1、第五章 细胞信号转导,本章要点：,细胞信号转导概述细胞内受体介导的信号转导G蛋白耦联受体介导的信号转导酶联受体介导的信号转导细胞表面整联蛋白介导的信号转导信号的整合与控制,一、细胞通讯（cell communication） 1. 概念：信号细胞发出的信息传递到靶细胞并与受 体相互作用，引起靶细胞产生特异性生物 学效应的过程。,第一节 概述,2. 细胞通讯的方式,细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯。 细胞间接触依赖性的通讯。 细胞间形成间隙连接或胞间连丝实现细胞间的通讯。,细胞分泌化学信号的 作用方式可分为4种类型：,内分泌（激素） 旁分泌（某些生长因子） 自分泌 通过化学突触传递神经信号,不
2、同的细胞间通讯方式,接触依赖性通讯,内分泌,旁分泌,自分泌,化学突触,F: 形成间隙连接的通讯,3. 细胞通讯过程,细胞通讯中两个基本概念的理解：信号传导（cell signalling)-强调信号的产生与细胞间传送。信号转导（cell transduction)-强调信号的接收与接收后信号转换的方式和结果。,细胞通讯的六个基本步骤：,细胞内化学信号分子的合成； 细胞释放化学信号分子到周围环境； 化学信号分子运送至靶细胞； 通过质膜上特异性受体识别化学信号分子； 信息的跨膜转导,将胞外信号转导为胞内信号； 通过一定的方式,引起细胞的应答反应（生物学效应）,二、细胞的信号分子与受体,（一）信号分
3、子（配体）1. 概念：指生物体内的某些化学分子，即非营养物质，又非能源物质和结构物质，也不是酶。它们能与靶细胞受体结合并传递信息。包括激素、局部介质、神经递质等。,人体内分泌系统图,2. 分类：,亲脂性信号分子： 特点：分子小、疏水性强，可穿过细胞膜与细胞质或细胞核中受体结合形成激素受体复合物，调节基因表达。 主要代表为甾类激素和甲状腺素,亲水性信号分子： 特点：不能穿过脂双层，只能与靶细胞表面受体结合，再经信号转换机制，在细胞内产生第二信使引起细胞的应答反应。 主要包括神经递质、生长因子、局部化学介质、大多数激素。 气体性信号分子：NO是第一个被发现的气体信号分子.,（二）受体,1. 概念：
4、一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，受体结合特异性配体后被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为细胞生物学效应。,2.分类：细胞内受体细胞表面受体,小的亲脂性的信号分子,亲水性的信号分子,细胞内受体,位于细胞质基质或核基质中； 识别并结合小的脂溶性分子； 通常是基因调控蛋白或酶，与信号分子结合后被激活。,细胞表面受体,离子通道耦联受体 G蛋白耦联受体 酶连受体,3. 特点：,同一信号分子作用于不 同靶细胞的受体后，产 生不同的生物学效应。 同一靶细胞上不同的受 体应答不同的胞外信号 产生相同的生物学效应。每种细胞都有自身的 一
5、套受体。,乙酰胆碱结构式,作用于唾腺 细胞引分泌,作用于心肌细胞 降低收缩频率,作用于骨骼肌 细胞引起收缩,三、第二信使,发现过程 概念 种类,1. cAMP的发现（Sutherland）,胰高血糖素或肾上腺素能使与之温育的破碎肝细胞制剂中的磷酸化酶激活； 将破碎细胞制剂离心而被分成主要含细胞膜的微粒组分和可溶性的上清组分，磷酸化酶仅存在于上清组分中； 胰高血糖素或肾上腺素与上清组分温育，磷酸化酶没有被激活；说明微粒组分对磷酸化酶活化是必须的； 激素与微粒组分温育，某种物质释放； 将该物质加入上清组分，磷酸化酶被激活。 Sutherland鉴定出这种由微粒组分的膜所释放出来的物质为环式腺嘌呤单
6、核苷酸（cAMP）,2. 概念：细胞外的信号分子（第一信使）与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子称为第二信使，其功能是启动和协助细胞内信号的逐级放大。 3. 包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3)、二酰基甘油（DG）等。,第二节 细胞内受体介导的信号转导,细胞内核受体及其对基因表达的调节NO作为气体信号分子进入靶细胞直接 与酶结合。,一、细胞内核受体对基因表达的调节 配体：为脂溶性、相对分子量小，可直接穿膜，类固醇激素、视黄酸、维生素D等； 受体的本质：依赖激素激活的基因调控蛋白； 受体由三部分组成：C端-激素结合位点中部-DNA或抑制性蛋白的结合位点N端-转录激活结构域,转录激活结构
