物質(zhì)的跨膜運輸與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

關(guān)于物質(zhì)的跨膜運輸與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第一節(jié)概述●細(xì)胞通訊●信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性第2頁,共73頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞通訊●細(xì)胞通訊的概念●細(xì)胞通訊方式

●信號分子與受體

●分子開關(guān)與蛋白激酶第3頁,共73頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞通訊（cellcommunication）

一個細(xì)胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個細(xì)胞并與靶細(xì)胞相應(yīng)的受體相互作用，然后通過細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細(xì)胞整體的生物學(xué)效應(yīng)的過程。細(xì)胞間的通訊對于多細(xì)胞生物體的發(fā)生和組織的構(gòu)建，協(xié)調(diào)細(xì)胞的功能，控制細(xì)胞的生長、分裂、分化和凋亡是必須的。第4頁,共73頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞通訊方式

分泌化學(xué)信號進行通訊

內(nèi)分泌（endocrine）

旁分泌（paracrine）

自分泌（autocrine）

化學(xué)突觸（chemicalsynapse）

接觸性依賴的通訊：細(xì)胞間直接接觸，信號分子與受體都是細(xì)胞的跨膜蛋白，如精子和卵子之間的識別

間隙連接和胞間連絲第5頁,共73頁，2024年2月25日，星期天接觸性依賴的通訊第6頁,共73頁，2024年2月25日，星期天信號分子與受體●信號分子（signalmolecule）

親脂性信號分子：甾類激素和甲狀腺素

親水性信號分子：神經(jīng)遞質(zhì)、生長因子、局部化學(xué)遞質(zhì)和大多數(shù)激素

氣體性信號分子：NO

第7頁,共73頁，2024年2月25日，星期天信號分子與受體●受體（receptor）一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白,少數(shù)是糖脂。一般至少包括兩個功能區(qū)域，與配體結(jié)合的區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域，當(dāng)受體與配體結(jié)合后，構(gòu)象改變而產(chǎn)生活性，啟動一系列過程，最終表現(xiàn)為生物學(xué)效應(yīng)。

●第二信使（secondmessenger）:第一信使與受體作用后在胞內(nèi)最早產(chǎn)生的信號分子，如cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）等第8頁,共73頁，2024年2月25日，星期天信號分子其共同特點是：①特異性，只能與特定的受體結(jié)合；②高效性，幾個分子即可發(fā)生明顯的生物學(xué)效應(yīng)，這一特性有賴于細(xì)胞的信號逐級放大系統(tǒng)；③可被滅活，完成信息傳遞后可被降解或修飾而失去活性，保證信息傳遞的完整性和細(xì)胞免于疲勞。第9頁,共73頁，2024年2月25日，星期天

細(xì)胞內(nèi)受體:為胞外親脂性信號分子所激活,激素激活的基因調(diào)控蛋白（胞內(nèi)受體超家族）

細(xì)胞表面受體:為胞外親水性信號分子所激活,

細(xì)胞表面受體分屬三大家族：

離子通道偶聯(lián)的受體（ion-channel-linkedreceptor）

G-蛋白偶聯(lián)的受體（G-protein-linkedreceptor）

酶偶連的受體（enzyme-linkedreceptor）受體第10頁,共73頁，2024年2月25日，星期天受體的功能

介導(dǎo)物質(zhì)跨膜運輸(受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用)

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第11頁,共73頁，2024年2月25日，星期天信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成：①信號識別：胞外信號被細(xì)胞表面特異性受體識別；②信號的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)：產(chǎn)生胞內(nèi)第二信使或活化的信號蛋白；③信號放大：信號傳遞至胞內(nèi)效應(yīng)蛋白，引發(fā)胞內(nèi)信號放大的級聯(lián)反應(yīng)，改變代謝活性/基因表達/細(xì)胞運動；④信號終止：通過受體的脫敏或下調(diào)，終止或降低細(xì)胞反應(yīng)。第12頁,共73頁，2024年2月25日，星期天信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的的特性特異性、放大作用、信號終止或下調(diào)、信號整合第13頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)受體的本質(zhì)是激素激活的基因調(diào)控蛋白

●甾類激素介導(dǎo)的信號通路:信號分子通過簡單擴散進入細(xì)胞內(nèi),與其受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物,穿過核孔進入胞核與特定區(qū)段的DNA結(jié)合，調(diào)節(jié)基因表達.

