾類激素分子相對質(zhì)量為300Da左右，這類激素通常表現(xiàn)為影響細胞分化等長期的生物學效應(yīng)。甾類激素誘導(dǎo)的基因活化分為兩個階段：

①直接活化少數(shù)基因轉(zhuǎn)錄的初級反應(yīng)階段，發(fā)生迅速。②初級反應(yīng)的基因產(chǎn)物再活化其他基因，產(chǎn)生延遲的次級反應(yīng)，對初級反應(yīng)起放大作用。多數(shù)位于細胞核內(nèi),個別的親脂性小分子，如前列腺素，其受體在細胞膜上。NO可快速擴散透過細胞膜，作用于鄰近細胞。血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞是NO的生成細胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase，NOS）催化，以L精氨酸為底物，以NADPH作為電子供體，生成NO和L-瓜氨酸。2、NO信號分子

(硝酸甘油治療心絞痛)

NO的生理調(diào)節(jié)作用主要通過激活鳥苷酸環(huán)化酶、ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶和環(huán)氧化酶完成。NO與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶分子中的血紅素鐵結(jié)合生成的cGMP引起鳥苷酸環(huán)化酶構(gòu)象改變.酶活性增高cGMP作為第二信使，產(chǎn)生生理效應(yīng)GTPNO在導(dǎo)致血管平滑肌舒張中的作用膜表面受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道耦聯(lián)受體G-蛋白耦聯(lián)受體酶連受體細胞內(nèi)受體細胞膜受體受體特性離子通道受體G-蛋白偶聯(lián)受體酶連受體

內(nèi)源性配體神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)遞質(zhì)、激素、趨化因子、外源刺激（味，光）生長因子細胞因子結(jié)構(gòu)寡聚體形成的孔道單體具有或不具有催化活性的單體跨膜區(qū)段數(shù)目4個7個1個功能離子通道激活G蛋白激活蛋白酪氨酸激酶細胞應(yīng)答去極化與超極化去極化與超極化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能和表達水平調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的功能和表達水平，調(diào)節(jié)細胞分化和增殖三種膜受體的特點離子通道型受體是一類自身為離子通道的受體，它們的開放或關(guān)閉直接受化學配體的控制，被稱為配體-門控受體通道（ligand-gatedreceptorchannel）。配體主要為神經(jīng)遞質(zhì)。又稱作遞質(zhì)門控離子通道。第一節(jié)離子通道型受體離子通道受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的最終作用是導(dǎo)致了細胞膜電位改變，即通過將化學信號轉(zhuǎn)變成為電信號而影響細胞功能的。離子通道型受體可以是陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體；也可以是陰離子通道，如甘氨酸和γ-氨基丁酸的受體。乙酰膽堿受體的結(jié)構(gòu)與其功能離子通道偶聯(lián)受體與信號傳導(dǎo)第二節(jié)G蛋白耦聯(lián)型受體及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）得名于這類受體的細胞內(nèi)部分總是與異源三聚體G蛋白結(jié)合，受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的第一步反應(yīng)都是活化G蛋白。GPCR是七次跨膜受體（serpentinereceptor）受體結(jié)構(gòu)的特點：*受體的N端可有不同的糖基化。*受體內(nèi)有一些高度保守的半胱氨酸殘基，對維持受體的結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵作用。*胞內(nèi)的第二和第三個環(huán)能與G-蛋白相偶聯(lián)。*C-末端的高度保守的Cys殘基在腎上腺素能α受體、腎上腺素能β受體和視紫質(zhì)受體中可被棕櫚?；?，可穩(wěn)定受體胞內(nèi)部分的三級結(jié)構(gòu)。*受體的C-末端和胞內(nèi)第三環(huán)含有多個Thr和Ser殘基可被磷酸化，與抑制蛋白——β-視紫紅質(zhì)抑制蛋白（arrestin）結(jié)合，使受體不能再活化G蛋白而失活。受體結(jié)構(gòu)的特點：鳥苷酸結(jié)合蛋白（guaninenucleotidebindingprotein，Gprotein）簡稱G蛋白，亦稱GTP結(jié)合蛋白，是一類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，在各種細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中轉(zhuǎn)導(dǎo)信號給不同的效應(yīng)蛋白。G蛋白的GTP/GDP結(jié)合狀態(tài)決定信號通路的開關(guān)G蛋白結(jié)合的核苷酸為GTP時為活化形式，作用于下游分子使相應(yīng)信號途徑開放；當結(jié)合的GTP水解為GDP時則回到非活化狀態(tài)，使信號途徑關(guān)閉。（一）G蛋白1.異源三聚體G蛋白：與7次跨膜受體結(jié)合，以α亞基（Gα）和β、γ亞基(Gβγ)三聚體的形式存在于細胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。2.低分子量G蛋白（21kD）G蛋白類型：α亞基（Gα）β、γ亞基(Gβγ)具有多個功能位點α亞基具有GTP酶活性與受體結(jié)合并受其活化調(diào)節(jié)的部位；βγ亞基結(jié)合部位；GDP/GTP結(jié)合部位；與下游效應(yīng)分子相互作用部位；主要作用是與α亞基形成復(fù)合體并定位于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)；在哺乳細胞，βγ亞基也可直接調(diào)節(jié)某些效應(yīng)蛋白。1.異源三聚體G蛋白：兩種G蛋白的活性型和非活性型的互變目錄RＲHACγαβGDPαGTPβγ腺苷酸環(huán)化酶ACATPcAMPG蛋白通過G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupledreceptors，GPCRs）與各種下游效應(yīng)分子，如離子通道、腺苷酸環(huán)化酶、PLC聯(lián)系，調(diào)節(jié)各種細胞功能。

