细胞信号转导(2).ppt

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1、第八章 细胞信号转导,第一节 概述 第二节 细胞内受体介导的信号转导 第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导 第四节 酶连受体介导的信号转导 第五节 信号的整合与控制 细胞表面整合蛋白介导的信号传递,第一节 概述,一、细胞通讯（cell communication） 二、信号分子 三、受体 四、第二信使与分子开关 五、细胞识别（cell recognition）,一、细胞通讯（cell communication）,1.概念:一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并产生相应的反应的过程。 2.细胞通讯方式： 分泌化学信号进行通讯 内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自

2、分泌（autocrine） 化学突触（chemical synapse） 接触性依赖的通讯: 间隙连接（或胞间连丝）实现代谢偶联或电偶联,无需信号分子的释放，信号分子和受体都属跨膜蛋白，通过直接的相互作用影响临近的细胞,1. Overview of cell signaling,二、信号细胞与信号分子,信号分子（signal molecule）：由细胞分泌并能引起靶细胞反应的，起信号传递作用的物质或物理信号。能产生信号分子的细胞为信号细胞。 信号分子的分类： （1）亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素 （2）亲水性信号分子：神经递质、肽类激素和局部介质（生长因子）。 （3）气体性信号分子(NO)

3、 特点：特异性；高效性；可被灭活。,1.受体概念:能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。 2.受体的特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。 3.受体的分类: 细胞内受体: 为胞外亲脂性信号分子所激活；属于激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）。 细胞表面受体: 为胞外亲水性信号分子所激活。,三、靶细胞与受体, 特异性的含义: 1、受体与信号分子结合的特异性 2、细胞对信号分子效应的特异性 细胞对信号的两种主要反应: （1）细胞内既存蛋白活性或功能的改变； （2）通过激活或抑制基因表达，改变细胞内特殊蛋白的表达量。

4、细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。 有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach(乙酰胆碱)可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。 有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。,细胞表面受体分属三大家族：,离子通道偶联的受体 （ion-channel-linked receptor）,G-蛋白偶联的受体 （G-protein-linked receptor）,酶偶连的受体 （enzyme-linked receptor）,四、第二信使与分子开关（molecular switches）,1、第二信使 指在胞内产生

5、的行使信号传递功能的小分子，其浓度变化应答于胞外信号与细胞表面受体的结合。如cAMP Ca2+IP3等 2、 分子开关是信号传递过程中激活机制和失活机制的调节者。 细胞内信号传递中作为分子开关的蛋白质可分为两类 A.可逆磷酸化开关蛋白。 B. GTPase开关蛋白。 作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性; 通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,第二节 细胞内受体介导的信号传递,一、细胞内受体本质 细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。存在于细胞质或核中,它与亲脂性信号分子结合。 二、细胞内受体的结构 甾类激素 NO介导的信号通路,一、细胞内受体的本质, 通常细胞内受体与抑制性

6、蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。 当亲脂性信号分子（如皮质醇）穿过质膜进入细胞后，与受体结合，导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。进而调控基因转录。 受体结合的DNA序列是受体依赖的转录增强子。,（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,二、 细胞内受体的结构,有三个不同的结构域: 配体结合位点。 抑制性蛋白结合位点或DNA结合位点。 转录激活结构域。,（三）甾类激素,甾类激素分子相对质量为300Da左右，这类激素通常表现为影响细胞分化等长期的生物学效应。 甾类激素诱导的基因活化分两步反应阶段： 初级反应阶段

7、：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速； 次级反应：初级反应产物再活化其它基因，产生延迟的次级反应，起放大作用。,三、一氧化氮（NO）,NO具脂溶性，可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。 血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以 NADPH作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。 NO的作用机理,NO的作用机理,乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。,第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导,（

8、一）离子通道偶联的受体 （二）G-蛋白偶联的受体介导,（一）离子通道偶联的受体 介导的信号跨膜传递,1. 离子通道受体 由多亚基组成的受体离子通道复合体。 有信号结合位点 离子通道（配体门通道或递质门通道） 类型 阳离子通道：如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体； 阴离子通道：如甘氨酸和氨基丁酸的受体。 2.离子通道受体介导的信号途径 3. 特点：,特点,受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白。 跨膜信号转导无需中间步骤。 主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递。 有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性。,电信号 化学信号 电信号,（二）G-蛋白偶联的受体介导的信号转导,受体