兩步反應(yīng)階段：

初級反應(yīng)階段：直接活化少數(shù)特殊基因轉(zhuǎn)錄，發(fā)生迅速；

次級反應(yīng)階段：初級反應(yīng)產(chǎn)物再活化其它基因產(chǎn)生延遲的放大作用。●一氧化氮介導(dǎo)的信號通路第14頁,共73頁，2024年2月25日，星期天NO作用于鄰近細(xì)胞。NO在血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L-精氨酸為底物，NADPH為電子供體，生成NO和L-瓜氨酸。NO第15頁,共73頁，2024年2月25日，星期天NO的作用機理：乙酰膽堿→血管內(nèi)皮→Ca2+濃度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌細(xì)胞→鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP升高→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(nèi)轉(zhuǎn)化為NO。

第16頁,共73頁，2024年2月25日，星期天1998年三位美國科學(xué)家因?qū)O信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的研究而獲得諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

第17頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2.5通過細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的

信號跨膜傳遞

●離子通道偶聯(lián)的受體

●

G-蛋白偶聯(lián)的受體

●酶偶聯(lián)受體第18頁,共73頁，2024年2月25日，星期天離子通道偶聯(lián)的受體

信號途徑

特點：

受體/離子通道復(fù)合體，

跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無需中間步驟

主要存在于神經(jīng)細(xì)胞或其他可興奮細(xì)胞間的突觸信號傳遞

有選擇性：配體的特異性選擇和運輸離子的選擇性第19頁,共73頁，2024年2月25日，星期天G-蛋白偶聯(lián)的受體(GPLR)

●

G蛋白

●

cAMP信號通路●磷脂酰肌醇信號通路●其它G-蛋白偶聯(lián)的受體

第20頁,共73頁，2024年2月25日，星期天G蛋白

三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）簡稱G蛋白，位于質(zhì)膜胞質(zhì)側(cè)，由α、β、γ三個亞基組成，α和γ亞基通過共價結(jié)合的脂肪酸鏈尾結(jié)合在膜上（脂錨定蛋白），G蛋白在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著分子開關(guān)的作用，當(dāng)α亞基與GDP結(jié)合時處于關(guān)閉狀態(tài)，與GTP結(jié)合時處于開啟狀態(tài)，α亞基具有GTP酶活性，能催化所結(jié)合的GTP水解，恢復(fù)無活性的三聚體狀態(tài)。第21頁,共73頁，2024年2月25日，星期天G蛋白分子開關(guān)第22頁,共73頁，2024年2月25日，星期天G蛋白的激活與失活第23頁,共73頁，2024年2月25日，星期天

酶偶聯(lián)受體

酶偶聯(lián)型受體分為兩類，其一是本身具有激酶活性，如肽類生長因子（EGF，PDGF，CSF等）受體；其二是本身沒有酶活性，但可以連接非受體酪氨酸激酶，如細(xì)胞因子受體超家族。這類受體的共同點是：①通常為單次跨膜蛋白；②接受配體后發(fā)生二聚化和自磷酸化而激活，啟動其下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

第24頁,共73頁，2024年2月25日，星期天酶偶聯(lián)受體●受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路●細(xì)胞表面其它與酶偶聯(lián)的受體

受體絲氨酸/蘇氨酸激酶

受體酪氨酸磷酸酯酶

受體鳥苷酸環(huán)化酶（ANPs-signals）

酪氨酸蛋白激酶聯(lián)接的受體

組氨酸激酶連接的受體（與細(xì)菌的趨化性有關(guān)）

第25頁,共73頁，2024年2月25日，星期天cAMP信號通路

反應(yīng)鏈：激素→G-蛋白偶聯(lián)受體(GPLR)→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26頁,共73頁，2024年2月25日，星期天cAMP信號通路