重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子-----

低分子質(zhì)量G蛋白低分子量G蛋白（21kD），它們在多種細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中亦具有開關(guān)作用。Ras是第一個被發(fā)現(xiàn)的小G蛋白，因此這類蛋白質(zhì)被稱為Ras家族，因為它們均由一個GTP酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，故又稱Ras樣GTP酶。在細胞中還存在一些調(diào)節(jié)因子，專門控制小G蛋白活性：增強其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸交換因子（guaninenucleotideexchangefactor，GEF）和鳥苷酸釋放蛋白（guaninenucleotidereleaseprotein，GNRP）；降低其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子（guaninenucleotidedissociationinhibitor，GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。GTPGDPRasRasSOSGAPonoffRas的活化及其調(diào)控因子二、偶聯(lián)G蛋白受體的信息傳導(dǎo)途徑：cAMP信號途徑cGMP信號途徑

IP3信號途徑DAG信號途徑Ca2+信號途徑

主要信號途徑：cAMP途徑、磷脂酰肌醇途徑（一）、cAMP-蛋白激酶Ａ途徑組成胞外信息分子，受體，G蛋白，腺苷酸環(huán)化酶(adenylatecyclase，AC)，cAMP，蛋白激酶A(proteinkinaseA，PKA)1.cAMP的合成與分解PPiATPACMg2+cAMP5′-AMP

磷酸二酯酶H2OMg2+cAMPATPACPPiAMPPDEH2O磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)腺苷酸環(huán)化酶(adenylatecyclase,AC)2.cAMP的作用機理PKA的激活R調(diào)節(jié)亞基C催化亞基目錄RR（cAMP-dependentproteinkinase，PKA）R：調(diào)節(jié)亞基C：催化亞基cAMP蛋白激酶AＣＣ3.PKA的作用a對代謝的調(diào)節(jié)作用通過對效應(yīng)蛋白的磷酸化作用，實現(xiàn)其調(diào)節(jié)功能。磷酸化酶激酶ｂ磷酸化酶激酶ａATP磷酸化酶ｂ磷酸化酶ａATP

PPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶H2OPPi

PKA抑制物Ｉa抑制物Ｉb

ATP磷蛋白磷酸酶PPi腎上腺素對糖原代謝的影響腎上腺素＋受體腎上腺素·受體復(fù)合物激活Ｇ蛋白激活A(yù)CATPcAMPPKA

目錄受cAMP調(diào)控的基因中，在其轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，稱為cAMP應(yīng)答元件(cAMPresponseelement,CRE)?？膳ccAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白

(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)相互作用而調(diào)節(jié)此基因的轉(zhuǎn)錄。2.對基因表達的調(diào)節(jié)作用GsACATPcAMPCCRRCC蛋白磷酸化RR2cAMP2cAMPCREBNPiPiPi轉(zhuǎn)錄活化域DNA結(jié)合域細胞膜核膜ＣＣ結(jié)構(gòu)基因ＣＲＥＢＣＲＥＢ細胞核PiPiＣＲＥＢPiＣＲＥＢPiＣＲＥDNA蛋白質(zhì)細菌毒素對G蛋白的修飾作用