9、与靶蛋白（酶或离子通道）之间的作用需要G蛋白介导。 G蛋白的结构与激活 G蛋白偶联的受体 1. cAMP信号通路 2. 磷脂酰肌醇信号通路,G蛋白的组成与活性变化,G蛋白的结构 G蛋白是三体GTP结合调节蛋白的简称。由三个亚基组成，亚基本身具GTP酶活性， 和亚基结合于膜上，起稳定亚基的作用。 活性变化： G蛋白的活性受结合的GTP和GDP的调节。 （1）激活：配体受体结合亚基解离+结合GTP，活化激活效应器蛋白传递信号； （2）失活： G蛋白亚基具有GTP酶活性，亚基与其靶蛋白相互作用后，几秒钟后把GTP水解成了GDP，亚基便与复合物重新结合成无活性的三聚体G蛋白。,（1）受体激活；（2）G

10、蛋白激活；（3）G蛋白复原失活,G蛋白偶联的受体,7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使。 类型： 多种神经递质、肽类激素的受体； 味觉、视觉和嗅觉感器。 相关信号途径：AMP途径、磷脂酰肌醇途径。,1. cAMP信号通路,1.1 cAMP信号通路组成及其分析 G-蛋白活化与调节 腺苷酸环化酶与CAMP的生成 蛋白激酶A及其磷酸化 快速反应和慢速反应 cAMP信号通路组成 1.2 cAMP信号通路反应链：,1.1 cAMP信号通路反应链,靶蛋白,靶酶,基因调控蛋白,代谢反应,基因转录,激素,G-蛋白偶联受体,G-蛋白,腺苷酸环化酶,c

11、AMP,cAMP依赖的 蛋白激酶A,亚基复合物,亚基,K+通道蛋白,膜电位变化,心肌收缩减慢,Gs调节模型：激素与Rs结合，Rs构象改变，与Gs结合，Gs的亚基排斥GDP，结合GTP而活化，Gs解离出和。 亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP；亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子。 Gi调节模型：通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。,主要组分： 激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri）； 活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；,A. 受体激活; B. G蛋白激活;C. G蛋白失活复原,腺苷酸环化酶

12、与CAMP的生成,腺苷酸环化酶是G蛋白最常见的效应酶（结合在质膜上的糖蛋白） 腺苷酸环化酶：催化ATP合成cAMP【使胞内cAMP水平迅速升高，引起细胞的应答反应】 环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）：cAMP降解腺苷-5-磷酸（5-AMP）【使胞内cAMP水平下降】 许多细胞外信号分子主要是通过改变腺苷酸环化酶的活性来调控cAMP的含量水平，从而调节细胞的应答反应，这是真核细胞应答激素反应的主要机制之一。,在Mg2+或Mn2+存在的情况下，能催化ATP合成cAMP，从而迅速改变细胞内的cAMP含量，引起细胞的应答反应。,环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）可cAMP降解生成腺苷-5-磷酸（5-AMP），使

13、胞内cAMP水平下降。,蛋白激酶A(PKA)及其磷酸化,蛋白激酶A的结构与活性调节 蛋白激酶A的作用机制 活化的PKA特定靶蛋白的ser/thr磷酸化，使靶蛋白被激活，在不同的细胞中不同的靶蛋白被激活，从而引起不同细胞的应答反应。如：,肾上腺素,骨骼肌 细胞,糖原代谢 有关的酶,脂肪组织,脂肪代谢 有关的酶,糖原分解 生成葡萄糖,甘油三脂分解 生成脂肪酸,快速反应和慢速反应,不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同： 快速反应：通过蛋白激酶A的活化，进而激活下游的靶蛋白，从而影响细胞代谢和细胞行为是细胞快速应答胞外信号的过程。 慢速反应：若活化的蛋白激酶A激活基因调控蛋白，则会调节特定基因的转

14、录，这是一个慢速反应过程。,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。 通常无活性，当cAMP与其调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，,糖原磷酸化酶,磷酸化激酶,在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。 CRE（cAMP response element ）是DNA上的调节区域。,2. 磷脂酰肌醇信号通路,2.1磷脂酰肌醇信号通路反应链：,胞外 信号分子,G-蛋白 偶联受体,G-蛋白,磷脂酶C