組分及其分析

G-蛋白偶聯(lián)受體

G-蛋白活化與調(diào)節(jié)腺苷酸環(huán)化酶：效應(yīng)酶蛋白激酶A

環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶：降解cAMP生成5’-AMP，終止信號。

細(xì)菌毒素對G蛋白的修飾作用第27頁,共73頁，2024年2月25日，星期天細(xì)菌毒素對G蛋白的修飾作用例如：霍亂毒素能催化ADP核糖基共價結(jié)合到Gs的α亞基上，致使α亞基喪失GTP酶的活性，結(jié)果GTP永久結(jié)合在Gs的α亞基上，使α亞基處于持續(xù)活化狀態(tài)，腺苷酸環(huán)化酶永久性活化。導(dǎo)致霍亂病患者小腸上皮細(xì)胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。第28頁,共73頁，2024年2月25日，星期天弧形霍亂菌第29頁,共73頁，2024年2月25日，星期天不同細(xì)胞對cAMP信號途徑的反應(yīng)：在肌肉細(xì)胞，1秒鐘內(nèi)可啟動糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細(xì)胞，需要幾個小時，激活的PKA進入細(xì)胞核，將CRE（cAMPresponseelement）結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達。CRE是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。第30頁,共73頁，2024年2月25日，星期天磷脂酰肌醇信號通路第31頁,共73頁，2024年2月25日，星期天磷脂酰肌醇信號通路

“雙信使系統(tǒng)”反應(yīng)鏈：胞外信號分子→G-蛋白偶聯(lián)受體→G-蛋白→

→IP3→胞內(nèi)Ca2+濃度升高→Ca2+結(jié)合蛋白(CaM)→細(xì)胞反應(yīng)磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化、活化Na+/H+交換使胞內(nèi)pH

信號的終止

第32頁,共73頁，2024年2月25日，星期天二酰基甘油（DG）DG結(jié)合于質(zhì)膜上，可活化與質(zhì)膜結(jié)合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于細(xì)胞溶質(zhì)中，當(dāng)細(xì)胞接受刺激，產(chǎn)生IP3，使Ca2+濃度升高，PKC便轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DG活化，PKC可以使蛋白質(zhì)的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，使不同的細(xì)胞產(chǎn)生不同的反應(yīng)，如細(xì)胞分泌、肌肉收縮、細(xì)胞增殖和分化等。第33頁,共73頁，2024年2月25日，星期天IP3信號：依次去磷酸化為自由肌醇。Ca2+信號：被鈣泵和Na+-Ca2+交換器抽出細(xì)胞，或被泵回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。DG信號：被DG激酶磷酸化為磷脂酸；或被DG酯酶水解成單酯酰甘油。信號的終止第34頁,共73頁，2024年2月25日，星期天受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路

受體酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs） 包括6個亞族，主要功能是調(diào)控細(xì)胞生長分化。

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：配體→受體→受體二聚化→受體的自磷酸化→ 激活RTK→胞內(nèi)信號蛋白→啟動信號傳導(dǎo)

RTK-Ras信號通路： 配體→RTK→adaptor←GRF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→進入細(xì)胞核→其它激酶或基因調(diào)控蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）的磷酸化修鈽。第35頁,共73頁，2024年2月25日，星期天Ras蛋白

Ras蛋白是ras基因的表達產(chǎn)物，Ras蛋白的活化對細(xì)胞的分化和增殖是必須的，大量研究表明，約30%的人類惡性腫瘤與ras基因突變相關(guān)。原因在于突變的Ras蛋白失去了其水解GTP的能力，所以被鎖定在開啟狀態(tài)，引起增殖失控。第36頁,共73頁，2024年2月25日，星期天受體酪氨酸激酶的二聚化

和自磷酸化第37頁,共73頁，2024年2月25日，星期天由細(xì)胞表面整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的信號傳遞●整聯(lián)蛋白與粘著斑●粘著斑的功能：