引起霍亂病患者嚴重腹瀉的原因?霍亂毒素能催化ADP核糖基共價結(jié)合到Gs的α亞基上，使α亞基喪失GTP酶的活性，使GTP不能水解,cAMP酶處于持續(xù)活化狀態(tài)。導(dǎo)致霍亂病患者細胞內(nèi)Na+和水份持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴重腹瀉而脫水。引起百日咳患者嚴重咳嗽的原因?百日咳毒素同樣使G蛋白的α亞基ADP核糖化。與霍亂毒素作用機理不同的是，百日咳毒素使Gi蛋白α亞基進行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白α亞基上的GDP被GTP取代，使其失去對腺苷酸環(huán)化酶的抑制作用，其結(jié)果也是使cAMP的濃度增加。由于百日咳是經(jīng)呼吸道感染的，被感染的細胞與呼吸系統(tǒng)相關(guān)，這些細胞中cAMP濃度的提高，促使大量的體液分泌進入肺，引起嚴重的咳嗽。2.cGMP-蛋白激酶G途徑受體，鳥苷酸環(huán)化酶(guanylatecyclase,GC)，cGMP,蛋白激酶G(proteinkinaseG，PKG)組成cGMP的合成和降解

GTPGＣMg2+PPicGMP磷酸二酯酶H2OCa2+或Mg2+5′-GMP使有關(guān)蛋白或酶類的絲、蘇氨酸殘基磷酸化PKG的功能NOGCPKG

蛋白質(zhì)磷酸化GCG蛋白GTPcGMP激素R胞膜*生理效應(yīng)：如心鈉素、NO舒張血管平滑肌。（二）、磷脂酰肌醇途徑胞外信號分子與細胞表面G蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C（PLC-β），使質(zhì)膜上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（diacylglycerol,DAG）兩個第二信使。IP3開啟胞內(nèi)IP3門控鈣通道，-Ca2+濃度升高，激活鈣調(diào)蛋白。IP3-Ca2+DG激活蛋白激酶C（PKC）：DG-PKC1.Ca2+－磷脂依賴性蛋白激酶途徑組成胞外信息分子，G蛋白蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)磷脂酶C(phospholipaseC,PLC)甘油二脂(diacylglycerol,DAG)三磷酸肌醇(inositol1,4,5triphosphate,IP3)（1）DAG，IP3的生物合成和功能PIP2PLCDAG+IP３除PLC能特異性地水解PIP2生成DAG外，還可通過下面途徑生成DAG。磷脂酰膽堿(PC)磷脂酸(PA)+膽堿DAG磷脂酶D(PLD)DAG，IP3的功能DAG：在磷脂酰絲氨酸和Ca2+協(xié)同下激活PKCIP3：與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌漿網(wǎng)上的受體結(jié)合，促使細胞內(nèi)Ca2+釋放。（2）PKC的結(jié)構(gòu)與生理功能結(jié)構(gòu)與分型：其氨基酸序列有四個保守區(qū)（C1、C2、C3、C4)和可變區(qū)（Ｖ），分為調(diào)節(jié)域和催化域。C1：富含Cys，DAG、TPA結(jié)合部位C2：Ca2+結(jié)合部位調(diào)節(jié)域C3：ATP結(jié)合部位C4：結(jié)合底物并進行磷酸化轉(zhuǎn)移的場所催化域

分類Ca2+

依賴型：，，，Ca2+

非依賴型：、、、、

調(diào)節(jié)域

催化域C1C2C3C4，，C1C3C4、、、

C3C4C1②調(diào)節(jié)基因表達PKC對基因的活化分為早期反應(yīng)和晚期反應(yīng)。*PKC的生理功能①調(diào)節(jié)代謝活化的PKC引起一系列靶蛋白的絲、蘇氨酸殘基磷酸化。靶蛋白包括：質(zhì)膜受體、膜蛋白和多種酶。PKC對基因的早期活化和晚期活化目錄2.Ca2+－鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶途徑受體、G蛋白、PLC、IP3、Ca2+、鈣調(diào)蛋白、CaM激酶(Ca2+－CaM激酶途徑)鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)有四個Ca2+結(jié)合位點。與Ca2+一起激活CaM激酶，磷酸化多種功能蛋白質(zhì)（絲、蘇氨基酸殘基）。組成酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶蛋白激酶是催化ATPγ-磷酸基轉(zhuǎn)移至靶蛋白的特定氨基酸殘基上的一大類酶。

激酶磷酸基團的受體蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白組/賴/精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶絲氨酸/蘇氨酸羥基酪氨