7、域,激素结合位点,DNA结合结构域,抑制蛋白复合物,A:细胞内受体蛋白作用模型,B:几种胞内受体蛋白超家族成员,雌激素受体,皮质醇受体,孕酮受体,维生素D受体,甲状腺素受体,视黄酸受体,核内受体信号传递途径,二、NO介导的信号通路,NO做为信号分子的发现： 乙酰胆碱在体内可以松弛血管的平滑肌细胞，然而这一反应在离体条件下得不到重复。 主动脉剥片与乙酰胆碱温育时，制备物通常极少或没有反应。 主动脉环与乙酰胆碱温育做出反应表现出松弛。 主动脉环上的内皮细胞以某种形式介入临近平滑肌细胞的反应。 乙酰胆碱与内皮细胞表面受体的结合导致一种扩散性介质的产生和释放，正是这种介质引起肌肉细胞松弛。1986年有
8、两位科学家鉴定这一扩散介质为NO。,1998年R.Furchgott等三位美国科学家因对NO 信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖,2. NO概述,NO为脂溶性气体，可快速扩散透过细胞膜，作用于临近靶细胞； 血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞； NO的生成以精氨酸为底物由NO合成酶（NOS)催化； NO的效应酶是鸟苷酸环化酶。,3.NO导致血管平滑肌舒张的作用机制？ P230: 8-11, 血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞G蛋白耦联受体并激活磷脂酶C，通过第二信使导致细胞质Ca2+浓度增加； Ca2+结合钙调蛋白刺激一氧化氮合成酶，以精氨酸为底物在内皮细胞中合成NO; NO
9、扩散进入临近的平滑肌细胞，在那里结合并激活鸟苷酸环化酶，该酶使GTP转变成cGMP； cGMP活化蛋白激酶G，从而抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，导致血管平滑肌细胞松弛，血管舒张。,硝酸甘油治疗心绞痛：其作用机理是在硝酸甘油代谢生成NO，后者刺激心脏血管平滑肌细胞舒张，从而增加心脏供血。 败血症休克病：该病是在某些革兰氏阳性菌感染细胞时，诱发巨噬细胞在全身释放NO,再由NO触发大范围的血管舒张。已显示一氧化氮合酶的抑制物有望成为一种治疗败血症休克的有效药物。,4. NO与药物,第三节 G蛋白耦联受体介导的信号转导,A: G蛋白偶联的受体：,概念： G蛋白偶联的受体是指配体-受体复合物与靶蛋白
10、（酶或离子通道）的作用通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将包外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。,2. 结构：,受体为7次跨膜蛋白； 受体胞外结构域识别并结合胞外信号分子，胞内结 构域与G蛋白耦联； 3. 与受体结合的信号分子的广泛性。,G蛋白的发现过程： 破损细胞中外源GTP对于激素刺激或抑制腺苷酸环化酶活性是必须的，跨膜信号转导需要GTP存在； 缺失G蛋白的突变细胞不能使腺苷酸环化酶激活； 将突变细胞的质膜制剂与正常细胞中制备的G蛋白混合，可重新激活该体系； 用纯化的肾上腺素、刺激性G蛋白、腺苷酸环化酶和人工磷脂囊泡，成功重建了腺苷酸环化酶系统。 这些实验阐明了胞外信号如何转换
11、为胞内信号的机制,B:G蛋白,1994年美国科学家A.G. Gilman和M. Rodbell因发现G-蛋白及其在细胞信号传导中的作用而获得诺贝尔医学和生理学奖,2. G蛋白的结构,全称：三聚体GTP结合调节蛋白； 由、三个亚基组成，二聚体及亚基共价结合脂分子锚定于膜上； G亚基具有GTP酶活性，是分子开关蛋白，与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。,胞外信号结合所诱导的G蛋白的活化,3.G蛋白的活化过程,G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路,cAMP信号通路 磷脂酰基醇信号通路 G蛋白耦联受体介导的离子通道及其调控,一、cAMP信号通路,概念：细胞外信号与相应受体结合，激活G
12、蛋白耦联系统，激活效应酶腺苷酸环化酶（AC），导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而激活蛋白激酶A（PKA），最终引起细胞应答。,反应链：信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A细胞产生不同的应答反应,腺苷酸环化酶,跨膜12次的膜蛋白，胞质 侧有2个催化结构域；结合GTP的Ga亚基与腺苷 酸环化酶结合，使之活化；在Mg2+、Mn2+存在条件下能将ATP转变成cAMP.,腺苷酸环化酶 催化ATP生成cAMP,环腺苷磷酸二酯酶降解cAMP为5AMP,2. cAMP浓度的调节,cAMP浓度的调节是细胞快速应答胞外信号的重要分子基础,3. 激活型和抑制型cAMP信号