一是機械結(jié)構(gòu)功能；

二是信號傳遞功能：有到胞核和核糖體得兩條信號途徑第38頁,共73頁，2024年2月25日，星期天整聯(lián)蛋白由

和

兩個亞基形成的異二聚體糖蛋白，其胞外段具有多種胞外基質(zhì)組分的結(jié)合位點，可與不同的配基結(jié)合。不僅介導(dǎo)細(xì)胞與基質(zhì)之間的粘著，還提供了一種細(xì)胞外環(huán)境調(diào)控細(xì)胞內(nèi)活性的渠道。第39頁,共73頁，2024年2月25日，星期天信號的整合與控制

●細(xì)胞對信號的整合：

細(xì)胞信號系統(tǒng)是多通路、多環(huán)節(jié)、多層次和高度復(fù)雜的可控過程，細(xì)胞反應(yīng)得適當(dāng)性依賴于細(xì)胞對多種接收信號的整合能力。細(xì)胞對信號反應(yīng)具有收斂（convergence）和發(fā)散（divergence）的特點：

信號的強度或持續(xù)時間不同從而控制反應(yīng)的性質(zhì)；

不同細(xì)胞的同樣受體其下游通路也是不同的；

整合信號匯聚其他信號通路的輸入從而修正細(xì)胞對信號的反應(yīng)。胞內(nèi)信號系統(tǒng)是多途徑，多環(huán)節(jié)，多層次整合的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)第40頁,共73頁，2024年2月25日，星期天信號的整合與控制細(xì)胞對信號的整合：信號的解除與終止和信號的啟動對確保細(xì)胞對信號的適度反應(yīng)同等重要。細(xì)胞以不同的受體脫敏方式產(chǎn)生對信號的適應(yīng)。靶細(xì)胞對信號分子脫敏的5種方式：受體沒收、受體下行調(diào)節(jié)、受體失活、信號蛋白失活和產(chǎn)生抑制蛋白第41頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2.3分子開關(guān)

（molecularswitches）第46頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2.3蛋白激酶

（Proteinkinases）

蛋白激酶是一類磷酸轉(zhuǎn)移酶，其作用是將ATP的γ磷酸基轉(zhuǎn)移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質(zhì)磷酸化，蛋白激酶在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中主要作用有兩個方面：其一是通過磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性，磷酸化和去磷酸化是絕大多數(shù)信號通路組分可逆激活的共同機制；其二是通過蛋白質(zhì)的逐級磷酸化，使信號逐級放大，引起細(xì)胞反應(yīng)。第47頁,共73頁，2024年2月25日，星期天2.3蛋白激酶

蛋白激酶的種類

激酶

磷酸基團受體蛋白絲氨酸／蘇氨酸激酶絲氨酸／蘇氨酸羥基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基蛋白組／賴／精氨酸激酶咪唑環(huán)，胍基，ε－氨基蛋白半胱氨酸激酶巰基蛋白天冬氨酸／谷氨酸激酶?；?8頁,共73頁，2024年2月25日，星期天（A）細(xì)胞內(nèi)受體蛋白作用模型;（B）幾種胞內(nèi)受體蛋白超家族成員第49頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共73頁，2024年2月25日，星期天NO在血管平滑肌舒張中的作用第51頁,共73頁，2024年2月25日，星期天

乙酰膽堿N受體（290KD）

5個亞基組成（

2

）調(diào)節(jié)主要為亞基變化通道開啟：Na+

內(nèi)流，K+外流，膜去極化。第52頁,共73頁，2024年2月25日，星期天cAMP信號通路反應(yīng)鏈第53頁,共73頁，2024年2月25日，星期天蛋白激酶A第54頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共73頁，2024年2月25日，星期天IP3和DG的作用第56頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共73頁，2024年2月25日，星期天腺苷酸環(huán)化酶第58頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第59頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第60頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第61頁,共73頁，2024年2月25日，星期天ConvergeonRas第62頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第63頁,共73頁，2024年2月25日，星期天第64頁,共73頁，2024年2月25日，星期天RTKGLRLigandLigand