15、(PLC),IP3,胞内Ca2+ 浓度升高,Ca2+结合 蛋白(CaM),细胞反应,DAG,激活PKC,蛋白磷酸化或 促Na+/H+交换使胞内pH,2.2 磷脂酰肌醇信号通路组成及其分析,ER膜上的 Ca2+通道,钙调蛋白 激酶,PIP2,2.2 磷脂酰肌醇信号通路 组成及其分析,磷脂酶C与双信使的产生 三磷酸肌醇(IP3)-Ca2+途径 DAG-PKC途径 反应的终止,2.2.1 磷脂酶C与双信使的产生,DAG激活蛋白激酶C（PKC）；IP3开启胞内IP3门控钙通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。,胞外信号分子,G蛋白偶联受体,G蛋白,磷脂酶 C（PLC）,三磷酸肌醇（IP3）,二酰基甘油

16、（DAG）,在质膜内侧有4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）。,2.2.2 三磷酸肌醇(IP3)-Ca2+途径,IP3是一种水溶性信号分子，生成后在细胞质中迅速扩散。,IP3,胞内Ca2+ 浓度升高,钙调蛋白 (CaM),ER膜上的 Ca2+通道,靶酶（钙调 蛋白激酶）,靶蛋白 ser/thr磷酸化,细胞的应答反应（快或慢）,其他途径,质膜Ca2+泵,抽Ca2+到胞外,微丝结合蛋白,平滑肌收缩,Ca2+-CaM复合物（可逆）,2.2.3 DAG-PKC途径,二酰基甘油（DAG）形成后仍结合与质膜上,并沿质膜移动。 二酰基甘油主要是通过活化蛋白激酶C（PKC）发挥作用的。 蛋白激酶C位于细胞质,

17、当细胞质中Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，并被DAG活化。 PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶，可使下游靶蛋白的ser/thr磷酸化，从而将靶蛋白激活。,2.2.4 反应的终止,IP3-Ca途径: A. IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4 。 B.Ca2+被质膜上的钙泵和Na+- Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。 DG-PKC途径: A. 是被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环； B.是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,第四节 酶连受体介导的信号转导,酶连受体的共同特征： A. 单次跨膜蛋白； B. 受体胞外区具有配体结合区；胞

18、内 区具有酶活性，或直接和一种酶结合。 C. 接受配体后发生二聚化，起动下游信号转导。 一、 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路 二、 细胞表面其它与酶偶联的受体,共同特征： A. 单次跨膜蛋白； B. 胞外区具有配体结合区；胞内区本身具有酶活性，或直接和一种酶结合。 C. 接受配体后发生二聚化，起动下游信号转导,一、 受体酪氨酸激酶 及RTK-Ras蛋白信号通路,1、受体酪氨酸激酶（RTKs） 包括6个亚族 受体酪氨酸激酶的结构 受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化 受体酪氨酸激酶的信号转导 2、RTK- Ras信号通路：,受体酪氨酸激酶（RTK）的结构,受单次跨膜的蛋白：胞外区是结合配

19、体的结构域，胞内区是RTK的催化结构域，并具有自磷酸化位点。,受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化,二聚化：当配体(如EGF)在胞外与受体结合，会引起其构象发生变化，两个受体分子相互靠拢，形成二聚体，即RTK受体的二聚化。 自磷酸化和激活：在二聚体内，受体分子彼此相互磷酸化其胞内肽段的Tyr残基，即实现受体的自磷酸化。自磷酸化的结果是激活了受体的酪氨酸蛋白激酶活性。 信号转导：磷酸化的Tyr残基可被含有SH2结构域的胞内信号蛋白所识别和结合，由此启动信号转导。,受体酪氨酸激酶的信号转导,信号分子间的识别结构域 SH2结构域（Src Homology 2结构域） 介导与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合。