13、通路,不同的信号分子与相应的受体（Rs、Ri）结合，耦联相应的三聚体G蛋白(GSa Gia) 从而激活或抑制腺苷酸环化酶的活性，提高或降低cAMP的水平。,脂肪细胞激素诱导的腺苷酸环化酶的激活与抑制,4. 蛋白激酶A(PKA)：结构：由两催化亚基和两调节亚基组成；功能：PKA的活化导致细胞产生不同的应答反应。,调节亚基,激活亚基,PKA的细胞质功能- 激活靶酶影响细胞代谢 （快速应答胞外信号）,PKA的细胞核功能- 开启基因表达合成特异性蛋白 （缓慢应答胞外信号）,胰高血糖素和肾上腺素刺激肝细胞促进糖原分解的生物学机制（信号转导机制）？,胰高血糖素或肾上腺素同细胞表面受体特异性结合； 通过激活
14、G蛋白活化腺苷酸环化酶； 激活的腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP， cAMP同蛋白激酶A的调节亚基的别够位点结合，将PKA激活， 活化的PKA使糖原合成酶磷酸化从而抑制葡萄糖合成糖原， 同时PKA可使磷酸化酶激酶磷酸化而促进糖原分解为1-磷酸葡萄糖，最后生成葡萄糖进入血液循环。,信号分子与受体结合通过G蛋白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高激活蛋白激酶A，被活化的蛋白激酶A（催化亚基）转位进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答结合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。,cAMP信号通路对基因转录的激活,5. 作用于G蛋白的毒素,霍乱毒
15、素:引起患者严重腹泻。霍乱毒素催化Gs的亚基ADP-核糖基化，从而使腺苷酸环化酶被“锁定”在活化状态，致使小肠上皮细胞中cAMP增加100倍以上，导致膜蛋白使大量Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。类似：便秘-麻仁润肠丸,百日咳:是由百日咳杆菌所引起。该菌产生的百日咳毒素同样使Gi蛋白a亚基进行ADP-核糖基化，阻止了Gi蛋白a亚基上的GDP被GTP取代，使其失去对AC的抑制作用，结果导致气管上皮细胞内cAMP水平增加。由于百日咳经呼吸道感染，引起呼吸系统细胞中cAMP浓度提高，促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。,小结： 详述 cAPM 信号通路,二、磷脂酰肌醇信号通路,概念：胞外
16、信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上的磷脂酰肌醇（PI)最终水解为三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号，两个第二信使分别以不同的方式引起细胞的应答反应。,反应链：胞外信号分子G蛋白偶联的受体G蛋白磷脂酶C(PLC),IP3胞质Ca2+浓度升高Ca2+-CaM复合体靶蛋白磷酸化细胞应答DAG激活PKC靶蛋白或基因调控蛋白的磷酸化 细胞应答,磷脂酰肌醇 信号通路图解,1.IP3引起胞质溶胶中Ca2+浓度的升高,IP3打开内质网膜上的IP3-门控Ca2+通道，细胞质基质中Ca2+浓度迅速升高； 细胞质基质中Ca2+浓
17、度是严格受控的 IP3信号的终止通过依次的去磷酸化形成自由的肌醇而实现。,1.2.3内质网膜及质膜上的的Ca2+通道（顺浓度梯度）,4.5质膜和内质网膜上的Ca2+泵（逆浓度梯度）,6.质膜上的Na+-Ca2+交换器（逆浓度梯度、可兴奋细胞）,1,2,3,4,5,6,细 胞 内 Ca2+ 水 平 调 控 示 意 图,钙调蛋白由148个氨基酸残基组成，含4个结构 域,每个结构域可结合一个Ca2+ .,Ca2+-CaM复合体通过激活不同的靶酶调节细胞行为.,2. Ga2+-CaM复合体,3.DAG激活蛋白激酶C(PKC),细胞质基质中Ca2+浓度 的升高，导致PKC转位到 质膜内表面，被DAG活化
18、,PKC通过使底物蛋白磷酸 化使细胞产生应答反应 （细胞分泌、肌肉收缩、 细胞增殖及分化）。,DG信号作用的终止：靠DG激酶的磷酸化和DG酯酶的水解而终止DG的信使作用。,活化的PKC可通过两条途径增强特殊基因的转录,PKC通过激活一条蛋白激酶的级联反应，最终激活MAPK,MAPK转位进入细胞核，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白的磷酸化合活化，进而增强特异基因的转录。 PKC的活化导致抑制蛋白的磷酸化，使胞质中的基因调控蛋白摆脱抑制状态，进入细胞核，激活特殊基因的转录。,小结：详述磷脂酰肌醇信号通路,第四节 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,1. 受体酪氨酸激酶,受体酪氨酸激酶
