1、1,生科系医用生物学教研室,,张秀华,第七章 细胞信号转导,医学细胞生物学,2,?,硝酸甘油为什么可以治疗心绞痛？,肾上腺素为 什么可以使 血糖水平升高,3,掌握：基本概念、G蛋白的作用机制以及各类受体介导的信号通路 熟悉：细胞信号转导的特点 了解：信号转导与疾病,本章教学目标,4,基本概念,细胞的社会性（cell society）：细胞与细胞之间以及细胞内外之间存在着相互沟通、相互作用和相互依赖的关系，多细胞的这种现象称为细胞的社会性。 信号转导(signal transduction)是指将细胞外信息转化为细胞内信息，并引起细胞内某些代谢途径改变，对环境变化作出应答的过程。,5,信号转导的
2、过程,信号分子被靶细胞膜表面受体蛋白特异性识别； 信号有细胞膜外传到细胞膜内； 信号分子与膜上或膜内的效应分子作用，启动细胞应答反应。 随着信号分子的失活和降解，应答反应必须停止。,6,信号分子（signal molecule）：指外界信号（如光、电、化学分子）及生物体内的某些化学分子，主要用来在细胞间和细胞内传递信息，根据化学组成分为激素、神经递质、局部介质。 种类：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物。,第一节 信号分子与受体,7,一、细胞内外信号分子,信号分子,激素,神经递质,局部介质,甾族,非甾族,蛋白质（肽）,氨基酸衍生物,生长因子、细胞因子等蛋白
3、类,前列腺素、视黄酸等脂肪酸分子,8,脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。 水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能与靶细胞表面受体结合，再经信号转换机制，实现信号传递。所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger）。,9,信号分子与受体,10,第一信使（ first messenger）：与膜受体结合的配体（化学信号），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（ second messenger）：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
4、信号的反应。,11,目前公认的第二信使有cAMP 、cGMP 、DG（二酰基甘油）、IP3（三磷酸肌醇）、Ca2+等。第二信使的作用：信号转换、信号放大。,Second Messenger,12,受体（receptor）：能与细胞外信号分子特异性相结合并引发细胞后续反应的一类蛋白质。,13,特异性：受体与信号分子的结合具有一定的专一性。 亲和性：受体与信号分子间存在量-效关系，以解离常数（Kd）-（与受体结合达到最大值50%时相对应的信号分子浓度）表示。 饱和性：一个细胞或一定量组织内受体数目（浓度）是有限的。 可逆性 ：非共价键结合 ，可解离。,14,催化酶耦联型受体,细胞膜受体,离子通道型
5、受体,G蛋白耦联型受体,15,细胞膜受体受体类型,16,离子通道型受体,由多亚基组成，本身既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤。,离子通道型受体主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。以乙酰胆碱受体为代表。,17,乙酰胆碱受体,18,Acetylcholine receptor have three conformations(构象),19,G蛋白偶联受体,是膜受体中最大的家族，分布广泛、类型多样，几乎遍布所有的细胞。,20,具备酶活性的受体,受体蛋白既是受体又是酶，一旦与配体结合即激活受体胞内段的酶活性 ，又称催化受体 (catalytic recept
6、or)。,21,特异性识别配体，并与之结合，将胞外信号转变成胞内信号，引起细胞产生生物学效应。,22,第二节 信号通路,信号通路（signaling pathway）：信息沿着某一特定方向传递的路径。,23,信号通路由许多特定功能的蛋白质组成，该蛋白质由于蛋白激酶或磷酸酶的作用使其构象改变，从而被活化或抑制。 大约有1/3的信号分子的活化形式是蛋白磷酸化。,信号通路,24,The importance of G-proteins,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994,Alfred G. Gilman,Martin Rodbell,25,N