20、SH3结构域（Src Homology 3结构域） 介导与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。 信号转导：配体受体受体二聚化受体的自磷酸化 激活RTK胞内信号蛋白启动信号传导 RAS蛋白,活化的RTK可以结合细胞内多种带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白。 其中SH2结构域介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合；SH3结构域介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。 有一类接头蛋白，其本身不具酶活性，但可连结受体与另一些信号蛋白的结合，并使后者激活，将信号传递下去。,1.2 RTK- Ras信号通路,RTK- Ras信号通路： 配体RTK adaptor GEF(sos)Ras Raf（MAPKKK

21、）MAPKKMAPK 进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸 细胞反应（增殖、生长、分化等）。,RAS蛋白,RAS蛋白为ras(rat sarcoma)基因的产物，位于质膜内侧。 RAS蛋白具有GTPase酶活性，其活性受结合的GTP和GDP调节。,RAS蛋白,RAS蛋白,GDP,GTP,GEF,GAP,失活态,活化态,GEF：鸟苷酸交换因子 GAP ：GTP酶活化蛋白,Ser/Thr蛋白激酶,Tyr/Thr蛋白激酶,Ser/Thr蛋白激酶,有丝分裂原活化蛋白激酶,Ras释放GDP需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；GEF有SH3结构域，但没有SH2结构域，不能直接和

22、受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接。 Ras从活化态到失活态的转变，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的促进。GAP具有SH2结构域，可和受体直接结合。,二、细胞表面其它与酶偶联的受体,受体丝氨酸/苏氨酸激酶 受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶 酪氨酸蛋白激偶联系的受体,四、由细胞表面整合蛋白介导的信号传递,整合蛋白与粘着斑 导致粘着斑装配的信号通路有两条 粘着斑的功能： 一是机械结构功能； 二是信号传递功能 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路： 由细胞表面到细胞核的信号通路 由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路,Controlling the assembly of focal ad

23、hesions,Signal pathway that lead to the assembly of the fibers of a focal adhesion. Rho is involved in regulating the organization of the cells actin cytoskeleton.,1.The mechanical-structural function of focal adhesion. 2. Signaling function from extracellular surfacenucleus,第五节 细胞信号整合与控制,细胞信号传递的基本特

24、征： 1、胞内内信号传递的级联反应 2、细胞对胞外信号反应具有不同速率 3、信号传递具有收敛（convergence）或发散（divergence）的特点 4、细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性 5、信号的启动放大作用和信号的终止并存，细胞以不同的方式产生对信号的适应。 7、通过蛋白激酶的网络整合信息调控复杂的细胞行为是不同信号通路之间实现交叉连接的一种重要方式,1、胞内信号传递的级联反应,受体与胞外 信号结合,第二信使形成,酶活性激活,离子通道打开,靶蛋白,靶蛋白,靶蛋白,靶蛋白,快速反应，分泌收缩,慢速反应，基因表达,信号转导的共性,1、细胞表面受体介导的信号通路可概括为四步:

25、 （1）特异性受体对胞外信号分子的识别，可互补结合使受体激活。 （2）信号跨膜转导：第一信使通过适当的分子开关机制实现信号的跨膜转换，产生胞内第二信使或活化的信号蛋白。 （3）信号放大：通过信号蛋白的逐级激活，引发细胞内信号放大的级联反应，致使细胞活性改变，产生快速或慢速反应。 （4）信号的终止或下调：通过信号分子失活、受体脱敏等，启动反馈机制终止或降低细胞反应。 2、不同的信号蛋白间存在相互作用：以不同的方式激活靶蛋白或组装成不同的信号转导复合物。,信号转导的正负反馈机制,使信号转导精确而适度，不是持续的而是对胞外信号的瞬间反应。 1、分子开关 2、（1）信号蛋白的磷酸化与去磷酸化 （2）G蛋白或ras蛋白的GTP、GDP结合状态的改变 （3）Ca2+的释放与回收 （4）第二信使的形成与降解 3、受体脱敏反应 （1）通过减少表面受体的数目，降低细胞对外界信号的敏感性。如受体介导的胞吞作用；批量膜流。 （2）受体本身脱敏，通过降低与配体的亲和力，降低受体对胞外微量配体的敏感性。如受体磷酸化或与抑制蛋白结合。,来自细胞表面G蛋白偶联受体、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。,PI(3)K：磷酸肌醇-3-激酶,作业,细胞信号转导研究进研究进展。 物质跨膜运输研究进展。,