19、（recepor tyrosine kinase,RTK）已鉴定50余种，包括6个亚族； RTKs为单体蛋白:含胞外结构域、一个疏水的跨膜a螺旋、胞内结构域； RTKs的信号分子：神经生长因子（NGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、 上皮生长因子（EGF） 、胰岛素(insulin)； RTKs的主要功能控制细胞的生长、分化。,受体酪氨酸激酶（RTK）的6个亚族,2. 信号分子的结合导致RTK发生自磷酸化,EGF的酪氨酸激酶受体 信号分子与受体结合导致受体的二聚化 受体构象改变发生自磷酸化,活化的RTK结合含SH2结构域的胞内信号蛋白，如GRB2和PLC和GA
20、P等,3.活化的RTK激活Ras,GRB2与活化的RTK和Sos结合，接近Ras-GDP促进其生成Ras-GTP,GDP的释放需要鸟苷酸交换因子（GEF）参与；Ras蛋白活性受GAP的促进,Ras：由190个氨基酸残基组成的单体GTP结合蛋白，是一种GTPase开关蛋白,Ras蛋白 GTP-GDP转换机制,4. 活化Ras蛋白MAPK磷酸化级 联反应MAPK转位进入 细胞核使基因调控蛋 白磷酸化细胞应答,小结：详述RTK-Ras信号通路,细胞表面整联蛋白介导的信号转导,体外培养的正常细胞在悬浮培养的条件下不能生长、分裂细胞的增殖必须依赖于细胞表面和细胞外基质之间建立接触。 细胞外基质主要组分：
21、纤黏连蛋白、胶原蛋白、蛋白聚糖等。,反应链： 与整联蛋白结合的胞外配体 整联蛋白 黏着斑的形成 激活Src 激活FAK GRB2-Sos Ras活化 MAPK 细胞核的基因转录,整联蛋白(integrin)：细胞表面的跨膜蛋白，由和亚基组成,具有供各种胞外物质（包括纤黏连蛋白、胶原蛋白等）结合的位点。其作用不仅使细胞附着于基质上，同时也提供了一种细胞外环境可以调节细胞内活动的途径。,黏着斑(focal adhesions)：细胞与胞外基质之间形成的复杂的大分子复合体，含成簇的整联蛋白、细胞质蛋白和肌动蛋白纤维。其组装受信号控制，具有信号转导功能。 Src（src编码的蛋白）：一种定位在黏着斑结
22、构中的酪氨酸激酶。 FAK (focal adhesion kinase) ：黏着斑激酶，可被活化的Src激活。,小结： 详述细胞表面整联蛋白介导的信号通路,第五节 信号的整合与控制,一、细胞对信号的整合 收敛（convergence）不同类型的受体识别与结合各自的特异性配体，来自各种非相关受体的信号，可以在细胞内汇聚，收敛成激活一个共同的效应器，从而引起细胞生理、生化反应和细胞行为的改变。,来自细胞表面G蛋白耦联受体、整联蛋白和受体酪氨酸激酶所转导的信号都收敛到Ras蛋白，然后沿MAPK级联反应途径向下传递。,细胞对信号的整合 -收敛,发散（divergence）：来自同一配体的信号可以发散
23、性的激活各种不同的效应器，从而表现出细胞信号转导的发散性特征。,4条平行 的胞内信号通路间的交叉对话,3.交叉对话（cross talk）： 不同的信号通路之间实现交叉的一种方式,各条信号通路之间关系的复杂性,二、细胞对信号的控制,细胞以不同的方式产生对信号的适应： 通过降低表面受体的数目，降低细胞对外界信号的敏感性； 通过受体脱敏，降低受体对胞外配的敏感性； 受体已被激活的情况下，通过使其下游蛋白发生变化，而影响细胞通路。,本章小结：,信号分子和受体的分类： 细胞内受体介导的信号转导 类固醇激素受体依赖激素激活的基因调控蛋白 NO可直接与靶细胞内的效应酶结合 细胞表面受体介导的信号转导 G蛋
24、白耦联受体介导的信号通路 受体酪氨酸激酶介导的信号通路 细胞表面整联蛋白介导的信号通路 细胞对信号的整合与控制,核内受体信号传递途径,NO导致血管平滑肌舒张的作用机制？ P230: 8-11, 血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞G蛋白耦联受体并激活磷脂酶C，通过第二信使导致细胞质Ca2+浓度增加； Ca2+结合钙调蛋白刺激一氧化氮合酶，以精氨酸为底物在内皮细胞中合成NO; NO扩散进入临近的平滑肌细胞，在那里结合并激活鸟苷酸环化酶，该酶使GTP转变成cGMP； cGMP活化蛋白激酶G，从而抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，导致血管平滑肌细胞松弛，血管舒张。,小结： 详述 cAPM 信号通路,小结：详述磷脂酰肌醇信号通路,小结：详述RTK-Ras信号通路,小结： 详述细胞表面整联蛋白介导的信号通路,谢谢,