7、O signaling,26,Peptide signaling,控制细胞运输和定位的内在信号蛋白质,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1999,Gnter Blobel,USA,27,The significance of “signal transduction in the nervous system“,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000,“signal transduction in the nervous system“,Sweden,USA,USA,Gteborg Univ
8、ersity Gteborg, Sweden,Rockefeller University New York, NY, USA,Columbia University New York, NY, USA,Paul Greengard,Arvid Carlsson,Eric R Kandel,28,G蛋白：在信号转导过程中，与受体偶联、能与三磷酸鸟苷（GTP）或二磷酸鸟苷（GDP）结合的一类蛋白质。 位于细胞膜内侧，由三个亚基构成异三聚体，具有GTP酶的活性，在信号转导中起分子开关作用。,静息状态,活化状态,29,G蛋白作用机制,30,Gs：激活作用的刺激性G蛋白；激活性受体（Rs） Gi：抑制
9、作用的抑制性G蛋白；抑制性受体（Ri） Gp：在磷脂酰肌醇信号转导过程中发挥重要作用。,哺乳动物中已发现约20种不同的G蛋白，根据其在功能上对效应蛋白的作用不同，可分为：,G蛋白分类 (Classification),31,与G蛋白偶联的受体多为激素类受体，是一类超家族蛋白，其结构特征为分子内含7段疏水性跨膜序列。,32,signal pathway by G-protein linked receptor,根据引起的级联反应的不同，分为：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路,33,真核细胞应答激素反应的主要机制之一。细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内第二信 使cAMP的水平变化而引起细胞反
10、应的信号通路。这一信号通路的首要效应酶是腺苷酸环化酶（A-cyclase，AC），通过腺苷酸环化酶调节胞内cAMP的水平，从而将细胞外信号转换成细胞内反应。,cAMP信号通路,34,cAMP信号通路的组成成分,信号受体(R),腺苷酸环化酶（AC）,G蛋白,激活型受体（Rs）,抑制型受体（Ri）,活化型调节蛋白（Gs）,抑制型调节蛋白（Gi）,35,（1）信号受体（Receptor）,36,Rs和Ri,二者具有相似的七次跨膜结构，但与之相应的胞外信号不同。 属于Rs：肾上腺素（型）受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、促肾上腺皮质激素受体等。 属于Ri：肾上腺素（2型）受体、乙酰胆碱（M）受体、
11、生长激素释放的抑制因子受体。,37,（2）G-蛋白,位于质膜胞质侧，由、三个亚基组成， 和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用。亚基具有GTP酶活性。,38,（3）催化成分,腺苷酸环化酶(AC)：G的底物，跨膜12次。在Mg 2+或Mn 2+的存在下，催化ATP生成cAMP。,39,通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶活性，从而抑制cAMP生成。,Gi调节模型,40,Gs 和Gi调节激素诱导的AC的激活和抑制,41, Gs偶联受体激活腺苷酸环化酶（AC）的模型,Gs调节模型,AC,42,Ac,肾上腺素,受体,ATP,cAMP,无活性PKA,有活性P
12、KA,靶蛋白磷酸化,胞内效应,胞内,第一信号.配体,第二信号,注释:,Ac:腺苷酸环化酶,PKA:蛋白激酶A,Mg2+,细胞分化,糖原分解,.,G蛋白,43,cAMP信号通路效应,cAMP信号通路的主要效应是激活靶酶和开启基因表达，这是cAMP作为第二信使激活环磷酸腺苷依赖性蛋白激酶（蛋白激酶A，PKA）完成的。,44,cAMP信号通路效应,蛋白激酶A （Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活PKA的活性。,45,蛋白激酶A的作用机理,被激活的PKA以两种方式起作用:PKA 使靶蛋白磷
13、酸化：丝氨酸、苏氨酸残基 直接激活特定的转录调控因子 调控基因表达-缓慢过程，PKA与核蛋白反应启动基因表达。,46,Glycogen breakdown in skeletal muscle,47,cAMP can activate protein kinase A, which can phosphorylate CREB（ cAMP responsive element-binding protein cAMP反应元件结合蛋白） and initiate gene transcription.,48,1.配体（如肾上腺素）与受体结合，Rs被激活，构象改变，暴露与Gs结合的部位； 2.配体
14、-受体复合物与Gs结合，Gs活化，Gs的-亚单位(Gs )构象改变，转变结合GDP为GTP; 3. Gs -GTP复合体与二聚体脱离，与AC结合;,细胞表面Gs信号转导过程模式图,刺激性信号途径 （stimulatory signal pathway）,49,细胞表面Gs信号转导过程模式图,刺激性信号途径 （stimulatory signal pathway）,4.腺苷酸环化酶（AC）活化，分解ATP，产生cAMP，细胞内cAMP， cAMP充当第二信使，激活PKA，依次磷酸化无活性的靶蛋白，引起细胞的生物学效应5. Gs分解结合的GTP成为GDP和Pi，Gs与GDP结合，和AC脱离，AC失
15、活。 Gs又重新与形成三聚体，恢复静息状态。,50,cAMP信号途径可表示为：激素 G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶（AC）cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白磷酸化基因转录。,总结：cAMP信号通路,51,cAMP信号通路效应,活化的蛋白激酶A，使糖原合成酶磷酸化，变成非活性状态，阻止糖原的合成。活化的蛋白激酶A，使磷酸化酶激酶磷酸化而被激活，进而激活糖原磷酸化酶，促进糖原的分解。,59,动画,AC,PKA,ATP,52,膜受体与相应的信号分子与结合后，通过G-蛋白激活质膜上的磷脂酶C（PLC），使质膜上磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）水解成1，4，5三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG
16、）两个细胞内第二信使，使胞外信号转换为胞内信号。,磷脂酰肌醇信号通路,53,刺激磷脂酰肌醇信号通路的外界信号分子有： 神经递质：1肾上腺素、5-羟色胺等； 某些多肽类激素：V1-后叶加压素、血管紧张素等； 生长因子：血小板生长因子（PDGF）、T细胞有丝分裂原（PHA)等。,磷脂酰肌醇信号通路,54,G-蛋白,磷酯酶C(PLC),PIP2,IP3,DG,受体,组成成分： 信号受体： G-蛋白 效应物：磷脂酶 C （PLC）,磷脂酰肌醇信号通路,55,内质网中的Ca2+,IP3,DG,胞内Ca2+浓度升高,Ca2+结合蛋白(CaM),细胞反应,激活PKC,靶蛋白磷酸化,磷脂酰肌醇信号通路,56,
17、靶蛋白 磷酸化,Ca2/ CaM,Phospholipase C signal transduction pathway,57,蛋白激酶C（ PKC）位于细胞质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化（PIP2水解释放出的DG是脂溶性的，一直停留在质膜上) 。 PKC刺激多种含丝/苏氨酸的蛋白发生磷酸化。,58,59,Ca2+参与细胞内多种重要生理功能及调节，如细胞的收缩、运动、分泌和分裂等。其信号作用是通过其浓度的升高和降低来实现的。Ca2+一般不直接作用于靶蛋白，而是通过Ca2+ 结合蛋白发挥作用。细胞中有多种钙结合蛋白，钙调蛋白（calmodulin，CaM）是其中最重要
18、的一种。,60,钙调蛋白（CaM）广泛分布于真核细胞中。当细胞中Ca2+超过10-2mM，无活性的CaM即可与Ca2+结合，构象改变而被激活，由此可激活靶蛋白（钙调蛋白激酶）,61,总结：磷脂肌醇信号途径,磷脂酶C,PIP2,DG,IP3,动画,62,血管内皮细胞,(舒张),乙酰胆碱为什么可以使血管平滑肌舒张？,NO介导的信号通路,63,试用NO信号通路解 释硝酸甘油为什么 可以治疗心绞痛？,硝酸甘油,NO,鸟苷酸环化酶,GTP,cGMP,血管平滑肌松弛和血管舒张,NO介导的信号通路,降低平滑肌细胞内钙离子浓度,64,一些生长因子与相应受体结合后，活化受体本身的酪氨酸蛋白激酶，激酶再磷酸化靶蛋
19、白的酪氨酸残基，再通过一系列磷酸化的级联反应，影响基因的表达。,酪氨酸蛋白激酶受体信号通路,65,不需要通过G蛋白，受体本身的酪氨酸蛋白激酶的激活来完成信号跨膜的传导。这类受体亦称为受体酪氨酸蛋白激酶（RTK） 一次跨膜蛋白，胞外区与配体结合，胞内区是酪氨酸蛋白激酶的催化部位。,酪氨酸蛋白激酶受体信号通路,66,受体接受信号分子后相邻两个受体发生二聚化（寡聚化）而激活，并发生自体磷酸化，启动其下游信号转导。,受体酪氨酸激酶（RTK）的活化,67,并非所有含酪氨酸残基的蛋白都能被RTK活化，能够被RTK活化的蛋白具有SH2结构域。 SH2结构域：能够与受体酪氨酸激酶磷酸化残基紧紧结合，形成多蛋白
20、复合物进行信号转导。,受体酪氨酸激酶（RTK）的活化,68,RTK信号通路实际上是一系列含酪氨酸蛋白激酶逐级活化的连续过程。,受体酪氨酸激酶（RTK）的活化,69,激酶活性区,信号分子结合区,酪氨酸蛋白激酶受体信号通路,70,在许多真核生物细胞中，Ras蛋白在RTK介导的信号通路中是一个关键组分，是小分子G蛋白，位于细胞质侧。 Ras蛋白是GTP结合蛋白，有GTPase的活性，结合GTP时为活化状态，结合GDP时为失活状态，有分子开关的作用。,Ras 蛋白,71,Ras蛋白活化态,Ras蛋白失活态,GTP酶激活蛋白（GAP）,鸟嘌呤核苷酸置换因子（GEF）,Ras 蛋白,鸟嘌呤核苷酸置换因子（
21、GEF）,Grb2,SH2,SOs,Ras 蛋白的激活,73,Ras 蛋白的激活,Sos-鸟嘌呤核苷酸置换因子（GEF）,74,RTK介导的受体磷酸化及Ras的活化维持时间短，而细胞增殖与分化需持续的信号刺激，故将RTK 和Ras的活化转化为持续的信号。,MAPK的活化,75,与酪氨酸相比，丝/苏氨酸残基磷酸化蛋白更持久，目前MAPKKK （MAPK激酶的激酶、Raf），MAPKK，MAPK（丝裂素活化蛋白激酶）三类激酶尤为重要。 上游激活蛋白MAPK激酶的激酶（MAPKKK）MAPK激酶（MAPKK）MAPK 通过依次磷酸化将上游信号传递至下游应答分子 。,MAPK的活化,76,77, 信号
22、分子受体(RTK)受体二聚化(Dimer)受体的自磷酸化活化的RTK Ras蛋白Raf(MAPKKK) MAPKKMAPK 转录因子磷酸化激活靶基因细胞应答和效应。,RTK-Ras protein signal pathway,78,Ras-MAPK 途径是 EGFR 的主要信号通路,MAPK：丝裂素活化蛋白激酶,Raf：MAPKKK MEK ：MAPK激酶 ERK：MAPK,79,细胞因子受体是一种跨膜蛋白 通过Jak-STAT途径进行传递； 胞内结构存在SH2特异性识别位点； STAT：信号转录与转导活化蛋白。,细胞因子受体信号通路,80,STAT（信号转录与转导活化蛋白）功能： 与细胞因
23、子受体磷酸化的酪氨酸位点结合，然后自身的酪氨酸被Jak活化； 与受体解离并与另一STAT分子形成二聚体。,细胞因子受体信号通路,81,细胞因子受体信号通路,STAT：信号转录与转导活化蛋白,82,收敛作用 波散作用 相互讲通,细胞信号转导的特点,83,受体相关性疾病 G蛋白与疾病 蛋白激酶功能异常与疾病,信号转导与疾病,84,受体的数量或结构和功能异常引起的疾病。 非胰岛素依赖性糖尿病：胰岛素受体数量减少或功能异常，使细胞对胰岛素的耐受力增强，细胞糖代谢出现障碍，导致糖尿病。,受体相关性疾病,85,重症肌无力：因存在抗乙酰胆碱受体的抗体而引起的自身免疫性疾病。当抗体与受体结合后，降低了受体与乙酰胆碱的结合能力，同时使受体发生分解，患者体内受体减少，信号转导出现障碍。,受体相关性疾病,肌纤维收缩,86,霍乱毒素抑制G，GTP无法水解，cAMP水平升高，促进大量Cl-、HCO3-从细胞进入肠腔，细胞内外渗透压失去平衡，引起大量水分进入肠腔，形成剧烈水样腹泻。,G蛋白与疾病-霍乱,87,蛋白激酶功能异常与疾病 -肿瘤,促癌剂沸波酯 代替DG与PKC 结合细胞恶变,88,Thanks,89,复习题,概念：Signal transduction；receptor， Ras 蛋白受体的种类 膜受体的类型cAMP信使体系要点磷脂酰肌醇信号通路 G蛋白的作用机制 酪氨酸蛋白激酶受体信号通路,
